如何利用OpenGL巧妙实现GPU仿真

GPU（Graphics Processing Unit）图形处理器，是一种可以在个人电脑、工作站和移动设备（如平板电脑、智能手机等）上进行图形计算工作的微处理器，通常由图形显存控制器、压缩单元、BIOS（Basic Input Output System，基本输入输出系统）、图形和计算整列、总线接口、电源管理单元、视频管理单元等组成。

GPU不像CPU（Central Processing Unit，中央处理器）一样可以使用常规方法进行编程操作，一般作为辅助单位配合CPU工作。控制GPU工作的方法有很多，比较通用的是采用OpenGL图形库。

OpenGL（Open Graphics Library，开放式图形库）是用于渲染2D、3D矢量图形的跨语言、跨平台的应用程序编程接口（API，Application Programming Interface），也是调用GPU功能的编程规范，严格规定了每个函数该如何执行及其输出值。OpenGL由近350个不同的函数调用组成，通常用于实现从简单的图形绘制到复杂的三维景象，常应用于CAD（Management Software Computer AIded Design，MS-CAD，管理软件计算机辅助设计）、虚拟现实、科学可视化程序和电子游戏开发。

OpenGL并未对实现细节进行规范，无论实现形式如何，只要其功能和结果与规范相匹配（用户不会感受到功能上的差异）即可。实际的OpenGL库开发者通常是显卡的生产商，相关OpenGL版本均为该系列显卡专门开发。

GPU的使用对象（图形应用开发者）一般更为关注GPU所支持的OpenGL版本，其次是硬件资源。前者关系到自己开发应用的底层图形接口的版本，后者则涉及性能问题。就目前来讲，GPU的采购价格相对昂贵，研发阶段难以做到人手一个硬件平台。采用仿真手段及方案则可大大减少前期的研发投入，更利于进行快速验证和持续集成。

天目全数字实时仿真软件SkyEye能够以半物理化的形式实现GPU仿真，可通过SkyEye将虚拟机上对OpenGL库的调用“映射”到真实GPU上进行操作。

具体来说，在SkyEye上运行的目标机系统完全透明，开发人员可以利用多种手段捕获目标机程序中调用的特定OpenGL接口规范，并将其转译成宿主机真实GPU所支持的OpenGL接口规范，同时调用宿主机GPU来运行转译后的OpenGL接口，并将运行结果反馈给目标机，从而实现基本的图形渲染模拟及数学运算的场景。

▲SkyEye仿真JM7200，渲染三维图形效果图

开发人员还可基于SkyEye实现触屏设备的仿真：将触屏设备的触点交互转换成对宿主机上图形窗口上的鼠标交互，确保宿主机与目标机数据互通有无，操作一致。

通过SkyEye内置的GPU仿真模块，开发人员可构建与目标机真实环境一致的运行环境。任何存在图形处理需求的场景都可以应用SkyEye，常见场景如下：

1. 航电系统领域：提供对显控计算机、飞行画面的模拟；

2. 消费电子领域：提供对移动端GPU的模拟；

3. 医疗设备领域：提供对医疗影像处理的模拟；

4. 智慧安防领域：提供对图形处理的模拟；

5. 边缘计算领域：提供对AI计算的模拟。

基于SkyEye的GPU仿真方案有着诸多显著优势：

1. 适配性好，方便替换各类GPU（该GPU只需要支持OpenGL即可）；

2. 性能强劲，由于半虚拟化仿真的特点，可以直接接入更高性能的GPU提升渲染速度，加快图形化应用的整体运行速度，提升整个仿真系统的性能。

SkyEye，中文全称天目全数字实时仿真软件，是基于可视化建模的硬件行为级仿真平台，支持用户通过拖拽的方式对硬件进行行为级别的仿真和建模，是真实物理硬件的数字孪生。