图形处理发展的目标始终是在计算机上呈现出更好的显示效果。为了满足人眼对这一目标的需求,图形处理系统需要更快的计算速率,更大的数据吞吐率,更高的显示分辨率,更多的色彩和场景细节。此外,嵌入式设备不断被寄予更高的希望,比如手机,人们不仅仅满足于发短信、打电话和上网等功能,更希望它能成为一台优质的游戏机、电视机等等。综上,因为人们对于嵌入式GPU的需求日益增长,所以自研GPU芯片的工作迫在眉睫。本文的研究对象就是图形处理GPU芯片,通过对国内外现有产品和技术的一系列学习研究,最终使用VerilogHDL语言实现了嵌入式GPU中的统一染色器核。这是GPU能够高效并行计算的关键技术,也是GPU芯片中最为重要的部分。本文在第二章详细描述了设计的相关准备工作:首先概述了 GPU研究的意义以及国内外对GPU研究的历史和发展情况。然后通过系统地分析图形管线的发展,确定了本文使用的是统一架构的图形管线,再就业界先进GPU厂商的统一染色架构产品进行了详细研究。最后根据染色器核要实现的具体功能主要研究了顶点坐标转换和光照计算的关键算法。本文的第三、四章从架构设计到模块设计,详细介绍了统一染色器核的具体实现方法。首先是32位精简指令集的设计,事实上,每一个染色器核都能实现全部类型的运算,而在实际使用中,将各个计算核进行编程并对数据进行加载和存储的操作,正是通过灵活的指令集体系来完成的。然后介绍了统一染色器核的架构设计方案,根据SIMT的软硬件协同调度技术实现了多线程的高度并行,根据指令执行的五个阶段优化了五级流水线。最后,为了提高统一染色器核的处理效率,在通用实现方案的基础上,重点研究了指令双发射的实现方法以及光照计算单元的实现方案;因为五级流水线中发射阶段最为复杂,一般处于时序的关键路径上,所以特别针对发射方案进行了优化;而光照计算量大且计算复杂,所以设计一个专门的计算单元用于处理专门的光照指令,也是对执行效率的重要提升。最后,本文对统一染色器核的所有逻辑设计进行了虚拟平台验证(包含模块级验证和系统级验证两部分),并给出了相应波形和分析结果。另外还进行了 FPGA验证,以更真实的电路对设计的功能进行了验证,FPGA的综合过程也呈现了代码的实现情况、资源使用情况和时序约束情况,对性能方面的简单分析也证明了本设计满足了预期的设计目标。实验结果证明了本文设计的GPU芯片中的统一染色器核能高效的完成相应图形处理功能,达到预期目标。