Графические средства современных RISC-систем

ОЦЕНКА ГРАФИЧЕСКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Теоретические изыскания рано или поздно находят свое воплощение в конкретных графических системах, устанавливаемых в реальных рабочих станциях и серверах. В конечном итоге именно возможности коммерческих систем оказываются важны для потребителя, поэтому, несмотря не быстрый прогресс в этой области, попытаемся доделать как бы моментальный снимок сегодняшнего состояния графических систем, предлагаемых различными фирмами-производителями. Усовершенствование графических систем происходит несколько медленнее, чем прогресс в области разработки процессоров, системных плат и шин, однако этот год оказался весьма урожайным на новые семейства ускорителей: фирмы DEC, HP, IBM, SGI и Sun выпустили новые серии графических систем, имеющих в два-три раза более высокую производительность чем предыдущие модели. Учитывая, что многие из зтих компаний предлагают весьма широкий спектр продукции, имеют большой и обладают развитой системой сервисного вания, такой рывок на ниве систем машинной графики дает при интегрльных решенях весьма ощутимее снижение соотношение цена/производительность

Графика компании Digital

Корпорация Digital Equipment недавно выпустила целый букет графических ускорителей ZLXp-Е и ZLXp-L, которые в совокупности с высокопроизводительными системами Freedom позволяют практически неограниченно наращивать графические возможности Alpha станций и серверов.

Семейство ZLXp-E включает три ускорителя: El (2 Мбайт памяти, модель 8 бит/пиксель), Е2 (8 Мбайт, 24 бит/пиксель) и Е3 (16 Мбайт, 12 бит/пиксель с двойной буферизацией). Все модели имеют унифицированное подключение к станциям AlphaStation через один слот на шине, обладают возможностями построения стереоскопических систем и в разной степени аппаратно поддерживают OpenGL, Х, РЕХ, PHIGS и GKS. Предусмотрена также реализация Autodesk Hoops для Digital Unix, OpenVMS и GDI для NT. Все модели имеют аппаратные средства закраски трехмерных объектов по методу Гуро. Модель Е2 при работе с моделью 8 бит/пиксель позволяет осуществлять двойную буферизацию и 16-разрядный Е буфер, необходимый для выполнения отсечения невидимых граней. В этой модели предусмотрена специальная система быстрого копирования 24-разрядных картинок из памяти на экран, что делает ее привлекательной для задач обработки изображений и в издательских системах.

Для приложений, требующих интенсивной работы с трехмерными поверхностями можно использовать ускоритель ZLXp-L, имеющий не только аппаратные средства реализации методов закраски, но и ряда операций стандарта OpenGL, позволяющих получать высокореалистичные изображения. Оба ускорителя L1 и L2 данного семейства применяют модель 24 разряда на пиксель, имеют 4 плоскости перекрытия, 8 трафаретных плоскостей и полномасштабный 24-разрядный Z-буфер, что немаловажно для трехмерных приложений. Модель Ll имеет 16 Мбайт памяти, один блок визуализации или геометрическую машину и требует для своего подключения один PCI слот. На 50% более производительная модель L2 имеет 32 Мбайт памяти, две геометрические машины, но требует для подключения два слота PCI.

Программное обеспечение для работы с ускорителями ZLXp поддерживает стандарт OpenGL и другие стандарты, причем независимо от текущей конфигурации аппаратного ускорителя. Если в текущей конфигурации не предусмотрена реализация, например, процедуры OpenGL, отвечающей за тоновую закраску с размывкой изображений, имитирующей эффект тумана, то данная возможность должна быть реализована программно. В состав программного обеспечения, работающего под управлением ОС OpenVMS, Digital Unix и Windows NT входят средства поддержки DisplayPostscript, MIT multi-buffering, Х Image Extension, DECstereo Extension.

Организация графического взаимодействия внутри системного окружения Windows NT осуществляется через Support Services Software (SSS), прочно увязанного с ZLXp. Для рабочих станций AlphaStation система SSS обеспечивает загрузку дисплейных драйверов, совместимых с NT 3.5 и поддерживающих OpenGL. Работая в среде NT, пользователь через Digital OpenGL (который, кстати, является общим для операционных систем OpenVMS, Digital Unix и NT), получает доступ к любым графическим устройствам.

В конечном итоге для пользователя важны не столько цифры показателей производительности отдельных графических адаптеров, сколько интегральные характеристики конкретной конфигурации станции или сервера. Таблица 1 обобщает имеющиеся на сегодня данные по некоторым графическим станциям различных фирм-производителей. Все приведенные в таблице модели имеют следующую конфигурацию: память 64 Мбайт, диск 1 Гбайт, монитор 20 или 21 дюймов.

Таблица 1.

Как видно из таблицы, новые системы компании Digital весьма неплохо смотрятся среди моделей фирм, давно работающих на рынке графических систем и могут с успехом выступать в одной весовой категории с HP 715/100 Visualize 24 и Indigo 2/XZ.

Графика HP

Условно говоря, сегодня графический вывод у всех фирм-производителей реализуется двумя основными способами: в первом графический ускоритель работает независимо от центрального процессора, самостоятельно выполняя все операции, необходимые для вывода графической картинки, во втором графические системы интегрированы в процессор, который берет на себя часть необходимых вычислений. Существуют также и промежуточные варианты. Первый подход исповедует SGI в своей хрестоматийной концепции геометрических машин, совокупность которых образует независимый от процессора графический модуль, отвечающий за визуализацию данных, полученных от центрального процессора.

Основным идеологом второго подхода является компания Hewlett-Packard, микропроцессоры PA-RISC которой кроме обычных для процессора функций выполняют также ряд специфических графических операций. Например, система команд РА 7100/LC включает инструкции работы с мультимедийными данными: обработка графических пикселей, операции по работе со звуком и пикселями видеоизображений. Данный процессор способен в режиме реального времени самостоятельно, без каких-либо дополнительных устройств выполнять упаковку по MPEG со скоростью 30 кадров в секунду. Свое дальнейшее развитие идеология интеграции в одном чипе графических систем получила также в новых процессорах 7200 и 8000. Основное преимущество такого подхода - автоматическое повышение графической производительности при замене процессора на более мощный, что, с другой стороны, можно рассматривать и как недостаток - процессору приходится выполнять "побочные" обязанности.

Семейство традиционных ускорителей CRX и HCRX фирмы HP было расширено недавно тремя принципиально новыми моделями Visualize 8, Visualize 24 и Visualize 48, использующих возможности встроенного процессора РА-RISC, параллельно выполняющего операции вещественной арифметики. Теперь линия масштабируемых графических систем будет иметь следующий вид: для двумерных и трехмерных приложений ГИС, механического и электротехнического САПР предлагается использовать Visualize 8 и 24, а системы моделирования, визуализации данных научных исследований и системы виртуальной реальности могут базироваться на Visualize 48. Для масштабирования графической производительности к станциям HP могут подключаться ускорители Freedom Series.

Конструктивно графические системы серии Visualize представляют собой отдельную плату, на которой размещается буфер кадров, генератор векторов, управляющий блок, а главное - графический ускоритель, построенный на базе суперскалярной технологии PA-RISC, позволяющей распараллеливать выполнение операций над вещественными числами. В результате, при использовании систем 8 и 24 достигается производительность уровня CRX-48Z - предыдущего графического ускорителя компании HP, однако при цене в два раза меньше и увеличении показателей PLBsurf93 с 88 до 144 единиц. По сравнению с системами среднего уровня HCRX повышение производительности составляет три раза. В ускорителях Visualize предусмотрены встроенные возможности видеовывода (NTSC/PAL J-class).

Наибольший прорыв на фронте графической производительности осуществили системы Visualize 48, обладающие наивысшим на сегодняшний день показателем PLBsurf93 - 235 единиц, которые при замене центрального процессора превращаются уже в 300 единиц. Дополнительно к Visualize 48 может подключаться видеовывод и аппаратные модули работы с текстурами.

Основой программного обеспечения, используемого в графических системах рабочих станций серии 700 является РЕХ - открытый стандарт на прикладной интерфейс пользователя, предназначенный для работы с трехмерными графическими приложениями. Обычно в состав ОС HP-UX включаются очередные версии РЕХ, свободно распространяемые реализации которого существуют для станций DEC, IBM, SUN, а также для персональных компьютеров (например, в составе ОС Linux). Кроме РЕХ в конфигурацию может включаться также библиотека графических функций Starbase и фирменная реализация HP PHIGS. Для работы с трехмерной графикой на младших моделях ускорителей без аппаратного Е-буфера, можно использовать программное обеспечение PowerShade, полностью совместимое с РЕХ, PHIGS, Starbase и программно дополняющее отсутствующие в используемых ускорителях функции. При работе с Freedom обеспечивается полная совместимость с другим промышленным стандартом, OpenGL. Для разработки прикладных программ пользователю безусловно доступны соответствующие реализации X11/R5, GKS и OSF/Motif.

Графика компании IBM

IBM предлагает три класса графических систем, различающихся по составу выполняемых трехмерных графических операций и наличию аппаратных средств растеризации. Для использования в системах деловой графики, автоматизации проектирования, программах, работающих с Х Window, IBM предлагает сегодня серию графических систем собственного производства, представленных полностью совместимыми по программному обеспечению ускорителями семейств от POWER GXT150 до Gt3i (двухмерная графика) и от Gt4e до GXT1000 (трехмерная графика). Одним из наиболее интересных достижений является ускоритель GXT500D, реализующий потенциал процессора PowerPC в управлении графического конвейера. В данных системах предусмотрена аппаратная закраска по методу Гуро, устранение лестничного эффекта, вывод текстур и поддержка стереовывода. Для ускорителей ниже Gt4e имеется программная поддержка трехмерных функций из стандартов ОрепСЕ, PEXlib и PHIGS. Все функции, необходимые для работы с Х Window, OpenGL, PKXlib и PHIGS имеют аппаратную реализацию в ускорителях старших моделях, однако в GXT 500 аппаратная реализация РЕХ отсутствует.

Для разработки прикладных программ, использующих возможности графических ускорителей компания IBM предлагает AIXwindows Interface Composer, представляющий собой инструментальный пакет на базе OSF/Motif. Данный пакет предоставляет необходимые средства для разработки интерфейса, генерации программного кода и отладки графических приложений. В состав AIXwindows входят подсистемы Enhanced Х Windows - расширенная версия Х Window System, OSF/Motif, Display PostScript и Desktop, используемый для создания интерфейса с применением графических кнопок и икон. Дополнительные подсистемы работы с трехмерной графикой могут включать graPHIGS - версия IBM стандарта ISO/ANSI PHIGS, GL или OpenGL, GKS и РЕХ.

Получить представление об относительной производительности семейства графических ускорителей компании IBM можно из таблицы 2.

Таблица 2.
Графические системы IBM.

Постоянно возрастающие требования заказчиков, расширение круга решаемых проблем и усложнение их характера стимулируют развертывание работ в сферах, нетрадиционных для фирмы-производителя. Если в приложениях требуется производительность, превышающая возможности собственных графических систем, то IBM применяет графический ускоритель Freedom компании EvansRSatherland, например, Series 6000, устанавливаемый на станциях 580, 58Н и 590.

Графика от SGI

Про компанию Silicon Graphics с уверенностью можно сказать, что именно специалисты из этой компании вместе с учеными Стенфордского университета объяснили миру, что такое современная машинная графика. Еще в 1982 году была разработана концепция геометрической машины (ГМ), представляющая собой четырехкомпонентное векторное функциональное устройство, специально предназначенное для выполнения операций над вещественными числами. Основная задача ГМ - выполнение матричных операций, отсечение отрезков, литер и многоугольников, растровая развертка и т.п. Первая станция Silicon IRIS имела конвейер из 12 ГМ, из которых четыре - матричные, шесть - отсекающие (слева, справа, сверху, снизу, спереди и сзади) и две - масштабирующие машины. Именно такая архитектура определила успех SGI на рынке графических систем и революционизировала весь процесс разработки коммерческих комплексов МГ.

Таблица 3.
Графические системы SGI.

Сегодня потомки IRIS в лице Power Infigo 2 и Power Onyx имеют на вооружении намного более мощные графические системы XL, ХЕ, Exteme и Reality Engine. В совокупности с родным для SGI промышленным стандартом OpenGL, псзволяющим максимально эффективно реализовать всю цепочку визуализации, системы данной фирмы вполне по праву занимают сегодня первое место на рынке графических компьютеров. По прогнозам IDC к 1996 году 90/o всех компьютерных систем, позиционирующих себя в качестве графических, будут поддерживать промышленный стандарт OpenGL, а SGI останется законодателем мод в этой области.

Графика компании SUN

Компания Sun выпускает набор графических ускорителей для своих модификаций рабочих станций SPARCstation 5ZX, 20ZX и 20TurboZX, ориентированных на работу с 3D-графикой. В ZX-системах используется 4 специальных чипа работы с вещественной арифметикой, а в TurboZX их 8. В ускорителях применена MIMD-архитектура, позволяющая получать пиковую производительность 600 и 1200 MFLOPS при выполнении графических операций для ZX и TurboZX соответственно. Системы ZX могут работать со скоростью до 340 тыс. 25-пиксельных треугольников в секунду, а TurboZX - до 615 тыс. Пользователь таких систем имеет полный спектр средств построения объемных изображений, включая сглаживание, закраска по Гуро, 24-разрядный Z-буфер, неоднородные рациональные В-сплайны (NURBS) и т.п. Для расширения графической производительности, возможна комплектация ускорителями Freedom Series. Программное обеспечение предусматривает поддержку стандартов XGL, фирменную реализацию PHIGS, РЕХ, Xlib, а фирма SunSoft объявила о поддержке стандарта OpenGL. Представление о количественных показателях графических систем TurboZX, TurboGX, TurboGXplus и TurboZX можно получить из таблицы 4.

Таблица 4.
Характеристики некоторых графических систем.

Недавно компания Sun выпустила новое семейство графических систем Creator, имеющих в несколько раз более высокую производительность, чем предыдущие системы.

Ускорители компании E&S

Дополнительная масштабируемость графической производительности для компьютеров компаний HP, IBM и SUN, достигается путем использования систем Freedom фирмы Evans&Sutherland. Например, модели серии Freedom устанавливаются на станции AlphaStation 600 и 250, где занимают слот PCI64, оставляя также возможность и для стандартного подключения через PCI32 в модели 250, а для подключения Freedom 6000 к станциям IBM один слот МСА. Одно из основных преимущество Freedom - это работа с текстурами, позволяющими создавать фотореалистичные изображения. Если учесть, что в этих системах реализованы различные модели освещенности и затенения, а также аппаратные средства поддержки двух алгоритмов размещения текстуры на поверхности то ясно, почему, невзирая на высокую стоимость многие фирмы устанавливают на своих компьютерах ускорители E&S Freedom Series. Однако, благодаря особенностям архитектуры, для приложений, критичных к производительности интенсивных операций с текстурами, предпочтителен SGI Reality Engine 2, который в то же время уступает Freedom при решении задач, требующих многочисленных геометрических преобразований, например, большие модели в научно-технических расчетах и системы проектирования.

Подведя итоги

Сводная таблица 5 дает представление о некоторых показателях графических систем перечисленных фирм-производителей.

Таблица 5.
Системы старшего класса.

ОЦЕНКА ГРАФИЧЕСКОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Недостаток адекватных методов оценки производительности при выполнении графических приложений одинаково плохо сказывается на пользователях и на производителях. Первые хотят иметь объективный рейтинг всех поставщиков, предлагающих графические системы, а вторые постоянно оказываются перед необходимостью разработки уникальных тестов специально для каждого конкретного заказчика. Кроме того производителям важно иметь единый механизм сравнения собственных продуктов с изделиями своих коллег по бизнесу.

Тест ХРС (Х Performance Characterization) создан одноименной группой, входящей в состав комитета GPC и специализирующейся на разработке стандартных методик измерения производительности Х сервера. В работе группы принимают участие фирмы Apple, Hewlett-Packard, IBM, Sun и Tektronix. Первым результатом их совместной деятельности явилась оценка Xmark93, позволяющая различным производителям и потенциальным потребителям сравнивать возможности Х серверов при выводе графических примитивов Х Window Шкала оценок Xmark93 строится на основе общедоступной смеси X11perf, предложенной консорциумом Х Consortium. Тест ХРС представляет собой смесь из простых 20 операций, функций управления окнами и специфических для команд Х Window, выполняемых сервером.

Наиболее часто в качестве результата по Xmark используется количество 10-пиксельных векторов, выводимых тестируемой системой за одну секунду.

Наиболее традиционными стандартизированными benchmarks являются геометрические показатели количества геометрических примитивов, выводимых системой за секунду. К числу таких тестов относится:

3D Vectors: отрезок прямой, длиной 10 пикселей, произвольной ориентации и проекции, визуализация без использования буферизации по глубине и отсечения, и без применения каких-либо методов закраски;

3D Triangles: последовательность треугольников размером 50 пикселей, произвольной ориентации и проекции, выведенных с использованием буферизации по глубине, закраска по Гуро, подсветка (отдельно рассеянный и отраженный луч, их смесь);

3D Polygons: четырехугольники размером 100 пикселей, произвольной проекции, буферизация по глубине, закраска по Гуро, подсветка (отдельно рассеянный и отраженный луч, смесь).

Геометрические показатели, однако оказываются далеки от показателей реальных приложений; так, они не дают ответа на вопрос о способе визуализации (отдельно выводится каждый вектор или начало следующего совпадает с конечной точкой предыдущего и т.п.).

Комплект тестов PLB (PLB2d93, PLBwire93 и PLBsurf93) позволяет получить интегральные характеристики реальной графической аппаратно-программной конфигурации. Отличительной особенностью тестов PLBwire93 и PLBsurf93 является конкретность: тестовые файлы включают твердотельную модель блока цилиндров автомобильного двигателя, изображение головы человека, модель взаимодействия планеты и спутника, а также сценарий прогулки по этажам виртуального здания. Комитет GPC явился первой организацией, созданной специально для унификации методов оценки графической производительности. Образованный в 1986 году, комитет объединил в своих рядах ведущие фирмы-производители графических систем: DEC, Evans&Sutherlancl, Hewlett-Packard, IBM, Intel, Intergraph, Megatek, SGI, SUN и Tektronix. Администратором этой организации стала Национальная Ассоциация Машинной Графики (NCGA).

Для оценки производительности вывода графических изображений на различных аппаратных платформах бык предложен унифицированный пакет программ PLB. Установка пакета заключается в переносе его кода на конкретную графическую систему и использовании файла данных в аппаратно-независимом формате для вывода на экран набора эталонных изображений.

Описание теста PLB хранится в формате BIF, представляющем собой сценарий выполнения проверки и исходные данные. Измерения осуществляются на основе методики BTM, позволяющей стандартизировать оценку производительности и вывести результаты в виде унифицированного отчета. Процедура тестирования может быть выполнена непосредственно пользователем и предусматривает конвертирование конкретных графических приложений в формат файлов BIF и запуске пакета программ PLB, состоящего из десяти файлов, предварительно подготовленных комитетом GPC.

Все тестовые файлы разделены на три группы: двухмерные картинки, трехмерная каркасная модель и трехмерные поверхности. Показателем производительности при выполнении тестов каждой группы являются значения PLB2d93, PLBwire93 и PLBsurf93. В первую группу входят файлы: "рс_board", "floor_plan", "site_plan". Файл "рс_board" представляет собой изображение схемы печатной платы персонального компьютера, которое является типичным примером из области электротехнического САПР. На схеме присутствует 560 фреймов, каждый из которых содержит в среднем 5655.3 20 векторов. Схема включает также около 7 тыс. маркеров (окружностей и элементов оформления) и более 800 текстовых символов на каждом фрейме. Файл "floor_plan" содержит изображение из другой прикладной области и представляет собой послойный план фирмы: комнаты, оборудование, коммуникации и элементы интерьера. На каждом из 383 фреймов расположено в среднем 960 2D мультиполигонов, состоящих из семи четырехугольников. Третий файл первой группы представляет собой маршрутный план города из 260 frame, каждый из которых состоит из 1271 полилинии и около 200 тыс векторов. Таким образом, в двумерном комплекте представлены все наиболее популярные сегодня приложения машинной графики: различные типы систем автоматизации проектирования и геоинформационные системы.

Вторая группа тестов образована файлами "sys_chasis", "race_саг" и "seafloor:, представляющих собой каркасные объемные изображения различных объектов. Первый файл - это модель несущей конструкции компьютера, которая во время тестирования подвергается различным преобразованиям. Модель образована из 6 тыс. линий видимого контура и 158 невидимого контура. Каждая ломаная линия имеет от 2 до 11 вершин, что в итоге составляет около 20 тыс. векторов. Второй файл содержит описание контура автомобиля, который можно одновременно рассматривать с четырех различных позиций. Каркасная модель морского дна и острова, представленная в третьем файле, является типичным примером, взятым из автоматизированных систем эксплуатации месторождений полезных ископаемых. Основным элементом тестирования в данном тесте является цвет, обозначающий различные глубины океана. В процессе проверки изображение подвергается преобразованиям поворота, сжатия и растяжения. Вся картинка образована из 984 контурных линий и 211 линий уровня.

Группа тестов описания различных моделей поверхностей образована файлами "cyl_head", "head", "shuttle" и "studio". Файл "cyl_head" представляет собой твердотельную модель блока цилиндров автомобильного двигателя, часто используемую для представления различных объектов в механических САПР. Изображение содержит около 4 тыс. полигонов и, так же как предыдущие картинки, подвергается различным преобразованиям. Каждый полигон имеет в среднем 4.8 вершины, закрашивается по принципу RGB с использованием метода Гуро. Для освещения поверхности применяется три источника рассеянного, отраженного и прямого, спектрально чистого света. Изображение головы человека (файл "head") образовано из 60 тыс. треугольников, посаженных на триангуляционную сетку. Сценарий моделирования взаимодействия планеты и спутника, летящего по низкой орбите, содержится в файле "shuttle". Формирование динамического изображения спутника, управляемого виртуальным астронавтом осуществляется на базе всего арсенала машинной графики с использованием квадратичных сеток, триангуляции и т.п. Три источника света, а также выбор в качестве планеты реального прототипа из каталога звезд BOSS позволяет воссоздать обстановку, типичную для многих приложений машинной графики, особенно такой ее ветви, как виртуальная реальность, наиболее близко которую моделирует следующий файл данной группы - "studio". Прогулка по двухэтажному помещению дизайн-студии, поддерживаемая данным файлом, сопровождается визуализацией интерьера студии путем использования фрагментов, предварительно подготовленных с помощью метода radiosity.

Отчет GPC состоит из итоговой таблицы, включающей итоги тестирования различных графических архитекур, а также детальные результаты по каждому компьютеру.

Кроме собственно аппаратных возможностей на скорость визуализации оказывает влияние используемая графическая библиотека - унифицированная (например, РЕХ) или напротив, специализированная (например, Starbase).

После обзорной таблицы в отчете приводятся данные по каждой тестируемой системе, включающие описание используемой конфигурации аппаратуры, суммарные показатели PLB2d93, PLBwire93 и PLBsurf93, список с результатами выполнения каждого из десяти тестовых файлов, коэффициент нормализации, соотношение PLBlit.PL.Bopt, дату тестирования, дополнительные замечания и перечень способов оптимизации, использованных при выполнении каждого тестового файла. Значение PLBlit отражает производительность при работе без оптимизации, возможной для конкретной архитектуры. Данный показатель необходим для чистого сравнения производительности различных платформ или графических интерфейсов. Величина PLBopt, напротив, отражает производительность, развиваемую при использовании специфических возможностей аппаратуры или графического интерфейса. Это значение обычно показывает максимально допустимую производительность, конкретной конфигурации. Например для станции HP 735 CRX48Z (PEXlib) соотношение PLBlit.PLBopt для файла "sys_chassis" равно 33.3:54.5 - это означает, что для этой модели при выполнении данного тестового файла возможна оптимизация по удалению неиспользуемых атрибутов и объединении ломаных линий, имеющих одинаковые атрибуты в одну группу. Наличие или отсутствие возможности оптимизации для каждого из десяти тестовых файлов отражается в отдельной таблице.