Due to the increasing demand of three-dimensional (3D) graphic applications in various consumer electronics, how to develop a low-cost 3D graphic hardware accelerator suitable for the embedded systems has become an important issue. A typical 3D graphic accelerator includes a geometry sub-system and a rendering sub-system. In this thesis a highly-efficient 3D graphic rendering intellectual property (IP) based on the tiled-based approach is proposed. An entire rendering IP consists of several modules. The main contributions of this thesis focus on the development of the setup-engine, rasterization module, and the integration of the whole modules for the rendering IP. In the design of setup engine, the thesis develops a folded arithmetic unit architecture mainly consisting of one iterative divider, three multipliers and several adders, which can finish the overall computation of the setup equations within less than 50 cycles. As for the rasterization module, this thesis develops several scan-conversion algorithms including hierarchical, fast skip, and boundary-edge test methods suitable for the tiled-based rendering process. The ordinary line drawing algorithm for the scan-line boundary search or the direct in-out test approach is not efficient for tile-based approach since the shape of triangle primitives may become irregular after tiling. Our experimental results show that the boundary-edge test can lead to the most compact design since it can transform the normal in-out test circuit for single pixel to detect two end-points of the scan-line simultaneously. In addition, the rasterization module can be divided into the scan-line and the fragment generation parts which can help the optimization and speedup of the individual part to achieve the desired overall fill-rate goal. Our simulation shows the fill-rate improvement based on this approach is around 60%. Finally, this thesis integrates all the sub-modules to the entire rendering IP core. This IP has been realized by 0.18 um technology. The total gate count is 504k. It can run up to 166 Mhz, and deliver the peak fill rate of 333M pixels/sec and 1.3G texels/sec. This IP has been highly verified, and achieves more than 95% code coverage. It has also been integrated with OPENGL ES software module, Linux operation system and geometry module, and successfully prototyped on the ARM versatile platform.

The design of SoC is growing into more complicated, hence it is necessary to determine an efficient way to develop an SoC. If we can explore the relation between hardware architecture and software operation, there will be a great help for designing SoC platform. This paper builds the highly abstract simulation platform by using the development tool of SystemC and Coware for 3D graphics SoC. SystemC is entirely based on C++, so that Coware Inc. supports many TLM IP modules (like ARM CPU, ARM BUS, Memory, and etc.) for designer. For the purpose of fast building and modifying module by designer, this paper discusses 1. the behavior module performance in 3D Graphics Traditional Architecture, Tile-based Architecture of non-pipeline, pipeline, and GE&DMA Concurrence. 2. If it can use the software application to control procedure order of GE and RE, it would decrease the read/write times for RE reading from Tile. 3. To modify the read/write mechanism of Tile Buffer and change the returned values from memory, it would reduce the read/write times from memory. 4. And we need to observe FIFO sizes of traditional architecture to estimate affection performance.5. It uses Tile-Divider to predict the cutting triangle. Finally, 6. it modifies the AHB bus to AXI bus and divides single memory; therefore it can reduce the waiting bus time of GE and RE and improve the efficient of bus communication.

A modular and area-efficient 3D graphics accelerator for tile based rendering in FPGA systems has been designed and implemented. The accelerator supports a subset of OpenGL, with features such as mipmapping, multitexturing and blending. The accelerator consists of a software component for projection and clipping of triangles, as well as a hardware component for rasterization, coloring and video output. Trade-offs made between area, performance and functionality have been described and justified. In order to evaluate the functionality and performance of the accelerator, it has been tested with two different applications. / En modulär och utrymmeseffektiv 3D-grafikaccelerator för tile-baserad rendering i FPGA-system har designats och implementerats. Acceleratorn stöder en delmängd av OpenGL med funktioner som mipmapping, multitexturering och blending. Acceleratorn är uppdelad i en mjukvarudel för projektion och klippning av trianglar och en hårdvarudel för rastrering, färgsättning och utritning till skärm. Avvägningar som gjorts mellan area, prestanda och funktionalitet har beskrivits och motiverats. För att evaulera funktionalitet och prestanda har acceleratorn testats med två olika applikationer.

Background. In this experiment forward, deferred and tile-based forward rendering techniques are implemented to research about the light-rendering performance of these rendering techniques. Nowadays most games and programs contains a graphical content and this graphical content is done by using different kind of rendering operations. These rendering operations is being developed and optimized by graphic programmers in order to show better performance. Forward rendering is the standard technique that pushes the geometry data through the whole rendering pipeline to build up the final image. Deferred rendering on the other hand is divided into two passes where the first pass rasterizes the geometry data into g-buffers and the second pass, also called lighting pass, uses the data from g-buffers and rasterizes the lightsources to build up the final image. Next rendering technique is tile-based forward rendering, is also divided into two passes. The first pass creates a frustum grid and performs light culling. The second pass rasterizes all the geometry data to the screen as the standard forward rendering technique. Objectives. The objective is to implement three rendering techniques in order to find the optimal technique for light-rendering in different environments. When the implementation process is done, analyze the result from tests to answer the research questions and come to a conclusion. Methods. The problem was answered by using method "Implementation and Experimentation". A render engine with three different rendering techniques was implemented using C++ and OpenGL API. The tests were implemented in the render engine and the duration of each test was five minutes. The data from the tests was used to create diagrams for result evaluation. Results. The results showed that standard forward rendering was stronger than tile based forward rendering and deferred rendering with few lights in the scene.When the light amount became large deferred rendering showed the best light performance results. Tile-based forward rendering wasn’t that strong as expected and the reason can possibly be the implementation method, since different culling procedures were performed on the CPU-side. During the tests of tile-based forward rendering there were 4 tiles used in the frustum grid since this amount showed highest performance compared to other tile-configurations. Conclusions. After all this research a conclusion was formed as following, in environments with limited amount of lightsources the optimal rendering technique was the standard forward rendering. In environments with large amount of lightsources deferred rendering should be used. If tile-based forward rendering is used, then it should be used with 4 tiles in the frustum grid. The hypothesis of this study wasn’t fully confirmed since only the suggestion with limited amount of lights were confirmed, the other parts were disproven. The tile-based forward rendering wasn’t strong enough and the reason for this is possibly that the implementation was on the CPU-side.

Der Grundbaustein des Lebens, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), ist aufgrund ihrer spezifischen Basenpaarung ein geeignetes Molekül, um stabile und vielfältige nano- beziehungsweise mikrometergroße Strukturen herzustellen. Diese selbstorganisierten DNS-Strukturen eignen sich als Grundeinheiten für die Ausrichtung anorganischer und organischer Materialien. Für die Synthese solcher DNS-Strukturen werden insbesondere die Kachel-basierte Assemblierung (engl. tile-based assembly, im Folgenden als Tile-basierte Assemblierung bezeichnet) oder die DNS-Origami-Methode verwendet. Die Tile-basierte Assemblierung beinhaltet die Verbindung einzelner DNS-Bausteine, den sogenannten Kacheln (engl. tiles), zu komplexeren DNS-Strukturen. Hingegen entspricht die DNS-Origami-Methode der Faltung eines langen einzelsträngigen DNS-Moleküls, dem sogenannten scaffold, anhand von hunderten kurzen Oligonukleotiden (Heftklammer-Oligomeren, engl. staple strands) hin zu einer entsprechenden Form. Hinsichtlich einer zukünftigen Erstellung von DNS-basierten, nanoelektronischen Systemen war das Ziel dieser Arbeit einheitliche zwei- (2D) und dreidimensionale (3D) DNS-Nanostrukturen herzustellen, Methoden für deren kontrollierte Vernetzung zu entwickeln sowie deren chemische Funktionalisierung mit Nanomaterialien und einer beispielhaften Integration in lithographisch gefertigten Mikrokontaktstrukturen durchzuführen. Hierfür war es notwendig, einen weiten Bogen zu spannen, welcher einerseits verschiedene Konstruktionsprinzipien der DNS-Nanotechnologie vorteilhaft miteinander vereint und der andererseits die weitreichenden Möglichkeiten der chemischen Funktionalisierung der sogenannten DNS-Templatstrukturen auslotet. Konkret wurden zur Erstellung von einheitlichen DNS-Strukturen Assemblierungskonzepte verwendet bzw. entwickelt, welche auf die Ausrichtung einzelner kurzer Oligonukleotide anhand eines langen einzelsträngigen DNS-Templates beruhen. Im ersten Teil der Arbeit ist anhand eines selbstkomplementären Einzelstranges aufgezeigt, wie sich prinzipiell die Wachstumsrichtung einer Tile-basierten Struktur durch die Verwendung eines einzelsträngigen DNS-Templates beeinflussen lässt. Bei diesem Ansatz bildet sich entlang des DNS-Templates eine 2D-Gitterstruktur aus einheitlichen und abschnittsweise selbstkomplementären hexagonalen oder tetragonalen Oligonukleotideinheiten aus. Diese gerichtete Selbstassemblierung führt schließlich zum Aufrollen und Zusammenschluss der 2D-DNS-Struktur zu einer tubulären Struktur. Die Größe und Geometrie der Oligonukleotideinheiten bestimmen dabei maßgeblich den Durchmesser dieser DNS-Nanoröhren. Zur Erklärung von experimentellen Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, welches die Templat-gestützte Assemblierung theoretisch beschreibt. Die erstellten, strukturellen Anforderungen genügenden Nanoröhren eignen sich für eine gleichmäßige Funktionalisierung mit Nanomaterialien, wie anhand der Ausrichtung von Gold-Nanopartikeln gezeigt wurde. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde eine ca. 400 nm lange DNS-Nanoröhre anhand der DNS-Origami-Methode erstellt. Diese Nanoröhre diente als Modellsystem zur Untersuchung der Integration von tubulären DNS-Strukturen in Mikrokontaktstrukturen mittels der Dielektrophorese. Eine positive dielektrophoretische Antwort der 3D-DNS-Strukturen konnte im MHz-Bereich festgestellt werden. Des Weiteren wurde für mit Gold-Nanopartikeln funktionalisierte DNS-Nanoröhren eine verstärkte dielektrophoretisch Antwort beobachtet. Neben der Manipulation bzw. Ausrichtung von DNS-Nanostrukturen wurden Konzepte entwickelt, welche zusätzlich zum Aufbau komplexer DNS-Netzwerke innerhalb einer Mikrokontaktstruktur erforderlich sind. Konkret konnte eine Verbindung der 3D-Nanoröhren (i) untereinander über eine 200 nm lange kreuzartige DNS-Zwischenstruktur und (ii) endständig mit einer Goldoberfläche ermöglicht werden. Der dritte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Entwicklung einer modularen 2D-DNS-Struktur, welche unter anderem für eine vergleichbare Untersuchung zur Immobilisierung von Nanomaterialien auf DNS-Strukturen dienen kann. Anhand der DNS-Origami-Methode wurde eine spezifische DNS-Gerüststruktur entworfen, welche die Ausstattung mit einer funktionalisierbaren Tile-basierten Einheit erlaubt. Um die Modularität der DNS-Gerüststruktur zu verdeutlichen, wurden zwei unterschiedliche, drei-beinige Tiles entworfen und anhand eines Ein- oder Zwei-Schritt-Verfahrens in die DNS-Gerüststruktur integriert. Die Anbindung eines Gold-Nanopartikels an jedes Bein des eingebundenen Tiles demonstriert die spezifische Funktionialisierbarkeit dieses Modellsystems. Zudem wurden Methoden, welche zur Aufreinigung der funktionalisierten DNS-Gerüststrukturen dienen, wie auch Effekte der Vernetzung von DNS-Origami-Strukturen anhand unspezifischer Wechselwirkungen untersucht. Die Ermittlung der Struktureigenschaften beziehungsweise der Assemblierungsqualität der in dieser Arbeit gezeigten DNS-Strukturen erfolgte mittels elektrophoretischer und bildgebender Untersuchungsverfahren (Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie).

Der Grundbaustein des Lebens, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), ist aufgrund ihrer spezifischen Basenpaarung ein geeignetes Molekül, um stabile und vielfältige nano- beziehungsweise mikrometergroße Strukturen herzustellen. Diese selbstorganisierten DNS-Strukturen eignen sich als Grundeinheiten für die Ausrichtung anorganischer und organischer Materialien. Für die Synthese solcher DNS-Strukturen werden insbesondere die Kachel-basierte Assemblierung (engl. tile-based assembly, im Folgenden als Tile-basierte Assemblierung bezeichnet) oder die DNS-Origami-Methode verwendet. Die Tile-basierte Assemblierung beinhaltet die Verbindung einzelner DNS-Bausteine, den sogenannten Kacheln (engl. tiles), zu komplexeren DNS-Strukturen. Hingegen entspricht die DNS-Origami-Methode der Faltung eines langen einzelsträngigen DNS-Moleküls, dem sogenannten scaffold, anhand von hunderten kurzen Oligonukleotiden (Heftklammer-Oligomeren, engl. staple strands) hin zu einer entsprechenden Form. Hinsichtlich einer zukünftigen Erstellung von DNS-basierten, nanoelektronischen Systemen war das Ziel dieser Arbeit einheitliche zwei- (2D) und dreidimensionale (3D) DNS-Nanostrukturen herzustellen, Methoden für deren kontrollierte Vernetzung zu entwickeln sowie deren chemische Funktionalisierung mit Nanomaterialien und einer beispielhaften Integration in lithographisch gefertigten Mikrokontaktstrukturen durchzuführen. Hierfür war es notwendig, einen weiten Bogen zu spannen, welcher einerseits verschiedene Konstruktionsprinzipien der DNS-Nanotechnologie vorteilhaft miteinander vereint und der andererseits die weitreichenden Möglichkeiten der chemischen Funktionalisierung der sogenannten DNS-Templatstrukturen auslotet. Konkret wurden zur Erstellung von einheitlichen DNS-Strukturen Assemblierungskonzepte verwendet bzw. entwickelt, welche auf die Ausrichtung einzelner kurzer Oligonukleotide anhand eines langen einzelsträngigen DNS-Templates beruhen. Im ersten Teil der Arbeit ist anhand eines selbstkomplementären Einzelstranges aufgezeigt, wie sich prinzipiell die Wachstumsrichtung einer Tile-basierten Struktur durch die Verwendung eines einzelsträngigen DNS-Templates beeinflussen lässt. Bei diesem Ansatz bildet sich entlang des DNS-Templates eine 2D-Gitterstruktur aus einheitlichen und abschnittsweise selbstkomplementären hexagonalen oder tetragonalen Oligonukleotideinheiten aus. Diese gerichtete Selbstassemblierung führt schließlich zum Aufrollen und Zusammenschluss der 2D-DNS-Struktur zu einer tubulären Struktur. Die Größe und Geometrie der Oligonukleotideinheiten bestimmen dabei maßgeblich den Durchmesser dieser DNS-Nanoröhren. Zur Erklärung von experimentellen Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, welches die Templat-gestützte Assemblierung theoretisch beschreibt. Die erstellten, strukturellen Anforderungen genügenden Nanoröhren eignen sich für eine gleichmäßige Funktionalisierung mit Nanomaterialien, wie anhand der Ausrichtung von Gold-Nanopartikeln gezeigt wurde. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde eine ca. 400 nm lange DNS-Nanoröhre anhand der DNS-Origami-Methode erstellt. Diese Nanoröhre diente als Modellsystem zur Untersuchung der Integration von tubulären DNS-Strukturen in Mikrokontaktstrukturen mittels der Dielektrophorese. Eine positive dielektrophoretische Antwort der 3D-DNS-Strukturen konnte im MHz-Bereich festgestellt werden. Des Weiteren wurde für mit Gold-Nanopartikeln funktionalisierte DNS-Nanoröhren eine verstärkte dielektrophoretisch Antwort beobachtet. Neben der Manipulation bzw. Ausrichtung von DNS-Nanostrukturen wurden Konzepte entwickelt, welche zusätzlich zum Aufbau komplexer DNS-Netzwerke innerhalb einer Mikrokontaktstruktur erforderlich sind. Konkret konnte eine Verbindung der 3D-Nanoröhren (i) untereinander über eine 200 nm lange kreuzartige DNS-Zwischenstruktur und (ii) endständig mit einer Goldoberfläche ermöglicht werden. Der dritte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Entwicklung einer modularen 2D-DNS-Struktur, welche unter anderem für eine vergleichbare Untersuchung zur Immobilisierung von Nanomaterialien auf DNS-Strukturen dienen kann. Anhand der DNS-Origami-Methode wurde eine spezifische DNS-Gerüststruktur entworfen, welche die Ausstattung mit einer funktionalisierbaren Tile-basierten Einheit erlaubt. Um die Modularität der DNS-Gerüststruktur zu verdeutlichen, wurden zwei unterschiedliche, drei-beinige Tiles entworfen und anhand eines Ein- oder Zwei-Schritt-Verfahrens in die DNS-Gerüststruktur integriert. Die Anbindung eines Gold-Nanopartikels an jedes Bein des eingebundenen Tiles demonstriert die spezifische Funktionialisierbarkeit dieses Modellsystems. Zudem wurden Methoden, welche zur Aufreinigung der funktionalisierten DNS-Gerüststrukturen dienen, wie auch Effekte der Vernetzung von DNS-Origami-Strukturen anhand unspezifischer Wechselwirkungen untersucht. Die Ermittlung der Struktureigenschaften beziehungsweise der Assemblierungsqualität der in dieser Arbeit gezeigten DNS-Strukturen erfolgte mittels elektrophoretischer und bildgebender Untersuchungsverfahren (Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie).