图形处理单元(Graphics Processing Unit，GPU)从问世以来便迅速发展，并很快成为计算机系统中不可或缺的重要组成部分。目前GPU已在低端嵌入式系统、个人桌面应用、图形工作站乃至高性能计算等各个领域得到广泛应用。近年来嵌入式图形系统和移动图形学(Mobile Graphics)更是因为作为载体的手机数量持续快速增长和巨额市场利润的驱动而呈现出强劲的发展势头。　　 嵌入式图形系统不同于桌面图形系统，在处理器运算能力、存储器容量和带宽、功耗等方面面临更多的约束。存储器带宽通常是图形系统的瓶颈所在，内存带宽对嵌入式图形系统性能的制约作用更加凸显。嵌入式图形系统中GPU没有专用存储单元，图形处理过程中所需要的各种数据都存放在内存里，图形流水线产生的最终结果也需要存放在帧缓冲区内。　　 本文结合龙芯2F南桥芯片中集成GPU的工作，围绕图形系统带宽开销的几个来源，包括纹理带宽、颜色缓冲区带宽以及帧缓冲区带宽，进行了一系列优化工作。本文的主要贡献和创新点体现在以下几个方面：　　 1.LAC(Loonqson Alpha Compression)：具有可变数据格式的透明度压缩访问纹理内存往往最消耗图形系统的带宽资源，因此纹理压缩技术在图形系统中得到了广泛应用。纹理压缩包括对纹理图像透明度通道的压缩和颜色通道的压缩。本文分析了透明度和颜色的本质差异，提出了具有可变数据格式的透明度压缩方法LAC。LAC定义了新的透明度压缩数据格式，并引入聚类算法实现了透明度压缩过程。实验结果表明，与当前标准纹理压缩算法S3TC/DXT5的透明度压缩相比，LAC可使测试图像的平均PSNR值提高0.25 dB，透明度数据的平均压缩时间缩短约18％，硬件实现的平均单元面积减小25％左右，解压功耗降低10％～30‰　　 2.LTC(Loongson Texture Compression)：具有可变数据格式的纹理压缩LAC不仅能改善S3TC的透明度压缩，而且还可将其数据格式中空闲位置用于纹理图像颜色通道的压缩，以进一步提高纹理图像的压缩质量。本文分析了图形系统中透明度和颜色计算方法和应用方式的差异，在LAC的基础上提出了具有可变数据格式的纹理压缩方法LTC。LTC定义了新的纹理压缩数据格式，兼容LAC透明度通道压缩方法，并将小波变换引入颜色通道压缩。与S3TC相比，LTC能使颜色通道的平均PSNR值提高4.56 dB，并显著改善S3TC在物体轮廓处所产生的视觉缺陷。　　 3.LCBC(Loongson Color-Buffer Compression)：场景前颜色缓冲区压缩访问颜色缓冲区导致的带宽开销是系统带宽开销的重要组成部分。本文分析了图形流水线中颜色缓冲区的访问过程，总结了颜色缓冲区压缩应具备的一般特征，在纹理压缩算法S3TC的基础上提出了颜色缓冲区压缩方法LCBC。LCBC降低了50％的颜色缓冲区带宽开销，并简化了S3TC的压缩和解压过程，进一步提高了压缩图像的质量。与S3TC相比，LCBC的两种数据格式能使测试图像的平均PSNR值分别提高7.87 dB和13.40 dB。　　 4.LFBC(Loongson Frame-Buffer Compression)：颜色无损的帧缓冲区压缩GPU渲染后的场景存放在帧缓冲区内，由显示控制单元DC送往显示器显示。DC对帧缓冲区的访问不仅消耗一定的内存带宽，同时也是嵌入式图形系统功耗的重要来源之一。本文结合DC线性访问帧缓冲区的特征，提出了帧缓冲区压缩的抽象模型，分析得到帧缓冲区压缩率与帧缓冲读/写比的关系，揭示了帧缓冲区压缩与具体应用的联系。以此为指导提出了颜色无损的帧缓冲区压缩方法LFBC，定义了新的压缩数据格式，用游程编码实现了压缩过程。对适合进行帧缓冲区压缩的应用，LFBC降低了50％～80％因DC访问帧缓冲区所带来的带宽开销。　　 本文从实际工作出发，以图形系统带宽方程为中心，紧密围绕带宽方程的各个分量进行了一系列工作，部分研究成果已在工程实践中得到应用。本文提出的具有可变数据格式的纹理压缩，能替代S3TC作为新的纹理压缩标准，这将对现有的图形硬件产生积极影响；文中分析得到的帧缓冲区压缩率表达式，揭示了帧缓冲区压缩和具体应用的联系，对当前的研究工作具有重要意义。