随着各种娱乐设备以及数据处理设备的普及,三维图形技术逐渐应用到各种领域。由于三维图形绘制算法复杂度高,仅依靠CPU用软件绘制已经不能满足实时应用的需要,因此必须用专门的图形处理硬件GPU来提高图形的处理能力。目前国内GPU市场基本被外国公司所垄断,自主GPU的发展还处于起步阶段,因此有必要对GPU进行研究。而像素引擎是GPU的重要组成部分,直接影响着像素处理的速度和输出画质的质量,像素引擎的研究对于国产GPU的研制具有重要的意义。在分析了国内外GPU图形管线的发展和像素引擎的研究现状的基础上,对像素引擎的主要功能进行了详细的分析,针对2D和3D图形处理,分别设计了像素引擎的二维流水线和三维流水线结构。深入研究了像素引擎采用的相关算法,提出了一种新的像素引擎的数据预取算法,通过识别Cache是否命中及是否首次命中来控制数据的预取操作。用Verilog HDL语言设计了各功能模块,包括alpha测试、模板测试、深度测试和alpha混合等功能模块的设计。最后用Synopsys公司的vcs软件对各个功能模块进行了功能仿真,并在S2C公司的Quad E Virtex-7 TAI Logic Module开发验证平台验证像素引擎的功能。验证结果表明,该像素引擎能够有效实现国产GPU的像素处理的所有功能,达到了设计要求。