可重構(gòu)片上系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、可重構(gòu)片上系統(tǒng)(Reconfigurable System-on-Chip，RSoC)包含不同結(jié)構(gòu)、不同功能的多種模塊，形成一個(gè)異構(gòu)多處理單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因而兼具了功能靈活和運(yùn)算快速的特點(diǎn)。RSoC的系統(tǒng)功能既可以采用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以通過硬件完成，具體方案需根據(jù)系統(tǒng)的性能、功耗、成本等因素決定，這使得其設(shè)計(jì)過程必然是軟硬件協(xié)同進(jìn)行的，其中涉及的問題包括軟硬件功能描述、軟硬件劃分、軟硬件綜合、軟硬件模擬及驗(yàn)證等。另外，近年來，動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)

2、技術(shù)由于可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源的分時(shí)復(fù)用，在提高靈活性的同時(shí)降低系統(tǒng)成本，同樣成為RSoC設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
　　針對(duì)當(dāng)前面向RSoC的設(shè)計(jì)過程中自動(dòng)化程度低、編程不透明、可重構(gòu)資源難以有效利用等問題，并結(jié)合可編程器件能夠根據(jù)應(yīng)用需求動(dòng)態(tài)配置芯片結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一套新的RSoC軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法及工具，其中包括了以下幾方面的成果：
　　1.提出了一種基于過程級(jí)編程模型的RSoC軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)自動(dòng)化方法：首先，通過構(gòu)造

3、RSoC的軟硬件統(tǒng)一編程模型，確立了一種以軟硬件協(xié)同函數(shù)(過程級(jí))為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)劃分流程，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員搭建了易用的、圖形化的集成開發(fā)環(huán)境。在編程模型的框架內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通過調(diào)用已根據(jù)應(yīng)用特性進(jìn)行優(yōu)化的軟硬件協(xié)同函數(shù)，即可利用高級(jí)語言完成系統(tǒng)功能描述。此后，動(dòng)態(tài)軟硬件劃分算法在程序運(yùn)行時(shí)對(duì)其進(jìn)行劃分，選擇、調(diào)度需要轉(zhuǎn)換到軟件或硬件實(shí)現(xiàn)的協(xié)同函數(shù)，并通過動(dòng)態(tài)鏈接器實(shí)時(shí)切換函數(shù)的運(yùn)行方式，從而形成了一個(gè)由功能描述到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化流程。實(shí)

4、驗(yàn)表明，該方法易于使用，且能夠有效利用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)資源對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行加速。
　　2.提出了一種搜索空間平滑技術(shù)結(jié)合離散粒子群算法的軟硬件劃分方法：通過使待劃分任務(wù)(軟硬件協(xié)同函數(shù))的各參數(shù)值趨向平均值的策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟硬件劃分任務(wù)搜索空間的平滑操作。同時(shí)，將局部搜索與平滑力度相結(jié)合，在對(duì)原搜索空間漸進(jìn)還原的過程中，離散粒子群算法將每次局部搜索到的最優(yōu)解作為下一次搜索的起始解進(jìn)行軟硬件劃分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可顯著提高原局部搜索算法

5、的求解質(zhì)量，且在節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的問題求解中速度優(yōu)勢(shì)明顯，但時(shí)間復(fù)雜度與原局部搜索算法相同，因此，是一種解決軟硬件劃分中約束優(yōu)化問題的有效方法。
　　3.提出了一種RSoC上動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法：通過將基于EAPR(Early-Access Partial Reconfiguration)的設(shè)計(jì)方法與PlanAhead工具相結(jié)合，完成了一套動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程。為驗(yàn)證其可行性及易用性，運(yùn)用該方法分別對(duì)DES(Data Enc

6、ryption Standard)加解密及音頻濾波器系統(tǒng)兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用基于EAPR的設(shè)計(jì)方法能夠避免其他現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法中的諸多限制，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加靈活；在與PlanAhead工具相結(jié)合后，更簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，提高了動(dòng)態(tài)部分可重構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，在系統(tǒng)中有效利用動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，按實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算需求分時(shí)復(fù)用可重構(gòu)資源，可明顯提高系統(tǒng)資源的利用率、節(jié)省重構(gòu)時(shí)間，因此，是解決系統(tǒng)性能、成本，以

7、及功耗等問題的可靠選擇。
　　4.提出了一種可重構(gòu)硬件輔助的流數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Data Stream ManagementSystem，DSMS)：利用上述RSoC的設(shè)計(jì)方法及工具，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于硬件加速的流數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)-Symbiote。首先，通過FPGA實(shí)現(xiàn)用于流數(shù)據(jù)處理的通用硬件加速器(Data Filter Unit，DFU)。DFU可根據(jù)應(yīng)用需求被設(shè)計(jì)成不同的數(shù)據(jù)查詢處理器，然后被封裝成硬件函數(shù)并置于針對(duì)DSMS應(yīng)用

8、開發(fā)的軟硬件協(xié)同函數(shù)庫中，供系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)查詢網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，軟硬件劃分算法將對(duì)系統(tǒng)功能描述中各查詢操作的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)劃分，從而配置不同的查詢執(zhí)行引擎組合。實(shí)驗(yàn)表明，使用軟硬件協(xié)同作業(yè)的Symbiote系統(tǒng)在高速路收費(fèi)查詢應(yīng)用中性能優(yōu)越，其處理單個(gè)元組的平均時(shí)間僅為純軟件方式實(shí)現(xiàn)的1/4。由于硬件處理器能夠?qū)Χ鄠€(gè)元組并行處理，該系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)高傳輸率的復(fù)雜流數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)性能優(yōu)勢(shì)將更為明顯。同時(shí)，良好的系統(tǒng)性能也驗(yàn)證了本