一种高效动态软硬件划分方法技术

一种高效动态软硬件划分方法，用于嵌入式系统的设计，包括1)建立软硬件划分问题的精确数学模型；2)针对约束条件中系数矩阵中系数的相关性，将精确数学模型化简为低维度的简单模型；3)选用自动划分算法，求解步骤2)的简化模型，得到最优软硬件划分方案，并记录算法求解的运行时间，观察自动划分算法对简化模型求解的效率；4)验证软硬件划分方案的可行性；5)输出最优软硬件划分方案。本发明专利技术能降低模型的复杂度，使自动划分算法对模型求解的时间大大减少，提高了划分算法的求解效率，尤其对大规模软硬件划分来说，速度会很明显地得到提升，使得解决大规模的复杂软硬件划分成为一种可能，提高了模型适用的范围。

【技术实现步骤摘要】
一种高效动态软硬件划分方法
本专利技术涉及一种用于嵌入式系统的软硬件划分方法。特别是涉及一种高效动态软硬件划分方法。
技术介绍
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机和集成电路技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统内部功能模块有两种基本的实现方法：软件和硬件。软件方法以微处理器为平台，通过设计代码程序来完成系统的特定功能。而硬件方法是通过设计专用逻辑电路来实现系统功能。一般来说，硬件比软件能提供更好的性能，而软件更容易开发和修改，灵活性更强、成本比硬件更低。这两种手段在性能和成本上存在巨大差异，为了达到成本和性能的最佳结合，兼顾速度和灵活性，目前大部分嵌入式系统都采用软硬件共同实现的方式。既然嵌入式系统大多采用软硬件共同实现的方式，那么软硬件划分就成了一个影响嵌入式系统性能非常重要的环节。软硬件划分是软硬件协同设计的重要环节和组成部分，起着非常关键的作用。软硬件划分是指在设计系统时，确定各个模块是采取软件还是硬件的实现方式。其主要任务是在满足各项设计约束的条件下，把系统功能划分到目标结构中的软件和硬件部分上，并为系统提供最佳的软硬件折衷方案。软硬件划分问题的描述：软硬件划分问题的模型可以用一个任务流图来描述，整个任务流图又是一个有向无环图(DAG图)，如图1所示，记作G＝(V,E)。其中，V是任务的集合，V＝{V0,V1，....，Vn}，Vi表示系统中的一个任务，可以用软件或者硬件实现，每个任务节点包含其软件、硬件的执行时间与功耗等节点属性信息；E是边的集合，E＝{e0,e1，....，em}，代表任务之间的控制关系或数据流向，每条边的终点任务必须在此边的始点任务完成之后才可以开始执行，边的权重代表两个节点之间的通讯开销。设X＝{x1,x2,..,xn}为一个软硬件划分方案，xi代表一个任务节点的软硬件实现方式，xi＝1表示该节点用硬件实现，xi＝0表示该节点用软件实现。为了方便系统分析，也使得系统分析更具针对性，将目标函数设为执行时间，对其他系统参数有一定的约束即可。在这种情况下，软硬件划分问题的精确模型为：其中T(X)、area(X)、price(X)、power(X)、storage(X)分别代表软硬件划分方案X的任务执行时间、面积、成本、功耗、存储开销。实际情况中，软硬件划分问题的约束条件会有很多。在约束条件多的情况下，自动划分算法对精确模型进行求解时，很可能会陷入许多无效循环之中，这样就会延长自动划分算法的求解软硬件划分问题的时间，大大增加了模型求解的难度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种能降低模型的复杂度，使自动划分算法对模型求解的时间大大减少的高效动态软硬件划分方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种高效动态软硬件划分方法，用于嵌入式系统的设计，包括如下步骤：1)建立软硬件划分问题的精确数学模型，假设有n个任务节点和m个约束条件，系统执行时间作为优化目标函数，建立如下所示的精确数学模型：式中，xi代表一个任务节点的软硬件实现方式，xi＝1表示该节点用硬件实现，xi＝0表示该节点用软件实现，aij和ci是嵌入式系统的性能参数，bi是嵌入式系统的性能约束值。2)针对约束条件中系数矩阵中系数的相关性，将精确数学模型化简为低维度的简单模型，化简后的模型如下所示：式中i、j和k是简化模型约束项；3)求解简化模型选用自动划分算法，求解步骤2)的简化模型，得到最优软硬件划分方案，并记录算法求解的运行时间，观察自动划分算法对简化模型求解的效率；4)验证软硬件划分方案的可行性将步骤3)所述的最优软硬件划分方案代入步骤1)所述的精确数学模型中的约束条件组，对求解简化模型得出的最优软硬件划分方案进行可行性验证，如果满足精确数学模型中的各约束条件，最优软硬件划分方案在精确数学模型中是可行解，进入步骤5)，如果最优软硬件划分方案不满足精确数学模型中的各约束条件，最优软硬件划分方案在精确数学模型中是不可行解，则返回到步骤2)循环迭代直到得出的最优软硬件划分方案是可行解为止；5)输出最优软硬件划分方案。步骤1)所述的嵌入式系统的性能参数包括有：系统的执行时间、面积、成本、功耗和存储开销。步骤2)所述的相关性是系数矩阵里行向量之间的线性相关性。步骤3)所述的自动划分算法是遗传算法或粒子群算法或蛙跳算法。本专利技术的一种高效动态软硬件划分方法，经过模型化简方法后的精确数学模型，能降低模型的复杂度，使得用自动划分算法求解的速度大大加快，即使自动划分算法对模型求解的时间大大减少，提高了划分算法的求解效率，尤其对大规模软硬件划分来说，速度会很明显地得到提升，使得解决大规模的复杂软硬件划分成为一种可能，提高了模型适用的范围。在动态软硬件划分中，这种建模方法还能满足系统实时性的要求。本专利技术又配合划分方案的验证方法，解决了复杂软硬件划分模型的实用性问题。附图说明图1是任务流图；图2是本专利技术高效动态软硬件划分方法的流程图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的一种高效动态软硬件划分方法做出详细说明。本专利技术的一种高效动态软硬件划分方法，用于嵌入式系统的设计，如图2所示，包括如下步骤：1)建立软硬件划分问题的精确数学模型，假设有n个任务节点和m个约束条件，系统执行时间作为优化目标函数，建立如下所示的精确数学模型：式中，xi代表一个任务节点的软硬件实现方式，xi＝1表示该节点用硬件实现，xi＝0表示该节点用软件实现，aij和ci是嵌入式系统的性能参数，bi是嵌入式系统的性能约束值，所述的嵌入式系统的性能参数包括有：系统的执行时间、面积、成本、功耗和存储开销；2)针对约束条件中系数矩阵中系数的相关性，将精确数学模型化简为低维度的简单模型，化简后的模型如下所示：式中i、j和k是简化模型约束项；所述的相关性是系数矩阵里行向量之间的线性相关性；3)求解简化模型选用自动划分算法，求解步骤2)的简化模型，得到最优软硬件划分方案，并记录算法求解的运行时间，观察自动划分算法对简化模型求解的效率，所述的自动划分算法是遗传算法或粒子群算法或蛙跳算法；4)验证软硬件划分方案的可行性将步骤3)所述的最优软硬件划分方案代入步骤1)所述的精确数学模型中的约束条件组，对求解简化模型得出的最优软硬件划分方案进行可行性验证，如果满足精确数学模型中的各约束条件，最优软硬件划分方案在精确数学模型中是可行解，进入步骤5)，如果最优软硬件划分方案不满足精确数学模型中的各约束条件，最优软硬件划分方案在精确数学模型中是不可行解，则返回到步骤2)循环迭代直到得出的最优软硬件划分方案是可行解为止；5)输出最优软硬件划分方案。下面给出具体实例：(1)拟采用tgff工具生成的44个节点任务流图作为测试模型，任务执行时间作为优化目标，面积、功耗和代价作为约束条件；(2)根据约束条件系数矩阵中系数之间的相关性，将精确模型转换为只包含面积约束的简化模型；(3)采用遗传算法作为自动划分算法，求解简化模型，得出最优软硬件划分方案。遗传算法的参数设置：种群规模10、杂交因子0.618、变异因子0.03、迭代次数100。(4)将用遗传算法求解简化模型得出的最优软硬件划分方案代入精确数学模型中的约束条件组进行验证，以此确本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效动态软硬件划分方法，用于嵌入式系统的设计，其特征在于，包括如下步骤：1)建立软硬件划分问题的精确数学模型，假设有n个任务节点和m个约束条件，系统执行时间作为优化目标函数，建立如下所示的精确数学模型：minf(X)=c1x1+c2x2+...+cnxns.t.a11x1+a12x2+...+a1nxn≤b1s.t.a21x1+a22x2+...+a2nxn≤b2s.t.a31x1+a32x2+...+a3nxn≤b3...s.t.am1+x1+am2x2+...+amnxn≤bm]]>式中，xi代表一个任务节点的软硬件实现方式，xi＝1表示该节点用硬件实现，xi＝0表示该节点用软件实现，aij和ci是嵌入式系统的性能参数，bi是嵌入式系统的性能约束值；2)针对约束条件中系数矩阵中系数的相关性，将精确数学模型化简为低维度的简单模型，化简后的模型如下所示：minf(X)=c1x1+c2c2+...+cnxns.t.ai1x1+ai2x2+...+ainxn≤bis.t.aj1x1+aj2x2+...+ajnxn≤bj...s.t.ak1x1+ak2x2+...+aknxn≤bk]]>式中i、j和k是简化模型约束项；3)求解简化模型选用自动划分算法，求解步骤2)的简化模型，得到最优软硬件划分方案，并记录算法求解的运行时间，观察自动划分算法对简化模型求解的效率；4)验证软硬件划分方案的可行性将步骤3)所述的最优软硬件划分方案代入步骤1)所述的精确数学模型中的约束条件组，对求解简化模型得出的最优软硬件划分方案进行可行性验证，如果满足精确数学模型中的各约束条件，最优软硬件划分方案在精确数学模型中是可行解，进入步骤5)，如果最优软硬件划分方案不满足精确数学模型中的各约束条件，最优软硬件划分方案在精确数学模型中是不可行解，则返回到步骤2)循环迭代直到得出的最优软硬件划分方案是可行解为止；5)输出最优软硬件划分方案。...

【技术特征摘要】
1.一种高效动态软硬件划分方法，用于嵌入式系统的设计，其特征在于，包括如下步骤：1)建立软硬件划分问题的精确数学模型，假设有n个任务节点和m个约束条件，系统执行时间作为优化目标函数，建立如下所示的精确数学模型：式中，xi代表一个任务节点的软硬件实现方式，xi＝1表示该节点用硬件实现，xi＝0表示该节点用软件实现，aij和ci是嵌入式系统的性能参数，bi是嵌入式系统的性能约束值；2)针对约束条件中系数矩阵中系数的相关性，将精确数学模型化简为低维度的简单模型，化简后的模型如下所示：简化模型中共有k个约束项；3)求解简化模型选用自动划分算法，求解步骤2)的简化模型，得到最优软硬件划分方案，并记录算法求解的运行时间，观察自动划分算法对简化模型求解的效率；4)验证软硬件划分方案的可行性将步骤3)所述的最优软硬件划分方案代入步骤1)所述的精确数学模型中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，余益科，赵鑫，李康康，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12