一种高效动态软硬件划分方法
【技术领域】
[0001] 本发明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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 软硬件划分问题的描述：
[0005] 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)。
[0006] 其中，V是任务的集合，V =作。^，. . . .，Vn}，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 = {%，ei，. . . .，ej，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。
[0007] 设X = {xp 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，x i= 0表示该节点用软件实现。
[0008] 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：
[0009]
【主权项】
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，ai#Pci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。
2. 根据权利要求1所述的一种高效动态软硬件划分方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的一种高效动态软硬件划分方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的一种高效动态软硬件划分方法，其特征在于，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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06F9-46
【公开号】CN104572268
【申请号】CN201510018282
【发明人】张涛, 余益科, 赵鑫, 李康康
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月14日