基于CDM的软硬件协同设计若干关键技术研究

【摘要】：软(件)硬件协同设计(Hardware/Software Co-design)是一种在设计的最初阶段就将软件与硬件两方面结合起来权衡功能的分配,在软件与硬件的并行设计过程中实现软硬件的交互,以满足系统的功能与性能要求的设计方法[GDM97][DM91]。随着人类进入新的世纪,由于信息技术的飞速发展,软硬件协同设计技术已经成为当前学术与产业界研究的热点。 德国Darmstadt工业大学VLSI与系统实验室自二十世纪九十年代以来一直从事软硬件协同设计技术的研究,在系统建模、设计与验证方面已取得了多项令人瞩目的成果,在国际上享有良好声誉[DAR00]。近年,该实验室又提出了系统建模工具CDM,并且已经应用于机器人、MP3播放器等多个系统的设计。本文的基础是在上海市科技发展基金的资助下,与德国Darmstadt工业大学合作对软硬件协同设计的若干关键技术展开的研究。 软硬件协同综合技术是软硬件协同设计的一个关键技术。基于CDM模型,作者提出了一个软硬件协同综合算法COSMT。和传统的软硬件协同综合算法相比,这一个算法有以下几个特点:1)传统的软硬件协同综合技术包括COSYN、CASPER、MOGAC等研究的对象是分布式硬实时嵌入式系统[BGN97][BN98][RN98_2],而本算法研究的对象是具有硬实时与软实时约束的嵌入式系统。2)采用了一个基于RMA[CJ73]的Slacksteal调度策略[RKA93]以满足软实时与硬实时约束相混合的要求。3)本算法中还提出了一个系统的硬件互联结构生成子算法,这一算法通过减少硬实时通信事件的资源竞争、降低软实时通信事件的路由复杂性,使得生成的硬件互联结构能够满足系统的硬(软)实时性约束,同时提高系统的可靠性。4)在优化方法中采用了一个近似 华东师范大学博士学位论文 Pareto一ranking[B GN97]的评级方法,满足了设计的多重性能优化要 求。 如何高效、正确地将高层抽象形态的设计自动转化成设计的 低层实现形态是软硬件协同设计的一大难题。对此,本文给出一 个将设计从高层抽象模型(CDM模型)转化成部件的 SystemqsysOZ]行为级代码框架的自动生成算法。通过实验验证, 生成的SystemC代码能够满足系统的功能及软实时、硬实时约束。 详细设计描述技术也是软硬件协同设计的一个重要技术,其 目的是支持设计者建立详细设计的描述模型,直观地描述软件或 者硬件的时间特征、数据流与控制流等信息,以有效地对系统的 详细设计进行分析、研究。CDM能够用来建立系统模型,但是并 不适合详细设计的描述。对此,作者提出了一个双层定时Petri Net 一DTTPN及层次化DTTPN,它能够将数据流与控制流在同一个 模型中分开表示,能够描述系统的时间特征,这样,设计者能够 同时在数据域与控制域分析设计,也能够分析系统的时序特征, 从而为部件的详细设计提供了一个描述工具。 通过上述研究,作者从系统结构的设计、部件的设计与实现 这两个阶段对软硬件协同设计的关键技术进行了系统的探讨,在 CDM的基础上形成了一套软硬件协同设计的工具与算法。 软硬件协同设计实验平台ROCS是应用上述技术开发的软硬 协同设计实验系统。它支持设计者采用文本或图形的方式对系统 采用CDM进行描述,并根据生成的CDM模型进行协同综合从而 得到系统结构描述,然后生成系统的行为级SystemC代码框架。 本文介绍了ROCS的系统设计,着重分析了上述技术在系统中的 应用。然后以一个PDA为例进行了实验研究,实验结果表明: ROCS能够支持设计者进行系统结构的设计;借助于ROCS生成 的systemC代码及SystemC的开放平台,设计者能够在设计的早 期发现错误,并对设计进行改进。 综上所述,本文的主要工作与创新点归纳为: