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基于多目标优化的SoC软硬件划分技术研究

郑刚  
【摘要】:随着芯片集成度的飞速提高,一个电子系统或分系统可以完全集成在一个芯片之上,集成电路的设计已经进入片上系统(SoC,System on Chip)的时代。在SoC的设计中,设计工艺的发展使得越来越多的功能集成到一个芯片成为可能。为实现这一目标,产生了一种基于核设计(Core-based Design)的方法,它将系统的功能划分为不同的核,采用IP(Intellectual Property)核以完成特定的设计功能,这是因为专用的IP核通常有较好的性能和较低的功耗。由于SoC设计中引入了复杂的IP模块和嵌入式软件,导致传统的软硬件分开设计的方法已不再适合SoC设计的需要;而软硬件协同设计技术在系统设计的初期考虑软硬件划分,根据特定的标准,将一部分系统功能采用IP核实现,而另一些功能采用软件实现。软硬件协同设计强调在整个设计过程中,以最优化设计为目标,可以灵活地调整软硬件之间的界限,从而引发了人们对以IP核组装为基础的软硬件协同设计技术的研究。 在整个软硬件协同设计流程中,软硬件划分算法是其中的一个关键技术。如何兼顾系统的性能和成本,达到性能和成本的最佳结合,是软硬件划分要解决的问题。由于SoC软硬件划分属于NP难问题,对于此类问题现在只能借助于优化算法对其进行近似求解。本文的工作就是围绕求解SoC设计中软硬件划分问题最优解而展开的。 首先,本文对SoC设计中涉及到的软硬件划分问题进行了深入细致地分析,指出该问题实质上是一个多目标优化问题。 其次,考虑到常用的线性加权方法具有很大的主观性,在讨论了现有优化算法的基础上,本文提出了一种基于多目标优化的软硬件划分方法,该方法是建立在非劣排序遗传算法的基础上,可直接对多个目标同时进行优化。为了保持遗传算法中群体的多样性,引入了小生境技术。同时,为了加快遗传算法的收敛速度,引入了精英保持策略。 另外,在对系统性能进行有效评估时,由于传统的ASAP、ALAP算法没有考虑系统的整体信息,仅仅只是通过系统的局部信息来调度和评估,所以评估精度不够高。针对此缺陷,本文提出并实现了基于表调度的性能评估算法,讨论了该方法的两个核心问题:调度优先级的确定和性能评估参数的确定,并给出了该方法的伪码,最后从个体和群体两个方面验证了算法的有效性。 本文在充分考虑到SoC设计特殊性的基础上,提出了SoC软硬件划分系统的结构,详细探讨了系统的组成模块,包括IP特征数据库、系统模型、特征分析、多目标优化和结果分析5个模块,并构造了一个SoC软硬件划分系统原型。 在论文最后,对本文所做的工作进行了简要回顾和总结,并展望了SoC软硬 武汉大学硕士学位论文 件划分研究的未来发展趋势。


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