基于多目标优化的SoC软硬件划分技术研究

【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。