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软硬件协同综合及虚拟微处理器技术研究

张鲁峰  
【摘要】: 嵌入式系统通常是完成特定功能的软件和硬件的集合,嵌入式系统的发展十分迅速。在传统的嵌入式系统设计方法中,软硬件设计过程的割裂导致了低质量的设计方案和开发进程的拖延,现有设计方法已经不能满足嵌入式系统发展的需求。 软硬件协同设计是一种新的设计方法。软硬件协同设计协调软硬件开发过程并行开展,一方面可以缩短设计周期,极大地提高设计效率。另一方面可以根据系统各个部分的特点和设计约束,选择软件或者硬件实现方式,得到高性能,低成本的优化设计方案。本文的主要研究了系统软硬件协同设计中的若干关键技术,包括:系统模型、设计评价技术、软硬件协同综合和嵌入式微处理器虚拟原型技术。 针对有固定周期约束的计算密集型嵌入式系统,本文提出了带时间约束的任务流图模型(TTG),为软硬件协同综合综合和评价研究奠定了良好的基础。TTG模型中以任务作为设计的基本粒度,本文指出了任务划分问题的重要性,并提出了基于系统行为对象关系度量进行任务划分的方法。 文中通过分析完全点和二分点的情况,提出了两个合并准则,对于C.J.Tseng提出的、目前使用广泛的基团剖分算法进行了改进。经模拟测试表明,新算法明显提高了划分质量。 软硬件协同综合决定系统功能在软硬件实现结构上的分配,是软硬件协同设计的核心问题。本文提出了基于改进遗传算法解决软硬件协同综合问题的新方法,基于TTG模型,该方法能够实现多并发任务流在多处理单元结构上的映射。对于遗传算法的若干改进明显提高了综合算法的速度、稳定性和适应性。 在对现有性能评价方法的深入对比研究和对软硬件协同设计中调度问题分析的基础上,本文提出了基于动态关键路径优先调度进行系统层性能评价的方法,实验表明该方法优于其它几种调度算法。 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心,本文介绍了面向嵌入式微处理器的虚拟原型工具——VCPU的设计和实现。同其它微处理器仿真工具相比,该工具具有多层次,可配置,功能全面的特点。 软硬件协同设计强调设计进程的并行化和协作化,该设计方法需要相应辅助设计环境的支持。本文介绍了我们开发的支持软硬件协同设计方法的并行设计环境——YH-CDE,该设计环境以集成框架为核心,支持嵌入式系统多层次的建模与仿真。 最后,对于研究工作进行了总结,并指出了今后的研究方向。 本文的研究成果对于推动软硬件协同设计技术的发展和应用有重要的理论意义和实践意义。


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