检索结果-内蒙古大学图书馆

计算机研究与发展 2011年第9期48卷 1748-1758页

作者：陈宇李仁发钟俊刘滔湖南大学计算机与通信学院长沙410082

可重构片上系统是一种兼具功能灵活性与高运算速度的新型计算平台,是面向未来嵌入式应用市场复杂需求的技术解决方案,但复杂、困难的设计过程必将阻碍它的广泛应用与进一步发展.针对当前可重构片上系统设计过程中编程不透明、可重构资... 详细信息

可重构片上系统是一种兼具功能灵活性与高运算速度的新型计算平台,是面向未来嵌入式应用市场复杂需求的技术解决方案,但复杂、困难的设计过程必将阻碍它的广泛应用与进一步发展.针对当前可重构片上系统设计过程中编程不透明、可重构资源难以有效利用等问题,结合可编程器件能够根据应用特性动态配置芯片体系结构的特点,提出并实现了一套基于过程级透明编程模型的软硬件协同设计方法.在编程模型框架内,系统设计人员通过调用已根据应用特性进行优化的软硬件协同函数库,即可利用高级语言完成系统功能描述;动态软硬件划分算法在程序运行时对其进行划分,选择、调度需要转换到软件或硬件实现的库函数,并通过动态链接器实时切换函数的运行方式,从而形成一个由功能描述到系统实现的自动化流程.实验及测试结果验证了该方法的可行性和高效性.

关键词：可重构片上系统软硬件协同设计过程级编程模型动态软硬件划分设计方法学

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可重构片上系统的软硬件协同设计方法研究

可重构片上系统的软硬件协同设计方法研究

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作者：陈宇湖南大学

学位级别：博士

可重构片上系统(Reconfigurable System-on-Chip, RSoC)包含不同结构、不同功能的多种模块,形成一个异构多处理单元的系统结构,因而兼具了功能灵活和运算快速的特点。RSoC的系统功能既可以采用软件实现,也可以通过硬件完成,具体方案需... 详细信息

可重构片上系统(Reconfigurable System-on-Chip, RSoC)包含不同结构、不同功能的多种模块,形成一个异构多处理单元的系统结构,因而兼具了功能灵活和运算快速的特点。RSoC的系统功能既可以采用软件实现,也可以通过硬件完成,具体方案需根据系统的性能、功耗、成本等因素决定,这使得其设计过程必然是软硬件协同进行的,其中涉及的问题包括软硬件功能描述、软硬件划分、软硬件综合、软硬件模拟及验证等。另外,近年来,动态部分重构技术由于可实现对硬件资源的分时复用,在提高灵活性的同时降低系统成本,同样成为RSoC设计领域的研究热点。针对当前面向RSoC的设计过程中自动化程度低、编程不透明、可重构资源难以有效利用等问题,并结合可编程器件能够根据应用需求动态配置芯片结构的特点,本文提出并实现了一套新的RSoC软硬件协同设计方法及工具,其中包括了以下几方面的成果： 1.提出了一种基于过程级编程模型的RSoC软硬件协同设计自动化方法：首先,通过构造RSoC的软硬件统一编程模型,确立了一种以软硬件协同函数(过程级)为基础的动态划分流程,并为系统设计人员搭建了易用的、图形化的集成开发环境。在编程模型的框架内,系统设计人员通过调用已根据应用特性进行优化的软硬件协同函数,即可利用高级语言完成系统功能描述。此后,动态软硬件划分算法在程序运行时对其进行划分,选择、调度需要转换到软件或硬件实现的协同函数,并通过动态链接器实时切换函数的运行方式,从而形成了一个由功能描述到系统实现的自动化流程。实验表明,该方法易于使用,且能够有效利用动态可重构资源对应用程序进行加速。 2.提出了一种搜索空间平滑技术结合离散粒子群算法的软硬件划分方法：通过使待划分任务(软硬件协同函数)的各参数值趋向平均值的策略,实现了对软硬件划分任务搜索空间的平滑操作。同时,将局部搜索与平滑力度相结合,在对原搜索空间渐进还原的过程中,离散粒子群算法将每次局部搜索到的最优解作为下一次搜索的起始解进行软硬件划分。实验结果表明,该方法可显著提高原局部搜索算法的求解质量,且在节点数较多的问题求解中速度优势明显,但时间复杂度与原局部搜索算法相同,因此,是一种解决软硬件划分中约束优化问题的有效方法。 3.提出了一种RSoC上动态部分重构技术的实现方法：通过将基于EAPR (Early-Access Partial Reconfiguration)的设计方法与PlanAhead工具相结合,完成了一套动态部分重构技术的实现流程。为验证其可行性及易用性,运用该方法分别对DES (Data Encryption Standard)加解密及音频滤波器系统两个应用实例进行了设计与实现。实验结果表明,采用基于EAPR的设计方法能够避免其他现有设计方法中的诸多限制,使系统设计变得更加灵活；在与PlanAhead工具相结合后,更简化了系统设计流程,提高了动态部分可重构系统的设计效率。同时,在系统中有效利用动态部分重构的技术优势,按实际应用的计算需求分时复用可重构资源,可明显提高系统资源的利用率、节省重构时间,因此,是解决系统性能、成本,以及功耗等问题的可靠选择。 4.提出了一种可重构硬件辅助的流数据管理系统(Data Stream Management System, DSMS):利用上述RSoC的设计方法及工具,设计并实现了一种基于硬件加速的流数据管理系统—Symbiote。首先,通过FPGA实现用于流数据处理的通用硬件加速器(Data Filter Unit, DFU)。 DFU可根据应用需求被设计成不同的数据查询处理器,然后被封装成硬件函数并置于针对DSMS应用开发的软硬件协同函数库中,供系统设计人员使用。在此基础上,依据查询网络的实时状态,软硬件划分算法将对系统功能描述中各查询操作的实现方式进行动态划分,从而配置不同的查询执行引擎组合。实验表明,使用软硬件协同作业的Symbiote系统在高速路收费查询应用中性能优越,其处理单个元组的平均时间仅为纯软件方式实现的1/4。由于硬件处理器能够对多个元组并行处理,该系统在应对高传输率的复杂流数据应用时性能优势将更为明显。同时,良好的系统性能也验证了本文提出的RSoC设计方法、软硬件划分算法,以及动态部分重构技术的实现方法具有可行性和高效性。

关键词：可重构片上系统软硬件协同设计软硬件划分动态部分重构流数据管理系统

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可重构片上系统过程级软硬件协同设计编程模型研究

可重构片上系统过程级软硬件协同设计编程模型研究

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作者：刘召煜湖南大学

学位级别：硕士

得益于集成电路制造技术与工艺的进步,可编程逻辑器件、微处理器和其它部件已经能够整合成一个高度集成复杂的可重构片上系统。由于面向可重构片上系统的设计方法滞后于器件技术的发展,所以提出了一种过程级的软硬件协同设计方法。过程... 详细信息

得益于集成电路制造技术与工艺的进步,可编程逻辑器件、微处理器和其它部件已经能够整合成一个高度集成复杂的可重构片上系统。由于面向可重构片上系统的设计方法滞后于器件技术的发展,所以提出了一种过程级的软硬件协同设计方法。过程级协同设计方法有效运转需要编程模型、硬件平台以及模块间的通信结构三个方面的支持,涉及的问题比较广泛。本文的主要工作是围绕过程级编程模型领域的软硬件透明编程需求问题而展开进行的,为了实现透明化编程,提高设计效率,主要完成了如下工作：首先,从编程模型的角度,给出了过程级软硬件协同设计方法的流程框架,明确了目标应用的描述、综合、运行环境三个阶段应该完成的任务。应用设计人员可以按照这一流程框架根据需求编写目标应用程序,并综合生成可在目标应用平台上运行的可执行程序。其次,设计了软硬件协同函数的内部结构以及相应各模块的实现方式,协同函数是过程级软硬件协同设计方法的基础,本文着重强调了协同函数接口方面的设计与规范约定,包括协同函数对外的统一接口约定和协同函数硬件实现方式的软件模式接口代码的设计。结合具体实例,给出了软硬件协同函数主要模块的设计与构造方法。然后,由于协同函数结构特殊,有软件和硬件两种完全不同的实现方式,所以设计了一个协同函数调度器,用于生成协同函数的约束信息。本文详细给出了协同函数调度器工作模型,约束信息组织格式和程序运行环境的修改实施方案,测试了调度器工作模型中关键部分的性能。最后,设计了一个简单原型系统,以便不断完善过程级协同设计方法。根据当前可重构片上系统的资源状况,使用了一个简单实例对过程级软硬件协同设计方法的编程模型进行了测试,从应用设计人员的角度验证了编程模型的可行性。

关键词：软硬件协同设计方法可重构片上系统编程模型协同函数调度器

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可重构片上系统配置数据压缩算法研究

可重构片上系统配置数据压缩算法研究

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作者：杨鹏湖南大学

学位级别：硕士

采用动态可重构技术的可重构片上系统,通过运行时将不同的配置数据从片外的非易失配置存储加载到现场可编程门阵列(FPGA)上,实现功能的动态切换,被广泛应用于高性能计算领域。配置时间是影响可重构片上系统性能的重要因素,配置压缩技术... 详细信息

采用动态可重构技术的可重构片上系统,通过运行时将不同的配置数据从片外的非易失配置存储加载到现场可编程门阵列(FPGA)上,实现功能的动态切换,被广泛应用于高性能计算领域。配置时间是影响可重构片上系统性能的重要因素,配置压缩技术通过压缩配置数据减少重构时的数据传输量,是缩短可重构片上系统配置时间的常用方法。目前的配置压缩技术对配置时间的压缩有限,且缺乏合理的评价标准。本文以缩短配置时间、改善配置速度为目的,围绕可重构片上系统的配置压缩技术展开研究,建立一个更科学的评估模型,并在此基础上改进现有配置压缩算法,达到提高配置速度的目的。本文首先回顾了可重构片上系统的发展和配置压缩技术的研究现状,介绍并分析了常用的可重构技术和配置压缩方法。随后针对现有配置解压缩系统的结构,分析配置存储和配置接口对解压缩模块输入端和输出端数据传输速度的双重限制,指出使用压缩率作为评估系统实际配置速度的指标所存在的不足之处,设计并建立配置加速比模型用以评估配置压缩技术对实际配置速度的提高。接着,实现了一个基于LZSS编码的配置压缩和解压系统。通过调整算法参数,获得算法在不同情况下的压缩率、配置加速比以及解压缩系统的实际配置速度。实验结果表明,在配置加速比高的参数选择下,LZSS配置压缩算法能够获得更高的实际配置速度,因此选取配置加速比作为评价配置压缩算法的指标,比压缩率更具有指导意义。最后提出了改进的Huffman配置压缩算法。该算法以提高配置加速比为出发点,分析了配置存储和配置接口的带宽不同比值时,各种Huffman编码长度和算法局部压缩率对实际配置速度的影响。算法一方面在不影响解压缩系统实际数据输出速度的前提下,增加大概率符号的编码长度,另一方面缩短小概率符号的编码长度,通过平衡压缩算法的最优和最差局部压缩率,提高配置加速比。实验证明,改进的Huffman配置压缩算法与原始算法相比,尽管在一定程度上影响了压缩率,但实现了系统实际配置速度的提高。

关键词：可重构计算可重构片上系统配置时间配置压缩配置加速比压缩率

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可重构片上系统软硬件划分综述

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新闻天地(下半月刊) 2009年第7期 65-66页

作者：刘根亚陈小华湖南娱乐频道长沙广播电视技术中心

面向可重构片上系统的软硬件划分是一个NP难问题,因此有大量的研究工作和论文集中讨论这一问题。本文综述了可重构系统的软硬件划分的研究进展,从静态的软硬件划分、指令级动态软硬件划分和进(线)程级动态软硬件划分展开,然后例举了几... 详细信息

面向可重构片上系统的软硬件划分是一个NP难问题,因此有大量的研究工作和论文集中讨论这一问题。本文综述了可重构系统的软硬件划分的研究进展,从静态的软硬件划分、指令级动态软硬件划分和进(线)程级动态软硬件划分展开,然后例举了几种典型划分算法算法的应用。通过说明和对比,可以为可重构片上系统的软硬件划分设计者提供帮助,最后总结和讨论了面向可重构系统划分的研究方向。

关键词：可重构片上系统软硬件划分划分算法

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面向动态可重构片上系统的过程级设计方法研究

面向动态可重构片上系统的过程级设计方法研究

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作者：钟俊湖南大学

学位级别：硕士

可重构片上系统结合了通用处理器和ASIC(Application Specific Intergrated Circuits)两者的优点,既能够提供硬件的高效率又具有软件的可编程性,近年来已成为研究的热点。由于具有高性能、高可靠性和设计灵活等特点,此类系统在数据加解... 详细信息

可重构片上系统结合了通用处理器和ASIC(Application Specific Intergrated Circuits)两者的优点,既能够提供硬件的高效率又具有软件的可编程性,近年来已成为研究的热点。由于具有高性能、高可靠性和设计灵活等特点,此类系统在数据加解密、航空航天、计算机辅助设计等领域有着广泛的应用前景。但是目前可重构片上系统在实际的应用过程中仍然存在不少的困难。首先,现有的可重构片上系统的编程模型仍然比较复杂,系统开发过程过于依赖设计人员的开发经验和专业素质,进行系统开发的门槛较高,阻碍了此类系统更为广泛的应用;其次,应用开发人员需要了解体系结构和可重构器件实现的底层物理细节。而且由于应用领域不同,开发人员还需要针对特定领域需求,设计出相应的可重构系统硬件模块;最后,面向可重构片上系统的设计自动化是一种被普遍认可但尚未妥善解决的难题。针对可重构系统的特点,我们需要研究开发支持自动任务划分、算法映射和设计优化的工具。本文集中对面向可重构片上系统软硬件协同设计的硬件透明编程模型及其相关的系统功能表示、硬件方法封装、软硬件方法动态链接等问题进行探索和研究,主要工作如下: 1.提出了一种以Java为描述语言的方法(过程)级硬件透明编程模型。该编程模型基于软硬件协同方法库,并且支持动态软硬件划分。在该编程模型框架下,程序设计者调用软件方法进行应用开发而无需理会底层的物理细节,开发效率得到了提高。 2.提出了一种硬件方法封装方式并给出了详细流程。硬件方法封装有效地屏蔽了硬件加速器逻辑功能的实现细节以及通信与同步的相关细节。同时该封装方式可以帮助我们预先设计好面向领域的软硬件方法库,从而减轻开发人员的工作。 3.设计并实现了一个运行时可重构Java虚拟机。该虚拟机根据软硬件划分结果动态加载并链接相应的硬件方法,从而达到简化编译器和综合工具、提高自动化程度的目的。实验结果表明上述编程模型能够支持硬件透明编程,同时系统性能得到了改善。在本实验中取得的阶段性成果为后续研究奠定了一定的理论基础,并积累了一些的实践经验。

关键词：可重构片上系统硬件透明编程模型硬件方法 Java 软硬件划分

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面向动态可重构片上系统的过程级软硬件划分方法研究

面向动态可重构片上系统的过程级软硬件划分方法研究

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作者：李春江湖南大学

学位级别：硕士

可重构片上系统(Reconfigurable System-on-Chip)包含了执行软件程序的可编程微处理器核和实现硬件逻辑的可重构器件,因此设计人员需要通过软硬件划分来将应用所需完成的功能有效地映射到这两种类型的运算部件上。研究面向可重构片上系... 详细信息

可重构片上系统(Reconfigurable System-on-Chip)包含了执行软件程序的可编程微处理器核和实现硬件逻辑的可重构器件,因此设计人员需要通过软硬件划分来将应用所需完成的功能有效地映射到这两种类型的运算部件上。研究面向可重构片上系统的动态软硬件划分方法对于充分发挥可重构片上系统的结构优势,构建灵活高效的嵌入式应用系统十分重要。目前,大部分可重构计算平台上的动态软硬件划分都采用进(线)程级或指令级粒度。这两种动态软硬件划分方案都存在相应的不足：进程级方案的调度、通信、同步基本由软件完成,时间开销较大,不利于嵌入式系统开发；而指令级方案需要研究在线反汇编、在线综合、在线布局以及布线等算法,实现起来相当复杂,且不便于重复利用现有的IP (Intellectual Property)核。本文针对现有的可重构片上系统软硬件划分算法的不足,主要做了以下工作：首先,采用过程级动态软硬件划分方法,基于过程(函数)级的划分粒度,通过量化待划分问题的复杂度,动态调整软硬件划分算法的参数,以提高软硬件划分算法的性能。然后,提出了支持该方法的自适应蚁群算法,并分析了蚁群算法参数对求解结果的影响,最后通过参数自适应解决了蚁群算法容易陷入局部最优的缺点。模拟实验结果表明,该算法能够较好的避免局部最优,求解质量较高。最后,针对自适应蚁群算法的运行时间较长的缺点,提出了一种遗传算法与自适应蚁群算法融合的软硬件划分方法。利用遗传算法的搜索结果构造蚁群算法初始信息素,通过自适应蚁群算法寻找更优结果,以提高算法的收敛速度并避免局部最优。模拟实验结果表明,该算法能够加快收敛速度,同时求解质量较高。

关键词：可重构片上系统软硬件协划分过程级蚁群算法遗传算法

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面向可重构片上系统的过程级软硬件划分算法研究

面向可重构片上系统的过程级软硬件划分算法研究

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作者：杜家宜湖南大学

学位级别：硕士

可重构片上系统的出现,带来了嵌入式系统的巨大飞跃,可重构系统的灵活性、高性能和高可靠性使得,其得到广泛应用。既能够提供硬件的高性能,又具有可编程性,方便用户的各种需求,特别是在运行过程中功能要求动态变化的应用,因此该系统在... 详细信息

可重构片上系统的出现,带来了嵌入式系统的巨大飞跃,可重构系统的灵活性、高性能和高可靠性使得,其得到广泛应用。既能够提供硬件的高性能,又具有可编程性,方便用户的各种需求,特别是在运行过程中功能要求动态变化的应用,因此该系统在航天领域、加密系统、嵌入式系统教学研究方面有着广泛的应用前景。但由于可重构片上系统的灵活性带来了,设计的复杂度.特别是部分动态可重构技术的出现,使得可重构片上系统的设计能力有所不足,作为软硬件协同设计关键步骤的软硬件划分尤为突出,如何针对可重构片上系统提出一种行之有效的划分方法是一个非常重要的问题。本文集中对面向可重构片上系统软硬件协同设计中的软硬件划分进行研究,对系统的描述,粒度选择,和软硬件划分算法进行了探索和研究,主要完成了以下工作：首先,提出了一种新的静态软硬件划分算法：基于过程级(函数)的粒子群模拟退火混合算法。基本粒子群算法实现简单,运算速度快,有时会陷入局部最优,粒子群算法从个体极值和邻域极值获得更新信息,信息共享机制是单向的,信息的目的性很强有助于提高收敛速度,但是也增加了陷入局部最优的概率。结合其他搜索算法可提高搜索效率。结合模拟退火算法跳出局部最优的能力,本文构造出基于过程级(函数)的混合算法,将两者有机的结合了起来。实验表明,本文所提出的算法能在软硬件划分中的有效性和可行性,并且算法运行稳定。其次,提出了一种动态软硬件划分算法：考虑带权重任务节点深度的动态软硬件划分,该算法充分考虑了在DAG图中每个节点对后续节点的影响,考虑节点的执行时间与通信时间,依据节点之间的依赖关系进行深度优先搜索,并将该因素纳入目标函数,从而达到有效提高系统性能的目的. 最后,设计了两个个简单原型系统。根据现有工具和可重构片上系统资源,设计了运行划分算法的原型系统,其中包括静态划分和动态划分两种原型系统。从整个设计流程的角度,来验证算法的可行性和有效性。

关键词：可重构片上系统协同函数静态划分算法动态划分算法混合优化算法

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支持过程级硬件透明编程的可重构片上系统研究

支持过程级硬件透明编程的可重构片上系统研究

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作者：朱海湖南大学

学位级别：硕士

可重构片上系统(Reconfigurable System-on-Chip,RSoC)通常包含微处理器、可重构计算单元、存储器等。其中微处理器用来执行顺序和非临界代码,而具有高度并行性或计算密集的应用可置于可重构单元上通过硬件加速器实现。这种微处理器和... 详细信息

可重构片上系统(Reconfigurable System-on-Chip,RSoC)通常包含微处理器、可重构计算单元、存储器等。其中微处理器用来执行顺序和非临界代码,而具有高度并行性或计算密集的应用可置于可重构单元上通过硬件加速器实现。这种微处理器和可重构硬件模块的混合结构,兼顾了通用微处理器的灵活性与专用集成电路的高效性,被认为是可以满足未来嵌入式计算的一种极具竞争力的技术解决方案。在可重构片上系统中,硬件资源不同于传统理解中那样固定不变,而是像软件一样可以灵活配置,因而缩小了软硬件之间的差异,增进了其间的交融程度。但在增强系统性能的同时也带来了设计上的困难。设计人员需要详细了解硬件接口细节,管理硬件加速器的配置,制定软硬件通信方法,从而增加了系统设计的复杂度,难以实现高效、可靠的设计流程。针对上述问题,本文研究并实现了一种支持过程级硬件透明编程的可重构片上系统。在该系统中,硬件模块被封装成函数的形式,并根据应用特点归类成硬件函数库提供给设计者,使其能简单方便地通过软件高级语言调用功能实现系统描述。为了增强硬件函数的可移植性,对硬件函数进行了模块化的封装,把硬件函数中与底层硬件及操作系统密切相关的部分提取出来设计为单独的模块。在应用中,我们在Linux内核增加了可重构资源管理器与硬件函数驱动管理器模块,以便对硬件函数的动态配置及底层驱动与运行状态等进行统一管理。针对Xilinx Virtex-II Pro系列FPGA建立了一个可靠的,模块化的动态部分重构系统设计流程,包括建立初始硬件平台、静态与重构模块的划分与设计、模块激活与系统集成等步骤。最后选择在Xilinx Virtex-II Pro XC2VP30平台上设计实现了一个主面向图形图象应用领域的动态部分可重构原型系统。为了对整套方案进行验证,通过运行硬件函数实例对原型系统进了性能测试。实验证明,该系统能够较好地支持过程级的硬件透明编程,设计人员不用了解硬件加速器的配置和接口细节,只需在程序中调用相应硬件函数,系统将自动完成硬件加速器配置,并控制加速器执行计算任务,简化了设计流程。实验结果显示,通过调用硬件函数来取代相应的软件函数,系统的计算能力得到了较大的提高。

关键词：可重构计算可重构片上系统硬件透明编程模型部分动态重构硬件函数

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面向可重构片上系统的通信研究

面向可重构片上系统的通信研究

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作者：杨望仙湖南大学

学位级别：硕士

可重构片上系统(Reconfigurable System-on-Chip, RSoC)由于具有性能、灵活性双高的特点和较高的性价比,越来越受到嵌入式系统设计人员的青睐。RSoC性能很大程度上受通信结构与软硬件通信模式的影响。目前,RSoC设计中,软硬件通信对用户... 详细信息

可重构片上系统(Reconfigurable System-on-Chip, RSoC)由于具有性能、灵活性双高的特点和较高的性价比,越来越受到嵌入式系统设计人员的青睐。RSoC性能很大程度上受通信结构与软硬件通信模式的影响。目前,RSoC设计中,软硬件通信对用户不透明,开发者需了解底层硬件结构,才能更好地完成软硬件通信,系统开发效率低。本文为实现过程级软硬件划分的RSoC通信对用户透明展开了研究。在通信设计的同时,考虑上层编程模型的实现难度,尽量减少上层编程模型设计人员在模型中通信方面所涉及的工作量,使RSoC通信对用户透明,取得了如下成果：首先,根据硬件函数的特点,提出了一种自适应软硬件双通信模式,软硬件通信效率得到优化；构建了一种基于模拟退火和链式调度的软硬件通信模式自适应决策算法,使软硬件通信模式的选择对用户透明。其次,研究设计了动态内存管理模块(DMMU),利用DMMU提供的API来实现内存的分配与回收,使处理核与内存之间的通信管理对用户透明。为了验证自适应决策算法的决策结果,本文进行了模拟实验。实验表明：自适应软硬件双通信模式能有效缩短软硬件通信时间,在通信时间开销得到优化的同时,系统的面积开销也有一定减少。本文最后开发设计了一个过程级软硬件动态划分的RSoC原型系统,通过软件和硬件的相互配合执行DSP算法。采用硬件函数封装、软硬件双通信模式、DMMU等技术,提高了RSoC通信的效率,使通信细节对用户透明。

关键词：可重构片上系统软硬件通信软硬件双通信模式自适应决策算法动态内存管理

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