專利名稱：考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法。

背景技術(shù)：
根據(jù)劃分層次和粒度，有關(guān)動態(tài)軟硬件劃分的研究主要分成兩種思路。
第一種思路由喬治等人在2003年設(shè)計(jì)自動化會議上提出，并在其后期工作中不斷發(fā)展，主要是利用專門高速緩沖存儲器記錄軟件程序中循環(huán)執(zhí)行的頻度，選擇執(zhí)行頻度最高的循環(huán)，將其機(jī)器代碼反匯編后提取數(shù)據(jù)流圖，在額外的微處理器上運(yùn)行一個(gè)在線綜合程序?qū)?shù)據(jù)流圖綜合為邏輯電路，并配置到可編程器件上。這樣設(shè)計(jì)人員無需考慮軟硬件劃分，可以直接設(shè)計(jì)純軟件實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)，而由動態(tài)軟硬件劃分來決定實(shí)際的劃分方案。因這種思路從底層入手，可以稱之為指令級動態(tài)軟硬件劃分方法。
另一種思路從高層著眼，把配置到可編程器件的硬件電路看作一種硬件進(jìn)(線)程，通過構(gòu)建支持硬件進(jìn)(線)程的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟硬件進(jìn)(線)程的相互遷移和切換。因此，可以稱之為進(jìn)(線)程級動態(tài)軟硬件劃分。面向部分可重構(gòu)FPGA的在線綜合(On-Line Synthesis for Partially Reconfigurable FPGAs.)詳細(xì)討論了面向可重構(gòu)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)中硬件進(jìn)程調(diào)度的在線布局問題；設(shè)計(jì)了一個(gè)稱為BORPH的操作系統(tǒng)，利用Unix進(jìn)程來表示硬件任務(wù)，并通過擴(kuò)展Unix系統(tǒng)進(jìn)程服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)對硬件任務(wù)的支持。國內(nèi)復(fù)旦大學(xué)的周博、邱衛(wèi)東、彭澄廉研究了利用軟硬件多任務(wù)模型來降低軟硬件進(jìn)程遷移開銷，并通過擴(kuò)展μCOS-II嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)原型系統(tǒng)。
指令級和進(jìn)(線)程級動態(tài)軟硬件劃各有優(yōu)劣。
劃分方法的不足 指令級動態(tài)軟硬件劃分方法 由于需要額外的專用微處理器進(jìn)行在線反匯編、綜合和布局布線，硬件開銷比較大。
另一方面指令級動態(tài)軟硬件劃分粒度目前局限在基本塊內(nèi)，結(jié)構(gòu)也局限于單循環(huán)結(jié)構(gòu)，性能提升效果有限。
另外，雖然設(shè)計(jì)人員只需提供軟件實(shí)現(xiàn)方案，而把軟硬件劃分和硬件綜合交給專門軟硬件執(zhí)行，但這樣未能利用已有的硬件設(shè)計(jì)資源，這在目前第三方IP(IntellectualProperty知識產(chǎn)權(quán))核十分豐富的情況下，顯得有些浪費(fèi)。進(jìn)(線)程級動態(tài)軟硬件劃分 相對指令級動態(tài)軟硬件劃分而言，進(jìn)(線)程調(diào)度、通信、同步基本由軟件完成，時(shí)間開銷較大。
雖然在一些研究中提出了支持可重構(gòu)計(jì)算操作系統(tǒng)的專門硬件，但主要負(fù)責(zé)配置信息和可重配置資源管理，進(jìn)程調(diào)度和切換還是由軟件完成。
另外，目前的進(jìn)(線)程級動態(tài)軟硬件劃分研究中對軟硬件透明編程模型還關(guān)注不夠，軟件和硬件進(jìn)(線)程對設(shè)計(jì)人員是可見的，程序員創(chuàng)建一個(gè)軟件或硬件進(jìn)(線)程的同時(shí)，實(shí)際已暗示了相應(yīng)功能的軟硬件劃分，雖然有可能增加專門代碼和電路來進(jìn)行軟硬件進(jìn)(線)程遷移，但需要同時(shí)修改操作系統(tǒng)和底層硬件以提供支持，對開發(fā)人員的綜合能力要求極高，并非一個(gè)理想的方案。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是提供一種考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法，采用該方法，任務(wù)的執(zhí)行效率顯著提高。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為 一種考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法，其特征在于，在程序運(yùn)行過程中，進(jìn)行動態(tài)的軟硬件劃分，在可重構(gòu)硬件資源上進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)函數(shù)的配置，對待劃分函數(shù)維護(hù)一個(gè)待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，其中fk為硬件加速比，k為待劃分的一個(gè)函數(shù)；k＝1，…，m，m為待劃分函數(shù)個(gè)數(shù)，硬件加速比定義為

F對應(yīng)待劃分函數(shù)的集合；Ck為函數(shù)k在程序運(yùn)行過程中被調(diào)用的次數(shù)，Timeswk為函數(shù)k的軟件執(zhí)行時(shí)間；

為0時(shí)表示函數(shù)k當(dāng)前劃分為硬件，反之表示函數(shù)k當(dāng)前為軟件；Trfk對應(yīng)函數(shù)k的硬件實(shí)現(xiàn)函數(shù)的配置時(shí)間；Timehwk為函數(shù)k的硬件執(zhí)行時(shí)間；Commk為函數(shù)k的硬件實(shí)現(xiàn)函數(shù)的軟硬件通信代價(jià)，為硬件與軟件的參數(shù)傳遞時(shí)間；參數(shù)傳遞時(shí)間可以用傳統(tǒng)的仿真工具仿真出來，函數(shù)的軟件執(zhí)行時(shí)間可以由系統(tǒng)中統(tǒng)計(jì)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間的函數(shù)得到，具體的一種實(shí)現(xiàn)方法為進(jìn)入函數(shù)時(shí)調(diào)用了dl_update_time_front和dl_get_time函數(shù)，在函數(shù)結(jié)尾時(shí)調(diào)用了dl_hw_update_time函數(shù)，這些函數(shù)將自動測量和保存該硬件函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間； 具體劃分步驟如下 步驟1從列表list(f1，…，fm)中選出最大值fi； 步驟2如果fi已經(jīng)被劃分為硬件，則從列表中刪除fi，更新列表，返回步驟1，否則，進(jìn)入下一步； 步驟3檢測當(dāng)前的可重構(gòu)資源是否足夠，是則將函數(shù)i劃分為硬件，并配置到可重構(gòu)資源上，從列表中刪除fi，更新列表，返回步驟1； 否則，進(jìn)入下一步； 步驟4fi與fj比較，fj為函數(shù)j的硬件加速比，函數(shù)j為已經(jīng)配置在可重構(gòu)資源上的函數(shù)中的一個(gè)函數(shù)，且在所有的已經(jīng)配置在可重構(gòu)資源上的函數(shù)中，函數(shù)j所對應(yīng)的加速比最?。蝗绻鹒i大于fj，則將函數(shù)j劃分為軟件，從可重構(gòu)資源中刪除函數(shù)j，返回步驟3；如果fi小于fj，則進(jìn)入步驟4.1； 步驟4.1檢測list是否為空，不空，則保存本次劃分結(jié)果，結(jié)束；如果是空，則計(jì)算關(guān)系矩陣Cst，選出該關(guān)系矩陣Cst中最大值元素cst，將cst對應(yīng)的函數(shù)t加入到待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)中更新待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，進(jìn)入步驟4.2； 所述的Cst記錄函數(shù)調(diào)用次序信息，關(guān)系矩陣Cst為m*N個(gè)元素，N為m個(gè)待劃分的函數(shù)可能調(diào)用的所有函數(shù)的個(gè)數(shù)；s元素表示當(dāng)前劃分的所有函數(shù)，元素cij表示函數(shù)i被調(diào)用后立刻就調(diào)用了函數(shù)j的次數(shù)。
步驟4.2判斷硬件資源對應(yīng)函數(shù)t是否足夠，是則將函數(shù)t配置到硬件中，在列表list(f1，…，fm)中刪除函數(shù)t，否則，返回步驟4.1。
發(fā)明的有益效果 本發(fā)明的技術(shù)主要構(gòu)思是在軟硬件動態(tài)劃分過程中，提出了考慮硬件預(yù)配置的方法，通過衡量軟硬件執(zhí)行某一函數(shù)或任務(wù)的花費(fèi)時(shí)間比值的硬件加速比，某一函數(shù)的硬件加速比越大，說明該函數(shù)越適宜于采用硬件執(zhí)行，在此過程中，并考慮函數(shù)間的調(diào)用關(guān)系，預(yù)先將執(zhí)行概率最大的函數(shù)配置到硬件資源上，基于硬件加速比對函數(shù)進(jìn)行動態(tài)軟硬件配置，充分利用了系統(tǒng)的硬件資源，并且考慮了函數(shù)間的調(diào)用關(guān)系，從而顯著提高整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)處理效率。關(guān)于采用本方法的速度與其他配置方法比較，具體見實(shí)施例中的測試?yán)?br> 另外，從時(shí)間復(fù)雜度分析該算法的時(shí)間復(fù)雜度相較其他算法而言具有較低的時(shí)間復(fù)雜度。對于一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，假設(shè)其設(shè)計(jì)中總共調(diào)用了n個(gè)函數(shù)，在調(diào)用算法時(shí)，List中包含有m個(gè)待劃分的函數(shù)(m≤n)，劃分算法的時(shí)間主要花銷在對函數(shù)隊(duì)列的查找、刪除操作上。通常，隊(duì)列的查找和刪除操作的時(shí)間復(fù)雜度可以維持在O(logn)，從而算法的復(fù)雜度可以維持在O(mlogm)，由于m≤n，算法最差時(shí)間復(fù)雜度可以維持在O(nlog n)。隊(duì)列中每個(gè)函數(shù)對包含有多個(gè)固定大小的屬性值，假設(shè)每個(gè)函數(shù)對占用的空間大小為K，則算法的空間復(fù)雜度為O(Km)，由于m≤n，算法最差空間復(fù)雜度可以維持在O(Kn)。遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的一些迭代劃分算法而言，如遺傳算法最好情況下的時(shí)間復(fù)雜度為O(rn^2)等.


圖1為考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法的流程圖； 圖2為軟硬件劃分?jǐn)?shù)據(jù)流圖； 圖3為不同配置下程序的執(zhí)行時(shí)間對照圖； 圖4為JPEG編碼系統(tǒng)； 圖5為過程級軟硬件劃分算法三種情況的性能比較圖。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
問題描述和作何改進(jìn) 軟硬件劃分主要是決定抽象函數(shù)在運(yùn)行時(shí)是動態(tài)鏈接到軟件，還是硬件實(shí)現(xiàn)代碼上。在進(jìn)行劃分前，首先需要確定劃分的對象。而待劃分的函數(shù)可能很多，這樣就需要從中選擇一組，使系統(tǒng)在滿足資源約束的條件下獲得最優(yōu)性能，所以這是一個(gè)約束組合優(yōu)化問題。由于動態(tài)軟硬件劃分在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，需要能根據(jù)劃分后系統(tǒng)運(yùn)行情況改進(jìn)原有劃分。
過程級劃分算法的主要優(yōu)點(diǎn)是1)面積/性能的折中。相比之下，過程級粒度占用面積適中，通信代價(jià)固定。2)對象數(shù)量較小。由于抽象層次較高，而且劃分對象只限于同時(shí)具有軟硬件實(shí)現(xiàn)的過程，從而劃分對象較小，使算法的性能得到提高。采用如下思路來設(shè)計(jì)動態(tài)劃分流程。
算法具體實(shí)現(xiàn) 一.劃分算法問題描述 在滿足體系結(jié)構(gòu)和資源限制的前提下，軟硬件劃分算法的目標(biāo)在于最小化應(yīng)用程序的運(yùn)行時(shí)間，其工作重點(diǎn)在通過將硬件過程遷移到FPGA上執(zhí)行來優(yōu)化序列化的軟件應(yīng)用程序。與通用的多進(jìn)程的軟硬劃分模型不同，動態(tài)鏈接控制可以保證軟硬件執(zhí)行過程串行執(zhí)行，而且硬件過程的通信代價(jià)是固定的。
首先定義相關(guān)概念如下問題的輸入用三元組<F，Areatotal，Tall_software>來表示。其中Areatotal代表系統(tǒng)中最大可用的硬件面積；Tall_software是純軟件的方式來執(zhí)行應(yīng)用程序所花費(fèi)的時(shí)間；F對應(yīng)著應(yīng)用中包含的軟硬件函數(shù)對，其由四元組<C，Timesw，HW，Xnow>組成，其中C是對應(yīng)函數(shù)對總的調(diào)用次數(shù)，Timesw表示軟件函數(shù)執(zhí)行時(shí)間；Xnow則為函數(shù)的當(dāng)前劃分結(jié)果，其中Xnow＝0或1，為1時(shí)表示函數(shù)i當(dāng)前劃分為硬件，反之為軟件；HW代表硬件實(shí)現(xiàn)方案，其可由三元組<Areahw，Chw，Comm，Timehw，Trf>表示，Areahw代表硬件函數(shù)面積；Chw是該硬件函數(shù)執(zhí)行的次數(shù)；Comm是軟硬件通信代價(jià)；Timehw為硬件執(zhí)行時(shí)間，Trf對應(yīng)硬件函數(shù)的配置時(shí)間。整個(gè)劃分算法的目標(biāo)是使得公式

具有最小值。其中Chw，HW表示選中函數(shù)的硬件方案執(zhí)行次數(shù)；Timesw，F(xiàn)代表F集合中選中的函數(shù)的軟件函數(shù)執(zhí)行時(shí)間；Timehw，HW代表F集合中選中的函數(shù)的硬件函數(shù)執(zhí)行時(shí)間；CommHW代表F集合中選中的函數(shù)的硬件函數(shù)的通信時(shí)間。
由于硬件資源非常有限，所以對任務(wù)的資源占用需要一定的約束條件，在任意時(shí)刻j滿足 二、算法設(shè)計(jì) 上述問題可以看成是一個(gè)0/1背包問題，可采用貪婪法則進(jìn)行最優(yōu)化。在約束條件下，假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)根據(jù)當(dāng)前劃分執(zhí)行了一段時(shí)間。對于每個(gè)函數(shù)，下一次劃分決策會受諸多因素影響，將這些因素綜合起來，可計(jì)算出本函數(shù)的劃分傾向度

分析Fi函數(shù)中各項(xiàng)的形式，主要考慮硬件函數(shù)的加速比。如果劃分為硬件實(shí)現(xiàn)能使函數(shù)執(zhí)行得到加速，那么該函數(shù)顯然傾向于劃分為硬件實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的子項(xiàng)為
Ci在新一輪劃分完成后將清零，重新統(tǒng)計(jì)函數(shù)i的被調(diào)用次數(shù)。f的值越大，函數(shù)越傾向于劃分為硬件實(shí)現(xiàn)。在劃分過程中，函數(shù)調(diào)用次數(shù)對劃分傾向度有影響，調(diào)用次數(shù)越多，越傾向于劃分為硬件實(shí)現(xiàn)。矩陣C記錄函數(shù)調(diào)用次序信息，cij表示函數(shù)i被調(diào)用后立刻就調(diào)用了函數(shù)j的次數(shù)。獲得Fi的計(jì)算方法后，每次進(jìn)行劃分時(shí)，可計(jì)算出所有函數(shù)的Fi值，然后按以下方法選擇劃分為硬件實(shí)現(xiàn)的函數(shù) 顯然，上述軟硬件劃分算法可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的當(dāng)前情況進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)槊看蝿澐謺r(shí)xixi如果為0時(shí)表示函數(shù)k當(dāng)前劃分為硬件，反之表示函數(shù)k當(dāng)前為軟件；參數(shù)的值可能由于系統(tǒng)運(yùn)行情況的改變而與前一次不同?？紤]獲得系統(tǒng)運(yùn)行信息需要一定時(shí)間，可以采用周期性的方式調(diào)用該算法。另外，還在算法中加入了預(yù)配置機(jī)制，這主要是考慮硬件配置較為耗時(shí)，如果能利用其它函數(shù)執(zhí)行時(shí)提前配置需要的硬件模塊，便可能大大降低有效計(jì)算外的開銷。采用啟發(fā)式預(yù)配置方法并利用運(yùn)行時(shí)記錄的函數(shù)調(diào)用次序信息進(jìn)行預(yù)配置，假設(shè)利用一個(gè)矩陣C記錄，cij表示函數(shù)i被調(diào)用后立刻就調(diào)用了函數(shù)j的次數(shù)。如果函數(shù)i當(dāng)前被劃分為硬件實(shí)現(xiàn)，并已配置到可重構(gòu)資源上，應(yīng)該考慮將對應(yīng)的函數(shù)k進(jìn)行預(yù)配置，原因是函數(shù)k在下一輪劃分中被劃分為硬件實(shí)現(xiàn)的可能性較高，其中函數(shù)k可通過以下公式確定
如果滿足以上四個(gè)條件，即代表函數(shù)k當(dāng)前劃分為軟件實(shí)現(xiàn)，且此時(shí)空閑可重構(gòu)資源足夠，則將函數(shù)k進(jìn)行預(yù)配置。其中Areanow代表系統(tǒng)在當(dāng)前時(shí)刻可用的硬件面積。圖1顯示了預(yù)配置與過程級軟硬件劃分結(jié)合的劃分過程。
評價(jià)函數(shù)將用來評估軟硬件劃分算法解方案的優(yōu)劣，在軟硬件劃分方案給出后，可以經(jīng)過調(diào)度得出該方案的耗時(shí)，根據(jù)耗時(shí)情況來判斷本次劃分是否優(yōu)于前次的劃分方案并取而代之。假設(shè)P為當(dāng)前劃分，P’為新的劃分，T為P的時(shí)間函數(shù)(通過調(diào)度獲取)即T(P)。若T(P)≤T(P)，則評價(jià)新的劃分為一個(gè)更優(yōu)的解，否則丟棄新劃分。軟硬件劃分經(jīng)過評價(jià)函數(shù)來接受或拒絕新解，使最終結(jié)果趨于最優(yōu)。
三、動態(tài)劃分流程 程序運(yùn)行過程中將自動加載相應(yīng)的硬件函數(shù)，軟硬件函數(shù)的執(zhí)行選擇由劃分算法決定，圖2顯示了整個(gè)運(yùn)行時(shí)環(huán)境的數(shù)據(jù)流。
當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用某一函數(shù)時(shí)，運(yùn)行時(shí)環(huán)境需對函數(shù)名進(jìn)行分析，從而判斷是否具有相應(yīng)的硬件函數(shù)實(shí)現(xiàn)，如果沒有，則繼續(xù)運(yùn)行軟件代碼，否則在軟硬件函數(shù)運(yùn)行時(shí)信息表中為其創(chuàng)建一個(gè)新的記錄并從硬件函數(shù)庫中讀入相應(yīng)的配置信息。這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中主要包括軟硬件函數(shù)執(zhí)行時(shí)間、函數(shù)調(diào)用次數(shù)、硬件函數(shù)面積等將被提供給軟硬件劃分算法的參數(shù)信息。
軟硬件動態(tài)鏈接過程根據(jù)劃分結(jié)果為函數(shù)選擇一種執(zhí)行位置(要么在微處理器上，要在FPGA上)，如果調(diào)用的是硬件函數(shù)，則首先查詢可重構(gòu)資源管理器，若該硬件函數(shù)尚未配置，則需要進(jìn)行動態(tài)重構(gòu)，接著運(yùn)行硬件加速器，最后將執(zhí)行結(jié)果寫入數(shù)據(jù)區(qū)域。
算法性能測評 使用C語言描述我們提出的過程級軟硬件劃分算法。由于實(shí)際已有的軟硬件劃分算法大多采用進(jìn)程作為劃分單位，或采用基本塊(指令級劃分)，而我們提出的是在過程級進(jìn)行軟硬件劃分，以自定義的軟硬件抽象函數(shù)為劃分對象，與這些算法難以直接進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)。所以本文考慮平臺的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以下三種方法來評估本文算法的性能，一個(gè)是無動態(tài)重構(gòu)支持；二是加入部分動態(tài)可重構(gòu)后的劃分；三是引入預(yù)配置后的劃分。三種方法都使用JPEG編碼系統(tǒng)(如圖4)進(jìn)行驗(yàn)證。
錯(cuò)誤！未找到引用源。展示了三種方式實(shí)現(xiàn)JPEG編碼所需要的時(shí)間。無動態(tài)重構(gòu)支持的軟硬件劃分性能最差，動態(tài)重構(gòu)下的劃分性能比前者提高了9.93％。引入預(yù)配置后，過程級軟硬件劃分的性能比無動態(tài)重構(gòu)支持的劃分提高了18.44％，比動態(tài)重構(gòu)下的劃分提高了9.45％。實(shí)驗(yàn)表明，隨著可重構(gòu)資源利用效率的不斷提高，過程級軟硬件劃分的優(yōu)勢將更為明顯。
實(shí)施例1 一種考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法，其特征在于，在程序運(yùn)行過程中，在可重構(gòu)硬件資源上已配置一個(gè)或多個(gè)函數(shù)，對待劃分函數(shù)維護(hù)一個(gè)待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，其中fk為硬件加速比，k為待劃分的一個(gè)函數(shù)；k＝1，…，m，m為待劃分函數(shù)個(gè)數(shù)

F對應(yīng)待劃分函數(shù)的集合；Ck為函數(shù)k被調(diào)用的次數(shù)，Timeswk為函數(shù)k的軟件執(zhí)行時(shí)間；

為0時(shí)表示函數(shù)k當(dāng)前劃分為硬件，反之表示函數(shù)k當(dāng)前為軟件；Trfk對應(yīng)函數(shù)k的硬件實(shí)現(xiàn)函數(shù)的配置時(shí)間；Timehwk為函數(shù)k的硬件執(zhí)行時(shí)間；Commk為函數(shù)k的硬件實(shí)現(xiàn)函數(shù)的軟硬件通信代價(jià)，為硬件與軟件的參數(shù)傳遞時(shí)間(可以用傳統(tǒng)的仿真工具仿真出來，函數(shù)的軟件執(zhí)行時(shí)間可以由系統(tǒng)中統(tǒng)計(jì)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間的函數(shù)得到)； 3DES加密函數(shù)和解密函數(shù)使用一個(gè)硬件加速器，配置時(shí)間為Commk＝9.40E-05s；Hamming編碼函數(shù)和解碼函數(shù)使用另一個(gè)加速器，

Commk＝7.6E-06s對于一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，一次運(yùn)行可能調(diào)用，這些函數(shù)上千次以上，所以Ck設(shè)為2000，根據(jù)以上參數(shù)可以算出3DES的f＝2.07，Hamming編碼的f＝0.01。
具體劃分步驟如下 步驟1從列表list(f1，…，fm)中選出最大值fi； 步驟2如果fi已經(jīng)被劃分為硬件，則從列表中刪除fi，更新列表，返回步驟1，否則，進(jìn)入下一步； 步驟3檢測當(dāng)前的可重構(gòu)資源是否足夠，是則將函數(shù)i劃分為硬件，并配置到可重構(gòu)資源上，從列表中刪除fi，更新列表，返回步驟1； 否則，進(jìn)入下一步； 步驟4fi與fj比較，fj為函數(shù)j的硬件加速比，函數(shù)j為已經(jīng)配置在可重構(gòu)資源上的函數(shù)中的一個(gè)函數(shù)，且在所有的已經(jīng)配置在可重構(gòu)資源上的函數(shù)中，函數(shù)j所對應(yīng)的加速比最小；如果fi大于fj，則將函數(shù)j劃分為軟件，從可重構(gòu)資源中刪除函數(shù)j，返回步驟3；如果fi小于fj，則進(jìn)入步驟4.1； 步驟4.1檢測list是否為空，不空，則保存本次劃分結(jié)果，結(jié)束；如果是空，則計(jì)算關(guān)系矩陣Cst，選出該關(guān)系矩陣Cst中最大值元素cst，將cst對應(yīng)的函數(shù)t加入到待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)中更新待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，進(jìn)入步驟4.2； 所述的Cst記錄函數(shù)調(diào)用次序信息，關(guān)系矩陣Cst為m*N個(gè)元素，N為m個(gè)待劃分的函數(shù)可能調(diào)用的所有函數(shù)的個(gè)數(shù)；s元素表示當(dāng)前劃分的所有函數(shù)，元素cij表示函數(shù)i被調(diào)用后立刻就調(diào)用了函數(shù)j的次數(shù)。
步驟4.2判斷硬件資源對應(yīng)函數(shù)t是否足夠，是則將函數(shù)t配置到硬件中，在列表list(f1，…，fm)中刪除函數(shù)t，否則，返回步驟4.1。
測試?yán)龑?shí)驗(yàn)同時(shí)運(yùn)行兩項(xiàng)任務(wù)，3DES加密函數(shù)和解密函數(shù)使用一個(gè)硬件加速器，配置時(shí)間為3.0179526s，Hamming編碼函數(shù)和解碼函數(shù)使用另一個(gè)加速器，配置時(shí)間為2.3684901秒，分別測試它們對1K或1M數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在不同配置下程序所消耗的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。其中static表示程序運(yùn)行時(shí)加速器已經(jīng)靜態(tài)配置完畢，而dynamic表示加速器將在程序運(yùn)行時(shí)動態(tài)配置；all software表示上四個(gè)函數(shù)執(zhí)行方式為純軟件執(zhí)行，all hardware為純硬件執(zhí)行，3des hardware表示3DES加/解密函數(shù)用純硬件執(zhí)行，而hamming編/解碼則用純軟件執(zhí)行，hamming hardware則正好相反，random hardware表示這四個(gè)函數(shù)的執(zhí)行方式是隨機(jī)的，這五個(gè)不同的配置可以通過替換劃分算法庫來實(shí)現(xiàn)。
由于軟件執(zhí)行速度慢，從而導(dǎo)致動態(tài)重構(gòu)情況下全軟件實(shí)現(xiàn)模式性能最差。從圖中還可以看到3DES的軟硬件實(shí)現(xiàn)是影響程序性能的關(guān)鍵，在處理的數(shù)據(jù)較大的情況下，只將它動態(tài)劃分到硬件實(shí)現(xiàn)，取得幾乎與靜態(tài)配置同樣高的性能，比純軟件實(shí)現(xiàn)至少快一個(gè)數(shù)量級，這是因?yàn)棰?DES的加速比和執(zhí)行時(shí)間比Hamming更大(如圖3示)；②3DES配置時(shí)間與運(yùn)行時(shí)間比可以忽略。
權(quán)利要求
1.一種考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法，其特征在于，在程序運(yùn)行過程中，進(jìn)行動態(tài)的軟硬件劃分，在可重構(gòu)硬件資源上進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)函數(shù)的配置，對待劃分函數(shù)維護(hù)一個(gè)待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，其中fk為硬件加速比，k為待劃分的一個(gè)函數(shù)；k＝1，…，m，m為待劃分函數(shù)個(gè)數(shù)，硬件加速比定義為
F對應(yīng)待劃分函數(shù)的集合；Ck為函數(shù)k在程序運(yùn)行過程中被調(diào)用的次數(shù)，Timeswk為函數(shù)k的軟件執(zhí)行時(shí)間；
為0時(shí)表示函數(shù)k當(dāng)前劃分為硬件，反之表示函數(shù)k當(dāng)前為軟件；Trfk對應(yīng)函數(shù)k的硬件實(shí)現(xiàn)函數(shù)的配置時(shí)間；Timehwk為函數(shù)k的硬件執(zhí)行時(shí)間；Commk為函數(shù)k的硬件實(shí)現(xiàn)函數(shù)的軟硬件通信代價(jià)，為硬件與軟件的參數(shù)傳遞時(shí)間；
具體劃分步驟如下
步驟1從列表list(f1，…，fm)中選出最大值fi；
步驟2如果fi已經(jīng)被劃分為硬件，則從列表中刪除fi，更新列表，返回步驟1，否則，進(jìn)入下一步；
步驟3檢測當(dāng)前的可重構(gòu)資源是否足夠，是則將函數(shù)i劃分為硬件，并配置到可重構(gòu)資源上，從列表中刪除fi，更新列表，返回步驟1；
否則，進(jìn)入下一步；
步驟4fi與fj比較，fj為函數(shù)j的硬件加速比，函數(shù)j為已經(jīng)配置在可重構(gòu)資源上的函數(shù)中的一個(gè)函數(shù)，且在所有的已經(jīng)配置在可重構(gòu)資源上的函數(shù)中，函數(shù)j所對應(yīng)的加速比最?。蝗绻鹒i大于fj，則將函數(shù)j劃分為軟件，從可重構(gòu)資源中刪除函數(shù)j，返回步驟3；如果fi小于fj，則進(jìn)入步驟4.1；
步驟4.1檢測list是否為空，不空，則保存本次劃分結(jié)果，結(jié)束；如果是空，則計(jì)算關(guān)系矩陣Cst，選出該關(guān)系矩陣Cst中最大值元素cst，將cst對應(yīng)的函數(shù)t加入到待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)中更新待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，進(jìn)入步驟4.2；
所述的Cst記錄函數(shù)調(diào)用次序信息，關(guān)系矩陣Cst為m*N個(gè)元素，N為m個(gè)待劃分的函數(shù)可能調(diào)用的所有函數(shù)的個(gè)數(shù)；s元素表示當(dāng)前劃分的所有函數(shù)，元素cij表示函數(shù)i被調(diào)用后立刻就調(diào)用了函數(shù)j的次數(shù)。
步驟4.2判斷硬件資源對應(yīng)函數(shù)t是否足夠，是則將函數(shù)t配置到硬件中，在列表list(f1，…，fm)中刪除函數(shù)t，否則，返回步驟4.1。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法，其特征在于，在程序運(yùn)行過程中，進(jìn)行動態(tài)的軟硬件劃分，在可重構(gòu)硬件資源上進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)函數(shù)的配置，對待劃分函數(shù)維護(hù)一個(gè)待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，其中fk為定義硬件加速比，k為待劃分的一個(gè)函數(shù)；k＝1，…，m，m為待劃分函數(shù)個(gè)數(shù)，基于硬件加速比對函數(shù)配置，并且考慮到硬件預(yù)配置因素。本發(fā)明基于硬件加速比對函數(shù)進(jìn)行動態(tài)軟硬件配置，充分利用了系統(tǒng)的硬件資源，從而顯著提高整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)處理效率。
文檔編號G06F9/50GK101763288SQ20101002208
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者李仁發(fā), 陳宇, 徐成, 吳強(qiáng), 劉彥, 朱海, 袁虎, 鐘俊, 劉滔, 鄺繼順, 李蕊, 李肯立, 羅娟, 趙歡, 楊科華, 任小西, 楊書凡, 彭日光, 李春江, 黃瑜臣, 張維, 李浪 申請人:湖南大學(xué)