專利名稱：一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法及映射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種將高級(jí)語言轉(zhuǎn)換成硬件電路的方法。具體地說是一種面向 計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL綜合優(yōu)化方法，即將C語言實(shí)現(xiàn)的循環(huán)程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換成可綜合的 VHDL程序，最終移植到Xilinx系列FPGA上運(yùn)行的方法。本發(fā)明還涉及適用于該方法的裝置。
背景技術(shù)：
將高級(jí)語言轉(zhuǎn)換成硬件電路主要采用兩種方法一種是起步較早的類C語言，即 設(shè)計(jì)一種新的軟/硬件描述語言或程序設(shè)計(jì)模型，將其綜合為網(wǎng)表文件，再使用專門的硬 件綜合工具實(shí)現(xiàn)布局布線；另外一種方法是直接將高級(jí)語言(C， C++， Matlab)程序綜合成 VHDL硬件描述語言，再使用現(xiàn)有的商用工具對(duì)VHDL文件進(jìn)行綜合、布線。
由于類C語言是一種可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)軟/硬件描述的語言，然而，軟件設(shè)計(jì)思想和 硬件設(shè)計(jì)思想存在根本性的不同，軟件結(jié)構(gòu)(馮諾依曼結(jié)構(gòu))是一種時(shí)間計(jì)算模型(time computing model)，其本質(zhì)是程序的串行化；而硬件結(jié)構(gòu)是一種空間計(jì)算模型(spatial computing model)，其本質(zhì)是程序的并行化。所以，在C這樣的軟件語言基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來的 類C語言，在硬件描述的性能上都存在著無法克服的缺陷，其執(zhí)行效果不能與Verilog或 VHDL這樣的硬件描述語言相媲美， 一些執(zhí)行效果較好的類C語言，其實(shí)已經(jīng)將ANSI C擴(kuò)充 修改得面目全非，程序開發(fā)人員相當(dāng)于又要學(xué)習(xí)一種新的軟/硬件描述語言，因此，近幾年 開始關(guān)注直接將高級(jí)語言綜合為VHDL硬件描述語言的方法。 目前，實(shí)現(xiàn)C語言到VHDL語言轉(zhuǎn)換的工具很多，如SPARK， R0CCC， DWARV等。 SPARK[1]以ANSI-C作為輸入，產(chǎn)生可綜合的寄存器傳輸級(jí)VHDL程序。SPARK基于SPARK intermediate ^presentation(IR)開發(fā)，生成的VHDL程序采用FSM(有窮自動(dòng)機(jī))的控 制形式。SPARK雖然通過脈動(dòng)陣列[2]實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)數(shù)類循環(huán)和非計(jì)數(shù)類循環(huán)的支持，但不支 持循環(huán)體里的break、conti皿e以及goto控制結(jié)構(gòu)[3]。 R0CCC[4]以高級(jí)語言如C，C++作為 輸入，其生成VHDL程序也是通過FSM控制。R0CCC采用SUIF和Machine-SUIF作為映射前 端，適合運(yùn)算密集型的算法加速，可作為硬件代碼加速器。R0CCC只支持標(biāo)準(zhǔn)形式的計(jì)數(shù)類
循環(huán)，如for(i = 0 ;i <b ;i++);對(duì)循環(huán)嵌套的支持要求很嚴(yán)格，不能支持任意形式的循環(huán)
嵌套；不支持循環(huán)初值、終值及步進(jìn)值不確定的非計(jì)數(shù)類循環(huán)，這導(dǎo)致R0CCC能處理的循環(huán) 類型有限。同時(shí)，ROCCC對(duì)于循環(huán)體內(nèi)的語句也有要求，如循環(huán)體內(nèi)語句間不能存在數(shù)據(jù)依 賴等。DWARV[幻(Delf workbenchAutomated reconfigurable V亂generator) :DWARV采用 FSM的控制形式，利用數(shù)據(jù)流圖實(shí)現(xiàn)for循環(huán)的轉(zhuǎn)換[6]。 DWARV只支持計(jì)數(shù)類循環(huán)，不支持 非計(jì)數(shù)類循環(huán)，同時(shí)，DWARV在循環(huán)控制上不支持跳轉(zhuǎn)。
與本發(fā)明相關(guān)的公開報(bào)道有 [1] R. K. Gupta， A. Nicolau， S. Gupta and N. D. D u 11 ， " S P ARK :
A high_leve1synthesis framework for applying parallelizing compilertransformations. ，，， Int. Conference on VLSI Design 2003， January 2003
[2]Jae-Jin Lee， Gi-Yong Song. "High-Level Synthesis Using SPARK andSystolic Array", ARC 2006，LNCS 3985，pp.455-4602006 [3]UserManual for the SPARK Parallelizing High-Level Synthesis FrameworkVersionl. 1 [4]W. Najjar, B.A.Buyukkurt and Z.Guo， "Compiler optimization forconfigurable accelerators", Int.Workshop On applied ReconfigurableComputing(ARC 2006)，Delft， The Netherlands,2006
[5]Y. D. Yankova， G. K. K體a麗，K. L. M. Bertels， G. N. Gaydadjiev， J. Lu andS. Vassiliadis， DWARV :Delft Workbench Automated Recongurable VHDLGenerator, In Proceedings of the 17th International Conference on FieldProgrammable Logic and Applications (FPL07) ， Delft， TheNetherlands， 2007 [6]Yana Yankova， Georgi Kuzmanov， Keon Bertels，Georgi Gaydadjiev，YiUi， Stamatis Vassliiadis. "DWARV :DELFTWORKBENCH AUT0MATEDREC0NFIGURABLE VHDL GENERATOR'', Computer Engineering Laboratory, DelftUniversity of Technology。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種通過分離循環(huán)的控制信號(hào)與使能輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高頻 的循環(huán)基本模塊；通過組合這兩組信號(hào)可實(shí)現(xiàn)任意形式的循環(huán)；在循環(huán)路徑的任意節(jié)點(diǎn)處
可以加入運(yùn)算模塊，擴(kuò)展循環(huán)功能的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法。本發(fā)明
的目的還在于提供一種與本發(fā)明的方法相關(guān)的映射裝置。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法為 通過分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系后，找到循環(huán)入口模塊；進(jìn)入循環(huán)入口模塊后，尋找循環(huán)關(guān) 鍵變量；找到循環(huán)關(guān)鍵變量后，將循環(huán)關(guān)鍵的自加操作由循環(huán)體執(zhí)行模塊提前到循環(huán)入口 模塊，使得循環(huán)的控制操作與循環(huán)體的運(yùn)算操作分開；最終分離了循環(huán)的控制信號(hào)與使能 輸出信號(hào)。在循環(huán)控制信號(hào)和使能輸出信號(hào)的作用下，完成循環(huán)里的運(yùn)算操作。
本發(fā)明的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法實(shí)現(xiàn)高頻循環(huán)基本模塊步 驟如下 S301 :當(dāng)重啟信號(hào)有效時(shí)，首次進(jìn)入循環(huán)判斷；利用比較器比較循環(huán)關(guān)鍵變量值 與n值；根據(jù)比較器結(jié)果對(duì)循環(huán)進(jìn)行判斷，若循環(huán)有效，則進(jìn)入循環(huán)體內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，運(yùn) 算器開始工作； S302:當(dāng)重啟信號(hào)失效后，進(jìn)入循環(huán)控制變量自加判斷，不自加則重新回到重啟判 斷部分；否則利用計(jì)數(shù)器對(duì)循環(huán)關(guān)鍵變量進(jìn)行計(jì)數(shù)操作； S303 :自加或重啟后，選擇器對(duì)關(guān)鍵變量以及運(yùn)算器的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行選擇；然后 再次利用比較器比較選擇器對(duì)關(guān)鍵變量的選擇結(jié)果與n值的大小關(guān)系，根據(jù)比較器產(chǎn)生結(jié) 果判斷是否滿足循環(huán)有效的條件，滿足再次進(jìn)入循環(huán)；不滿足則完成整個(gè)循環(huán)；
S304 :完成本次循環(huán)操作。 本發(fā)明的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法實(shí)現(xiàn)循環(huán)的具體處理步驟 如下
(1)分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系找到LoopEntry ; (2)處理PHI指令，完成對(duì)循環(huán)關(guān)鍵變量的特殊處理；通過LLVM中的dyn_CaSt指 令對(duì)PHI指令中的各個(gè)操作數(shù)進(jìn)行指令類型轉(zhuǎn)換；如果操作數(shù)能轉(zhuǎn)換為指令，并且轉(zhuǎn)換成 的指令類型為加法或者減法則該操作數(shù)為關(guān)鍵變量；同時(shí)將該操作數(shù)所在的加法或減法運(yùn) 算提前到PHI指令所在模塊內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算； (3)判斷關(guān)鍵變量，產(chǎn)生循環(huán)控制信號(hào)；根據(jù)循環(huán)控制信號(hào)，進(jìn)入或跳出循環(huán)體操 作；若進(jìn)入循環(huán)體，則循環(huán)地進(jìn)行循環(huán)體內(nèi)的相關(guān)運(yùn)算操作，直到循環(huán)關(guān)鍵變量不滿足循環(huán) 有效的條件，此時(shí)產(chǎn)生循環(huán)無效信號(hào)，從而跳出循環(huán)，進(jìn)行循環(huán)體外的相關(guān)運(yùn)算操作；
(4)No_exit模塊轉(zhuǎn)換；將No_exit這個(gè)模塊號(hào)作為循環(huán)體操作模塊的使能信號(hào)， 為高電平時(shí)表示循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行；No—exit模塊內(nèi)的所有運(yùn)算操作轉(zhuǎn)換為VHDL語言里對(duì)應(yīng)的 基本操作；步驟(2)中被提前的加法或減法運(yùn)行在No—exit模塊內(nèi)不再運(yùn)算；
(5)Loop_eXit模塊轉(zhuǎn)換；將Loop_eXit這個(gè)模塊號(hào)作為循環(huán)結(jié)束使能信號(hào)，為高 電平時(shí)表示循環(huán)結(jié)束；L00p_eXit模塊內(nèi)的所有運(yùn)算操作轉(zhuǎn)換為VHDL語言里對(duì)應(yīng)的基本操 作。 本發(fā)明的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法還可以處理由兩組循環(huán)所 形成的并列結(jié)構(gòu)。具體方法為若兩次循環(huán)之間沒有中間運(yùn)算，則No—exitJ)模塊只是進(jìn)行 簡單的跳轉(zhuǎn)，直接進(jìn)入新的循環(huán)；否則，在No—exitJ)模塊中做相應(yīng)的中間運(yùn)算，然后再跳 轉(zhuǎn)到新的循環(huán)；兩次循環(huán)之間使能信號(hào)傳遞方式如下 當(dāng)完成第一個(gè)循環(huán)基本模塊后，根據(jù)循環(huán)結(jié)束模塊里的br指令，將循環(huán)結(jié)束使能
信號(hào)Loop_eXit傳遞給跳轉(zhuǎn)到的模塊若兩次循環(huán)之間無中間運(yùn)算，則分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系
找到下一個(gè)BLoopentryJ，將Loop—exit使能信號(hào)按照邏輯傳遞給BLoopentryJ ;否則，將
Loop_eXit使能信號(hào)按照邏輯傳遞給運(yùn)算模塊使能信號(hào)，最后再分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系找到下
一個(gè)BLoopentryj，將運(yùn)算模塊使能信號(hào)按照邏輯傳遞給BLoopentryJ 。 本發(fā)明的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法還可以處理循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)。
具體方法為在NO_exit_0模塊嵌有循環(huán)基本結(jié)構(gòu)；如果外層循環(huán)的循環(huán)體No—exitJ)中
無其他運(yùn)算，直接進(jìn)入內(nèi)層循環(huán)，則外層循環(huán)的BLoopentryJ)使能信號(hào)按照邏輯直接傳遞
給內(nèi)層循環(huán)的BLoopentryJ ;否則，將外層循環(huán)的BLoopentryJ)使能信號(hào)按照邏輯傳遞
給外層循環(huán)體模塊使能信號(hào)No—exitJ)，最后再將NO_exit_0按照邏輯傳遞給內(nèi)層循環(huán)的
BLoopentryj，從而完成外層循環(huán)與內(nèi)層循環(huán)間模塊使能信號(hào)的傳遞。 本發(fā)明的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法的映射裝置，由產(chǎn)生循環(huán)關(guān)
鍵變量的計(jì)數(shù)器，根據(jù)比較運(yùn)算結(jié)果決定是否進(jìn)行循環(huán)體內(nèi)運(yùn)算的比較器，根據(jù)選擇開關(guān)
值獲取循環(huán)體外的數(shù)據(jù)值或循環(huán)體內(nèi)運(yùn)算結(jié)果反饋值的選擇器，執(zhí)行循環(huán)體內(nèi)的運(yùn)算操作
的運(yùn)算器組成。 計(jì)數(shù)器，根據(jù)循環(huán)中對(duì)關(guān)鍵變量的操作類型，為循環(huán)關(guān)鍵變量進(jìn)行加法計(jì)數(shù)或減 法計(jì)數(shù)。 比較器，比較循環(huán)關(guān)鍵變量值與循環(huán)的總次數(shù)，滿足循環(huán)進(jìn)行條件時(shí)，進(jìn)入循環(huán)體 進(jìn)行運(yùn)算；不滿足循環(huán)進(jìn)行條件時(shí)，跳出循環(huán)，完成循環(huán)運(yùn)算。 選擇器，當(dāng)首次進(jìn)入循環(huán)時(shí)，選擇循環(huán)體外數(shù)據(jù)對(duì)循環(huán)體內(nèi)數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行初始化； 否則，選擇循環(huán)體內(nèi)運(yùn)算結(jié)果反饋值，對(duì)循環(huán)體內(nèi)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。
運(yùn)算器，進(jìn)入循環(huán)體后，根據(jù)循環(huán)體內(nèi)各種運(yùn)算操作進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算。 本發(fā)明提供了一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法。讓軟件的核心結(jié)
構(gòu)for循環(huán)移到硬件上執(zhí)行，從而加快其執(zhí)行效率，達(dá)到硬件加速實(shí)現(xiàn)循環(huán)的目的。本發(fā)
明通過對(duì)循環(huán)的控制信號(hào)與使能輸出信號(hào)進(jìn)行明確的分離，實(shí)現(xiàn)高頻的循環(huán)基本模塊；同
時(shí)，通過對(duì)這兩組信號(hào)進(jìn)行組合，可以實(shí)現(xiàn)任意形式的循環(huán)。本發(fā)明允許在循環(huán)路徑的任
意處靈活地加入各種運(yùn)算模塊，并且對(duì)循環(huán)輸入沒有任何要求，支持循環(huán)體的break以及
continue控制。這些特點(diǎn)使得本發(fā)明有別于其他實(shí)現(xiàn)循環(huán)的設(shè)計(jì)方案。 本發(fā)明還提供了使用上述映射方法的映射裝置，用于解決實(shí)際應(yīng)用中使用到本發(fā)
明上述方法的問題。 C語言與VHDL語言有相似的功能，但也有較大的不同。VHDL中雖然有循環(huán)結(jié)構(gòu)，但 只能實(shí)現(xiàn)固定次數(shù)的循環(huán)即循環(huán)的初值、步長、終值都是靜態(tài)數(shù)據(jù)。固定次數(shù)的循環(huán)與C語 言的循環(huán)在功能上無法進(jìn)行匹配，因此要實(shí)現(xiàn)循環(huán)就要將循環(huán)的結(jié)構(gòu)打散，采用分支判斷 語句(IF)用時(shí)序設(shè)計(jì)完成循環(huán)的運(yùn)算。每次時(shí)鐘到來時(shí)都對(duì)循環(huán)關(guān)鍵變量進(jìn)行判斷，從而 決定是否進(jìn)行循環(huán)體的操作。循環(huán)關(guān)鍵變量是指形如for(i = 0 ;i < b ;i++)中表示循環(huán) 初值、終值等的變量i。循環(huán)的操作流程類似于計(jì)數(shù)器，擴(kuò)充的部分為根據(jù)計(jì)數(shù)器的值生 成相應(yīng)的使能信號(hào)，其基本實(shí)現(xiàn)流程見錯(cuò)誤！未找到引用源。。但是錯(cuò)誤！未找到引用源。 所示流程中S202沒有將循環(huán)關(guān)鍵變量的"變量自加"與"循環(huán)有效"分開，每次判斷是否進(jìn) 行循環(huán)體的操作將直接受循環(huán)體內(nèi)操作影響。這種實(shí)現(xiàn)方式層次結(jié)構(gòu)不清晰，控制復(fù)雜，無 法靈活的實(shí)現(xiàn)多個(gè)循環(huán)的多種組合。 本發(fā)明通過提前循環(huán)關(guān)鍵變量的自加操作，將循環(huán)控制與循環(huán)體內(nèi)運(yùn)算分開，從 而分離了循環(huán)的控制信號(hào)與使能輸出信號(hào)，使得循環(huán)控制簡潔，其實(shí)現(xiàn)流程如錯(cuò)誤！未找 到引用源。所示。S301和S302中的重啟與自加分別是循環(huán)重啟(初始化)與步進(jìn)的控制 信號(hào)，S303中的循環(huán)有效與循環(huán)完成是控制相應(yīng)執(zhí)行模塊的控制信號(hào)。由于要進(jìn)行模塊的 級(jí)聯(lián)，因此所有的使能信號(hào)都為一個(gè)周期的高電平。使能信號(hào)在模塊之間按照邏輯進(jìn)行傳 遞，從而完成循環(huán)對(duì)應(yīng)的計(jì)算。使能信號(hào)的基本特征是只有一個(gè)周期的高電平。 一個(gè)周期 的高電平指的是模塊的使能信號(hào)為一個(gè)周期高電平，同時(shí)如果控制從該模塊轉(zhuǎn)移到下一級(jí) 模塊，則該模塊為相應(yīng)的下一級(jí)生成一個(gè)周期高電平使能信號(hào)。 一個(gè)周期的高電平保證了 當(dāng)循環(huán)體執(zhí)行需要多個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍時(shí)，循環(huán)體相對(duì)應(yīng)的模塊只被使能一個(gè)周期。該特性對(duì)其 它相應(yīng)的模塊也有效。 本發(fā)明設(shè)計(jì)的循環(huán)基本模塊將各種信號(hào)進(jìn)行了明確的定義，對(duì)循環(huán)基本模塊的自 由組合起到了決定性作用。若將循環(huán)有效與自身的自加相接，則實(shí)現(xiàn)了一個(gè)沒有循環(huán)體的 循環(huán)；若將循環(huán)有效與一個(gè)運(yùn)算模塊相接，運(yùn)算模塊與自加相接，則實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基本的循 環(huán)。若將基本循環(huán)的循環(huán)完成信號(hào)與另一個(gè)循環(huán)的重啟信號(hào)相接，則實(shí)現(xiàn)了 2個(gè)循環(huán)的并
列；若將循環(huán)的循環(huán)有效信號(hào)與另一個(gè)基本循環(huán)的重啟信號(hào)相接，基本循環(huán)的循環(huán)完成信 號(hào)與循環(huán)的自加信號(hào)相接，則實(shí)現(xiàn)了 2個(gè)循環(huán)的嵌套。按照實(shí)現(xiàn)循環(huán)并列和循環(huán)嵌套的原 理以此類推，便可實(shí)現(xiàn)任意形式的循環(huán)。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將循環(huán)控制提前，同時(shí)分離了循環(huán)控制信號(hào)與數(shù)據(jù)運(yùn)算使能信 號(hào)，從而使得循環(huán)控制變得簡潔，循環(huán)基本模塊最大時(shí)鐘頻率高。同時(shí)，更利于以后對(duì)循環(huán) 進(jìn)行優(yōu)化，如循環(huán)流水化等。


圖1是循環(huán)基本模塊原理圖；圖2是循環(huán)的常規(guī)實(shí)現(xiàn)流程示意圖；圖3是模塊化 處理流程示意圖；圖4是運(yùn)算單元處理流程示意圖；圖5是循環(huán)基本模塊結(jié)構(gòu)圖；圖6是循 環(huán)的并列結(jié)構(gòu)圖；圖7是循環(huán)的嵌套結(jié)構(gòu)圖；圖8是PHI處理流程示意圖；圖9是單個(gè)循環(huán) (循環(huán)次數(shù)為3)波形圖；圖10是2個(gè)循環(huán)(循環(huán)次數(shù)都為3)順次波形圖；圖11是2個(gè)循 環(huán)(循環(huán)次數(shù)都為3)嵌套波形圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述
1高頻的循環(huán)基本模塊
1. 1循環(huán)IR結(jié)構(gòu)分析 本發(fā)明可以基于LLVM架構(gòu)，利用LLVM作為前端將C語言中的for循環(huán)轉(zhuǎn)換成LLVM IR，然后對(duì)for循環(huán)的LLVM IR進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。LLVM IR是一種獨(dú)立于機(jī)器架構(gòu)的中間表達(dá) 式。 —個(gè)循環(huán)的BasicBlock(基本模塊)主要由LoopEntry (循環(huán)入口模塊)，Loop_ exit(循環(huán)跳出模塊)及No—exit(循環(huán)執(zhí)行模塊)三部分組成，其中LoopEntry主要完成 數(shù)據(jù)的選擇、公共操作(循環(huán)可提前部分)及分支通路的選擇，No—exit完成循環(huán)體內(nèi)的操 作，Loop—exit完成循環(huán)完成后的操作。這些循環(huán)模塊間的關(guān)系如錯(cuò)誤！未找到引用源。所 示。 錯(cuò)誤！未找到引用源。中，通過PHI指令來進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇。PHI指令表示變量 在模塊使能信號(hào)有效時(shí)選擇相應(yīng)的值。如％ indvar = phi i32
， [% nextindvar, % Loop]，這條PHI指令表示indvar變量在LoopHeader模塊使能信號(hào)有效時(shí) 取'0'值，而在Loop模塊使能信號(hào)有效時(shí)取next indvar這個(gè)變量的值。
錯(cuò)誤！未找到引用源。中，BLoopentry通過br指令進(jìn)行分支跳轉(zhuǎn)，根據(jù)跳轉(zhuǎn)結(jié) 果進(jìn)入循環(huán)體或跳出循環(huán)。br指令表示根據(jù)比較指令結(jié)果，進(jìn)行分支選擇，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng) 模塊。如br bool % tmp_19， label % BNo_exit， label % Loop_exit，這條br指令表示 BLoopentry根據(jù)tmp_19的值，進(jìn)行分支選擇，若tmp_19為真，跳轉(zhuǎn)到BNo_exit ;否則跳轉(zhuǎn) 至lj Loop—exit。 1. 2循環(huán)關(guān)鍵變量處理 本發(fā)明通過分析模塊間的跳轉(zhuǎn)關(guān)系來識(shí)別循環(huán)，找到BLoopentry ，然后處理
BLoopentry中循環(huán)關(guān)鍵變量。LLVM IR通過PHI指令對(duì)循環(huán)關(guān)鍵變量進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇，其數(shù)
據(jù)選擇流程如錯(cuò)誤！未找到引用源。所示。
S801 :識(shí)別關(guān)鍵變量，初始化關(guān)鍵變量i ; S802 :對(duì)關(guān)鍵變量進(jìn)行自加操作，更新關(guān)鍵變量i值， S803 :循環(huán)繼續(xù)時(shí)，執(zhí)行循環(huán)體運(yùn)算操作； S804 :本次循環(huán)結(jié)束。 本發(fā)明的關(guān)鍵在于對(duì)循環(huán)關(guān)鍵變量的特殊處理方式
(1)識(shí)別循環(huán)關(guān)鍵變量
通過對(duì)模塊間的跳轉(zhuǎn)關(guān)系找到循環(huán)入口模塊判定是否進(jìn)行循環(huán)的條件變量，通 過條件變量找到對(duì)應(yīng)的比較指令，然后由比較指令的操作數(shù)得到關(guān)鍵變量，最后將關(guān)鍵變 量加入到KeyVariable數(shù)組中。
(2)將關(guān)鍵變量自加操作指令提前 讀取PHI指令，若該指令在KeyVariable中，則讀取其操作數(shù)，然后將No_exit 模塊中對(duì)關(guān)鍵變量自加操作指令提前到LoopEntry模塊，并將自加操作指令加入到 KeyOperation數(shù)組中。
(3)忽略關(guān)鍵變量自加操作 在進(jìn)行指令的翻譯時(shí)，如果該指令在KeyOpeartion數(shù)組中，則直接跳過。 經(jīng)過上述對(duì)PHI指令的特殊處理后，分離了循環(huán)的控制信號(hào)與使能輸出信號(hào)，從
而使得轉(zhuǎn)換后的循環(huán)基本模塊最大時(shí)鐘頻率高。同時(shí)，更有利于實(shí)現(xiàn)各種形式的for循環(huán)，
增強(qiáng)了循環(huán)功能。 1. 3循環(huán)基本模塊的實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明主要以循環(huán)關(guān)鍵變量為對(duì)象進(jìn)行循環(huán)基本模塊的設(shè)計(jì)。將循環(huán)控制信號(hào)與 運(yùn)算信號(hào)分開，其處理流程如錯(cuò)誤！未找到引用源。所示。 S301 :當(dāng)重啟信號(hào)有效時(shí)，首次進(jìn)入循環(huán)判斷。利用圖l所示裝置中的比較器比較 循環(huán)關(guān)鍵變量值與n值。根據(jù)比較器結(jié)果對(duì)循環(huán)進(jìn)行判斷，若循環(huán)有效，則進(jìn)入循環(huán)體內(nèi)進(jìn) 行相應(yīng)運(yùn)算，此時(shí)裝置內(nèi)的運(yùn)算器開始工作，運(yùn)算器處理流程如圖4所示；
S302:當(dāng)重啟信號(hào)失效后，進(jìn)入循環(huán)控制變量自加判斷，不自加則重新回到重啟判 斷部分；否則利用裝置中的計(jì)數(shù)器對(duì)循環(huán)關(guān)鍵變量進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。 S303 :自加或重啟后，裝置中的選擇器對(duì)關(guān)鍵變量以及運(yùn)算器的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行選
擇。然后再次利用比較器比較選擇器對(duì)關(guān)鍵變量的選擇結(jié)果與n值的大小關(guān)系，根據(jù)比較
器產(chǎn)生結(jié)果判斷是否滿足循環(huán)有效的條件，滿足再次進(jìn)入循環(huán)；不滿足則完成整個(gè)循環(huán)。 S304 :完成本次循環(huán)操作。 實(shí)現(xiàn)循環(huán)基本模塊轉(zhuǎn)換處理步驟如下。 (1)分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系找到LoopEntry。 (2)處理PHI指令，完成對(duì)循環(huán)關(guān)鍵變量的特殊處理。通過LLVM中的dyn—cast指 令對(duì)PHI指令中的各個(gè)操作數(shù)進(jìn)行指令類型轉(zhuǎn)換。如果操作數(shù)能轉(zhuǎn)換為指令，并且轉(zhuǎn)換成 的指令類型為加法或者減法則該操作數(shù)為關(guān)鍵變量。同時(shí)將該操作數(shù)所在的加法或減法運(yùn) 算提前到PHI指令所在模塊內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算。 (3)判斷關(guān)鍵變量，產(chǎn)生循環(huán)控制信號(hào)。根據(jù)循環(huán)控制信號(hào)，進(jìn)入或跳出循環(huán)體操
作。若進(jìn)入循環(huán)體，則循環(huán)地進(jìn)行循環(huán)體內(nèi)的相關(guān)運(yùn)算操作，直到循環(huán)關(guān)鍵變量不滿足循環(huán)
有效的條件，此時(shí)產(chǎn)生循環(huán)無效信號(hào)，從而跳出循環(huán)，進(jìn)行循環(huán)體外的相關(guān)運(yùn)算操作。 (4)No_exit模塊轉(zhuǎn)換。將No_exit這個(gè)模塊號(hào)作為循環(huán)體操作模塊的使能信號(hào)，
為高電平時(shí)表示循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行。No—exit模塊內(nèi)的所有運(yùn)算操作轉(zhuǎn)換為VHDL語言里對(duì)應(yīng)的
基本操作。步驟(2)中被提前的加法或減法運(yùn)行在No—exit模塊內(nèi)不再運(yùn)算。 (5)Loop—exit模塊轉(zhuǎn)換。將Loop—exit這個(gè)模塊號(hào)作為循環(huán)結(jié)束使能信號(hào)，為高
電平時(shí)表示循環(huán)結(jié)束。Loop—exit模塊內(nèi)的所有運(yùn)算操作轉(zhuǎn)換為VHDL語言里對(duì)應(yīng)的基本操作。
錯(cuò)誤！未找到引用源。為循環(huán)基本塊的硬件裝置圖，由計(jì)數(shù)器、比較器、選擇器、運(yùn) 算器四部分組成。計(jì)數(shù)器用于處理循環(huán)關(guān)鍵變量i ;比較器為BLoopentry中，br指令進(jìn)行 分支選擇依據(jù)；選擇器用于PHI指令的數(shù)據(jù)選擇；運(yùn)算器則用于進(jìn)行循環(huán)體內(nèi)的運(yùn)算，這四 部分的具體內(nèi)容由實(shí)際進(jìn)行轉(zhuǎn)換的C代碼的結(jié)構(gòu)來決定。
2循環(huán)組合的實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)循環(huán)組合的原理是通過多個(gè)高頻的循環(huán)基本模塊進(jìn)行相應(yīng)的組合實(shí)
現(xiàn)任意形式的循環(huán)組合。 2. 1循環(huán)并列 錯(cuò)誤！未找到引用源。為兩組循環(huán)所形成的并列結(jié)構(gòu)。若兩次循環(huán)之間沒有中間 運(yùn)算，則錯(cuò)誤！未找到引用源。中的No—exitJ)模塊只是進(jìn)行簡單的跳轉(zhuǎn)，直接進(jìn)入新的循 環(huán)；否則，在No—exitJ)模塊中做相應(yīng)的中間運(yùn)算，然后再跳轉(zhuǎn)到新的循環(huán)。利用實(shí)現(xiàn)循環(huán) 基本模塊的方法順序?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)循環(huán)基本模塊，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)并列。兩次循環(huán)之間使能信號(hào) 傳遞方式如下 當(dāng)完成第一個(gè)循環(huán)基本模塊后，根據(jù)循環(huán)結(jié)束模塊里的br指令，將循環(huán)結(jié)束使能 信號(hào)Loop_eXit傳遞給跳轉(zhuǎn)到的模塊若兩次循環(huán)之間無中間運(yùn)算，則分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系 找到下一個(gè)BLoopentryJ，將Loop—exit使能信號(hào)按照邏輯傳遞給BLoopentryJ ;否則，將 Loop_eXit使能信號(hào)按照邏輯傳遞給運(yùn)算模塊使能信號(hào)，最后再分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系找到下 一個(gè)BLoopentryj，將運(yùn)算模塊使能信號(hào)按照邏輯傳遞給BLoopentryJ 。
2.2循環(huán)嵌套 錯(cuò)誤！未找到引用源。為嵌套結(jié)構(gòu)，在No—exitJ)模塊(循環(huán)體)內(nèi)又有圖5所 示的循環(huán)基本結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)里的各個(gè)循環(huán)基本模塊的方法同實(shí)現(xiàn)單個(gè)循環(huán)基 本模塊的方法相同。實(shí)現(xiàn)循環(huán)嵌套結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于內(nèi)外層循環(huán)模塊之間模塊使能信號(hào)如 何傳遞。錯(cuò)誤！未找到引用源。中，如果外層循環(huán)的循環(huán)體No—exitJ)中無其他運(yùn)算，直 接進(jìn)入內(nèi)層循環(huán)，則外層循環(huán)的BLoopentryJ)使能信號(hào)按照邏輯直接傳遞給內(nèi)層循環(huán)的 BLoopentryJ ;否則，將外層循環(huán)的BLoopentryJ)使能信號(hào)按照邏輯傳遞給外層循環(huán)體模 塊使能信號(hào)NO_exit_0，最后再將NO_exit_0按照邏輯傳遞給內(nèi)層循環(huán)的BLoopentryj，從 而完成外層循環(huán)與內(nèi)層循環(huán)間模塊使能信號(hào)的傳遞。
3循環(huán)實(shí)現(xiàn)結(jié)果 利用面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法與裝置，分別處理單個(gè)循環(huán)、并列循 環(huán)以及嵌套循環(huán)。將處理得到的VHDL程序利用Xilinx ISE工具仿真綜合，可得到圖9、圖 10以及圖ll所示的仿真結(jié)果。 錯(cuò)誤！未找到引用源。為l個(gè)循環(huán)的波形圖，循環(huán)次數(shù)為3。從圖中看出，該示例 中循環(huán)體執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，即EN與No_exit的相位差為1個(gè)周期。在實(shí)際的應(yīng)用 中，循環(huán)體可能要執(zhí)行多個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍，則EN在相應(yīng)的節(jié)拍數(shù)完成之后才變?yōu)楦唠娖健ｅe(cuò)誤！ 未找到引用源。為2個(gè)循環(huán)順次連接的波形圖，2個(gè)循環(huán)的循環(huán)次數(shù)都為3。錯(cuò)誤！未找到 引用源。為2個(gè)循環(huán)嵌套連接的波形圖，內(nèi)外循環(huán)的循環(huán)次數(shù)都為3。在錯(cuò)誤！未找到引用 源。中，外層循環(huán)的EN與No—exit相差9個(gè)周期。因?yàn)樵趦?nèi)層循環(huán)完成全部運(yùn)算(循環(huán)) 之后，外層循環(huán)才步進(jìn)一次。
權(quán)利要求
一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法，其特征是提前循環(huán)關(guān)鍵變量的自加操作，將循環(huán)控制與循環(huán)體內(nèi)運(yùn)算分開，從而分離了循環(huán)的控制信號(hào)與使能輸出信號(hào)；提前循環(huán)關(guān)鍵變量的自加操作的方法如下通過分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系后，找到循環(huán)入口模塊；進(jìn)入循環(huán)入口模塊后，尋找循環(huán)關(guān)鍵變量；找到循環(huán)關(guān)鍵變量后，將循環(huán)關(guān)鍵的自加操作由循環(huán)體執(zhí)行模塊提前到循環(huán)入口模塊，使得循環(huán)的控制操作與循環(huán)體的運(yùn)算操作分開；最終分離了循環(huán)的控制信號(hào)與使能輸出信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法，其特征是實(shí)現(xiàn) 循環(huán)的具體處理步驟如下(1) 分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系找到LoopEntry ;(2) 處理PHI指令，提前循環(huán)關(guān)鍵變量的自加操作；通過LLVM中的dyn—cast指令對(duì)rai 指令中的各個(gè)操作數(shù)進(jìn)行指令類型轉(zhuǎn)換；如果操作數(shù)能轉(zhuǎn)換為指令，并且轉(zhuǎn)換成的指令類 型為加法或者減法則該操作數(shù)為關(guān)鍵變量；同時(shí)將該操作數(shù)所在的加法或減法運(yùn)算由循環(huán) 體執(zhí)行模塊(No_exit)提前到PHI指令所在模塊內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算；(3) 判斷關(guān)鍵變量，產(chǎn)生循環(huán)控制信號(hào)；根據(jù)循環(huán)控制信號(hào)，進(jìn)入或跳出循環(huán)體操作； 若進(jìn)入循環(huán)體，則進(jìn)行循環(huán)體內(nèi)的相關(guān)運(yùn)算操作，直到循環(huán)關(guān)鍵變量不滿足循環(huán)有效的條 件，此時(shí)產(chǎn)生循環(huán)無效信號(hào)，從而跳出循環(huán)，進(jìn)行循環(huán)體外的相關(guān)運(yùn)算操作；(4) No_exit模塊轉(zhuǎn)換；將No_exit這個(gè)模塊號(hào)作為循環(huán)體操作模塊的使能信號(hào)，為高 電平時(shí)表示循環(huán)繼續(xù)進(jìn)行；No_eXit模塊內(nèi)的所有運(yùn)算操作轉(zhuǎn)換為VHDL語言里對(duì)應(yīng)的基本 操作；步驟(2)中被提前的加法或減法運(yùn)行在No—exit模塊內(nèi)不再運(yùn)算；(5) Loop_eXit模塊轉(zhuǎn)換；將Loop_eXit這個(gè)模塊號(hào)作為循環(huán)結(jié)束使能信號(hào)，為高電平 時(shí)表示循環(huán)結(jié)束；L00p_eXit模塊內(nèi)的所有運(yùn)算操作轉(zhuǎn)換為VHDL語言里對(duì)應(yīng)的基本操作。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法，其特征是實(shí)現(xiàn) 循環(huán)基本模塊的處理步驟如下5301 :當(dāng)重啟信號(hào)有效時(shí)，首次進(jìn)入循環(huán)判斷；利用比較器比較循環(huán)關(guān)鍵變量值與n 值；根據(jù)比較器結(jié)果對(duì)循環(huán)進(jìn)行判斷，若循環(huán)有效，則進(jìn)入循環(huán)體內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，運(yùn)算器 開始工作；5302 :當(dāng)重啟信號(hào)失效后，進(jìn)入循環(huán)控制變量自加判斷，不自加則重新回到重啟判斷部 分；否則利用計(jì)數(shù)器對(duì)循環(huán)關(guān)鍵變量進(jìn)行計(jì)數(shù)操作；5303 :自加或重啟后，選擇器對(duì)關(guān)鍵變量以及運(yùn)算器的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行選擇；然后再次 利用比較器比較選擇器對(duì)關(guān)鍵變量的選擇結(jié)果與n值的大小關(guān)系，根據(jù)比較器產(chǎn)生結(jié)果判 斷是否滿足循環(huán)有效的條件，滿足再次進(jìn)入循環(huán)；不滿足則完成整個(gè)循環(huán)；S304:完成本次循環(huán)操作。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法，其特征是能 夠處理由兩組循環(huán)所形成的并列循環(huán)結(jié)構(gòu)；處理并列循環(huán)結(jié)構(gòu)的方法如下若兩次循環(huán)之 間沒有中間運(yùn)算，則NO_exit_0模塊只是進(jìn)行簡單的跳轉(zhuǎn)，直接進(jìn)入新的循環(huán)；否則，在No_ exit_0模塊中做相應(yīng)的中間運(yùn)算，然后再跳轉(zhuǎn)到新的循環(huán)；兩次循環(huán)之間使能信號(hào)傳遞方 式如下當(dāng)完成第一個(gè)循環(huán)基本模塊后，根據(jù)循環(huán)結(jié)束模塊里的br指令，將循環(huán)結(jié)束使能信號(hào)Loop—exit傳遞給跳轉(zhuǎn)到的模塊若兩次循環(huán)之間無中間運(yùn)算，則分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系找 到下一個(gè)BLoopentry_l，將Loop_exit使能信號(hào)按照邏輯傳遞給BLoopentry_l ;否則，將 Loop_eXit使能信號(hào)按照邏輯傳遞給運(yùn)算模塊使能信號(hào)，最后再分析模塊跳轉(zhuǎn)關(guān)系找到下 一個(gè)BLoopentryJ ，將運(yùn)算模塊使能信號(hào)按照邏輯傳遞給BLoopentryJ 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法，其特征是能 夠處理由兩組循環(huán)所形成的嵌套循環(huán)結(jié)構(gòu)；處理嵌套循環(huán)結(jié)構(gòu)的方法如下如果外層循環(huán)的循環(huán)體No—exitJ)中無其他運(yùn)算，直接進(jìn)入內(nèi)層循環(huán)，則外層循環(huán)的 BLoopentryJ)使能信號(hào)按照邏輯直接傳遞給內(nèi)層循環(huán)的BLoopentryJ ;否則，將外層循環(huán) 的BLoopentryJ)使能信號(hào)按照邏輯傳遞給外層循環(huán)體模塊使能信號(hào)NO_exit_0，最后再將 No—exitJ)按照邏輯傳遞給內(nèi)層循環(huán)的BLoopentryJ,從而完成外層循環(huán)與內(nèi)層循環(huán)間模 塊使能信號(hào)的傳遞。
6. —種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法的映射裝置，其特征是由產(chǎn)生循環(huán)關(guān) 鍵變量的計(jì)數(shù)器，根據(jù)比較運(yùn)算結(jié)果決定是否進(jìn)行循環(huán)體內(nèi)運(yùn)算的比較器，根據(jù)選擇開關(guān) 值獲取循環(huán)體外的數(shù)據(jù)值或循環(huán)體內(nèi)運(yùn)算結(jié)果反饋值的選擇器，執(zhí)行循環(huán)體內(nèi)的運(yùn)算操作 的運(yùn)算器組成。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種面向計(jì)數(shù)類循環(huán)的C-to-VHDL映射方法及映射裝置。裝置由產(chǎn)生循環(huán)關(guān)鍵變量的計(jì)數(shù)器，根據(jù)比較運(yùn)算結(jié)果決定是否進(jìn)行循環(huán)體內(nèi)運(yùn)算的比較器，根據(jù)選擇開關(guān)值獲取循環(huán)體外的數(shù)據(jù)值或循環(huán)體內(nèi)運(yùn)算結(jié)果反饋值的選擇器，執(zhí)行循環(huán)體內(nèi)的運(yùn)算操作的運(yùn)算器組成。將C語言實(shí)現(xiàn)的計(jì)數(shù)類循環(huán)程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換成能在Xilinx系列FPGA上實(shí)現(xiàn)的VHDL程序。該方法以時(shí)序電路為基礎(chǔ)，通過分離循環(huán)的控制信號(hào)與使能輸出信號(hào)，提前循環(huán)控制，將C語言中的計(jì)數(shù)類循環(huán)分解為一種時(shí)鐘頻率較高的循環(huán)基本模塊。通過對(duì)多個(gè)高頻的循環(huán)基本模塊的組合，可實(shí)現(xiàn)多種形式的C語言循環(huán)。
文檔編號(hào)G06F9/44GK101719068SQ20101003242
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2010年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月6日
發(fā)明者吳艷霞, 孫延騰, 楊敏, 楊杰, 牛曉霞, 顧國昌 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)