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基于格件的信息处理机体系结构研究及其实现

作　者: 封斌
导　师: 齐德昱
学　校: 华南理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 格件模型信息处理机体系结构软硬件协同设计预制场融合器设计空间搜索
分类号: TP303
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本论文用信息处理机抽象了规模大小不同、系统结构和应用范围各异的计算机系统,用信息处理机体系结构抽象了计算机系统的软、硬件体系结构和软硬件之间的接口,强调了信息处理机的设计不是分割开各自进行的软件或硬件系统的设计,而是软硬件系统协同设计(Hardware Software Co-Design)。目前,在该领域的体系结构层面存在高抽象层软硬件统一建模、各阶段模型之间转换、软硬件划分等问题,在实现技术层面存在并行构件的实现、自顶向下设计方法的实现等问题。本文以多核异构的粗粒度并行的信息处理机为主要研究对象,针对上述问题,提出了基于格件的信息处理机体系结构及以体系结构为中心的开发流程。格件模型是齐德昱教授发明专利《基于形式领域融合的计算模型》中提出的一种新的计算机系统体系结构及对应的设计方法。基于该专利,本论文首先为信息处理机提供了一种新的体系结构,该体系结构统一抽象了信息处理机的软、硬件体系结构及之间的接口；其次,本论文提供了一种以体系结构为中心的、基于格件的信息处理机体系结构设计方法,用以弥补当前软件开发方法对并行系统及软硬件协同系统支持的不足。本论文最终目标是形成一个具有广泛发展前景的系统级设计模型、系统级开发方法和计算机辅助软件工程(CASE)技术,使得信息处理机可以像工业品一样,通过格件的组装、融合,得以快速实现。本论文的主要研究内容和创新点概括如下：1.针对信息处理机体系结构设计层次所面临的问题,提出了基于格件的信息处理机体系结构描述方法。格件模型提出了一种新的信息处理机体系结构描述方法,用格件融合器抽象了具体功能的实现,封装了并行实现的软硬件构件的细节,提供了规范的接口对外服务,具有可重用性；用预制场定义了一组抽象规则,用以规范特定领域内的各融合器之间的通信方法和执行顺序,并为设计者提供了建立应用模型的框架；用格叙／场叙记录了格件模型的系统配置和连接状态；角格件引擎解析并执行格叙／场叙。基于格件的系统描述模型在高层抽象了信息处理机的构成,屏蔽了具体功能软硬件实现方案的区别和底层物理平台的多样性。2.针对现有并行应用及软硬件协同系统开发方法的不足,提出了基于格件的、以体系结构为中心的、自顶向下的软硬件协同设计方法。基于格件、并在预制场规范下建立的系统描述模型贯穿信息处理机开发全过程,并具备如下特征：1)可执行性,即可直接执行该模型以进行仿真验证,并支持基于该模型的设计空间搜索和系统协同综合；2)软硬件统一性,即针对系统功能建模,在实现阶段才进行软硬件划分；3)全局同构性,即系统开发的各阶段均基于该模型,并可直接转换为代码模型。用于软硬件系统设计领域的预制场采用了通信顺序进程模型作为并行编程的规范,采用标准C语言的扩展集impulseC语言作为融合器的实现手段。3.针对软硬件协同领域设计空间巨大的问题,实现了一种去耦合的基于多目标优化算法的设计空间搜索模式。传统的设计方法在相互制约的多个系统约束条件和优化目标下(如成本,功耗,时间特性等),无法达到系统的整体最优的设计方案。本文提出了基于系统描述模型的设计空间搜索算法,将传统的软硬件二元映射的搜索模型扩展为软硬件k路映射搜索模型,采用多目标遗传算法在设计空间中自动搜索Pareto最优解的设计方案。并通过建立规范的接口,将多目标优化算法的问题描述与问题求解进行去耦合化,从而实现了多种求解算法的平滑接入。本文最后一章使用格件模型实现了基于多核可编程片上系统(MPSoC)的节点级信息处理机,基于MPSoC的复杂嵌入式设备是异构多核粗粒度信息处理机的典型代表。本设计方法并可通过平滑扩展来构造单板级、服务器级、集群级的信息处理机。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-31
  1.1 研究背景  12-21
    1.1.1 信息处理机  12-15
    1.1.2 体系结构的描述方法层面所需要解决的问题  15-18
    1.1.3 以体系结构为中心的开发方法所面临的问题  18-21
  1.2 国内外相关研究  21-26
  1.3 本文的主要工作与创新  26-29
  1.4 本文的章节安排  29-31
第二章信息处理机体系结构设计基础  31-47
  2.1 软硬件协同设计的传统流程及分析  31-34
  2.2 信息处理机硬件体系结构分析  34-38
    2.2.1 硬件加速机制分析  35-36
    2.2.2 硬件体系结构分析  36-38
  2.3 信息处理机软件体系结构分析  38-40
  2.4 软硬件协同领域的系统描述模型及描述语言  40-44
    2.4.1 软硬件协同设计系统模型  40-42
    2.4.2 软硬件协同设计系统描述语言  42-44
  2.5 格件模型简介  44-46
  2.6 本章小结  46-47
第三章基于格件的信息处理机体系结构  47-71
  3.1 格件模型系统及其特点  47-52
    3.1.1 格件模型的系统功能结构  47-49
    3.1.2 本方法系统描述模型的特点  49-52
  3.2 格件模型体系结构的构成  52-65
    3.2.1 融合器  53-55
    3.2.2 预制场  55-58
    3.2.3 模型的解析-解析引擎的实现  58-59
    3.2.4 融合器的执行--执行引擎的实现  59-65
    3.2.5 格件模型的应用实例  65
  3.3 以体系结构为中心的软硬件协同设计方法  65-70
    3.3.1 基于格件的软硬件协同设计方法  66-69
    3.3.2 所需解决的技术难点  69-70
  3.4 本章小结  70-71
第四章预制场和基场融合器的具体实现  71-92
  4.1 预制场编程模型的确定及实现  71-78
    4.1.1 流式编程模型  71-72
    4.1.2 预制场的并行编程模型  72-75
    4.1.3 融合器的描述语言—ImpulseC  75-78
  4.2 基场融合器的设计  78-83
    4.2.1 基融合器的粒度选择  78-80
    4.2.2 融合器的形式化描述  80-81
    4.2.3 融合器的接口定义  81-83
  4.3 CSP预制场融合器的设计与实现  83-87
    4.3.1 基场融合器的实例化过程  83-85
    4.3.2 基场融合器的描述  85-87
  4.4 预制场场引擎的设计与实现  87-89
  4.5 实例分析：基于格件的边缘检测算法  89-91
  4.6 本章小结  91-92
第五章设计空间搜索问题求解算法研究  92-111
  5.1 设计空间搜索问题研究  92-100
    5.1.1 设计空间搜索问题描述  92-96
    5.1.2 多目标优化问题的形式化定义  96-98
    5.1.3 多目标优化问题的进化算法求解  98-100
  5.2 系统设计及搜索引擎的设计与实现  100-107
    5.2.1 系统设计/去耦和问题描述  100-102
    5.2.2 编码空间对个体操作的算法描述  102-104
    5.2.3 解空间对个体的评估选择算法  104-107
  5.3 设计空间搜索实例-智能手机  107-110
  5.4 本章小结  110-111
第六章格件模型系统开发环境及设计实例  111-124
  6.1 格件模型开发环境的具体构成  111-112
  6.2 以单芯片解决方案(MPSOC)为目标平台的车牌识别系统  112-123
  6.3 目标系统的扩展  123-124
结论  124-127
  本文总结  124-125
  进一步的研究方向  125-127
参考文献  127-136
攻读博士学位期间取得的研究成果  136-138
致谢  138-139
附件  139

基于格件的信息处理机体系结构研究及其实现

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