[发明专利]一种动态部分可重构片上系统软硬件划分与调度的最优化方法

说明书

本发明提出一种动态部分可重构片上系统软硬件划分与调度的最优化方法。首先对应用和系统进行建模并将软硬件划分问题归结为混合线性规划模型。利用运筹学求解工具对模型进行求解，并输出应用的部署方案包括任务开始执行时间、结束时间以及映射到重构区域上任务的重构时间和任务到处理器的映射。与现有的软硬件划分算法相比，本发明提出的MILP规避了随机优化算法容易陷入局部最优的风险，算法的求解结果与实际应用更加贴切。

技术领域

本发明涉及动态部分可重构片上系统软硬件划分与调度问题，特别是针对应用在集成了现场可编程门阵列(FPGA)和微处理器的异构系统上执行的软硬件划分与调度问题。

背景技术

FPGA是一种可编程的逻辑门阵列，具有强大的并行计算能力。而动态部分可重构片上系统集成了CPU和具有动态部分可重构特性的现场可编程门阵列(FPGA)。动态部分可重构是指系统可以在运行时动态地改变某个区域的功能，而不中断其他区域上正在运行的任务。它可以实现任务的并行执行，实现了资源的空间复用；同时同一个区域在不同时间执行不同的应用，实现了资源的时分复用。因此，动态部分可重构在很多领域都得到了广泛的应用。如在多媒体、卫星通信、航空、控制等领域，硬件资源有限且往往需要在保证现有任务不中断的前提下切换或者增加系统的功能。另一方面当下炙手可热的云计算，云端的数据量巨大需要依托计算力强的处理器来支撑；同时云中心需要做资源共享，并根据客户端的需求对资源进行动态分配。

而目前，基于FPGA的应用大多数都是基于传统的硬件编程，每个应用的执行都需要占用整块FPGA的资源。而FPGA实际的硬件资源往往是有限的，如何基于有限的资源实现复杂的应用，是很多领域需要关注的问题。另一方面，随着技术的发展人们对系统功能的需求越来越多样化。这些都对处理器的计算能力和架构提出了严峻的挑战。然而，ASIC专用芯片它虽然具有很高的运算能力，但是它存在灵活性差、研发周期长且成本高等缺陷。近年来备受青睐的GPU也存在着功耗高等瓶颈。传统的硬件编程也存在着开发周期长、资源占用量大的困境。

另一方面，动态部分可重构可分为一维(1-D)可重构和二维(2-D)可重构。一维重构是指重构区域矩形框的高度是不变的，即只能在横向对区域进行分割；如Xilinx的Virtex和Virtex-2(pro)都具有一维可重构特性的。而二维可重构是指重构区域矩形框的高度和宽度都可以根据实际需求任意划分，如Xilinx Virtex-4/5/6/7系列以及Zynq-7000、Ultrascale(+)SoCs等。我们主要考虑具有二维可重构特性的异构系统。

动态部分可重构片上系统兼具了CPU的灵活性和硬件的高效性，如何在高效性和系统功耗之间折中是人们一直在探索的问题。

发明内容

为了解决应用在动态部分可重构异构系统上的软硬件划分与调度问题，同时最大程度地降低系统的功耗，本发明提供了一种软硬件划分与调度方法。该方法基于混合整数线性规划(MILP)对应用的划分问题进行精确高效的建模，在满足系统多个约束的前提下，求解出问题的最优解。

应用在动态部分可重构片上系统执行需要应用本身任务间数据依赖关系和系统带来的约束。本发明使用混合整数线性规划来建模这一系列的约束和问题的目标，并采用线性求解器对问题进行求解。

为了更完整地描述应用的软硬件划分问题，本发明提出了一种简洁的MILP模型，考虑了任务的硬件资源占用量等指标，从而使模型更贴切于实际应用。本发明首先将实际应用建模为有向无环图(DAG)，并对动态部分可重构异构系统的特性进行建模，明确了任务在此类系统中部署时所需要满足的约束，并针对现有文献中所提算法的不足之处，发明了一种基于混合整数线性规划的软硬件划分方法，所发明的方法能够快速地得到问题的最优解，同时调度的结果对实际工程应用有巨大的指导意义。

本发明的技术方案是：将实际应用例子建模为DAG图，同时考虑动态部分可重构异构系统对应用执行的约束，将软硬件划分问题建模为一种组合优化问题并使用MILP进行求解，具体包括下述步骤：