支持软硬件协同设计的过程级统一编程模型关键技术研究

摘要

可重构片上系统将可编程逻辑器件、微处理器核及其他电路模块共同集成到单个芯片中，是一种兼具定制硬件的高性能和软件编程的灵活性的新型计算平台。在高运算需求的应用中，这一特性可较大幅度提升系统效能。但目前仍有两方面困难阻碍这类系统的广泛应用，它们是： 1．编程困难传统的软件编程语言只能利用设计空间的时间维度，传统的硬件语言只能利用设计空间的空间维度。由于可重构片上系统能够同时在时间和空间维度编程，要实现对可重构计算系统资源的有效利用，需要应用程序员能够同时使用软硬件编程语言进行设计，并考虑动态重构以及软硬件通信的细节。 2．设计困难按照传统协同设计方法学“先划分再实现”的步骤进行可重构片上系统的设计，必须考虑对硬件任务进行调度，才可能高效利用系统上的动态可重构资源；由于软硬件划分非常复杂，本身已是NP难问题，进行可重构片上系统设计要求设计人员具备丰富的经验和很高的专业素质。 本文针对当前可重构片上系统对程序员编程不透明，且动态可重构资源难以有效利用这两个问题，提出并实现了一种支持软硬件协同设计的过程级统一编程模型。主要工作如下： 1．完成了过程级统一编程模型的总体设计。确立了一个以软硬件协同函数库为基础的从系统功能描述到实现的动态软硬件划分流程，构建了支持应用程序开发和划分算法设计的软硬件协同设计集成开发环境。 2．完成了软硬件协同函数库的设计和实例开发。该库被设计成“一个C语言接口对应软硬件两种实现”的方式，在为程序员系统描述提供统一易用的函数调用接口的同时为软硬件划分算法提供划分的对象。 3．完成了动态链接控制的设计与实现。通过修改动态链接器，使其在程序运行时实时记录协同函数的调用、执行情况，并调用软硬件划分算法，根据划分的结果切换函数的软硬件执行方式。 实例设计和实验结果表明，本模型能够方便程序员编写程序，程序在划分算法合理划分的支持下能够有效利用动态可重构资源并得到加速。

目录

文摘

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论文说明：图表目录

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第1章 绪论

1.1课题来源

1.2目的与意义

1.3研究内容

1.4本文主要工作

1.5本文组织结构

1.6小结

第2章 基础原理及相关研究

2.1可重构硬件技术的发展与挑战

2.1.1可重构硬件结构

2.1.2可重构方式分类

2.1.3可重构片上系统给编程和设计带来的挑战

2.2软硬件协同设计研究现状

2.2.1传统的软硬件协同设计方法学

2.2.2面向可重构计算的软硬件协同设计研究现状

2.3软硬件统一编程模型及相关研究

2.3.1编程模型概念

2.3.2进/线程级软硬件统一编程模型研究现状

2.3.3过程级软硬件统一模型编程研究现状

2.3.4编程模型总结

2.4小结

第3章 过程级统一编程模型总体框架研究

3.1过程级编程模型概述

3.2过程级统一编程模型系统框架设计

3.3过程级统一编程模型框架下的协同设计流程

3.4过程级软硬件协同设计集成开发环境设计

3.5支持动态可重构的体系结构设计

3.6小结

第4章 软硬件协同函数库的设计与实现

4.1软硬件协同函数库概述

4.2软硬件协同函数库的设计

4.2.1软硬件函数封装设计

4.2.2片上软硬件通信过程设计

4.2.3软硬件协同函数库

4.3软硬件协同函数库的实现

4.3.1协同函数库封装实现

4.3.2硬件接口过程的实现

4.3.3支持动态重构的硬件加速器的实现

4.4小结

第5章 动态链接控制的设计与实现

5.1动态链接控制概述

5.2动态链接控制基本原理

5.2.1 ELF可执行文件格式

5.2.2 ELF动态链接过程

5.3动态链接控制的设计

5.4动态链接控制的实现

5.4.1 Glibc-2.3.3动态链接器的实现

5.4.2动态链接控制对Glibc的修改

5.4.3软硬件划分算法及接口过程

5.4.4程序性能反馈数据的获取

5.5小结

第6章 实例设计及实验结果

6.1系统硬件平台介绍

6.2动态重构的实现

6.3实例设计及实验结果

6.4小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录: