用于非均匀嵌入式系统的多目标最优化控制器综合.docx

文题： 用于非均匀嵌入式系统的多目标最优化控制器综合英文文题：multi-objective optimal controller synthesis for heterogeneous embedded systems摘要：微电子的发展，促进了无线，自动化，嵌入可重构系统的发展，但也存在能量和功耗问题和漏电的增加。而阻止嵌入可重构系统使用的普遍化主要是缺乏用于有效的运用绘图和产生电源最优化的系统的相应的开发方法和eda工具。本文对一些典型的商业和学校里的用于fapg目标的控制器综合方法和工具进行了比较分析。关注有效的多目标控制器综合，也考虑了对非均匀嵌入系统自动硬件综合。分析得到的部分结果有效的解决了上面提到的问题。 介绍：微电子的巨大的发展，并不能保证满足上升的计算要求和物理要求。更多的机会创造在于开发充分的计算的概念和结构，和正确设计方法和开发eda工具来综合高质量硬件平台来实现相应的结构，以及运用到硬件平台上的绘图。同时由于soc技术发展，在紧凑的系统实现出现许多之前没考虑的现象，包括：电源功耗危机，上升的漏电流，功率密度的波动，片内通信问题，可靠性。新的计算概念，结构，设计方法，和eda工具需要解决这些问题。论文中主要关注用于非均匀系统的自动硬件综合，尤其是考虑到了多目标优化控制器综合问题。而且解决了大部分嵌入式系统的电源功耗主要问题。中心部分：1. 非均匀系统和它的自动化设计： 非均匀系统是探索一个适当混合传统cpu为中心基于指令集的处理器和分散并行的数据流处理器，而且比传统cpu为中心具有更好的性能，更低的功耗及更加的灵活。非均匀系统目前已在fpga上可行，这种系统主要应用在嵌入式领域和超计算领域。而阻碍它的普及主要是缺泛开发方法和eda工具。解决方法是无缝的比高级层编译成最优代码，在传统cpu中心处理器和基于数据可重构处理器都可以执行。算法的计算和数据的密集度还要依据于手工或者有限制的行为编译。在rtl级传统逻辑综合并不能完全适用可重构的并行结构技术。绘图和电路综合也会出现低效率，依赖手工，前后矛盾等缺点。开发非均匀系统，需充分的结合设计的再使用，所以要开发一个通用形式的解决方法，即通用的结构模板。首先应从最初的系统要求，提取出抽象的系统级模型。特殊运用的系统结构从包含协调计算过程和目标参数的限制网络开始，这种网络过程正确的选择和实例化平台模型，它们的关系和内部连接，分配计算单元。本文成功运用了系统模型和开发概念。提出了用于复杂非均匀实时嵌入系统的质量驱动设计方法和半自动系统结构探索。本文从研究非均匀系统的自动最优硬件综合，在考虑功耗面积和性能上解决这种系统的多目标最优控制器生成和综合。2. 数据路径和控制器综合： a:生成和综合过程。一个复杂的非均匀特殊运用的加速器的子系统通常有一个双重的数据路径/控制器的结构（如图1所示）。数据路径和控制器综合链开始于高级层计算处理规格，从这种规格提取用于加速器的计算核心。接着对这种核心进行建模。使用这些模型高级层综合生成系统路径和相应控制器的规格。考虑通信和同步控制器规格生成相应的hdl代码，最后到实际的电路硬件实现。许多设计问题必须考虑设计链的所有状态（如功耗）。本文主要致力于根据控制器的数据路径来考虑电源，功耗，面积和时间效率的控制器综合。对于每一个新的运用控制器必须综合成可再使用的。控制器的最优化很依赖于部分设计。多目标最优控制器生成和综合对于控制主导的混合系统是很重要的。而且更多的关注根据数据路径的中等和小的控制器（fsms）。对基于fpga控制器综合的综合方法和工具比较分析，发现了控制器综合过程的主要不足：1.关于控制和路径的相互关系，当代的工具链没有做任何处理。在高级层和rtl层之间，控制器网络可以通过重组进一步优化，这种优化要领先于对特殊控制器的实际电路综合，作者已经在开发相当的重组方法和工具。2.当代用于fpga电路综合工具的方法（fsm状态分配方法）过于简单。b：控制状态分配方法。控制器符号状态的编码选择影响fsm电路实现的主要性能。而找一个最优分配通常计算很复杂（np）。可以找近似的启发方法，这些启发式方法细分为：1结构的方法（secode,jedi,maxad）2.统计的方法（通用方法和best-random法）3、重时效方法（one-hot, grey and natural binary encoding）。而状态分布解可用正态分布估计。统计的方法由于质量低，我们将不考虑。3. 控制状态分配方法的实验特征：a. 基准问题和相应的解。标准的综合基准没有足够的代表性。而使用实际的工业基准也存在一些问题（不可接近，没有统一基准，过于广泛）。作者开发了实现了一个fsm的基准发生器（bengen）。用bengen可以有效的构造各种特征的fsms。而且优于一些工业标准。b.实验探索。作者用对各种fsms进行了实验，用bengen来产生一系列的基准。目的是验证用于fpga时序电路综合的一些最典型的工业院校综合方法和eda工具的效率性。结果特征表明：1-hot, gray and natural binary encoding:流行的实际的工具分配方法。jedi:学校中用到建设性状态分配方法中的最先进工具。secode:能够实现作者进出的信息驱动电路综合方法，是一种建设性状态分配方法。4. 实验结果和结果分析：用jedi作为质量比较的参考点，计算相对质量。对于不同质量度量（面积，延时，功耗）的相对质量，用以下公式进行计算。（m表示特殊的编码方法。j表示jedi。qd()表示质量相差百分比。qm()相应的质量度量值。）由于篇幅关系，作者在文中只对大小，面积，最初输入数量转化状态位的数量，输出和状态位的比例进行分类比较。根据输入出位到状态位进行了分类：输入/输出主导和状态主导。比较的结果可见下列图表。 另一重要结果，新的fsm状态分配工具secode始终比jedi在质量上至少超过20%。其他重要结果：1.结构性的jedi和secode始终产生最好的结果。2. the natural binary encoding和gray编码非常差。3.1-hots可以产生很好的效果，但是它不稳健。将来的系统更多的决定的是功耗和面积。总结实验结果，提出的新的fpga目标板的工具secode始终产生优于20%以上的性能比jedi.也比其他编码还更加好，除了在大量状态主导并有单一的过度状态，1-hot编码可以比提出方法好。所以未来用的肯定是在secode上信息驱动的fsm编码方法，有时候结合1-hot编码。小结： 本文讨论了非均匀可重构嵌入系统及自动化设计。特别是为了解决非均匀嵌入系统能源，功耗，上升的漏电，面积和性能问题。主要关注了用于非均匀系统的多目标最优控制器综合。研究的部分结果，高效的解决上面的一些问题。使用了大量的代表的基准集，进行实验验证实际的fsm状态分配方法，常用的1-hot编码尤其对状态主导和简单的过度状态能够产生很好的效果，但是它不稳健。建设性的fsm编码方法对于并