專利名稱：一種過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化開發(fā)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機領(lǐng)域，涉及嵌入式領(lǐng)域中的可重構(gòu)片上系統(tǒng)(RSoC)的軟硬件協(xié)同設(shè)計，具體涉及一種過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化開發(fā)方法。

背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域，應(yīng)用程序通常整個用軟件實現(xiàn)。隨著以FPGA技術(shù)為基礎(chǔ)的可重構(gòu)器件的速度越來越快、使用越來越普遍，將應(yīng)用實現(xiàn)成軟硬件混合系統(tǒng)能夠達到更好的性價比。如何將應(yīng)用劃分到軟件和硬件兩部分并將其整合以滿足系統(tǒng)功能與性能需求，同時實現(xiàn)成本的最小化導(dǎo)致了軟硬件協(xié)同設(shè)計的產(chǎn)生。
傳統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法學(xué)一般都按照“先劃分再實現(xiàn)”的步驟來設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計好之后，系統(tǒng)組成和硬件結(jié)構(gòu)不能再改變。由于沒有考慮到可重構(gòu)計算單元的動態(tài)重構(gòu)能力，很難高效的利用可重構(gòu)計算資源。另外軟硬件劃分涉及到組合爆炸，是NP難問題，進行軟硬件劃分需要設(shè)計人員具備很高的專業(yè)技能。同時，由于可重構(gòu)計算系統(tǒng)即包含有軟件可編程的微處理器又包含有硬件可重構(gòu)的邏輯器件，需要應(yīng)用程序員同時擁有軟件和硬件設(shè)計知識，并需要考慮動態(tài)重構(gòu)以及軟硬件通信細節(jié)。
目前動態(tài)軟硬件劃分按照其劃分任務(wù)粒度的不同，可以分為指令級、過程級和進(線)程級。指令級動態(tài)軟硬件劃分方法完全不用設(shè)計人員干預(yù)，編譯器、操作系統(tǒng)都可以不變，軟硬件劃分完全由專門硬件完成。但由于需要額外的專用硬件進行在線反匯編、綜合和布局布線，硬件開銷比較大。另一方面指令級動態(tài)軟硬件劃分粒度目前局限在基本塊內(nèi)，結(jié)構(gòu)也局限于單循環(huán)結(jié)構(gòu)，性能提升效果有限。
進(線)程級動態(tài)軟硬件劃分把軟件和硬件任務(wù)都當(dāng)作進程或線程，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理，可以支持現(xiàn)有硬件設(shè)計資源，便于集成開發(fā)。動態(tài)軟硬件劃分可轉(zhuǎn)換為軟硬件進(線)程動態(tài)調(diào)度問題，利用和擴展操作系統(tǒng)進(線)程管理功能而實現(xiàn)。同時，軟硬件進(線)程通信、同步也可利用操作系統(tǒng)提供的相應(yīng)機制實現(xiàn)，較為靈活方便。但進(線)程調(diào)度、通信、同步基本由軟件完成，時間開銷較大。雖然在一些研究中提出了支持可重構(gòu)計算操作系統(tǒng)的專門硬件，但主要負責(zé)配置信息和可重構(gòu)資源管理，進程調(diào)度和切換還是由軟件完成。另外，目前的進(線)程級動態(tài)軟硬件劃分研究中對軟硬件透明編程模型還關(guān)注不夠，軟件和硬件進(線)程對設(shè)計人員是可見的，程序員創(chuàng)建一個軟件或硬件進(線)程的同時，實際已暗示了相應(yīng)功能的軟硬件劃分。
過程級動態(tài)軟硬件劃分的基本思想是建立軟硬件協(xié)同函數(shù)庫，將計算任務(wù)分解成函數(shù)，以函數(shù)為軟硬件劃分和調(diào)度的基本單位。在功能描述階段，并不區(qū)分函數(shù)的軟硬件性質(zhì)；在程序運行時才根據(jù)動態(tài)軟硬件劃分的結(jié)果，通過動態(tài)連接技術(shù)將函數(shù)連接到相應(yīng)的硬件或軟件實現(xiàn)。這樣可以做到真正的在線劃分、動態(tài)重構(gòu)和設(shè)計透明。函數(shù)的調(diào)用時間相對進(線)程切換開銷要小得多，同時不需要對指令流進行循環(huán)提取、反匯編、在線綜合等操作，是一種較理想的方案。
目前的各種RSoC軟硬件開發(fā)流程存在諸多不足，主要表現(xiàn)如下功能描述與系統(tǒng)設(shè)計之間的存大較大鴻溝、編程不透明、動態(tài)可重構(gòu)資源難以有效利用、開發(fā)工具種類繁多、開發(fā)流程冗長復(fù)雜。
由上可以看出，迫切需要一種自動化的開發(fā)流程來實現(xiàn)RSoC的軟硬件協(xié)同設(shè)計。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決技術(shù)問題是提供一種過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化開發(fā)方法，使用該方法，可達到可重構(gòu)器件對程序用戶透明的目的。支持運行時的動態(tài)軟硬件劃分，使劃分對程序員透明，提高了可重構(gòu)資源的利用率，提高了系統(tǒng)開發(fā)的效率。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化開發(fā)方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟A利用高級語言完成系統(tǒng)功能描述，系統(tǒng)功能描述中包括軟硬件協(xié)同函數(shù)的調(diào)用，所有的軟硬件協(xié)同函數(shù)都放置在同一個軟硬件協(xié)同函數(shù)庫中； 步驟B軟硬件函數(shù)的動態(tài)劃分在程序運行時，采用動態(tài)軟硬件劃分方法對程序調(diào)用的軟硬件協(xié)同函數(shù)進行劃分，即確定具體的軟硬件協(xié)同函數(shù)將要采用軟件實現(xiàn)還是硬件實現(xiàn)； 步驟C鏈接和執(zhí)行步驟動態(tài)鏈接器根據(jù)動態(tài)軟硬件劃分方法的劃分結(jié)果，對具體的函數(shù)進行鏈接，對于采用軟件實現(xiàn)的函數(shù)；就將該采用軟件實現(xiàn)的函數(shù)翻譯為軟件指令此處的軟件指令為機器代碼交給中央處理器執(zhí)行；對于采用硬件實現(xiàn)的函數(shù)，則調(diào)用硬件實現(xiàn)的函數(shù)的配置文件，配置可重構(gòu)資源并執(zhí)行該硬件實現(xiàn)的函數(shù)； 步驟D判斷和結(jié)束步驟；判斷是否所有的函數(shù)執(zhí)行完畢，如果執(zhí)行完畢就結(jié)束，否則返回用于劃分的參數(shù)到步驟B進入下一次循環(huán)；所述的函數(shù)包括軟硬件協(xié)同函數(shù)和非軟硬件協(xié)同函數(shù)，非軟硬件協(xié)同函數(shù)即普通函數(shù)。
所述的動態(tài)連接器具體完成以下4個任務(wù) 第一個任務(wù)是將當(dāng)前函數(shù)區(qū)分成軟硬件協(xié)同函數(shù)和普通函數(shù)定義一個用于存放軟硬件協(xié)同函數(shù)庫的路徑的環(huán)境變量，程序運行時，對于程序調(diào)用的當(dāng)前函數(shù)，取出該當(dāng)前函數(shù)的鏈接映射(link_map)中的存放調(diào)用來源的變量值(l_origin)，將存放調(diào)用來源的變量值(l_origin)與環(huán)境變量的值比較，如果相同，則確定該當(dāng)前函數(shù)為軟硬件協(xié)同函數(shù)；否則，為普通函數(shù)； 第二個任務(wù)是檢測當(dāng)前調(diào)用的函數(shù)是否為軟硬件協(xié)同函數(shù)，如果是，則將用于決定即將執(zhí)行函數(shù)的地址的變量(GOT)值修改為軟硬件協(xié)同函數(shù)庫中具體函數(shù)(硬件函數(shù)或者軟件函數(shù)的入口地址，用于進行協(xié)同函數(shù)庫的訪問，如果不是，則調(diào)用elf_machine_fixup_plt函數(shù)，elf_machine_fixup_plt函數(shù)的作用為定位普通函數(shù)執(zhí)行方式的地址； 第三個任務(wù)是給軟硬件協(xié)同函數(shù)庫提供注冊接口，為動態(tài)軟硬件劃分方法提供反饋的性能參數(shù)，所述的性能參數(shù)包括當(dāng)前函數(shù)的結(jié)束時間、軟/硬件運行時間、軟/硬件調(diào)用次數(shù)、本軟硬件協(xié)同函數(shù)的軟/硬件總運行時間以及記錄所有軟硬件協(xié)同函數(shù)的軟/硬件總運行時間的變量； 第四個任務(wù)是使編譯后的可執(zhí)行文件使用修改后的動態(tài)鏈接器，具體為將操作系統(tǒng)鏈接(link_os_linux)和linux操作系統(tǒng)中的gnu鏈接改成動態(tài)鏈接器的絕對路徑。
所述的軟硬件協(xié)同函數(shù)庫的構(gòu)造方法為 所述的軟硬件協(xié)同函數(shù)庫包括多個軟硬件協(xié)同函數(shù)，每一個軟硬件協(xié)同函數(shù)包括頭文件、具體函數(shù)實現(xiàn)文件和硬件配置文件； 在具體函數(shù)實現(xiàn)文件中構(gòu)造每一個具體函數(shù)的軟件函數(shù)實現(xiàn)和硬件接口代碼；在軟件函數(shù)實現(xiàn)和硬件接口代碼中設(shè)置檢測硬件函數(shù)執(zhí)行時間或軟件函數(shù)執(zhí)行時間的代碼； 在硬件配置文件具有通過硬件實現(xiàn)具體函數(shù)的硬件描述語言代碼； 在所述的頭文件中聲明多個具體函數(shù)的名稱和參數(shù)形式；為程序調(diào)用具體的軟件函數(shù)實現(xiàn)和硬件接口代碼提供統(tǒng)一的函數(shù)接口； 調(diào)用軟硬件協(xié)同函數(shù)時，在新建的程序文件中添加所需調(diào)用函數(shù)的頭文件；在新建的程序文件中采用函數(shù)名調(diào)用的方式，調(diào)用頭文件提供的統(tǒng)一函數(shù)接口；在程序編譯時采用動態(tài)編譯方式，在動態(tài)編譯過程中根據(jù)劃分算法選擇該函數(shù)是調(diào)用軟件函數(shù)實現(xiàn)或硬件接口代碼； 檢測硬件函數(shù)執(zhí)行時間或軟件函數(shù)執(zhí)行時間為使用系統(tǒng)運行環(huán)境導(dǎo)出函數(shù)來實現(xiàn)。
所述的動態(tài)軟硬件劃分方法為分支界定算法或貪婪算法或考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法，所述的考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法具體為 在程序運行過程中，進行動態(tài)的軟硬件劃分，在可重構(gòu)硬件資源上進行一個或多個函數(shù)的配置，對待劃分函數(shù)維護一個待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，其中fk為硬件加速比，k為待劃分的一個函數(shù)；k＝1，…，m，m為待劃分函數(shù)個數(shù)，硬件加速比定義為

F對應(yīng)待劃分函數(shù)的集合；Ck為函數(shù)k在程序運行過程中被調(diào)用的次數(shù)，Timeswk為函數(shù)k的軟件執(zhí)行時間；

為0時表示函數(shù)k當(dāng)前劃分為硬件，反之表示函數(shù)k當(dāng)前為軟件；Trfk對應(yīng)函數(shù)k的硬件實現(xiàn)函數(shù)的配置時間；Timehwk為函數(shù)k的硬件執(zhí)行時間；Commk為函數(shù)k的硬件實現(xiàn)函數(shù)的軟硬件通信代價，為硬件與軟件的參數(shù)傳遞時間； 具體劃分步驟如下 步驟1從列表list(f1，…，fm)中選出最大值fi； 步驟2如果fi已經(jīng)被劃分為硬件，則從列表中刪除fi，更新列表，返回步驟1，否則，進入下一步； 步驟3檢測當(dāng)前的可重構(gòu)資源是否足夠，是則將函數(shù)i劃分為硬件，并配置到可重構(gòu)資源上，從列表中刪除fi，更新列表，返回步驟1； 否則，進入下一步； 步驟4fi與fj比較，fj為函數(shù)j的硬件加速比，函數(shù)j為已經(jīng)配置在可重構(gòu)資源上的函數(shù)中的一個函數(shù)，且在所有的已經(jīng)配置在可重構(gòu)資源上的函數(shù)中，函數(shù)j所對應(yīng)的加速比最?。蝗绻鹒i大于fj，則將函數(shù)j劃分為軟件，從可重構(gòu)資源中刪除函數(shù)j，返回步驟3；如果fi小于fj，則進入步驟4.1； 步驟4.1檢測list是否為空，不空，則保存本次劃分結(jié)果，結(jié)束；如果是空，則計算關(guān)系矩陣Cst，選出該關(guān)系矩陣Cst中最大值元素cst，將cst對應(yīng)的函數(shù)t加入到待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)中更新待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，進入步驟4.2； 所述的Cst記錄函數(shù)調(diào)用次序信息，關(guān)系矩陣Cst為m*N個元素，N為m個待劃分的函數(shù)可能調(diào)用的所有函數(shù)的個數(shù)；s元素表示當(dāng)前劃分的所有函數(shù)，元素cij表示函數(shù)i被調(diào)用后立刻就調(diào)用了函數(shù)j的次數(shù)。
本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明的過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化開發(fā)方法，使用過程級軟硬件統(tǒng)一編程模型，來屏蔽底層硬件實現(xiàn)的差異，達到可重構(gòu)器件對程序用戶透明的目的。該編程模型將硬件加速器封裝成C語言函數(shù)，方便用戶編程，且支持運行時的動態(tài)軟硬件劃分，使劃分對程序員透明，提高了可重構(gòu)資源的利用率。
系統(tǒng)設(shè)計人員通過調(diào)用已根據(jù)應(yīng)用特性進行優(yōu)化的軟硬件協(xié)同函數(shù)庫，即可利用高級語言完成系統(tǒng)功能描述；動態(tài)軟硬件劃分算法在程序運行時對其進行劃分，選擇、調(diào)度需要轉(zhuǎn)換到軟件或硬件實現(xiàn)的庫函數(shù)，并通過動態(tài)鏈接器實時切換函數(shù)的運行方式，從而形成了一個由功能描述到系統(tǒng)實現(xiàn)的自動化流程。
本發(fā)明最大的一個優(yōu)點是綜合了軟硬件協(xié)同工作以及開發(fā)流程易于實現(xiàn)的優(yōu)點，由于采用了軟硬件協(xié)同函數(shù)，因此，設(shè)計人員不必同時精通軟件和硬件實現(xiàn)，對設(shè)計人員的素質(zhì)要求顯著降低，使得軟硬件協(xié)同設(shè)計的時間能顯著縮短；動態(tài)軟硬件劃分方法為優(yōu)化的動態(tài)劃分算法，能最大限度的發(fā)揮硬件執(zhí)行速度快的優(yōu)點，從而使得程序的執(zhí)行效率高。



圖1是過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計集成開發(fā)環(huán)境構(gòu)架； 圖2是過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖； 圖3是過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計的原理圖； 圖4是過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計流程圖； 圖5是過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計運行時數(shù)據(jù)流圖； 圖6是本發(fā)明的總流程圖； 圖7為考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法的流程圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
系統(tǒng)設(shè)計人員通過調(diào)用已根據(jù)應(yīng)用特性進行優(yōu)化的軟硬件協(xié)同函數(shù)庫，即可利用高級語言完成系統(tǒng)功能描述；系統(tǒng)功能描述中包括協(xié)同函數(shù)的調(diào)用，動態(tài)軟硬件劃分算法在程序運行時對程序調(diào)用的軟硬件協(xié)同函數(shù)進行劃分，選擇、調(diào)度需要配置到軟件或硬件實現(xiàn)的庫函數(shù)，并通過動態(tài)鏈接器實時切換函數(shù)的運行方式，調(diào)用具體的軟件或硬件函數(shù)，從而形成了一個由功能描述到系統(tǒng)實現(xiàn)的自動化流程。
所述動態(tài)鏈接器為劃分算法可以用預(yù)配置的劃分算法，也可以是其他的劃分算法。其他的算法，如分支界定算法或貪婪算法提供劃分參數(shù)，并讀取動態(tài)軟硬件劃分的決策結(jié)果，將應(yīng)用程序中對抽象函數(shù)的調(diào)用映射到具體的軟件實體代碼或硬件接口代碼上。
動態(tài)鏈接器的實現(xiàn) 動態(tài)鏈接控制的第一個任務(wù)是檢測是否調(diào)用協(xié)同函數(shù)，如果是，則修改GOT入口進行協(xié)同函數(shù)庫的訪問，如果不是，調(diào)用elf_machine_fixup_plt函數(shù)該函數(shù)的作用為定位函數(shù)上次執(zhí)行方式的地址；檢測到對協(xié)同函數(shù)的調(diào)用，就一律不再調(diào)用elf_machine_fixup_plt函數(shù)(系統(tǒng)函數(shù))。GOT(該變量用于決定即將執(zhí)行函數(shù)的地址)入口項一步進行了修改 動態(tài)鏈接控制的第二個任務(wù)是將函數(shù)區(qū)分成協(xié)同函數(shù)和普通函數(shù)。新添了額外的環(huán)境變量”LD_COL_LIB”協(xié)同函數(shù)庫的路徑只有一個，它指出協(xié)同函數(shù)庫所在路徑，共享庫對應(yīng)的鏈接映射link_map節(jié)點建立好后，通過將該環(huán)境變量的值LD_COL_LIB和其存放調(diào)用來源的變量l_originl_origin屬于鏈接映射的一個成員。比較便可以知道該函數(shù)是否在協(xié)同函數(shù)庫中，。程序運行時，對于程序調(diào)用的某一個函數(shù)，取出該函數(shù)的link_map中的l_origin，將l_origin與LD_COL_LIB(自己添加的變量)比較，如果相同，則確定該函數(shù)為協(xié)同函數(shù)。否則，為普通函數(shù)。
動態(tài)鏈接控制的第三個任務(wù)是給協(xié)同函數(shù)庫提供注冊接口，為動態(tài)軟硬件劃分算法提供反饋的性能參數(shù)函數(shù)的結(jié)束時間、軟/硬件運行時間、軟/硬件調(diào)用次數(shù)、本協(xié)同函數(shù)的軟/硬件總運行總時間以及記錄所有協(xié)同函數(shù)軟/硬件總運行時間的變量等。
動態(tài)鏈接控制的第四個任務(wù)是使編譯后的可執(zhí)行文件使用修改后的動態(tài)鏈接器。具體為將gcc(GNU(一個組織名稱)計劃開發(fā)的C語言編譯器)中的specs文件中的linux系統(tǒng)中的操作系統(tǒng)鏈接(link_os_linux)和linux操作系統(tǒng)中的gnu(組織名稱，用于該組織開發(fā)的軟件)鏈接改成動態(tài)鏈接器的絕對路徑。
首先進行系統(tǒng)功能描述 接著根據(jù)劃分算法對函數(shù)(該函數(shù)為軟硬件協(xié)同函數(shù)庫中的函數(shù))進行軟硬件劃分，確定函數(shù)以何種方式執(zhí)行。
接著動態(tài)鏈接器根據(jù)劃分軟件函數(shù)算法的劃分結(jié)果，進行對應(yīng)函數(shù)庫的鏈接，如果執(zhí)行，是軟件函數(shù)就將之翻譯為軟件指令交給中央處理器(CPU)，如果是硬件函數(shù)的話，就調(diào)用硬件函數(shù)的配置文件，配置可重構(gòu)資源，進行處理。
判斷是否所有的函數(shù)執(zhí)行完畢，如果執(zhí)行完畢就結(jié)束，否則返回用于劃分的參數(shù)。開發(fā)流程如圖6. 動態(tài)軟硬件劃分算法的實現(xiàn) 從協(xié)同函數(shù)庫相關(guān)信息文件(記錄了該庫包含的協(xié)同函數(shù)名及對應(yīng)的加速器名稱，面積)中抽取該協(xié)同函數(shù)的相關(guān)信息。
執(zhí)行時間、方式約束可以由程序員在編程的時候指定，這些約束給出函數(shù)一次執(zhí)行可消耗的最多時間/哪些函數(shù)必須以軟件或硬件方式執(zhí)行，這些約束可以作為獨立的源文件開發(fā)。
其余參數(shù)都通過動態(tài)鏈接器和協(xié)同函數(shù)庫協(xié)作獲取，其中最近的函數(shù)調(diào)用順序，動態(tài)鏈接器用一個有限長的鏈表記錄，而時間的具體獲取方式為動態(tài)鏈接器給軟硬件協(xié)同函數(shù)庫提供訪問其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的接口，它們的實現(xiàn)中含有來獲取高精度時間的匯編指令。
劃分算法設(shè)計者除了提供劃分算法和性能監(jiān)測函數(shù)用于將用于監(jiān)測的變量名傳遞給動態(tài)鏈接器
動態(tài)鏈接器為劃分函數(shù)的注冊提供了接口 預(yù)留了劃分算法的接口。為方便對新開發(fā)的動態(tài)軟硬件劃分算法進行評估，本協(xié)同設(shè)計框架給劃分算法設(shè)計人員實驗新算法提供了注冊接口.
動態(tài)鏈接還提供接口，以注冊反射函數(shù)將變量名對應(yīng)的變量值返回給性能監(jiān)測函數(shù)。該函數(shù)可以注冊兩個函數(shù)，這兩個函數(shù)除了通過共同的參數(shù)列表進行數(shù)據(jù)通信外，還可以通過全局變量進行通信。它們一個在劃分算法執(zhí)行前執(zhí)行，得到劃分前的性能參數(shù)，一個在劃分算法執(zhí)行后調(diào)用，得到劃分后的性能參數(shù)，用于劃分前后的性能進行對比，劃分算法設(shè)計者可以用它們來監(jiān)測整個劃分過程。
兩個函數(shù)都被傳入同一個文件描述符fd，所有的性能監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括動態(tài)鏈接器內(nèi)部監(jiān)測到的)將被寫入該文件。
實施例1 過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計集成開發(fā)環(huán)境構(gòu)架如圖1。提供圖形化的系統(tǒng)描述與設(shè)計，以及劃分算法設(shè)計環(huán)境。主要分為用戶界面、編譯器、調(diào)試器三大部分組成。
用戶界面在系統(tǒng)描述與設(shè)計模式下(圖1實線部分)，設(shè)計人員可進行系統(tǒng)功能描述的代碼和性能約束代碼等的輸入；在劃分算法設(shè)計模式下(圖1虛線部分)，設(shè)計人員可以完成算法及性能監(jiān)測代碼的輸入工作。集成環(huán)境將為設(shè)計人員新建的工程生成特定的文件、目錄等，整個工程由.project(工程文件的后綴名)文件管理，.project文件將即時反映工程文件的任何變化，記錄工程類型，工具路徑，編譯鏈接選項，相關(guān)環(huán)境變量等，為軟件綜合提供基礎(chǔ)。
編譯器負責(zé)編譯和鏈接，將應(yīng)用程序編譯成可執(zhí)行文件，將劃分算法等編譯成共享庫。通過將.project文件轉(zhuǎn)換成配置文件(Makefile)文件，由配置(make)函數(shù)調(diào)用GNU(一個組織名稱)計劃的C語言編譯器GCC對C語言代碼完成編譯。
調(diào)試器通過xmd、gdb工具對下載到片上系統(tǒng)的性能約束文件進行調(diào)試。
在劃分算法設(shè)計模式下，新開發(fā)的算法被編譯成共享庫后下載到FPGA上替換原有的劃分算法庫，應(yīng)用程序運行完畢后將生成相關(guān)性能監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將保存到特定格式的文件中，集成開發(fā)環(huán)境將該文件讀回并規(guī)格化以適當(dāng)?shù)男问斤@示，以便與之前的算法進行對比改進。
系統(tǒng)的描述與設(shè)計和軟硬件劃分算法設(shè)計可以通過不同的開發(fā)流程同時進行。前者和軟件開發(fā)流程完全一樣，設(shè)計人員調(diào)用協(xié)同函數(shù)編寫代碼，然后進行編譯、下載、調(diào)試，協(xié)同開發(fā)環(huán)境將對整個過程中的細節(jié)問題進行管理。而劃分算法的設(shè)計流程是一個迭代過程，需針對具體應(yīng)用特點進行規(guī)劃與設(shè)計。
過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖2。主要由編程模型、綜合工具和仿真工具三大部分組成。編程模型是用戶設(shè)計自動化工具和主要的開發(fā)環(huán)境，用戶可以在編程模型中完成系統(tǒng)功能描述、聯(lián)合綜合、聯(lián)合調(diào)試和生成可執(zhí)行代碼等主要工作。綜合工具和仿真工具主要用于用戶自定義函數(shù)庫的建立與驗證工作。用戶自定義的硬件函數(shù)可通過仿真工具進行結(jié)構(gòu)仿真、形為仿真和時序仿真，并通過綜合工具形成系統(tǒng)認可的網(wǎng)表文件或配置文件，而不需要再借助專門的商用工具來完成。綜合工具與仿真工具的設(shè)計流程同傳統(tǒng)數(shù)字設(shè)計流程相似，大大提高了系統(tǒng)的實用性和可擴展性。圖2中的動態(tài)鏈接接口和軟硬件協(xié)同函數(shù)器，是本發(fā)明的獨特創(chuàng)新之處。
過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計的原理如圖3。面向可重構(gòu)片上系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化可分解為軟硬件劃分自動化和軟硬件實現(xiàn)自動化兩部分。軟硬件劃分自動化主要通過對動態(tài)軟硬件劃分算法的研究來進行。動態(tài)軟硬件劃分算法根據(jù)運行時動態(tài)獲取的環(huán)境信息和任務(wù)的特征參數(shù)來決定任務(wù)的實現(xiàn)方式。
軟硬件實現(xiàn)自動化主要是在軟硬件協(xié)同函數(shù)庫的支持下，通過動態(tài)連接技術(shù)實現(xiàn)(如圖4)。其中，軟硬件協(xié)同函數(shù)庫是軟硬件實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)與支撐，是動態(tài)軟硬件劃分的對象。動態(tài)連接技術(shù)用來實現(xiàn)程序運行時動態(tài)重構(gòu)，將劃分為軟件執(zhí)行的任務(wù)關(guān)聯(lián)到微處理器上的可執(zhí)行代碼，將劃分為硬件執(zhí)行的任務(wù)關(guān)聯(lián)到可重構(gòu)器件上的邏輯電路。
動態(tài)軟硬件劃分算法需要兩個對象，一是任務(wù)圖，在這里是函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖。它在系統(tǒng)功能描述時生成，可通過特殊工具程序進行提取。二是任務(wù)特征參數(shù)和運行環(huán)境信息。任務(wù)特征參數(shù)包括任務(wù)面積、軟件執(zhí)行時間、硬件執(zhí)行時間等，也是由系統(tǒng)描述決定，從系統(tǒng)描述中提取。運行時環(huán)境信息包括資源使用情況、硬件函數(shù)配置狀態(tài)、任務(wù)調(diào)用次數(shù)等，需要在運行時由動態(tài)鏈接器實時獲取。
動態(tài)鏈接器的實現(xiàn) 可執(zhí)行文件格式(ELF)文件中GOT入口項一步進行了修改——在發(fā)現(xiàn)所調(diào)用函數(shù)為協(xié)同函數(shù)時不再調(diào)用elf_machine_fixup_plt函數(shù)。
新添了額外的系統(tǒng)環(huán)境變量”LD_COL_LIB”，它指出協(xié)同函數(shù)庫所在路徑，共享庫對應(yīng)的link_map節(jié)點建立好后，通過將該環(huán)境變量的值和其l_origin成員比較便可以知道該函數(shù)是否在協(xié)同函數(shù)庫中。(link_map為鏈接庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)) 以“dl”開頭的函數(shù)由鏈接器導(dǎo)出，其中dl_get_cfl_path給出協(xié)同函數(shù)庫的所在目錄。其余的三個函數(shù)用來在運行時測量協(xié)同函數(shù)的執(zhí)行情況，為軟硬件劃分算法提供參數(shù)，在下面會進行介紹。
具體做法是將gcc的specs文件的“l(fā)ink_os_linux”和“l(fā)ink_os_gnu”兩項修改為 *lin_os_linux: -m elf32ppclinux％{！shared:％{！static:％{rdynamic:-export-dynamic} ％{！dynamic-linker:-dynamic-linker/mylibc/lib/ld-2.3.3.so}}} *lin_os_gnu: -m elf32ppclinux％{！shared:％{！static:％{rdynamic:-export-dynamic} ％{！dynamic-linker:-dynamic-linker/mylibc/lib/ld-2.3.3.so}}} 帶下劃線為修改后的鏈接器的絕對路徑名。
動態(tài)軟硬件劃分 程序員編寫劃分算法源碼。
執(zhí)行時間、方式約束可以由程序員在編程的時候指定，這些約束給出函數(shù)一次執(zhí)行可消耗的最多時間/哪些函數(shù)必須以軟件或硬件方式執(zhí)行，這些約束可以作為獨立的源文件開發(fā)，該源文件的后綴為”.limt”。
其余參數(shù)都通過動態(tài)鏈接器和協(xié)同函數(shù)庫協(xié)作獲取 劃分算法模塊也作為共享庫開發(fā)，動態(tài)鏈接器為劃分函數(shù)的注冊提供了接口，劃分算法在程序運行前進行注冊。劃分算法設(shè)計者除了提供劃分算法和性能監(jiān)測函數(shù)外，還提供了”void partition_register(void)”這樣一個函數(shù)，其調(diào)用的函數(shù)為鏈接器提供的用來注冊劃分算法和性能監(jiān)測函數(shù)的函數(shù). void partition_register(void) {dl_partition_register(my_partition_v1) dl_partition_register(my_reflex_before，my_reflextion_after)； } 為方便對新開發(fā)的動態(tài)軟硬件劃分算法進行評估，本協(xié)同設(shè)計框架給劃分算法設(shè)計人員實驗新算法提供了注冊接口①。
動態(tài)鏈接還提供如②所示接口，以注冊反射函數(shù)。該函數(shù)可以注冊兩個函數(shù)，這兩個函數(shù)除了通過共同的參數(shù)列表進行數(shù)據(jù)通信外，還可以通過全局變量進行通信。它們一個在劃分算法執(zhí)行前執(zhí)行，一個在劃分算法執(zhí)行后調(diào)用，劃分算法設(shè)計者可以用它們來監(jiān)測整個劃分過程。
typedef sw_hw_partition_result(*Partition_Func) (address_and_exec_info*，utime64，utime64)； typedef void(*Reflextion_Func)(address_and_exec_nifo*，utime64，utime64，int fd)； ①:Partition_Func_dl_partition_register(Partition_Func fn) ②:void dl_partition_register(Reflextion_Func before_partition，Reflextion_Func after_partition)； 兩個函數(shù)都被傳入同一個文件描述符fd，所有的性能監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括動態(tài)鏈接器內(nèi)部監(jiān)測到的)將被寫入該文件。
該文件的格式遵循“1級項目名2級項目名…值；”格式，這種格式的文件將方便其在軟硬件協(xié)同設(shè)計集成開發(fā)環(huán)境中進行自動化處理。
協(xié)同函數(shù)通過調(diào)用dl_update_time_front更新函數(shù)的起始執(zhí)行時間并得到對應(yīng)于該函數(shù)的唯一id。函數(shù)運行結(jié)束后，軟/硬件協(xié)同函數(shù)將分別通過調(diào)用dl_sw_update_time/dl_hw_update_time更新函數(shù)的結(jié)束時間、軟/硬件運行時間、軟/硬件調(diào)用次數(shù)、本協(xié)同函數(shù)的軟/硬件總運行總時間以及記錄所有協(xié)同函數(shù)軟/硬件總運行時間的變量等。
過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計流程如圖4。本發(fā)明主要面向圖形圖像領(lǐng)域，為基于可重構(gòu)片上系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計提供一種方便、快捷的解決方案。設(shè)計人員可以像編寫常規(guī)軟件代碼一樣輕松的完成軟硬件混合系統(tǒng)的開發(fā)，而不會感覺到軟硬件之間的差異。系統(tǒng)的軟硬件劃分和實現(xiàn)工作都由工具自動完成。整個系統(tǒng)開發(fā)過程分為三個階段 系統(tǒng)的描述與設(shè)計設(shè)計人員調(diào)用軟硬件協(xié)同函數(shù)庫中的函數(shù)(該函數(shù)庫提供的接口采用C語言或Java語言編寫，如用Java語言進行描述調(diào)用的則是軟硬件方法)，利用C語言完成功能代碼的編寫；設(shè)計人員也可以添加性能約束代碼，如指定協(xié)同庫中函數(shù)的運行方式是全硬件或是全軟件實現(xiàn)，以及函數(shù)執(zhí)行時間約束。默認情況下協(xié)同函數(shù)庫中的函數(shù)既可以以軟件形式在微處理器上運行，也可以以硬件方式加載到可重構(gòu)硬件上執(zhí)行。
軟件綜合編譯生成系統(tǒng)描述的可執(zhí)行文件，并獲取其中調(diào)用到的軟硬件協(xié)同函數(shù)(即協(xié)同函數(shù)庫中實現(xiàn)相同接口的軟/硬件函數(shù))信息，包括硬件函數(shù)封裝的加速器的面積，協(xié)同函數(shù)執(zhí)行的性能約束等。
運行時動態(tài)軟硬件劃分軟件綜合階段所生成的可執(zhí)行文件將被加載到可重構(gòu)片上系統(tǒng)中執(zhí)行，軟硬件劃分算法根據(jù)動態(tài)鏈接器實時獲取的程序運行情況及片上系統(tǒng)的資源利用率，決定被調(diào)用的協(xié)同函數(shù)劃分將由微處理器(對應(yīng)軟件函數(shù))還是可重構(gòu)部件上(對應(yīng)硬件函數(shù))執(zhí)行。
過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計的整個運行時環(huán)境的數(shù)據(jù)流如圖5。當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用某一函數(shù)時，運行時環(huán)境需對函數(shù)名進行分析，從而判斷是否具有相應(yīng)的硬件函數(shù)實現(xiàn)，如果沒有，則繼續(xù)運行軟件代碼，否則在軟硬件函數(shù)運行時信息表中為其創(chuàng)建一個新的記錄并從硬件函數(shù)庫中讀入相應(yīng)的配置信息。這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中主要包括軟硬件函數(shù)執(zhí)行時間、函數(shù)調(diào)用次數(shù)、硬件函數(shù)面積等將被提供給軟硬件劃分算法的參數(shù)信息。軟硬件動態(tài)鏈接過程根據(jù)劃分結(jié)果為函數(shù)選擇一種執(zhí)行位置(要么在微處理器上，要在FPGA上)，如果調(diào)用的是硬件函數(shù)，則首先查詢可重構(gòu)資源管理器，若該硬件函數(shù)尚未配置，則需要進行動態(tài)重構(gòu)，接著運行硬件加速器，最后將執(zhí)行結(jié)果寫入數(shù)據(jù)區(qū)域。
可重構(gòu)資源由可重構(gòu)資源管理器進行管理，它是一個設(shè)備驅(qū)動程序，負責(zé)與可編程器件配置控制器等硬件電路(可編程器件廠商一般在其開發(fā)板上提供了配置控制器)通信，管理可編程器件上硬件模塊的配置和運行。在這里主要是查詢所需的硬件模塊狀態(tài)，進行相應(yīng)配置和更新記錄操作，包括控制硬件模塊配置，更新硬件模塊配置信息、狀態(tài)信息和運行信息，以及從預(yù)留地址空間中分配端口地址等，最后返回所分配的地址。
簡單開發(fā)過程本過程包含3DES和Hamming編碼的系統(tǒng)，利用開發(fā)工具提供的支持。程序員使用了軟硬件協(xié)同函數(shù)庫中的tripleDES函數(shù)，并輸入了待處理的數(shù)據(jù)和密碼。此時程序員并不知道(也無從知道)函數(shù)的執(zhí)行方式(硬件執(zhí)行還是軟件執(zhí)行)，也不需要去了解硬件模塊上的寄存器的狀態(tài)、數(shù)目、類型和通信等細節(jié)。
以下為核心部分代碼 tri_des_encrypt(buf，buf，sizeof(buf)，key，sizeof(key))；//調(diào)用協(xié)同函數(shù)進行協(xié)同編程 for(int j＝0，k＝0；j＜(sizeof(buf)/3)+1；j++，k+＝3) { fh[j]＝*((unsigned int*)(buf+k))； hamming_encode(&fh[j])； } for(int j＝0，k＝0；j＜(sizeof(buf)/3)+1；j++，k+＝3) { hamming_decode(&fh[j])； tmp＝(unsigned int*)(buf+k)； *tmp＝fh[j]； } tri_des_decrypt(buf，buf，sizeof(buf)，key，sizeof(key))； 程序運行過程中，根據(jù)動態(tài)軟硬件劃分的結(jié)果來執(zhí)行函數(shù)。
本發(fā)明是在軟硬件協(xié)同函數(shù)庫的基礎(chǔ)上實施的，軟硬件協(xié)同函數(shù)庫的實現(xiàn)步驟和實例如下 一種軟硬件協(xié)同函數(shù)庫的構(gòu)造方法，其特征在于， 所述的軟硬件協(xié)同函數(shù)庫包括多個軟硬件協(xié)同函數(shù)，每一個軟硬件協(xié)同函數(shù)包括頭文件、具體函數(shù)實現(xiàn)文件和硬件配置文件； 在具體函數(shù)實現(xiàn)文件中構(gòu)造每一個具體函數(shù)的軟件函數(shù)實現(xiàn)和硬件接口代碼；在軟件函數(shù)實現(xiàn)和硬件接口代碼中設(shè)置檢測硬件函數(shù)執(zhí)行時間或軟件函數(shù)執(zhí)行時間的代碼； 在硬件配置文件具有通過硬件實現(xiàn)具體函數(shù)的硬件描述語言代碼； 在所述的頭文件中聲明多個具體函數(shù)的名稱和參數(shù)形式；為程序調(diào)用具體的軟件函數(shù)實現(xiàn)和硬件接口代碼提供統(tǒng)一的函數(shù)接口； 調(diào)用軟硬件協(xié)同函數(shù)時，在新建的程序文件中添加所需調(diào)用函數(shù)的頭文件；在新建的程序文件中采用函數(shù)名調(diào)用的方式，調(diào)用頭文件提供的統(tǒng)一函數(shù)接口；在程序編譯時采用動態(tài)編譯方式，在動態(tài)編譯過程中根據(jù)劃分算法選擇該函數(shù)是調(diào)用軟件函數(shù)實現(xiàn)或硬件接口代碼。
檢測硬件函數(shù)執(zhí)行時間或軟件函數(shù)執(zhí)行時間為使用系統(tǒng)運行環(huán)境導(dǎo)出函數(shù)來實現(xiàn)。
說明所述的劃分算法可以采用任意的算法來實現(xiàn)，只要能實現(xiàn)選擇是軟件函數(shù)實現(xiàn)或硬件接口代碼的功能即可。比如，有一種算法，根據(jù)當(dāng)前硬件是否空閑來決定，當(dāng)硬件空閑時，選擇硬件實現(xiàn)即調(diào)用硬件接口代碼。
軟硬件協(xié)同函數(shù)庫設(shè)計的步驟為 首先為軟硬件協(xié)同函數(shù)聲明一個對外接口(頭文件中的函數(shù)聲明)；頭文件如何聲明在具體例子中有體現(xiàn)。
1.以軟件編程方式實現(xiàn)函數(shù)的軟件部分，該部分為一般軟件描述方式。
2.硬件接口代碼的實現(xiàn)。硬件接口的標(biāo)識是在軟件接口標(biāo)識前面增加了hw_前綴，區(qū)別協(xié)同函數(shù)軟硬件的不同實現(xiàn)方式。
3.1從可重構(gòu)資源管理器獲取硬件模塊端地址。利用系統(tǒng)函數(shù)mmap函數(shù)進行物理地址(即獲取到的地址)映射成虛擬地址。
3.2函數(shù)庫包含一個init函數(shù)，該函數(shù)將在main函數(shù)調(diào)用前得到執(zhí)行，它完成兩件事，一件是打開物理內(nèi)存設(shè)備文件，為地址映射提供文件描述符參數(shù)；一件是調(diào)用dl_get_cfl_path函數(shù)獲得當(dāng)前軟硬協(xié)同函數(shù)庫的絕對路徑，該函數(shù)也是動態(tài)鏈接器為編程模型提供的接口，程序中值得注意的地方在于剛進入函數(shù)時調(diào)用三個系統(tǒng)導(dǎo)出函數(shù)，可以自動測量和保存該硬件函數(shù)的執(zhí)行時間，對于軟件函數(shù)也有類似代碼。
3.3其中必須必須聲明一個執(zhí)行參數(shù)傳遞和計算的函數(shù)，它獲得虛擬地址后就能與硬件通信。該函數(shù)執(zhí)行的都是一些對寄存器的讀寫工作(寄存器讀寫對硬件開發(fā)人員是熟知的過程)，為了實現(xiàn)運行時應(yīng)用程序劃分改變，協(xié)同函數(shù)的指令在編譯時不能直接編譯進應(yīng)用程序的主文件，所以將軟硬件協(xié)同函數(shù)庫編譯成共享庫文件，即聲明在頭文件中。
3.4可重構(gòu)資源管理器負責(zé)管理可重構(gòu)資源，調(diào)度硬件加速器的配置與執(zhí)行，它是操作系統(tǒng)的一部分，作為內(nèi)核驅(qū)動開發(fā)。我們僅為它提供編程接口。(只提供接口) 將軟件實現(xiàn)代碼和硬件接口代碼封裝。封裝封裝的內(nèi)容為軟件實現(xiàn)代碼和硬件接口代碼。封裝打包具體實現(xiàn)為采用編譯命令對所寫好的.c文件(即3des.c)進行編譯(在linux系統(tǒng)中，編譯命令為gcc-fPIC-c*.c。Gcc-shared-wl，-soname，lib3des.so.l-o lib3des.so.1.0*.o，在其他系統(tǒng)中可以采用其他C的交叉編譯器進行編譯).通過編譯以后整個程序就被封裝打包好，可供用戶調(diào)用。用戶可以通過封裝好的統(tǒng)一接口進行調(diào)用硬件接口函數(shù)，通過硬件配置文件，實現(xiàn)該功能的硬件部分。
硬件實現(xiàn)的配置文件是采用硬件描述語言實現(xiàn)，通過硬件開發(fā)工具進行設(shè)置，具體實現(xiàn)由所需實現(xiàn)功能相關(guān)。
將軟件函數(shù)和硬件接口代碼封裝在一起，并與硬件實現(xiàn)方式的配置文件一起構(gòu)成軟硬件協(xié)同函數(shù)，這樣即完成了一個軟硬件協(xié)同函數(shù)的建立。要建立成庫，則需多實現(xiàn)幾個軟硬件協(xié)同函數(shù)即可。
所述的軟硬件協(xié)同函數(shù)可以采用包含頭文件方式被其他程序調(diào)用，調(diào)用的步驟為 1.將軟硬件協(xié)同函數(shù)庫復(fù)制到開發(fā)工具的根目錄下； 2.在新建的程序文件中添加所需調(diào)用函數(shù)的頭文件； 3.在新建的程序文件中采用函數(shù)名調(diào)用的方式，調(diào)用頭文件提供的統(tǒng)一函數(shù)接口。
4.在程序編譯時采用動態(tài)編譯方式，由程序運行環(huán)境依據(jù)當(dāng)前情況選擇軟件或硬件實現(xiàn)部分。
本發(fā)明的提供的軟硬件協(xié)同函數(shù)庫的構(gòu)造方法，包括以下步驟 首先為軟硬件協(xié)同函數(shù)聲明一個對外接口(頭文件中的函數(shù)聲明)；軟硬件協(xié)同函數(shù)是對同一功能的不同方式實現(xiàn)軟件函數(shù)的實現(xiàn)是以軟件編碼方式實現(xiàn)，硬件的實現(xiàn)則是由硬件接口代碼和函數(shù)功能實現(xiàn)的硬件配置文件構(gòu)成；將軟件函數(shù)和硬件接口代碼封裝在一起，并與硬件實現(xiàn)方式的配置文件一起構(gòu)成軟硬件協(xié)同函數(shù)，由多個軟硬件協(xié)同函數(shù)，形成一個抽象的軟硬件協(xié)同函數(shù)庫；形成的函數(shù)庫可以在其他程序中調(diào)用。
定義了一個頭文件，在其中聲明了軟件函數(shù)和硬件接口函數(shù)提供一個統(tǒng)一的函數(shù)調(diào)用接口，以便于用戶調(diào)用。
1)在協(xié)同函數(shù)的實現(xiàn)部分，硬件接口的標(biāo)識是在軟件接口標(biāo)識前面增加了hw_前綴，區(qū)別協(xié)同函數(shù)軟硬件的不同實現(xiàn)方式，以便系統(tǒng)在運行時依據(jù)當(dāng)前運行情況選擇軟件或硬件實現(xiàn)部分 2)使用系統(tǒng)函數(shù)mmap將硬件模塊實現(xiàn)部分的物理地址映射為虛擬地址，以便在虛擬地址空間運行的硬件接口部分與硬件模塊的具體實現(xiàn)部分通信。
3)使用系統(tǒng)運行環(huán)境導(dǎo)出函數(shù)統(tǒng)計協(xié)同函數(shù)軟件實現(xiàn)或硬件實現(xiàn)的執(zhí)行時間，以便為系統(tǒng)選擇軟件或硬件實現(xiàn)提供決策信息。
4)聲明一個執(zhí)行參數(shù)傳遞和計算的函數(shù)用于在獲得虛擬地址后就能與硬件通信。
軟件實現(xiàn)部分和硬件實現(xiàn)的接口部分打包到同一個共享庫中，與硬件實現(xiàn)的配置文件共同組成一個完整的協(xié)同函數(shù)。由多個軟硬件協(xié)同函數(shù)組成軟硬件協(xié)同函數(shù)庫。
軟硬件協(xié)同函數(shù)庫設(shè)計的實施例1 本實例中，采用Eclipse開發(fā)工具進行設(shè)計，軟件實體代碼和硬件接口代碼最后都通過動態(tài)鏈接控制實現(xiàn)。動態(tài)鏈接控制主要是讀取動態(tài)軟硬件劃分的決策結(jié)果，將應(yīng)用程序中對抽象函數(shù)的調(diào)用映射到具體的軟件實體代碼或硬件接口代碼上。動態(tài)鏈接技術(shù)在軟件設(shè)計中早已廣泛應(yīng)用，高級程序設(shè)計語言也提供了相應(yīng)的語法結(jié)構(gòu)，如C語言中的函數(shù)指針，C++中的虛函數(shù)等。對于不同的操作這里要鏈接的對象從外部看來無論軟件、硬件都體現(xiàn)為函數(shù)代碼，因為我們對外提供的是一個統(tǒng)一的接口。(每個操作都被看成函數(shù)代碼，這是C語言程序設(shè)計的一個主要思想) 首先給出一段DES的C程序代碼(可擴展為其他語言)，通過決策機制軟硬件劃分算法，決定是采用封裝好的硬件函數(shù)和接口函數(shù)或者是采用.h和.c的軟件函數(shù)執(zhí)行。
本發(fā)明的操作過程是，任意一臺現(xiàn)今主流配置的電腦作為開發(fā)工具，Eclipse作為開發(fā)工具。用戶通過該開發(fā)工具進行嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，在開發(fā)過程中可以調(diào)用軟硬件協(xié)同函數(shù)庫。
第一步，開啟電腦。
第二步，打開Eclipse開發(fā)工具。
第三步，將軟硬件協(xié)同函數(shù)庫拷貝到開發(fā)工具的根目錄下，如“C:\Eclipse\”目錄下 第三步，新建軟件工程。
第四步，添加程序源文件，并調(diào)用3des.h。調(diào)用的代碼為 #include<3des.h> 第五步，編寫軟硬件協(xié)同函數(shù)庫測試函數(shù)。(測試函數(shù)主要是定義我所調(diào)用的函數(shù)所需要的數(shù)據(jù)，并調(diào)用該函數(shù)) 如調(diào)用的函數(shù)為一個加法函數(shù)add(a，b)，那么在頭文件已經(jīng)包含的情況下我的測試函數(shù)如下(這是一個標(biāo)準(zhǔn)的C語言程序) int main() int c，d，e； c＝4； d＝5； e＝add(c，d)；//調(diào)用該函數(shù) ….. 第六步，進行工程的動態(tài)編譯(動態(tài)編譯為軟件設(shè)計人員都熟知的過程)。
實例1 函數(shù)實現(xiàn)具體實例 3DES的實現(xiàn)過程 1.設(shè)置頭文件首先為3des函數(shù)聲明一個對外接口(為簡單起見，這里假設(shè)函數(shù)只包含3des的加密和解密函數(shù))，它包含在3des.h文件中，應(yīng)用程序包含此文件就能利用庫中函數(shù)實現(xiàn)完成編程；代碼如下 /*3des.h*/----頭文件名； #define ENCRYPT 0 #define DECRYPT 1 typedef enum bool{false，true}bool； extern bool tri_des_encrypt(char*Out，char*In，long datalen，const char*Key，int keylen)；----定義加密函數(shù)； extern bool tri_des decrypt(char*Out，char*In，long datalen，const char*Key，int keylen)；---定義解密函數(shù)； 在一個文件對應(yīng)具體函數(shù)的文件，具體函數(shù)如3des里面，同時包括軟件實現(xiàn)和硬件接口代碼。
整個函數(shù)庫就是一個文件。
2.軟件函數(shù)采用傳統(tǒng)的軟件方式實現(xiàn)(這里不詳述) 3.硬件接口代碼的實現(xiàn) 3.1 int hw_tri_des_encrypt(char*Out，char*In，long datalen，const char*Key，int keylen)函數(shù)即為接口函數(shù)，關(guān)鍵代碼如下 bool hw_tri_des_encrypt(char*Out，char*In，long datalen，const char*Key，intkeylen) { …… TripleDES(true，*datain，k
，k[1]，k[2]，dataout)；//該處為調(diào)用參數(shù)傳遞和計算函數(shù) } …… return true； } 3.2函數(shù)中包含一個init函數(shù)，該函數(shù)將在main函數(shù)調(diào)用前得到執(zhí)行，它完成兩件事，一件是打開物理內(nèi)存設(shè)備文件，將物理地址映射成虛擬地址；一件是調(diào)用dl_get_cfl_path函數(shù)獲得當(dāng)前軟硬協(xié)同函數(shù)庫的絕對路徑，該函數(shù)也是動態(tài)鏈接器為編程模型提供的接口，在程序中值得注意的地方在于剛進入函數(shù)時調(diào)用了dl_update_time_front和dl_get_time函數(shù)，在函數(shù)結(jié)尾時調(diào)用了dl_hw_update_time函數(shù)，這些函數(shù)將自動測量和保存該硬件函數(shù)的執(zhí)行時間，對于軟件函數(shù)也有類似代碼.這些函數(shù)為系統(tǒng)函數(shù)，用以給協(xié)同函數(shù)庫開發(fā)人員提供相關(guān)信息。(以上三個函數(shù)為系統(tǒng)函數(shù)可以直接調(diào)用)關(guān)鍵代碼如下 static void init() { now＝&dl_get_time；//保存系統(tǒng)當(dāng)前時間 upstime＝&dl_sw_update_time；//保存軟件部分執(zhí)行時間 uphtime＝&dl_hw_update_time；//保存硬件部分執(zhí)行時間 …… base_addr＝mmap(0，XPAR_TRIPLEDES_0_HIGHADDR- XPAR_TRIPLEDES_0_BASEADDR，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，fd，XPAR_TRIPLEDES_0 _BASEADDR)；//將物理地址映射成虛擬地址 …… return； } 3.3TripleDES為執(zhí)行參數(shù)傳遞和計算的函數(shù)，它獲得虛擬地址后就能與硬件通信。該函數(shù)執(zhí)行的都是一些對寄存器的讀寫工作，這是因為當(dāng)前3DES硬件實現(xiàn)與總線接口要通過IPIF為一個專(IPIF為專用名詞，它是總線與IP核相連的接口)，使用IPIF提供的寄存器通信，這些寄存器的基地址與參數(shù)base_addr(在上面程序中提到該參數(shù))對應(yīng)的物理地址相同。為了實現(xiàn)運行時應(yīng)用程序劃分改變，協(xié)同函數(shù)的指令在編譯時不能直接編譯進應(yīng)用程序的主文件，所以將軟硬件協(xié)同函數(shù)庫編譯成共享庫文件，即聲明在3des.h中。該過程使用過硬件開發(fā)工具的設(shè)計人員熟知，因此不再詳述。
3.4可重構(gòu)資源管理器負責(zé)管理可重構(gòu)資源，調(diào)度硬件加速器的配置與執(zhí)行，是操作系統(tǒng)的一部分，作為內(nèi)核驅(qū)動開發(fā)。因此我們?yōu)槠涮峁┝说木幊探涌谌缫韵麓a所示。(通過該部分提高硬件函數(shù)的加速，我們僅提供接口具體實現(xiàn)由硬件設(shè)計人員設(shè)計) typedef struct address_range { unsigned long base； unsighed long high； } address_range；//地址范圍 address_range*configure(char*cfl_path，char*cf_relative_path，address_range* phy_address，address_range*ret_bal)；//配置資源 int deconfigure(address_range*phy_address)；//釋放資源 void clean_config_info()；//清除設(shè)置 5.利用編譯命令對所寫好的.c文件包含了軟件函數(shù)和硬件接口代碼(即3des.c)進行編譯(在linux系統(tǒng)中編譯命令為gcc-fPIC-c*.c Gcc-shared-wl，-soname，lib3des.so.l-o lib3des.so.1.0*.o，在其他系統(tǒng)中可以采用其他C的交叉編譯器進行編譯)。
6.硬件實現(xiàn)的配置文件采用傳統(tǒng)的硬件開發(fā)工具如EDK等實現(xiàn)(這里不再詳細敘述) 7.將這編譯好的文件和硬件配置文件，保存到函數(shù)庫文件夾即可。
軟硬件系統(tǒng)函數(shù)庫調(diào)用實例該測試程序保存為3destest.c #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<string.h> #include<memory.h> #include″3des.h″//該處為調(diào)用頭文件 int main(int argc，char*argv[]) { ……//前面都是一些函數(shù)加密的參數(shù)設(shè)置 tri_des_encrypt(buf，buf，sizeof(str)，key，sizeof(key))；//該處為調(diào)用協(xié)同函數(shù)庫中加密函數(shù)的統(tǒng)一對外接口 ……//這里都是一些函數(shù)解密的參數(shù)設(shè)置 tri_des_decrypt(buf，buf，sizeof(str)，key，sizeof(key))；//該處為調(diào)用協(xié)同函數(shù)庫中解密函數(shù)的統(tǒng)一對外接口 …… return 0； } 調(diào)用算法的自然語言描述為 如果該函數(shù)滿足硬件實施的條件(具體由劃分算法的標(biāo)準(zhǔn)確定) 則采用以下語句調(diào)用硬件實現(xiàn) hw_tri_des_encrypt(char*Out，char*In，long datal en，const char*Key，intkeylen)； 否則，則采用以下語句調(diào)用軟件函數(shù) DES(char Out[8]，char In[8]，const PSubKey pSubKey，bool Type)；。
考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法的實施例1 考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法，其流程圖見圖7. 算法性能測評 使用C語言描述我們提出的過程級軟硬件劃分算法。由于實際已有的軟硬件劃分算法大多采用進程作為劃分單位，或采用基本塊(指令級劃分)，而本發(fā)明提出的是在過程級進行軟硬件劃分，以自定義的軟硬件抽象函數(shù)為劃分對象，與這些算法難以直接進行比較實驗。所以本文考慮平臺的特點，設(shè)計了以下三種方法來評估本文算法的性能，一個是無動態(tài)重構(gòu)支持；二是加入部分動態(tài)可重構(gòu)后的劃分；三是引入預(yù)配置后的劃分。三種方法都使用JPEG編碼系統(tǒng)進行驗證。
仿真或?qū)嶒灡砻鳠o動態(tài)重構(gòu)支持的軟硬件劃分性能最差，動態(tài)重構(gòu)下的劃分性能比前者提高了9.93％。引入預(yù)配置后，過程級軟硬件劃分的性能比無動態(tài)重構(gòu)支持的劃分提高了18.44％，比動態(tài)重構(gòu)下的劃分提高了9.45％。實驗表明，隨著可重構(gòu)資源利用效率的不斷提高，過程級軟硬件劃分的優(yōu)勢將更為明顯。
一種考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法，其特征在于，在程序運行過程中，在可重構(gòu)硬件資源上已配置一個或多個函數(shù)，對待劃分函數(shù)維護一個待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，其中fk為硬件加速比，k為待劃分的一個函數(shù)；k＝1，…，m，m為待劃分函數(shù)個數(shù)

F對應(yīng)待劃分函數(shù)的集合；Ck為函數(shù)k被調(diào)用的次數(shù)，Timeswk為函數(shù)k的軟件執(zhí)行時間；

為0時表示函數(shù)k當(dāng)前劃分為硬件，反之表示函數(shù)k當(dāng)前為軟件；Trfk對應(yīng)函數(shù)k的硬件實現(xiàn)函數(shù)的配置時間；Timehwk為函數(shù)k的硬件執(zhí)行時間；Commk為函數(shù)k的硬件實現(xiàn)函數(shù)的軟硬件通信代價，為硬件與軟件的參數(shù)傳遞時間(可以用傳統(tǒng)的仿真工具仿真出來，函數(shù)的軟件執(zhí)行時間可以由系統(tǒng)中統(tǒng)計函數(shù)執(zhí)行時間的函數(shù)得到)； 3DES加密函數(shù)和解密函數(shù)使用一個硬件加速器，配置時間為Commk＝9.40E-05s；Hamming編碼函數(shù)和解碼函數(shù)使用另一個加速器，

Commk＝7.6E-06s對于一個復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，一次運行可能調(diào)用，這些函數(shù)上千次以上，所以Ck設(shè)為2000，根據(jù)以上參數(shù)可以算出3DES的f＝2.07，Hamming編碼的f＝0.01。
測試?yán)龑嶒炌瑫r運行兩項任務(wù)，3DES加密函數(shù)和解密函數(shù)使用一個硬件加速器，配置時間為3.0179526s，Hamming編碼函數(shù)和解碼函數(shù)使用另一個加速器，配置時間為2.3684901秒，分別測試它們對1K或1M數(shù)據(jù)進行處理，在不同配置下程序所消耗的時間，其中static表示程序運行時加速器已經(jīng)靜態(tài)配置完畢，而dynamic表示加速器將在程序運行時動態(tài)配置；all software表示上四個函數(shù)執(zhí)行方式為純軟件執(zhí)行，all hardware為純硬件執(zhí)行，3des hardware表示3DES加/解密函數(shù)用純硬件執(zhí)行，而hamming編/解碼則用純軟件執(zhí)行，hamming hardware則正好相反，random hardware表示這四個函數(shù)的執(zhí)行方式是隨機的，這五個不同的配置可以通過替換劃分算法庫來實現(xiàn)。
由于軟件執(zhí)行速度慢，從而導(dǎo)致動態(tài)重構(gòu)情況下全軟件實現(xiàn)模式性能最差。3DES的軟硬件實現(xiàn)是影響程序性能的關(guān)鍵，在處理的數(shù)據(jù)較大的情況下，只將它動態(tài)劃分到硬件實現(xiàn)，取得幾乎與靜態(tài)配置同樣高的性能，比純軟件實現(xiàn)至少快一個數(shù)量級，這是因為①3DES的加速比和執(zhí)行時間比Hamming更大；②3DES配置時間與運行時間比可以忽略。
權(quán)利要求
1.一種過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化開發(fā)方法，其特征在于，包括以下步驟
步驟A利用高級語言完成系統(tǒng)功能描述，系統(tǒng)功能描述中包括軟硬件協(xié)同函數(shù)的調(diào)用，所有的軟硬件協(xié)同函數(shù)都放置在同一個軟硬件協(xié)同函數(shù)庫中；
步驟B軟硬件函數(shù)的動態(tài)劃分在程序運行時，采用動態(tài)軟硬件劃分方法對程序調(diào)用的軟硬件協(xié)同函數(shù)進行劃分，即確定具體的軟硬件協(xié)同函數(shù)將要采用軟件實現(xiàn)還是硬件實現(xiàn)；
步驟C鏈接和執(zhí)行步驟動態(tài)鏈接器根據(jù)動態(tài)軟硬件劃分方法的劃分結(jié)果，對具體的函數(shù)進行鏈接，對于采用軟件實現(xiàn)的函數(shù)；就將該采用軟件實現(xiàn)的函數(shù)翻譯為軟件指令交給中央處理器執(zhí)行；對于采用硬件實現(xiàn)的函數(shù)，則調(diào)用硬件實現(xiàn)的函數(shù)的配置文件，配置可重構(gòu)資源并執(zhí)行該硬件實現(xiàn)的函數(shù)；
步驟D判斷和結(jié)束步驟；判斷是否所有的函數(shù)執(zhí)行完畢，如果執(zhí)行完畢就結(jié)束，否則返回用于劃分的參數(shù)到步驟B進入下一次循環(huán)；所述的函數(shù)包括軟硬件協(xié)同函數(shù)和非軟硬件協(xié)同函數(shù)，非軟硬件協(xié)同函數(shù)即普通函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化開發(fā)方法，其特征在于，
所述的動態(tài)連接器具體完成以下4個任務(wù)
第一個任務(wù)是將當(dāng)前函數(shù)區(qū)分成軟硬件協(xié)同函數(shù)和普通函數(shù)定義一個用于存放軟硬件協(xié)同函數(shù)庫的路徑的環(huán)境變量，程序運行時，對于程序調(diào)用的當(dāng)前函數(shù)，取出該當(dāng)前函數(shù)的鏈接映射(link_map)中的存放調(diào)用來源的變量值(l_origin)，將存放調(diào)用來源的變量值(l_origin)與環(huán)境變量的值比較，如果相同，則確定該當(dāng)前函數(shù)為軟硬件協(xié)同函數(shù)；否則，為普通函數(shù)；
第二個任務(wù)是檢測當(dāng)前調(diào)用的函數(shù)是否為軟硬件協(xié)同函數(shù)，如果是，則將用于決定即將執(zhí)行函數(shù)的地址的變量(GOT)值修改為軟硬件協(xié)同函數(shù)庫中具體函數(shù)的入口地址，用于進行協(xié)同函數(shù)庫的訪問，如果不是，則調(diào)用elf_machine_fixup_plt函數(shù)，elf_machine_fixup_plt函數(shù)的作用為定位普通函數(shù)執(zhí)行方式的地址；
第三個任務(wù)是給軟硬件協(xié)同函數(shù)庫提供注冊接口，為動態(tài)軟硬件劃分方法提供反饋的性能參數(shù)，所述的性能參數(shù)包括當(dāng)前函數(shù)的結(jié)束時間、軟/硬件運行時間、軟/硬件調(diào)用次數(shù)、本軟硬件協(xié)同函數(shù)的軟/硬件總運行時間以及記錄所有軟硬件協(xié)同函數(shù)的軟/硬件總運行時間的變量；
第四個任務(wù)是使編譯后的可執(zhí)行文件使用修改后的動態(tài)鏈接器，具體為將操作系統(tǒng)鏈接(link_os_linux)和linux操作系統(tǒng)中的gnu鏈接改成動態(tài)鏈接器的絕對路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化開發(fā)方法，其特征在于，所述的軟硬件協(xié)同函數(shù)庫的構(gòu)造方法為
所述的軟硬件協(xié)同函數(shù)庫包括多個軟硬件協(xié)同函數(shù)，每一個軟硬件協(xié)同函數(shù)包括頭文件、具體函數(shù)實現(xiàn)文件和硬件配置文件；
在具體函數(shù)實現(xiàn)文件中構(gòu)造每一個具體函數(shù)的軟件函數(shù)實現(xiàn)和硬件接口代碼；在軟件函數(shù)實現(xiàn)和硬件接口代碼中設(shè)置檢測硬件函數(shù)執(zhí)行時間或軟件函數(shù)執(zhí)行時間的代碼；
在硬件配置文件具有通過硬件實現(xiàn)具體函數(shù)的硬件描述語言代碼；
在所述的頭文件中聲明多個具體函數(shù)的名稱和參數(shù)形式；為程序調(diào)用具體的軟件函數(shù)實現(xiàn)和硬件接口代碼提供統(tǒng)一的函數(shù)接口；
調(diào)用軟硬件協(xié)同函數(shù)時，在新建的程序文件中添加所需調(diào)用函數(shù)的頭文件；在新建的程序文件中采用函數(shù)名調(diào)用的方式，調(diào)用頭文件提供的統(tǒng)一函數(shù)接口；在程序編譯時采用動態(tài)編譯方式，在動態(tài)編譯過程中根據(jù)劃分算法選擇該函數(shù)是調(diào)用軟件函數(shù)實現(xiàn)或硬件接口代碼；
檢測硬件函數(shù)執(zhí)行時間或軟件函數(shù)執(zhí)行時間為使用系統(tǒng)運行環(huán)境導(dǎo)出函數(shù)來實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3任一項所述的過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化開發(fā)方法，其特征在于，所述的動態(tài)軟硬件劃分方法為分支界定算法或貪婪算法或考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法，所述的考慮硬件預(yù)配置因素的動態(tài)軟硬件劃分方法具體為
在程序運行過程中，進行動態(tài)的軟硬件劃分，在可重構(gòu)硬件資源上進行一個或多個函數(shù)的配置，對待劃分函數(shù)維護一個待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，其中fk為硬件加速比，k為待劃分的一個函數(shù)；k＝1，…，m，m為待劃分函數(shù)個數(shù)，硬件加速比定義為F對應(yīng)待劃分函數(shù)的集合；Ck為函數(shù)k在程序運行過程中被調(diào)用的次數(shù)，Timeswk為函數(shù)k的軟件執(zhí)行時間；
為0時表示函數(shù)k當(dāng)前劃分為硬件，反之表示函數(shù)k當(dāng)前為軟件；Trfk對應(yīng)函數(shù)k的硬件實現(xiàn)函數(shù)的配置時間；Timehwk為函數(shù)k的硬件執(zhí)行時間；Commk為函數(shù)k的硬件實現(xiàn)函數(shù)的軟硬件通信代價，為硬件與軟件的參數(shù)傳遞時間；
具體劃分步驟如下
步驟1從列表list(f1，…，fm)中選出最大值fi；
步驟2如果fi已經(jīng)被劃分為硬件，則從列表中刪除fi，更新列表，返回步驟1，否則，進入下一步；
步驟3檢測當(dāng)前的可重構(gòu)資源是否足夠，是則將函數(shù)i劃分為硬件，并配置到可重構(gòu)資源上，從列表中刪除fi，更新列表，返回步驟1；
否則，進入下一步；
步驟4fi與fj比較，fj為函數(shù)j的硬件加速比，函數(shù)j為已經(jīng)配置在可重構(gòu)資源上的函數(shù)中的一個函數(shù)，且在所有的已經(jīng)配置在可重構(gòu)資源上的函數(shù)中，函數(shù)j所對應(yīng)的加速比最?。蝗绻鹒i大于fj，則將函數(shù)j劃分為軟件，從可重構(gòu)資源中刪除函數(shù)j，返回步驟3；如果fi小于fj，則進入步驟4.1；
步驟4.1檢測list是否為空，不空，則保存本次劃分結(jié)果，結(jié)束；如果是空，則計算關(guān)系矩陣Cst，選出該關(guān)系矩陣Cst中最大值元素cst，將cst對應(yīng)的函數(shù)t加入到待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)中更新待劃分函數(shù)列表list(f1，…，fm)，進入步驟4.2；
所述的Cst記錄函數(shù)調(diào)用次序信息，關(guān)系矩陣Cst為m*N個元素，N為m個待劃分的函數(shù)可能調(diào)用的所有函數(shù)的個數(shù)；s元素表示當(dāng)前劃分的所有函數(shù)，元素cij表示函數(shù)i被調(diào)用后立刻就調(diào)用了函數(shù)j的次數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種過程級軟硬件協(xié)同設(shè)計自動化開發(fā)方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1利用高級語言完成系統(tǒng)功能描述，系統(tǒng)功能描述中包括軟硬件協(xié)同函數(shù)的調(diào)用；步驟2軟硬件函數(shù)的動態(tài)劃分；步驟3鏈接和執(zhí)行步驟；步驟4判斷和結(jié)束步驟；判斷是否所有的函數(shù)執(zhí)行完畢，如果執(zhí)行完畢就結(jié)束，否則返回用于劃分的參數(shù)到步驟2進入下一次循環(huán)。本發(fā)明使用過程級軟硬件統(tǒng)一編程模型，來屏蔽底層硬件實現(xiàn)的差異，達到可重構(gòu)器件對程序用戶透明的目的。該編程模型將硬件加速器封裝成C語言函數(shù)，方便用戶編程，且支持運行時的動態(tài)軟硬件劃分，使劃分對程序員透明，提高了可重構(gòu)資源的利用率。
文檔編號G06F9/44GK101763265SQ20101002208
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者李仁發(fā), 陳宇, 徐成, 吳強, 劉彥, 朱海, 袁虎, 鐘俊, 劉滔, 鄺繼順, 李蕊, 李肯立, 羅娟, 趙歡, 楊科華, 任小西, 楊書凡, 彭日光, 李春江, 黃瑜臣, 張維, 李浪 申請人:湖南大學(xué)