第8章折衷設計

1、8 折衷設計折衷設計8.1 折衷研究折衷研究 8.2 算法的復雜度算法的復雜度 8.3 軟件軟件-硬件折衷硬件折衷 8.4 軟件的空間軟件的空間-時間折衷時間折衷 8.5 硬件的空間硬件的空間-時間折衷時間折衷電子工程與光電技術學院電子工程與光電技術學院電子工程教研室電子工程教研室8.1 折衷研究折衷研究 一、折衷類型一、折衷類型 1、算法空間 2、軟件-硬件折衷 3、軟件空間-時間折衷 4、硬件空間-時間折衷 5、算法和硬件結構之間的映射二、標準折衷研究二、標準折衷研究 步驟：步驟： 1、明確折衷研究的目標 2、列出必須考慮的限制條件 3、定義評價標準 4、根據(jù)標準，給不同的方案打分 5、從

2、候選方案選擇一個 6、驗證所選方案是否達到了設計目標8.2 算法的復雜度算法的復雜度 算法復雜度的因素包括：1、算法本身的性能要求(操作的數(shù)量，要處理的數(shù) 據(jù)量，處理時間)2、數(shù)據(jù)的取值范圍和精度3、復雜指令的數(shù)量(指那些執(zhí)行時間比平均指令執(zhí) 行時間長很多的指令)4、程序執(zhí)行是否依賴于數(shù)據(jù)，即指令的執(zhí)行是否受 輸入數(shù)據(jù)的影響5、算法內部的先后關系和數(shù)據(jù)的有效時間6、數(shù)據(jù)交換是本地的還是異地的7、數(shù)據(jù)的訪問是隨機的還是規(guī)律性的8、有多少不同的處理操作8.3 軟件軟件-硬件折衷硬件折衷 基本問題：采用軟件還是硬件來實現(xiàn)。軟件是指能控制硬件資源的工作，并使之完成算法的程序；硬件是指各種計算部件的集合

3、，當然也包括那些由用戶直接定制的硬件。軟件-硬件的折衷，也就是控制程序和處理部件之間的折衷。一、控制類型二、舉例1、乘法器、乘法器 軟件實現(xiàn)（算法、改進算法） 硬件實現(xiàn)（串行、并行）2、紅外信號處理、紅外信號處理 要求：檢測器設計一個紅外濾波器，以實現(xiàn)兩個數(shù)據(jù)預處理算法。 實現(xiàn)方案：TMS320C80 (MVP)作為核心； FPGA 為基礎構建的可編程處理器CHAMP（可編程算法映射處理器)作為核心。 三、小結1、采用軟件實現(xiàn)方法，能否滿足對速度和存儲空間 的要求。 2、如果軟件實現(xiàn)方法不但能滿足性能要求，而且還留有足夠的改進空間，則選用軟件實現(xiàn)方法。通常要求實際的系統(tǒng)的程序存儲器有50的富余

4、，且系統(tǒng)的運算速度比設計要求快1.5倍。 3、如果軟件實現(xiàn)方案難以令人滿意，就應該使用硬件實現(xiàn)方法。硬件實現(xiàn)應盡量選用已有的技術，將新的硬件設計減少到最低程度?？梢赃x用多個現(xiàn)有的處理器，來構建多處理器系統(tǒng)，以滿足設計要求。 4、如果上述多處理器系統(tǒng)仍然不能令人滿意，則必須設計全新的專用處理器。 8.4 軟件的空間軟件的空間-時間折衷時間折衷 實時軟件設計最基本的任務，就是在軟件開發(fā)中合理利用各種編程技巧，盡量減小運算所需的時間，以滿足實時處理的要求。 軟件要求：一是設計出的程序要易于理解和調試，并能運行于多個硬件平臺；二為了使程序運行得足夠快，要盡可能利用目標硬件平臺所提供的特殊計算資源。 程

5、序的運行時間是核心，決定于： 1、程序的數(shù)據(jù)輸入 2、編譯器產生的面向硬件的代碼質量 3、硬件平臺使用的指令集類型和執(zhí)行速度 4、算法本身的復雜程度 一、空間-時間折衷 軟件空間-時間折衷就是用更多的存儲器空間來提高程序的執(zhí)行速度。將盡量多的信息預先計算出來，并存放在存儲器中，能提高程序的速度。比如查表；子程序的使用：省存儲器，增加執(zhí)行時間。 實現(xiàn)算法的編程語言：高級語言；匯編語言。 單個或多個處理器來實現(xiàn)算法：單個處理速度慢，但軟件開發(fā)時間較短；多個吞吐量雖大，但軟件的開發(fā)時間較長，且占用的存儲空間較大。 二、算法的開發(fā)和編程語言 程序設計還有設計時間和執(zhí)行時間的折衷問題。 優(yōu)化程序能提高程

6、序的執(zhí)行速度。開發(fā)語言的任務就是準確地描述一個算法，使研究人員和開發(fā)人員理解、修改該算法。編程語言則用來準確地描述處理機如何運行一個算法。在開發(fā)信號處理系統(tǒng)的過程中，必須將算法的開發(fā)語言描述轉換到程序設計語言描述。這樣的轉換可以手工完成，也可以由專用軟件自動完成，或者將上述兩種方法結合使用。 三、軟件體系 軟件體系就是設計軟件的方法和風格。主要研究將要開發(fā)的軟件按等級進行分解的方法。定點/浮點。 四、軟件結構 軟件結構包括各種數(shù)據(jù)結構、流程控制方法、子程序以及將程序組合并使其同時運行。軟件結構的多樣性會增加其實時實現(xiàn)的困難。 五、程序的信息量 程序的信息量就是不隨折衷手段的使用而改變的量。8.

7、5 硬件的空間硬件的空間-時間折衷時間折衷 用一個處理器不能完成實時處理時，必須增加處理器的數(shù)量，但會引起下面的問題：1、如何確定該使用多少個處理器；2、如何將處理算法分解并分配給多個處理器；3、假定在大多數(shù)應用中，處理算法的開始部分的計 算量高于結束部分的計算量，該如何均衡每個處 理器的負載；4、處理器之間如何進行數(shù)據(jù)通信，尤其是在處理器 完全連接的情況下，如何進行數(shù)據(jù)通信。解決方法：解決方法：1、用能同時完成任意一對處理單元之間數(shù)據(jù)通信的傳輸網(wǎng)絡，或者跨接條開關代替點對點連接。2、將算術運算單元和存儲器單元分開，并使它們都和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡相連接。3、增加一個調度模塊。當一個節(jié)點所需要的輸入數(shù)

8、據(jù)全部到達之后，調度模塊就為其分配一個算術邏輯單元以執(zhí)行該節(jié)點的運算。 當然，為了組成一臺完整的處理機，還需要添加數(shù)據(jù)輸入輸出單元和控制單元。 多個硬件設計參數(shù)會受到所采用的折衷方案的影響。包括：靈活性、功耗、體積或者面積、速度、每個處理器單元的結構(包括存儲器結構、執(zhí)行單元、寄存器的布置以及流水線的深度)和實現(xiàn)方法（包括 ASIC、FPGA、RISC、DSP ），可以在處理器的數(shù)量和存儲器的速度之間取折衷?？梢杂脙蓚€處理器和較便宜的低速存儲器的方案，來代替使用一個處理器和昂貴的高速存儲器的方案。 有時采用嵌入一個專用協(xié)處理器來增加運算的資源。 一、多處理器系統(tǒng)的特點 基本參數(shù)：處理單元的類型：包含多處理器系統(tǒng)使用的處理器的結構、速度和性能，以及系統(tǒng)使用的多個處理器是否同一類型等兩個方面。實現(xiàn)處理器間通信的互連網(wǎng)的拓撲結構和數(shù)據(jù)傳輸速度。處理單元的數(shù)量和系統(tǒng)總吞吐量。存儲器結構，包括共享存儲器的結構和處理器內部存儲器的結構兩個方面。 1、分類方法 多處理器系統(tǒng)可以用其采用的分配數(shù)據(jù)流和指令流的方法來表征。單指令單數(shù)據(jù)SISD；單指令多數(shù)據(jù)SIMD；多指令單數(shù)據(jù)MISD；多指令多數(shù)據(jù)MIMD。 另一種分類方法，是通過判斷系統(tǒng)是粗糙還是精細來劃分。 2、互連拓撲結構 二、處理