CPU/FPGA混合系统中软硬件任务转换器的设计与实现

论文摘要

随着可重构计算技术的发展,嵌入式系统已经由传统的基于微控制器的体系结构向软硬件混合系统结构发展。在一个复杂嵌入式应用系统中,为了提高系统的整体处理能力,更好地发挥硬件任务的并行性特点,因此对灵活性要求高的部分用软件实现,而运算密集型的任务可以用硬件实现并在FPGA上执行。软硬件混合系统的出现,有助于设计开发人员挖掘应用自身的并行性,从而满足用户对系统性能日益增长的需求。另一方面,软硬件混合系统对系统开发设计方法也提出了很大的挑战：它要求系统开发人员必须同时对高级编程语言和硬件描述语言都有深入的了解,而传统的开发人员往往仅熟练掌握其中一类语言,这就严重的影响了系统的开发效率。基于这一问题,本课题设计了一个软件任务向硬件任务转化的工具HTTM,该工具可以将C语言编写的程序自动转化为对应功能的硬件描述语言程序,使得开发人员仅采用高级语言就可以开发可以运行在软硬件混合系统上的应用,从而降低了系统的设计难度,提高了设计效率。HTTM以C语言源程序为输入,首先将其转化为扩展的有限状态机的表示以解析程序本身的潜在并行性。该表示进一步被转化为扩展的BIF语言,并根据指定的规则生成对应的VHDL语言程序。生成的VHDL程序可以交付硬件集成环境进行仿真和综合。实验表明HTTM满足预定的设计目标,生成的RTL级VHDL程序在ISE仿真环境下的测试表明功能正常。论文最后对HTTM的设计进行了总结,并提出了下一步的改进方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.3 课题研究的目标
• 1.4 论文的主要工作
• 1.5 论文组织结构
• 第2章 课题研究的相关技术
• 2.1 软硬件混合系统概述
• 2.2 软硬件协同设计流程
• 2.3 软件任务和硬件任务的概念
• 2.4 VHDL语言
• 2.5 编译器的基本原理
• 2.5.1 编译器的分遍
• 2.5.2 分遍编译的设计
• 2.6 编译程序开发
• 2.7 本章小结
• 第3章 HTTM的总体设计
• 3.1 转换模型的基本设计要求
• 3.2 HTTM总体结构
• 3.3 HTTM模块设计
• 3.3.1 词法扫描和语法检查
• 3.3.2 前端处理
• 3.3.3 对BIF的改进
• 3.3.4 后端处理
• 3.4 HTTM的主要算法和数据结构
• 3.5 本章小结
• 第4章 HTTM的详细实现流程
• 4.1 输入语言可综合子集的提取
• 4.2 HTTM语言转换详细设计
• 4.2.1 LEX和YACC简介
• 4.2.2 词法分析
• 4.2.3 语法分析
• 4.2.4 符号表的管理
• 4.2.5 语义分析
• 4.2.6 代码并行处理
• 4.2.7 中间BIF生成
• 4.2.8 目标代码生成
• 4.3 任务通信接口生成
• 4.4 代码优化策略
• 4.5 HTTM对动态任务转换的支持
• 4.6 本章小结
• 第5章 HTTM实验数据分析
• 5.1 HTTM设计流程的验证
• 5.2 HTTM对特殊数据结构的实验验证
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 未来的研究
• 参考文献
• 致谢
• 研究生阶段的科研情况