第8章折衷设计

1、8 折衷设计折衷设计8.1 折衷研究折衷研究 8.2 算法的复杂度算法的复杂度 8.3 软件软件-硬件折衷硬件折衷 8.4 软件的空间软件的空间-时间折衷时间折衷 8.5 硬件的空间硬件的空间-时间折衷时间折衷电子工程与光电技术学院电子工程与光电技术学院电子工程教研室电子工程教研室8.1 折衷研究折衷研究 一、折衷类型一、折衷类型 1、算法空间 2、软件-硬件折衷 3、软件空间-时间折衷 4、硬件空间-时间折衷 5、算法和硬件结构之间的映射二、标准折衷研究二、标准折衷研究 步骤：步骤： 1、明确折衷研究的目标 2、列出必须考虑的限制条件 3、定义评价标准 4、根据标准，给不同的方案打分 5、从

2、候选方案选择一个 6、验证所选方案是否达到了设计目标8.2 算法的复杂度算法的复杂度 算法复杂度的因素包括：1、算法本身的性能要求(操作的数量，要处理的数 据量，处理时间)2、数据的取值范围和精度3、复杂指令的数量(指那些执行时间比平均指令执 行时间长很多的指令)4、程序执行是否依赖于数据，即指令的执行是否受 输入数据的影响5、算法内部的先后关系和数据的有效时间6、数据交换是本地的还是异地的7、数据的访问是随机的还是规律性的8、有多少不同的处理操作8.3 软件软件-硬件折衷硬件折衷 基本问题：采用软件还是硬件来实现。软件是指能控制硬件资源的工作，并使之完成算法的程序；硬件是指各种计算部件的集合

3、，当然也包括那些由用户直接定制的硬件。软件-硬件的折衷，也就是控制程序和处理部件之间的折衷。一、控制类型二、举例1、乘法器、乘法器 软件实现（算法、改进算法） 硬件实现（串行、并行）2、红外信号处理、红外信号处理 要求：检测器设计一个红外滤波器，以实现两个数据预处理算法。 实现方案：TMS320C80 (MVP)作为核心； FPGA 为基础构建的可编程处理器CHAMP（可编程算法映射处理器)作为核心。 三、小结1、采用软件实现方法，能否满足对速度和存储空间 的要求。 2、如果软件实现方法不但能满足性能要求，而且还留有足够的改进空间，则选用软件实现方法。通常要求实际的系统的程序存储器有50的富余

4、，且系统的运算速度比设计要求快1.5倍。 3、如果软件实现方案难以令人满意，就应该使用硬件实现方法。硬件实现应尽量选用已有的技术，将新的硬件设计减少到最低程度。可以选用多个现有的处理器，来构建多处理器系统，以满足设计要求。 4、如果上述多处理器系统仍然不能令人满意，则必须设计全新的专用处理器。 8.4 软件的空间软件的空间-时间折衷时间折衷 实时软件设计最基本的任务，就是在软件开发中合理利用各种编程技巧，尽量减小运算所需的时间，以满足实时处理的要求。 软件要求：一是设计出的程序要易于理解和调试，并能运行于多个硬件平台；二为了使程序运行得足够快，要尽可能利用目标硬件平台所提供的特殊计算资源。 程

5、序的运行时间是核心，决定于： 1、程序的数据输入 2、编译器产生的面向硬件的代码质量 3、硬件平台使用的指令集类型和执行速度 4、算法本身的复杂程度 一、空间-时间折衷 软件空间-时间折衷就是用更多的存储器空间来提高程序的执行速度。将尽量多的信息预先计算出来，并存放在存储器中，能提高程序的速度。比如查表；子程序的使用：省存储器，增加执行时间。 实现算法的编程语言：高级语言；汇编语言。 单个或多个处理器来实现算法：单个处理速度慢，但软件开发时间较短；多个吞吐量虽大，但软件的开发时间较长，且占用的存储空间较大。 二、算法的开发和编程语言 程序设计还有设计时间和执行时间的折衷问题。 优化程序能提高程

6、序的执行速度。开发语言的任务就是准确地描述一个算法，使研究人员和开发人员理解、修改该算法。编程语言则用来准确地描述处理机如何运行一个算法。在开发信号处理系统的过程中，必须将算法的开发语言描述转换到程序设计语言描述。这样的转换可以手工完成，也可以由专用软件自动完成，或者将上述两种方法结合使用。 三、软件体系 软件体系就是设计软件的方法和风格。主要研究将要开发的软件按等级进行分解的方法。定点/浮点。 四、软件结构 软件结构包括各种数据结构、流程控制方法、子程序以及将程序组合并使其同时运行。软件结构的多样性会增加其实时实现的困难。 五、程序的信息量 程序的信息量就是不随折衷手段的使用而改变的量。8.

7、5 硬件的空间硬件的空间-时间折衷时间折衷 用一个处理器不能完成实时处理时，必须增加处理器的数量，但会引起下面的问题：1、如何确定该使用多少个处理器；2、如何将处理算法分解并分配给多个处理器；3、假定在大多数应用中，处理算法的开始部分的计 算量高于结束部分的计算量，该如何均衡每个处 理器的负载；4、处理器之间如何进行数据通信，尤其是在处理器 完全连接的情况下，如何进行数据通信。解决方法：解决方法：1、用能同时完成任意一对处理单元之间数据通信的传输网络，或者跨接条开关代替点对点连接。2、将算术运算单元和存储器单元分开，并使它们都和数据传输网络相连接。3、增加一个调度模块。当一个节点所需要的输入数

8、据全部到达之后，调度模块就为其分配一个算术逻辑单元以执行该节点的运算。 当然，为了组成一台完整的处理机，还需要添加数据输入输出单元和控制单元。 多个硬件设计参数会受到所采用的折衷方案的影响。包括：灵活性、功耗、体积或者面积、速度、每个处理器单元的结构(包括存储器结构、执行单元、寄存器的布置以及流水线的深度)和实现方法（包括 ASIC、FPGA、RISC、DSP ），可以在处理器的数量和存储器的速度之间取折衷。可以用两个处理器和较便宜的低速存储器的方案，来代替使用一个处理器和昂贵的高速存储器的方案。 有时采用嵌入一个专用协处理器来增加运算的资源。 一、多处理器系统的特点 基本参数：处理单元的类型：包含多处理器系统使用的处理器的结构、速度和性能，以及系统使用的多个处理器是否同一类型等两个方面。实现处理器间通信的互连网的拓扑结构和数据传输速度。处理单元的数量和系统总吞吐量。存储器结构，包括共享存储器的结构和处理器内部存储器的结构两个方面。 1、分类方法 多处理器系统可以用其采用的分配数据流和指令流的方法来表征。单指令单数据SISD；单指令多数据SIMD；多指令单数据MISD；多指令多数据MIMD。 另一种分类方法，是通过判断系统是粗糙还是精细来划分。 2、互连拓扑结构 二、处理