專利名稱：一種基于貪心模擬退火算法的軟硬件劃分的方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及到嵌入式系統設計領域，特指一種基于貪心模擬退火算法的軟硬件劃分的方法。
背景技術：
軟硬件劃分是指在系統設計時確定各個模塊的實現方式，以解決系統功能模塊的映射問題。軟硬件劃分是嵌入式系統軟硬件協同設計的關鍵步驟，劃分結果直接決定系統設計的優(yōu)劣。其基本目標是在滿足設計約束的條件下，將任務合理地劃分到軟件或者硬件處理單元上執(zhí)行，以實現系統目標最優(yōu)化，具體包括硬件實現面積最小或功能模塊運行時間最小等。根據目標體系結構的不同，軟硬件劃分問題可分為雙路劃分和多路劃分。其中雙路劃分應用最廣泛，也是軟硬件劃分問題的基礎。軟硬件劃分被證明是一個NP完全問題，隨著任務規(guī)模的增加，解空間成指數增長?，F有的軟硬件劃分主要是基于啟發(fā)式算法，包括遺傳算法、模擬退火、禁忌搜索、免疫算法等。遺傳算法有較強的全局搜索性能，但它的爬山能力弱，在進化后期收斂速度較慢， 在實際應用中容易出現早熟現象；模擬退火算法具有擺脫局部最優(yōu)解的能力，能抑制遺傳算法的早熟現象，但它的進化速度慢，特別是前期的退火效率低，需要較長時間才能趨向于系統最優(yōu)解；禁忌搜索法通過引入靈活的存儲結構和相應禁忌準則來避免迂回搜索，并通過赦免一些被禁忌的優(yōu)良狀態(tài)，具有較好的爬山能力，但數據存取操作頻繁，影響了搜索速度；免疫算法是基于免疫系統的學習算法，具有良好的系統應答性和自平衡能力，但機理復雜、系統龐大，可以借鑒的研究成果不多，在算法理論基礎、建模方法等方面都存在問題。國內外諸多學者也嘗試將不同劃分算法相結合，比較典型的是遺傳和禁忌搜索融合算法、遺傳和螞蟻算法融合算法以及遺傳粒子群優(yōu)化算法等。這些算法在各自的領域都取得了一定的效果，但已有的方法大都結合兩種啟發(fā)式算法用于軟硬件劃分，難以避免啟發(fā)式算法所存在的初始化參數難以確定以及初始訓練過程漫長等問題。這些問題處理不當可能導致算法運行時間過長，并降低找到近似最優(yōu)解的可能性。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題就在于針對現有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供一種能夠減少算法運行時間、提高搜索質量、減少計算復雜度的基于貪心模擬退火算法的軟硬件劃分的方法。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用以下技術方案—種基于貪心模擬退火算法的軟硬件劃分的方法，其流程為(1)、將軟硬件劃分問題規(guī)約為0-1背包問題，使用時間復雜度較低的貪心算法對任務集進行初始劃分，然后將此劃分結果作為模擬退火算法的初始值；(2)、模擬退火算法主要由兩層循環(huán)構成，內層循環(huán)根據擾動模型產生新劃分并采用接收準則對其進行判斷接收；外層循環(huán)根據溫度閾值以及連續(xù)未接受新劃分的次數來
3判斷是否退出循環(huán)過程。作為本發(fā)明的進一步改進所述步驟(1)中對任務集進行初始劃分的流程為首先計算每個任務的收益質量比，然后按照非升序進行排序，將其壓入隊列Q ；接下來進行初始化操作，將任務全部劃分到軟件上執(zhí)行；每次循環(huán)尋找未劃分到硬件任務隊列Q中最大收益比任務\到硬件上實現，如果該任務\需要硬件A^的大小小于剩余硬件Kes大小，就把任務\劃分到硬件上執(zhí)行，剩余可用硬件Ares大小為KJi ；否則，任務\不能劃分到硬件執(zhí)行，只能劃分到軟件上執(zhí)行；再把任務\從任務隊列Q中刪除，直到Q為空或硬件資源分配完成為止，最后輸出貪心算法的初始劃分結果，將該初始劃分結果作為模擬退火算法的初始值。所述步驟O)中，內層循環(huán)所采用接收準則的執(zhí)行流程為(2.1.1)以當前劃分X為原點，系統時間的增量ΔΤ為橫軸，硬件面積的增量 ΔΑ為縱軸，建立系統擾動示意圖；用直線1平分第二象限和第四象限，將第二象限分為 Regionl (區(qū)域1)和Region2 (區(qū)域2)，將第四象限分為Region3 (區(qū)域3)和Region4 (區(qū)域4)；(2. 1. 2)在第一象限中的新劃分不是理想的解，采用梅特羅波利斯(Metropolis) 準則對其進行接收；對于第四象限中的Region4(區(qū)域4)中的劃分，采用梅特羅波利斯 (Metropolis)準則對其進行接收；(2. 1. 3)位于第三象限的新劃分是較理想的劃分，直接接收該解；第二象限中的 Region2中的新劃分在增加較少硬件面積的同時降低了較多系統時間，直接接收該區(qū)域的解；(2. 1.4)對于第二象限中的Regionl (區(qū)域1)，采用傳統接收準則將直接接收該解；(2. 1. 5)對于第四象限中的Regi0n3(區(qū)域3)，采用傳統接收準則接收該解。所述步驟O)中，外層循環(huán)的執(zhí)行流程為首先采用貪心算法的求解結果對模擬退火進行初始化，然后進行模擬退火操作；對每個溫度進行K次循環(huán)，每次循環(huán)根據擾動模型產生新的軟硬件劃分，采用改進的模擬退火接收準則對新劃分進行判斷，決定是否接受新解；如果更新，則連續(xù)未接受新的劃分次數NuselessW 1，否則，連續(xù)未接受新的劃分次數Nus&ssS新賦值O ；再降低當前溫度值，直循環(huán)直至算法滿足退出條件，即當前溫度Tcot 小于等于閾值Tted或連續(xù)未接受新劃分的次數Nuseless大于等于M ；最后輸出劃分結果，算法結束。與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明首先采用數學規(guī)約的方法，將雙路軟硬件劃分問題映射成一個0-1背包問題，然后使用時間復雜度較低的貪心算法對任務集進行初始劃分，得到位于全局近似最優(yōu)解附近的解空間；在此基礎上，采用貪心算法的求解結果對模擬退火算法進行初始化，解決了初始化參數難以確定以及初始訓練過程漫長等問題。本發(fā)明進一步根據解空間的擾動特征通過改進模擬退火算法的接收準則，在選擇新解的過程中，對解空間進行引導，增加算法在近似最優(yōu)解區(qū)域的搜索概率，從而在加快算法收斂速度的同時提高了軟硬件劃分的質量。本發(fā)明中的模擬退火算法屬于一種啟發(fā)式算法， 在運行前，采用接近全局最優(yōu)解的劃分對算法進行初始化，這樣就可以加快啟發(fā)式算法的收斂速度，增大其搜索近似最優(yōu)解的概率。綜上所述，本發(fā)明通過將貪心算法和模擬退火算法相結合，從運行時間和劃分質量兩個方面對軟硬件劃分問題進行綜合優(yōu)化。


圖1是本發(fā)明的流程示意圖；圖2是本發(fā)明中基于貪心算法的軟硬件初始劃分的流程示意圖；圖3是本發(fā)明中模擬退火在軟硬件劃分的系統擾動示意圖；圖4是本發(fā)明中接收準則的流程示意圖；圖5是本發(fā)明中利用模擬退火算法進行軟硬件劃分的流程示意圖。
具體實施例方式以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明基于貪心模擬退火算法的軟硬件劃分的方法，其流程為(1)、將軟硬件劃分問題規(guī)約為0-1背包問題，使用時間復雜度較低的貪心算法對任務集進行初始劃分，然后將此劃分結果作為模擬退火算法的初始值，使得模擬退火算法在開始搜索時就能夠接近全局近似最優(yōu)解所在區(qū)域，減少算法運行時間。(2)、模擬退火算法主要由兩層循環(huán)構成，內層循環(huán)根據擾動模型產生新劃分并采用改進接收準則對其進行判斷接收；外層循環(huán)根據溫度閾值以及連續(xù)未接受新劃分的次數來判斷是否退出循環(huán)過程。本發(fā)明通過采用貪心算法的求解結果對模擬退火算法進行初始化，通過模擬退火算法的接收準則，在全局范圍內快速搜索近似最優(yōu)解。算法通過將貪心算法和模擬退火算法相結合，從運行時間和劃分質量兩個方面對軟硬件劃分問題進行了綜合優(yōu)化。由于0-1背包問題是典型的組合優(yōu)化問題，軟硬件劃分也是組合優(yōu)化問題。因此， 本發(fā)明在步驟(1)中將軟硬件劃分問題規(guī)約為0-1背包問題，然后采用背包問題的經典方法對其進行求解。軟硬件劃分問題是給定一個任務集，找到一個最優(yōu)可行解X= (Xl，X2，…，xn)。其中Xi e {0,1},i = 1,2, -,n,X1 = 1表示任務vi劃分到硬件執(zhí)行，Xi = 0表示劃分到軟件，Taw表示第i個任務劃分到硬件(hw)執(zhí)行的時間，7廣表示第i個任務劃分到軟件(sw) 上執(zhí)行的時間。定義硬件執(zhí)行代價H(X)及軟件執(zhí)行代價S(X)如式(1)和式( 所示
權利要求
1.一種基于貪心模擬退火算法的軟硬件劃分的方法，其特征在于，流程為(1)、將軟硬件劃分問題規(guī)約為0-1背包問題，使用時間復雜度較低的貪心算法對任務集進行初始劃分，然后將此劃分結果作為模擬退火算法的初始值；(2)、模擬退火算法主要由兩層循環(huán)構成，內層循環(huán)根據擾動模型產生新劃分并采用接收準則對其進行判斷接收；外層循環(huán)根據溫度閾值以及連續(xù)未接受新劃分的次數來判斷是否退出循環(huán)過程。
2.根據權利要求1所述的基于貪心模擬退火算法的軟硬件劃分的方法，其特征在于， 所述步驟(1)中對任務集進行初始劃分的流程為首先計算每個任務的收益質量比，然后按照非升序進行排序，將其壓入隊列Q ；接下來進行初始化操作，將任務全部劃分到軟件上執(zhí)行；每次循環(huán)尋找未劃分到硬件任務隊列Q中最大收益比任務、到硬件上實現，如果該任務\需要硬件Ki的大小小于剩余硬件Ares大小，就把任務\劃分到硬件上執(zhí)行，剩余可用硬件Ares大小為KJi ；否則，任務\不能劃分到硬件執(zhí)行，只能劃分到軟件上執(zhí)行；再把任務^從任務隊列Q中刪除，直到Q為空或硬件資源分配完成為止，最后輸出貪心算法的初始劃分結果，將該初始劃分結果作為模擬退火算法的初始值。
3.根據權利要求1所述的基于貪心模擬退火算法的軟硬件劃分的方法，其特征在于， 所述步驟O)中，內層循環(huán)所采用接收準則的執(zhí)行流程為(2. 1. 1)以當前劃分X為原點，系統時間的增量ΔΤ為橫軸，硬件面積的增量ΔΑ為縱軸，建立系統擾動示意圖；用直線1平分第二象限和第四象限，將第二象限分為Regionl和 Region2，將第四象限分為Region3和Region4 ；(2. 1. 2)在第一象限中的新劃分不是理想的解，采用梅特羅波利斯準則對其進行接收； 對于第四象限中的Region4中的劃分，采用梅特羅波利斯準則對其進行接收；(2. 1.3)位于第三象限的新劃分是較理想的劃分，直接接收該解；第二象限中的 Regi0n2中的新劃分在增加較少硬件面積的同時降低了較多系統時間，直接接收該區(qū)域的解；(2. 1. 4)對于第二象限中的Regionl，采用傳統接收準則將直接接收該解；(2. 1. 5)對于第四象限中的Regi0n3，采用傳統接收準則接收該解。
4.根據權利要求1所述的基于貪心模擬退火算法的軟硬件劃分的方法，其特征在于， 所述步驟O)中，外層循環(huán)的執(zhí)行流程為首先采用貪心算法的求解結果對模擬退火進行初始化，然后進行模擬退火操作；對每個溫度進行K次循環(huán)，每次循環(huán)根據擾動模型產生新的軟硬件劃分，采用改進的模擬退火接收準則對新劃分進行判斷，決定是否接受新解；如果 Xbest未更新，則連續(xù)未接受新的劃分次數Nuseless加1，否則，連續(xù)未接受新的劃分次數Nuseless 重新賦值O ；再降低當前溫度值，直循環(huán)直至算法滿足退出條件，即當前溫度Tcot小于等于閾值Tted或連續(xù)未接受新劃分的次數Nuseless大于等于M ；最后輸出劃分結果，算法結束。
全文摘要
一種基于貪心模擬退火算法的軟硬件劃分的方法，其流程為(1)、將軟硬件劃分問題規(guī)約為0-1背包問題，使用時間復雜度較低的貪心算法對任務集進行初始劃分，然后將此劃分結果作為模擬退火算法的初始值；(2)、模擬退火算法主要由兩層循環(huán)構成，內層循環(huán)根據擾動模型產生新劃分并采用接收準則對其進行判斷接收；外層循環(huán)根據溫度閾值以及連續(xù)未接受新劃分的次數來判斷是否退出循環(huán)過程。本發(fā)明能夠減少算法運行時間、提高搜索質量、減少計算復雜度。
文檔編號G06F9/50GK102508721SQ20111039100
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權日2011年11月30日
發(fā)明者劉彥, 張婷, 徐成, 李蕊, 楊志邦, 王奕, 王輝, 駱偉, 黃兵 申請人:湖南大學