0 引言
集成電路在過去30年的發(fā)展幾乎完全遵循Moore定律，即集成電路的集成度每隔18個月就翻一番。現(xiàn)在集成電路的面積進一步減小，并獲得更高的集成度。集成度增加的結果就是能集成越來越多的功能，甚至是一個完整的系統(tǒng)都能夠被集成到單個芯片之中。這樣原來由微處理器、協(xié)處理器和多塊其他外圍芯片組成的系統(tǒng)，可以集成在一塊芯片內實現(xiàn)，這種一塊芯片集成一個系統(tǒng)的技術，叫做系統(tǒng)集成芯片(SOC，System-On—Chip)技術。但是傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計面臨著許多必須解決的矛盾問題，首先是系統(tǒng)高性能和低成本之間的矛盾；其次是系統(tǒng)復雜性與更新?lián)Q代周期之間的矛盾。
面對這種矛盾，一個可行的解決方案是采用SOC軟硬件協(xié)同設計方法。而軟硬件劃分是軟硬件協(xié)同設計方法的關鍵問題。軟硬件劃分問題是一個多目標優(yōu)化問題，在優(yōu)化過程中要針對成本、面積、功耗、時間等多個目標?，F(xiàn)在已經有很多算法應用到軟硬件劃分中，如遺傳算法、螞蟻算法、禁忌搜索算法、模擬退火算法等。本文主要采用基于小生境技術(Niching Methods)和精英保持策略的改進遺傳算法來進行軟硬件劃分研究。
l 遺傳算法基本思想
美國Michigan大學J．Holland教授于1975年提出的遺傳算法，遺傳算法是以達爾文的自然選擇和優(yōu)勝劣汰的生物進化理論為基礎的。和傳統(tǒng)的搜索算法不同，遺傳算法從一組隨機產生的成為種群(Population)的初始解開始搜索。種群中的每一個體都是問題的一個解，稱為染色體，這些染色體在后續(xù)迭代中不斷進化，稱為遺傳。在新一代形成中，根據(jù)適應值的大小選擇部分后代，淘汰部分后代。經過若干代之后，算法收斂于最好的染色體，它可能是問題的最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。圖l是遺傳算法基本的流程示意圖。
遺傳算法的主要優(yōu)點是：1)具有領悟無關的群體性全局搜索能力，可避免陷入局部最優(yōu)；2)搜索使用評價函數(shù)啟發(fā)過程簡單；3)使用概率機制進行迭代，具有隨機性；4)可擴展性強，易于介入已有的模型中去，且易于與其他優(yōu)化技術結合。
2 小生境技術和精英保持策略
2．1 小生境技術
早熟收斂是遺傳算法最嚴重的一個問題，保持群體的多樣性可以有效地防止群體的早熟收斂，而且種群多樣性也是遺傳算法能夠搜索全局最優(yōu)解的基本條件。其中小生境(niching methods)技術是遺傳算法維持種群多樣性而廣為采用的方法。在生物學中，小生境是指特定環(huán)境下的一種生存環(huán)境，相同的生物生活在同一個小生境中。借鑒此概念，遺傳算法將每一代個體劃分成若干類，每個類中選出若干適應度較高的個體作為一個類的優(yōu)秀代表組成一個種群，再在種群中以及不同種群之間通過雜交、變異產生新一代個體群，同時采用預選擇機制或者排擠機制或共享機制完成選擇操作。這樣就可以更好的保持群體的多樣性，使其具有較高的全局尋優(yōu)能力和收斂速度。遺傳算法中模擬小生境的方法主要有以下幾種：1)基于預選擇的小生境實現(xiàn)方法；2)基于排擠的小生境實現(xiàn)方法；3)基于共享函數(shù)的小生境實現(xiàn)方法。
2．2 精英保持策略
在遺傳算法的運行過程中，通過對個體進行交叉、變異等遺傳操作而不斷地產生出新的個體。雖然隨著群體的進化過程會產生出越來越多的優(yōu)良個體，但是猶豫遺傳算法的隨機性，可能會破壞當前群體中的最好的個體。這將對遺傳算法的有效性和收斂性都有很大影響。為了使適應度最好的個體能夠保存到下一代群體中，本文使用精英保持策略(Elitlsm Preserving)來進行優(yōu)勝劣汰，將當前群體中適應度最高的個體不參與交叉和變異運算，而是用它來替代當前代中適應度最低的個體。假設P，代表第i代的進化群體，則精英保持策略的操作示意如圖2：
如圖2所示，精英保持策略的基本思想是對Pi進行非劣排序，在群體中挑出最優(yōu)的個體保留到下一代Pi+1。這種保留通過在遺傳操作外部維持一個輔助群體P*來實現(xiàn)。P*中個體的編碼決策向量是所有解向量中的非被支配向量，即當前代的Pareto最優(yōu)解。由于每代進化后的非支配向量大小是個不定量，外部群體P*的大小具有不確定性。為了保持外部群體大小不變，在實際操作過程中采用截斷操作的辦法防止邊界解的遺失。其具體做法是：將Pi和P*i中所有的個體復制到P*i+1。如果P*i+1的群體大小超過了N*，利用截斷操作減少|P*i+1|；如果P*i+1的群體大小少于N*，則用被支配個體填充P*i+1。
3 基于改進的遺傳算法軟硬件劃分
SoC軟硬件劃分問題實際上可以看作一個求解多個目標的優(yōu)化問題。其目標是在滿足一定系統(tǒng)約束的前提下實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。基于改進的軟硬件劃分步驟如下：
步驟1：將待優(yōu)化的SoC系統(tǒng)轉化為數(shù)據(jù)流圖DFG
步驟2：從IP庫中調出數(shù)據(jù)流圖中可實現(xiàn)每個任務節(jié)點的候選IP
步驟3：對個體進行整數(shù)編碼初始化，形成群體P0
步驟4：對Pi中的每個個體進行性能評估，計算其執(zhí)行時間、面積、功耗和成本
步驟5：適應度賦值
步驟6：合并Pi和P*i群體，對其進行Pareto排序，構造非支配集(NDS)。復制Pareto最優(yōu)個體，即所得的非支配集，記做P*i+1
步驟7：判斷結束條件是否滿足，如果t>Gen，則進化結束，P*i+1為最終輸出的非劣解，P*i+1中每個個體的實現(xiàn)方式即為候選的軟硬件劃分解。否則繼續(xù)，轉步驟8
步驟8：構造新群體。如果NDS<popsize，用分類方法構造新群體；如果NDS>popsize，用聚類方法構造新群體步驟9：對新群體執(zhí)行遺傳操作，操作的結果設為pi+l，令T=Pi+l；轉步驟4
3．1 數(shù)據(jù)流圖描述
數(shù)據(jù)流圖DFG(Data Flow Graph)是一個包含頂點和邊的有向無環(huán)圖。DFG由節(jié)點和弧線構成，當一個DFG用來描述一個SoC系統(tǒng)時，其頂點通常用來表示一些功能單元，對應構成系統(tǒng)的軟硬件部件；而弧則表示數(shù)據(jù)處理的順序，或者說是頂點之間的數(shù)據(jù)依賴關系，如圖3所示。
3．2 個體編碼和遺傳操作
在基于遺傳算法的軟硬件劃分中，最常見的編碼方法是二進制編碼。通過二進制編碼將數(shù)據(jù)流圖的節(jié)點映射到位串空間0和1上，然后在位串空間進行遺傳操作。一般用0表示該節(jié)點由軟件實現(xiàn)，用l表示該節(jié)點由硬件實現(xiàn)。設IP核數(shù)目為20，每個節(jié)點編碼長度為5，二進制編碼的交叉變異情況如圖3、圖4所示。
在圖3、圖4的遺傳操作過程中，有兩個節(jié)點的個體{Xl，X2}的二進制編碼長度為10，節(jié)點Xl、X2的編碼取值范圍均為[00000，l0011]，經過交叉和變異操作后，分別產生超出編碼取值范圍的無效個體{1011l，l0010}和{0llll，11010}。出于上述原因，本文采用整數(shù)向量編碼的個體編碼方案。該方法直接自然，避免了編碼、解碼的冗余，減輕了遺傳算法的計算負擔，提高了運算效率，能夠更好地保持群體的多樣性。
針對圖3所示為目標對象，在交叉概率PC=0．62，變異概率Pm=0．02，種群大小sizePop=80，演化代數(shù)numGen=l00的條件下，通過Matlab遺傳工具箱進行模擬仿真，得出仿真結果如圖5所示。圖5中群體均值隨著迭代次數(shù)的增加逐漸收斂，說明基于小生境技術和精英保持策略的改進算法可以得到該優(yōu)化問題的最優(yōu)解。
4 結論
綜上所述，在小生境技術的基礎上引入精英保持策略和保持群體多樣性的方法，即經過優(yōu)化策略之后的算法，能夠更好更快地搜索到最優(yōu)解集，從而達到了加速算法收斂速度、并避免陷入局部最優(yōu)的目的。
下載文檔
