Digitale Hardware/Software-Systeme: Synthese und Optimierung

526 Pages·1997·15.42 MB·German

by  PD Dr.-Ing. Jürgen Teich (auth.)

Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Jü rgen Teich
Digitale
Ha rdwa re/Softwa re
Systeme
Synthese und Optimierung
Mit 251 Abbildungen und 12 Tabellen
~Springer
PD Dr.-Ing. Jürgen Teich
Institut für Technische Informatik
und Kommunikationsnetze (TIK)
ETH Zürich, Gloriastraße 35
CH -8092 Zürich
ISBN 978-3-540-62433-2
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Teich, Jürgen:
Digitale Hardware-, Software-Systeme: Synthese und Optimierung!Jürgen Teich.
ISBN 978-3-540-62433-2 ISBN 978-3-662-06740-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-06740-6
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1997
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SPIN: 10559912 45/3142 543210 Gedruckt auf säurefreiem Papier
Für Antonia
Vorwort
Einbettung
Dieses Buch vermittelt den aktuellen Stand moderner Syntheseverfahren für
digitale Systeme, die aus Hardware-und Softwarekomponenten bestehen, sog.
Hardware/Software-Systeme.
Die Grundlagen der hier beschriebenen Verfahren sind mittlerweile Gegen
standzweiervom Autor an der ETH Zürich gehaltenen Vorlesungen, nämlich
der Veranstaltung "Architektur und Entwurf eingebetteter Systeme" (erst
malig SS 95, gehalten zusammen mit Prof. L. Thiele; ab SS 96 angeboten in
abgeänderter Form als "Architektur und Entwurf eingebetteter Systeme Il"
(zusammen mit Prof. A. Kündig und Prof. L. Thiele)) sowie der Vorlesung
"Hardware/Software-Codesign" (J. Teich). Vom Charakter her ist das Buch
damit für den Kreis von Studierenden der Informatik und Elektrotechnik im
Hauptstudium konzipiert. Grundkenntnisse über Schaltungsentwurf und Mi
krorechnertechnik werden dabei weitgehend vorausgesetzt. Im weiteren soll
das Buch Entwicklungsingenieure in der Industrie ansprechen, die mit dem
Entwurf und der Handhabung immer komplexer werdender technischer Sy
steme konfrontiert sind.
Im Vordergrund dieses Buches stehen Verfahren zur Synthese und Opti
mierung von Hardware/Software-Systemen, die in einem technischen Kontext
eingebunden sind, sog. eingebettete Systeme.
Der Begriff Synthese wird hier in Abgrenzung zum Begriff Entwurf ver
standen: Während der Entwurf eines Systems entweder von Hand durch
geführt wird oder Teile des Entwurfs mit Hilfe von sog. CAD-Werkzeugen
(engl. computer-aided design) unterstützt werden (z. B. Simulationswerkzeu
gen (225]), impliziert Synthese einen vollautomatischen Entwurf, bei dem der
Entwerfer nur noch mit den Aufgaben der anfänglichen Spezifikation, den
Parametereinstellungen und der Exploration unterschiedlicher Lösungen be
auftragt ist (21].
In diesem Zusammenhang werden schwerpunktmäßig Entwurfsmethoden
behandelt, die zur Übersetzungszeit (engl. compile-time), also statisch, durch
geführt werden können. Allerdings werden ebenfalls Modelle und Methoden
zum Entwurf von reaktiven Systemen bzw. Echtzeitsystemen mit Betriebssy
stemkernen vorgestellt, bei denen statische Verfahren nur teilweise eingesetzt
werden können.
VIII Vorwort
Abgrenzend sei an dieser Stelle bemerkt, daß die für den Entwurf digi
taler Hardware/Software-Systeme essentiellen Aspekte der Spezifikation, der
Verifikation und der Interfacesynthese den Rahmen dieses Buches überschrei
ten würden. Diese Themen können deshalb (zugunsten einer eingehenden
Betrachtung von Synthese- und Optimierungsverfahren) nicht in der ihnen
gebührenden Ausführlichkeit behandelt werden.
Zusammenfassung
Vom didaktischen Standpunkt her zielt das Buch darauf, die Verwandtschaf
ten der Synthese von Hardwarekomponenten und Softwarekomponenten ei
nes Systems in einer einheitlichen Notation und mit einem einheitlichen Satz
von Syntheseverfahren darzustellen. Zum Beispiel beschäftigen sich neuere
Lehrbücher zur Synthese digitaler Systeme, wie beispielsweise [49] oder [71],
fast ausschließlich mit der Synthese von Hardware. Die Bedeutung von Soft
warerealisierungen und entsprechende Syntheseprobleme werden nicht oder
nur untergeordnet betrachtet.
Hier wird versucht, die Grundaufgaben der Synthese einheitlich und un
abhängig davon darzustellen, ob das Ergebnis der Synthese Software oder
Hardware ist. Als Grundaufgaben der Synthese werden in diesem Zusam
menhang die Allokation von Ressourcen, die Ablaufplanung von Aufgaben
auf Ressourcen und die Bindung von Aufgaben an Ressourcen betrachtet.
Aufgaben und Ressourcen weisen auf unterschiedlichen Ebenen der Synthese
unterschiedliche Granularitäten auf, z. B. sind Aufgaben auf der System
ebene Algorithmen, Prozesse, Tasks und Jobs, Ressourcen sind Prozessoren
und ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen); auf der Archi
tekturebene stellen die Aufgaben beispielsweise elementare arithmetische und
logische Operationen (z. B. Multiplikationen, Additionen etc.) und die Res
sourcen funktionale Einheiten (z. B. ALUs, Multiplizierer etc.) dar.
Es wird zu zeigen versucht, daß die Aufgaben der Synthese von Software
und Hardware auf verschiedenen Abstraktionsebenen starke Verwandtschaf
ten aufweisen (Kapitell). Unterschiedlich sind die Granularitäten der Auf
gaben und Ressourcen, die Problemgrößen, die Zielfunktionen und zum Teil
die Algorithmen zur Optimierung.
Zunächst werden die Begriffe der Ablaufplanung, Allokation und Bindung
auf einer Ebene erläutert, die unabhängig von der Implementierungsart und
der Abstraktionsebene ist. Die wichtigsten Modelle zur Spezifikation, insbe
sondere Kontroll-Datenflußgraphen und verwandte Modelle, werden in Kapi
tel 2 vorgestellt. Dann werden die Syntheseprobleme formal definiert und eine
Menge von Algorithmen vorgestellt, die die Syntheseprobleme auf Grundpro
bleme der kombinatorischen Optimierung reduzieren (Kapitel3-5). Für diese
Grundprobleme enthält der Anhang komplexitätstheoretische Analysen und
eine Bibliothek von Algorithmen.
Vorwort IX
Zum einen werden die Verfahren danach unterschieden, ob sie konstruk
tiv oder transformatarisch (iterativ verbessernd) sind. Zum anderen werden
Bindungs- und Ablaufplanungsprobleme klassifiziert. Sowohl exakte Verfah
ren als auch Heuristiken werden vorgestellt.
Die Syntheseverfahren werden unabhängig von Implementierungsart und
Abstraktionsebene betrachtet. Danach folgt jeweils ein Kapitel über Synthe
severfahren bzw. Anpassungen, die speziell sind für die Abstraktionsebenen
- Hardwaresynthese (auf Architekturebene, siehe Kapitel 6),
- Softwaresynthese (Kapitel 7) bzw.
- Systemsynthese (Kapitel 8).
Diesen Kapiteln sind Abschnitte angegliedert, die Ergebnisse eigener For
schungsarbeiten enthalten. Diese sowie Inhalte einer vertieften Betrachtungs
weise bestimmter Themen sind mit dem Symbol ® gekennzeichnet: Sie
würden den Rahmen einer einführenden Vorlesung überschreiten und sind
aus zwei Gründen als "eigenständig" zu bezeichnen:
- Der fachkundige Leser kann die Abschnitte unabhängig von den Grundla
genkapiteln lesen.
- Der (zunächst noch) nicht interessierte Leser kann entsprechende Abschnit
te über_§pringen, ohne den "roten Faden" zu verlieren.
Der Anhang enthält sämtliche Notationen, grundlegende mathematische
Definitionen und eine Bibliothek an Algorithmen zur Optimierung.
Danksagung
Der vorliegende Text entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als Oberassistent
am Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze (TIK) der
ETH Zürich in den Jahren 1995 und 1996. Erste Konzepte zu diesem Werk
entstammen einem einjährigen Forschungsaufenthalt (im Jahr 1994) an der
UC Berkeley, wo ich im Ptolemy-Projekt bei Edward Lee und David Mes
serschmitt als Postdoktorand der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)
tätig sein durfte.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Lothar Thiele, dessen gute
Ratschläge mich bereits seit 1989 begleiten. Ein Teil der hier ebenfalls be
schriebenen eigenen Forschungsergebnisse sind aus einer intensiven Zusam
menarbeit entstanden und entstammen meiner Habilitationsschrift [221]. In
diesem Zusammenhang möchte ich an dieser Stelle auch Herrn Prof. Wolfgang
Rosenstiel und Herrn Prof. Gerhard Tröster danken für ihre Kommentare und
Ratschläge bei der Begutachtung meiner Arbeit.
Der Ansatz zur Systemsynthese mit evolutionären Algorithmen entstand
in Zusammenarbeit mit meinem Kollegen Tobias Blickle. Anregungen zu dem
Verfahren zur Architektursynthese mit ganzzahligen linearen Programmen
X Vorwort
erhielt ich ferner durch Diskussionen und Zusammenarbeit mit meinem frühe
ren Kollegen Li Zhang.
Weiterhin möchte ich allen Mitarbeitern und Kollegen des Instituts für ihr
Interesse danken, insbesondere Matthias Gries sowie den Studenten und wis
senschaftlichen Hilfskräften, die bei den Vorlesungen und bei der Implemen
tierung einiger Forschungsergebnisse im Projekt CodeSign1 beteiligt waren.
Nicht zuletzt gilt mein Dank dem Springer-Verlag für die gute Zusammenar
beit.
Zürich, im Frühjahr 1997 J. Teich
CODE
SIGN
1 Das hier abgebildete Logo des Projektes entstammt der Titelseite der Schrift
"Metamorphosis Logicae" von Nicolaus Reymers aus dem Jahre 1589, einem
wenig bekannten Mathematiker und Astronom aus Dithmarschen. Das Logo soll
im übertragenen Sinne das Händereichen der Hardwarewelt und der Softwarewelt
darstellen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Entwurfsmethodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Erfassen und simulieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Beschreiben und synthetisieren.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3 Spezifizieren, explorieren und verfeinern . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Abstraktion und Entwurfsrepräsentationen . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.3 Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Übungen ................................................... 24
2. Spezifikation und Modeliierung........................... 31
2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Klassifikation von Modellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Petri-Netzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.1 Dynamische Eigenschaften von Petri-Netzen . . . . . . . . . 38
2.4 Kontrollflußmodelle............ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4.1 Endliche Automaten (FSMs)....................... 40
2.4.2 Erweiterte Zustandsmaschinenmodelle . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.3 Hierarchische, nebenläufige Zustandsmaschinen. . . . . . . 43
2.4.4 Statecharts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.5 Datenflußmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.1 Datenflußgraphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.2 Markierte Graphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.3 Synchrone Datenflußgraphen (SDF)................. 51
2.6 Erweiterte Datenflußmodelle ® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6.1 Verklemmungen in SDF-Graphen........ . . . . . . . . . . . 55
2.6.2 Reduktion des SDF-Modells auf markierte Graphen... 56
2.6.3 Zyklostatischer Datenfluß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.4 Dynamische Datenflußmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2. 7 Strukturorientierte Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.7.1 Komponenten-Verbindungsdiagramm (CCD)......... 61