Transformationale Entwurfsraum-Exploration für den Entwurf eingebetteter Systeme

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1 Transformationale Entwurfsraum-Exploration für den Entwurf eingebetteter Systeme Dissertation der Fakultät für Informatik der Eberhard-Karls-Universität zu Tübingen zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) vorgelegt von Dipl.-Inform. Joachim Gerlach aus Balingen Tübingen 2000

2 Tag der mündlichen Prüfung: 16. Februar 2000 Dekan: Prof. Dr. Klaus-Jörn Lange 1. Berichterstatter: Prof. Dr. Wolfgang Rosenstiel 2. Berichterstatter: Prof. Dr. Herbert Klaeren

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Ziele der Arbeit Aufbau der Arbeit Grundlagen Entwurfsdatendarstellung Kontrollfluß Datenfluß Graphische Darstellung von Kontroll-/Datenfluß-Graphen High-Level-Transformationen Transformationsanalyse Transformationssteuerung Transformationsbaum Schritt, Zyklus, Alter, Generation und Tiefe Lokales Kostenminimum und absolutes Kostenminimum Trivialer Steuerungsalgorithmus Transformationale Entwurfsraum-Exploration Vorgehensweise Funktionsmodule der Transformationsumgebung High-Level-Transformationen Transformationsanalyse Transformationssteuerung Zwischenergebnis Stand der Forschung Transformationen im Hardware/Software-Codesign Optimierende Software-Compiler Software-Synthese für eingebettete Prozessoren Transformationale Hardware-Optimierung Optimierung Bewertung Steuerung Abgrenzung der Arbeit High-Level-Transformationen Compiler-Transformationen Datenfluß-Transformationen Optimierung von Feldzugriffen Skalarisierung von Feldern Kontraktion von Feldern Propagierung von Konstantenwerten Elimination von Konstantenberechnungen Elimination temporärer Datenelemente Elimination gemeinsamer Teilausdrücke Expansion gemeinsamer Teilausdrücke Elimination boolescher Berechnungen... 59

4 ii Inhaltsverzeichnis Elimination von Komparator-Berechnungen Normalisierung von Komparator-Berechnungen Identifikation und Normalisierung von Schleifenzähler-Variablen Manipulation von Schleifen- und Verzweigungsbedingungen Algebraische Optimierungen Reduktion von Operator-Kosten Kontrollfluß-Transformationen Partitionierung von Grundblöcken Verschmelzen von Grundblöcken Verschieben von Grundblöcken Extraktion Schleifen-unabhängiger Grundblöcke Elimination leerer Konstrukte Elimination unerreichbarer Konstrukte Mischen von Verzweigungskonstrukten Verschieben Schleifen-unabhängiger Codesegmente Entrollen von Schleifen Partitionierung von Schleifen Verschmelzen von Schleifen Umkehrung der Iterationsrichtung von Schleifen Vertauschung der Iterationsreihenfolge geschachtelter Schleifen Pipelining von Schleifen Expansion von Funktionsaufrufen Spezialisierung von Funktionen Elimination unerreichbarer Funktionen Hardware-nahe Transformationen Reduktion von Wortbreiten Optimierung von Swap-Szenarien Zwischenergebnis Transformationsanalyse Anforderungen an eine Kostenabschätzungsheuristik Ansatz zur Kostenabschätzung Kostenheuristiken der Stufe Die Kostenheuristik GenCost Die Kostenheuristik FuncCost Kostenheuristiken der Stufe Die Kostenheuristik DPApprox Die Kostenheuristik ProbDPApprox Die Kostenheuristik CPApprox Experimente Applikation-1: Fidelity Applikation-2: High-Level-Transformationen-Benchmark-Entwürfe Applikation-3: GSM-Vollraten-Sprachtranscodierer Ergebnisse Weitere Entwurfskriterien Zwischenergebnis Transformationssteuerung Konkretisierung der Zielsetzung Vorgehensweise zur Transformationssteuerung Adaption klassischer algorithmischer Ansätze Erschöpfende Suche

5 Inhaltsverzeichnis iii Hill-Climbing-Ansatz Simulated-Annealing-Ansatz Modularer Ansatz zur Transformationssteuerung Vorgehensweise Steuerungsmerkmale Elimination redundanter Entwurfsversionen Vermeidung identischer Transformationsschritte Gewichtung von Transformationen Statistisch begründete Gewichtung von Transformationen Architektur-spezifische Gewichtung von Transformationen Gewichtung von Transformationen basierend auf einer strukturellen Entwurfsanalyse Berücksichtigung von Transformationsabhängigkeiten Manipulation der Gewichtung von Transformationen Manipulation von Transformationsabhängigkeiten Gewichtung von Entwurfsversionen Manipulation der Gewichtung von Entwurfsversionen Berücksichtigung von Makrotransformationen Identifikation von Makrotransformationen durch Analyse von Transformationsabhängigkeiten Identifikation von Makrotransformationen durch Analyse des Explorationsprozesses Identifikation von Makrotransformationen durch Analyse der Anwendbarkeit typischer Transformationsmuster Klassifikation von Entwurfsversionen Einsatz von A-Priori-Wissen Steuerungskonzepte Experimente Konvergenzverhalten der enumerativen Verfahren Konvergenzverhalten der Hill-Climbing- und Simulated-Annealing- Verfahren Konvergenzverhalten des modularen Steuerungsansatzes Untersuchung weiterer Eigenschaften Applikation: JPEG-Bildkompression Terminierungsproblematik Terminierungsverfahren zur flächendeckenden Exploration Terminierungsverfahren zur zielorientierten Exploration Zwischenergebnis Praktikabilität des Ansatzes Zusammenfassung A Das Software-Werkzeug ExTra A.1 Wichtige Merkmale von ExTra A.2 Oberfläche und Handhabung von ExTra A.2.1 Menüpunkt File A.2.2 Menüpunkt Transformations A.2.3 Menüpunkt Evaluation A.2.4 Menüpunkt Exploration A.2.5 Menüpunkt Design Space A.2.6 Menüpunkt Display A.2.7 Menüpunkt Output

6 iv Inhaltsverzeichnis A.2.8 Menüpunkte Internals und Help A.3 Einbettung von ExTra in die PMOSS Entwurfsumgebung Literaturverzeichnis