[发明专利]一种面向多性能指标的物联网硬件平台自动生成方法

摘要

一种面向多性能指标的物联网硬件平台自动生成方法，包括：(1)硬件性能数据库的建立，硬件性能数据库包含以下四个部分：硬件能耗数据库，硬件处理速度数据库，API调用速度数据库，硬件接口与价格数据库；(2)用户需求文件与用户编写程序逻辑的分析；(3)生成物联网硬件平台动态约束条件，包括两个指标：应用执行时间与平均能耗；(4)生成物联网硬件平台静态约束条件，包括两个指标：硬件平台可扩展性和价格；(5)求解最优化问题，将步骤(3)和步骤(4)中转换得到的静态、动态约束条件与用户声明的优化目标输入，使用混合整数非线性规划问题的求解器将求解出最优的物联网硬件配置。

主权项

1.一种面向多性能指标的物联网硬件平台自动生成方法，包括以下步骤：(1)硬件性能数据库的建立，硬件性能数据库包含以下四个部分：硬件能耗数据库，硬件处理速度数据库，API调用速度数据库，硬件接口与价格数据库；(2)用户需求文件与用户编写程序逻辑的分析，包括：2.1)用户需求文件的分析，获取用户用于声明其希望生成的物联网硬件平台各项性能指标的需求文件，通过分析得到用户需求的数学表达式；2.2)用户编写的程序逻辑的分析，使用代码静态分析的方法生成代码的控制流图与每一控制流分支的权重；(3)生成物联网硬件平台动态约束条件，包括两个指标：应用执行时间与平均能耗，具体步骤如下：3.1)应用执行时间动态约束条件的生成，依据应用执行时间预测模型和用户需求生成约束条件非线性不等式或优化目标，应用执行时间预测模型如公式(1)所示；公式(1)使用向量d来表示一个特定的物联网硬件平台，d＝{d₁,d₂,...,d_i}，和代表数据库中的全体主板、盾板和外设，二元选择变量d_i代表硬件i是否被选中，其取值为1或0；U代表的物联网设备运行的用户应用程序代码；为对于一个特定的物联网硬件平台d和用户应用程序U的物联网设备运行代码时间，它可以被表示为调用应用编程接口(Application Programming Interface，API)的时间t_API(d)、非API代码的运行时间与休眠时间t_idle(U)之和，具体可进一步表示为：其中二元选择变量d_i和d_j代表硬件i或j是否被选中，其取值为1或0；F和代表从用户代码中获取的全体API和全体非API代码的集合，和代表数据库中的提供APIf的全体盾板和外设，代表数据库中的全体，β_f与β_u代表通过路径加权的APIf和非API代码u的运行计数；t_i,j,f是APIf在主板i和外设j上的运行时间，t_i,u是非API代码在主板i上的运行时间；Φ(U)是从用户代码中提取休眠时间的操作；3.2)应用平均功耗动态约束条件的生成，依据应用平均功耗预测模型和用户需求生成约束条件非线性不等式或优化目标，应用平均功耗预测模型如公式(3)所示；其中二元选择变量d_i和d_j代表硬件或是否被选中，其取值为1或0，P_i(U)和P_i,j(U)代表运行代码U的时候硬件i或硬件i,j的平均功耗，具体可表示为：是组件i的能耗等级，使用和分别表示空闲能耗和活动能耗等级的集合，则有(或)与(或)是组件i或组件i在主板j上在能耗等级k的占空比和能耗值；占空比是活跃时间与总时间的比值，即与其中是组件i处于能耗等级k的时间，是组件i提供的API的集合，是在主板j调用组件i的APIf将会使得i进入第k个能耗等级的时间长度，β_f代表通过路径加权的APIf的运行计数，表示运行代码的一个循环所需要的时间，从步骤3.1)中得到；(4)生成物联网硬件平台静态约束条件，包括两个指标：硬件平台可扩展性和价格，具体步骤如下：4.1)应用可扩展性静态约束条件的生成，依据可扩展性计算模型和用户需求生成约束条件一次不等式或优化目标，可扩展性计算模型如公式(5)所示；一个特定的物联网硬件平台d的可扩展性可被表示为硬件接口剩余量和MCU管脚剩余量他们可分别被表示为：其中二元选择变量d_i代表硬件或是否被选中，其取值为1或0；和代表数据库中的全体主板、盾板和外设；和分别代表物理接口类型和接口通信类型的集合，即每一个Port占用两个Pin，而和是三元组<i,W,I>提供/消耗的物理接口数量，和是三元组<i,W,I>提供/消耗的MCU管脚数量；4.2)应用总价格静态约束条件的生成，依据应用总价格计算模型和用户需求生成约束条件一次不等式或优化目标，应用总价格计算模型如公式(7)所示；其中表示一个特定的物联网硬件平台d的价格；c_i是组件i的价格；二元选择变量d_i代表硬件或是否被选中，其取值为1或0，和代表数据库中的全体主板、盾板和外设；(5)求解最优化问题，将步骤3)和步骤4)中转换得到的静态、动态约束条件与用户声明的优化目标输入，使用混合整数非线性规划问题的求解器将求解出最优的物联网硬件配置。