[发明专利]一种基于模拟退火/回火现场可编程门阵列布局的方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机技术领域，尤其涉及一种基于模拟退火/回火现场可编程门阵列布局的方法。

背景技术

近年来，随着集成电路技术的飞速发展，FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列，因其有集成度高、逻辑资源丰富、设计灵活以及可重构性等特点，在航天领域和国防领域应用非常广泛，每年我国需要从国外进口大量FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列芯片以及配套支持软件，而国内FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列产业有待发展，制约国内FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列产业发展的因素，主要是缺乏自主研发的高性能高质量的支持FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列开发的EDA软件。

FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列的设计流程，主要包括设计输入、行为综合、逻辑综合、工艺映射、封包、布局和布线。其中，布局是极为重要的一个环节，它直接影响到后续布线的质量和整个电路的性能，包括关键路径延时以及总布线线长等关键性指标。支持FPGA（FieldProgrammable Gate Array）现场可编程门阵列开发的EDA软件包括行为综合、逻辑综合、技术映射、封包、布局、布线、配置文件生成和前仿真、后仿真等功能。

FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列的布局是基于一定的优化和约束准则将网表文件描述的逻辑块CLB（包括I/O，逻辑单元Block和布线资源等）映射到FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列芯片内部物理位置的过程，学术界和工业界对FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列的布局通常使用的方法是模拟退火方法。

模拟退火方法，由Metropolis等人于1953年提出，是一种启发式迭代搜索方法，多用于复杂的组合优化问题以及NP完全问题。其思想来源于物理上的固体退火原理，由于固体退火过程与一般组合优化问题之间存在一定的相似性，在组合优化过程中引入Metropolis准则，就得到一种对Metropolis算法进行迭代的组合优化算法，同时在数学上又有很好的模型“马尔可夫链”可以对它进行严格地形式化描述。基于马尔可夫过程理论，可以证明模拟退火方法以概率1收敛于全局最优解，这是一条很好的数学特性。模拟退火方法的基本思想是对确定性算法引入随机扰动，使得当搜索到局部极值点时，以一定的概率跳出局部极值的陷阱。组合优化问题的解空间中的每个点都代表一个解，而不同的解有不同的代价值。优化即是在解空间中寻找代价函数，即目标函数的最大值或最小值。模拟退火方法首先产生一个初始布局作为当前解S，并初始化开始温度T和每个温度下迭代的次数L。每次迭代在当前解S的基础上随机扰动产生一个新解，如果新解优于S则接受新解，并取代当前解S；否则以一定概率接受新解，温度T越低接受新解的概率越低。然后逐渐降低温度T，如果温度达到冰点或者当前解达到要求则输出当前解作为最优解。这种方法在每个温度上所做的搜索必须足够多才能达到热力学平衡，理论上温度的下降过程是呈对数下降的，但实际中往往采用的是更加快速的退火策略，如几何下降、直线下降等方法，这样在实际应用中，就无法保证以1的概率达到全局最优解。

使用模拟退火方法，FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列的布局问题可以按以下几方面来描述：

问题描述：用户电路上的每个逻辑块都可以用坐标(x,y)来表示它们在FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列上的具体位置。初始时，每个逻辑块可以随机分布在FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程门阵列的一个位置上，这就确保了每个位置都是合法的，随着模拟退火方法的进行，每个逻辑块最终将得到一个固定位置；

移动集：初始布局时，这个集合中只包括了随机的交换。一个随机的交换起先是随机的选择两个逻辑块的坐标，然后交换这两个坐标上的物理元素，任意一个坐标上可以为空，没有不良影响；