天津大学申请专利报告书.docx
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天津大学申请专利报告书
天津大学专利申报书
申报编号：
填报日期：
年月日
专利名称
一种基于混洗蛙跳的软硬件划分方法
专利权人
天津大学
发明人排序
姓名
所在学院（或单位）
联系电话
发明人签字
张涛
电子信息工程学院
186********
孙书婷
电子信息工程学院
152********
蔡晓
电子信息工程学院
138********
张彩霞
电子信息工程学院
135********
联系人
余益科
151********
第一发明人身份证号
120104************
第一发明人邮箱
zhangtao@
申报种类
□发明专利；□实用新型；□外观设计
是否申请保密专利
是□
否□
第一发明人承诺
本人承诺：
该专利申请为职务发明，没有权属争议，技术内容不涉及军工保密范围，所提供的申请材料和信息真实，所列发明人均为有实质性贡献的人员，产生任何权属纠纷应承担相应的责任。
第一发明人签字：
年月日
学院意见
经审查核实，该专利申请符合第一发明人所作出的承诺，同意申请。
主管院长签字：
公章年月日
主管处意见
同意学院意见，同意申请。
年月日
学校意见
年月日
实施情况
项目名称
合作单位
合同额度（万元）
合作方式
□科技开发□科技转让
□科技服务□科技咨询
□科技开发□科技转让
□科技服务□科技咨询
共同申请专利说明
第一种情况□
在申请本专利前与他人签订关于本专利的协议。
（需附协议）
第二种情况□
在专利技术的研发过程中，有外单位人员代表其单位参与核心技术研发。
（需附对方单位的说明）
天津市专利代理机构
序号
机构名称
地址
联系方式
1
北洋有限责任专利代理事务所
鞍山西道时代公寓A-603
天津大学19教学楼西侧
23009123
27403127
2
学苑有限责任专利代理事务所
卫津94号南开大学老图书馆409室
138********
3
佳盟知识产权代理有限公司
和平区成都道116号
131********
4
才智专利商标代理有限公司
和平区卫津路149号云琅新居A座2门1302号
87894802
5
中环专利商标代理有限公司
和平区解放北路151号
139********
6
宗欣专利商标代理有限公司
和平区西康路70号
23681647
7
天津盛理知识产权代理有限公司
天津市华苑产业园区华天道海泰大厦A座511
138********
8
新天方有限责任专利代理事务所
南开区鹊桥路25号
27380249
9
三元专利商标代理有限责任公司
河西区气象台路70号余2门602室
23538038
10
三利专利商标代理有限公司
河西区友谊路10号718
28369656
11
鼎和专利商标代理有限公司
红桥区东北角大胡同金钟桥大街15号
81814903（任）
12
杰盈专利代理有限公司
红桥区勤俭道192号201室
139********
13
国嘉律师事务所
天津市和平区大理道100号
23113430
14
天津伊加知识产权代理有限公司
天津市华苑产业园区物华道2号海泰火炬创业园A座4－54
139********
声明：
本专利所有发明人共同决定选择机构为本专利代理机构，对可能带来的一切风险自行承担。
发明人代表签字：
年月日
专利基本信息登记表
申报编号：
学院公章：
项目
选择“√”
填写说明
专利来源
863
请在专利来源对应选项内填写
“校内编号”。
“校内编号”为
登陆
在“项目管理”中查询到的
“项目编号”
973
国家科技支撑
各部委
社科项目
国家基金
天津市项目
教育部项目
国家重大专项
国际合作
横向
其它
请填写相应内容
专利性质
核心专利（核心技术）
请在专利性质对应选项填写“√”
外围专利（外围技术）
相关专利
请填写与本专利申请相关专利号（相关专利即：
申请本专利的发明人的相关专利技术）
是否进行了相关技术（不同专利权人）专利检索？
是
否
请在对应选项内填写“√”
专利是否正在或计划实施？
正在
计划
不实施
实施方式
产业化
专利许可
专利转让
其它
计划维持年限
填写相关文字
研发周期（年）
研发成本（万元）
放弃专利权理由（专利授权后填写）：
审批：
本表格信息将作为年终绩效考核参考。
第一发明人承诺：
表内信息真实，签字：
技术交底书
（一）发明或者实用新型的名称
一种基于混洗蛙跳的软硬件划分方法
（二）所属技术领域
本发明涉及系统软硬件协同设计中的软硬件划分技术，特别是针对嵌入式系统实现复杂任务的软硬件划分方法。
（三）背景技术
1、混洗蛙跳算法简介
混洗蛙跳算法（ShuffledFrogLeapAlgorithm,SFLA）是一种新型群体智能优化算法，其思想来源于青蛙群体的迁移和觅食行为。
混洗蛙跳算法的仿生学行为可以描述为：
在一片洼地中生活着一群青蛙，每个青蛙都有自己的思想。
为了寻找食物，每个青蛙都会向距离食物更近的青蛙跳跃以缩短自己与食物的距离，同时青蛙群体每完成一次更新，青蛙个体之间都会进行信息交换与共享以提高整个青蛙种群搜索食物的能力。
为了避免青蛙子群体的积聚现象，每次交换信息之后青蛙群体还会被重新随机分组，这样每个青蛙都能够携带自己曾经寻找食物的信息以提供子种群间的学习和进化，再通过子种群中的最优个体对子种群内的青蛙进行跳跃方向的指导。
这一过程在青蛙个体的自我适应（局部搜索）与青蛙子种群之间的洗牌分组（全局搜索）之间交替进行，直至满足算法停止准则。
2、软硬件划分原理
假设待划分系统由N个结点构成，每个结点既可以用软件实现（用0表示），也可以用硬件实现（用1表示），这样N个结点的软硬件划分构成了一个N维空间。
根据此映射关系，将混洗蛙跳算法中的所有的可迁移位置映射到N维空间中，软硬件划分问题即是要从所有的可迁移位置中找到最优位置，而每个位置信息可以被看作一个N维的编码信息，最优位置的编码对应的方案即为实现任务的最优软硬件划分方案。
将一个复杂系统任务可以分解为若干个子任务来执行，这些子任务可以分别由硬件（用1表示）和软件（用0表示）的来完成，这些任务的处理器分配方案对应的编码可以看做一组有序的二进制序列。
显然，结点越多，其对应的不同任务软硬件划分方案越多，并且两者之间呈指数关系。
对于一个由N个结点组成的DAG图，我们将第i个结点任务用硬件执行，其它结点任务用软件执行所对应的序列看作
。
由
可以组成一组基底
，其形式如式1.1所示：
1.1
由基底
生成的解空间用
来表示，
的数学表达式如式1.2所示：
1.2
将
1.3
称为由
的线性组合。
其中，
中元素的个数为
个，对应
种不同的编码信息，即对应
种不同的软硬件划分方案。
其中
表示由软件（硬件）实现。
（四）目的
本发明是一种软硬件划分方法，主要应用于系统软硬件协同设计中。
目前已有的算法存在全局搜索能力差、收敛速度慢等问题。
而本发明要提供一种高效的软硬件划分方法。
（五）技术方案
本发明所要解决的问题是，针对一个嵌入式复杂系统实现子任务在处理器上的划分，同时提高系统的搜索和寻优能力，寻找最佳的软硬件划分方案，提高系统执行任务的效率。
本发明是基于青蛙种群的迁移规律所设计的软硬件划分方法。
其步骤如下：
1、初始时刻，将混洗蛙跳算法映射到软硬件划分中，完成算法初始化的过程。
建立种群中青蛙的个体信息、分组结果、组内最优青蛙与最差青蛙、全局最优青蛙等初始化参数，并确定算法最大迭代次数；
混洗蛙跳算法的初始时刻，首先随机生成青蛙种群，每个青蛙的位置对应的N位编码二进制序列的每一位采用0或1等概率随机生成的方式。
算法最大迭代次数确定为IterMax。
迭代次数iter=0。
2、将青蛙个体的位置信息利用适应度函数进行适应度计算，得出青蛙个体的适应度值以及是否满足系统本身的约束条件，即计算在软硬件划分中，该方案的硬件占用面积和时间开销；
对青蛙种群的每个个体所在的位置进行评估，即二进制编码序列送入评估模块，评估模块包括硬件占用面积，时间开销等因素，以硬件占用面积小、时间开销短为目标进行加权得到评估结果，找出当前最佳的软硬件划分方案。
3、按照青蛙个体的适应度值对整个青蛙种群进行降序排序，并按照模因分组法对青蛙种群进行分组，确定每组中的组内最优青蛙、组内最差青蛙以及整个青蛙种群中的全局最优青蛙；
对每个青蛙个体进行降序排序，按照模因分组法进行分组，即排名为1的青蛙分在1号组，排名为2的青蛙分在2号组，以此类推，排名为m的青蛙分在m号组，排名为m+1的青蛙分在m+1号组，组号k青蛙个体的序号i之间的关系为：
同时标记每组中适应度值最优的为组内最优青蛙
、适应度值最差的为组内最差青蛙
以及全局适应度值最优的为整个青蛙种群中的全局最优青蛙
。
4、每组中首先利用组内最优青蛙的信息更新组内最差青蛙，若发现更新后的组内最差青蛙的适应度值优于之前的青蛙且满足系统本身的约束条件，则完成一次更新过程；否则，采用全局最优青蛙的位置信息更新，若更新后的组内最差青蛙的适应度值优于之前的青蛙且满足系统本身的约束条件，则完成更新过程；若依然无法更新成功，则采用随机更新的方式更新组内最优青蛙；
利用组内最优青蛙的信息更新组内最差青蛙更新方案如式
所示。
利用全局最优青蛙的信息更新组内最差青蛙更新方案如式
所示。
其中，
表示的是采用赌轮法以概率
产生1，以概率
产生0的一个随机值生成函数，即
称为步长概率。
5、对全体青蛙种群进行混洗。
将所有青蛙个体按适应度值进行降序排序，重新分组。
步骤2）到步骤5）为一次迭代过程，迭代次数自加。
若迭代次数小于算法最大迭代次数，则转到步骤2）；否则，输出全局最优青蛙信息；
完成一次更新过程迭代次数iter自加一。
如果iter6、迭代过程结束时找到的全局最优解即为最佳的软硬件划分方案。
（六）有益效果
本发明的目的是要提供一种高效的软硬件划分方法，混洗蛙跳算法具有很强的全局寻优能力和收敛效率。
本方法提出基于混洗蛙跳的软硬件划分方法，可以有效解决目前已有软硬件划分算法存在的搜索能力差、收敛速度慢等问题，更高效的完成软硬件划分任务。
（七）附图说明
无
（八）最佳实施
算法参数设置：
最大迭代次数IterMax=1000，组中青蛙个体个数n=8，青蛙种群分组数食物源m=5，步长概率
=2/7。
本发明以图1所对应的软硬件划分模型为例子进行实例分析。
其中：
实线表示用该任务结点硬件实现，虚线表示用软件实现。
图1用于说明算法实例的DAG图
初始时刻，随机对DAG图对应的任务结点集合进行软硬件划分，由硬件实现用1表示，软件实现用0表示。
根据结点顺序将软硬件划分的方案用0或1的有序二进制序列表示。
图1中对应的编码序列为010*******，表示第1、3、5、7、9结点对应的任务由软件实现，其它任务结点由硬件实现。
任务的处理器分配可以选择不同的方案。
例如：
编码序列为0110110011，对应的任务划分方案为第1、4、6、7结点对应的任务结点由软件实现，其它结点对应的任务由硬件实现。
这两个方案相当于两个不同的青蛙个体在不同的位置，编码序列为青蛙个体的的位置信息。
不同位置的青蛙个体，对应的适应度值不同，其对应的软硬件划分方案也不同。
1、按照上述方法对DAG图的任务集进行不同的初始化任务，其对应的编码序列即为青蛙个体的初始位置。
本例中我们采用的青蛙种群规模为nm=40，共40个青蛙。
对DAG图对应的系统任务进行40种随机方案的软硬件划分，对图中10个结点的每一位进行随机的0、1选择，实现40种随机的DAG图任务的分配方法。
2、对40个随机位置的青蛙个体进行适应度评估，即计算不同的软硬件划分方案所占用的硬件面积和时间开销，然后根据权重对硬件面积和时间开销进行加权求和，其值表示适应度值，按其适应度值进行降序排列。
3、本发明采用模因分组对40个青蛙种群分成5个不同的组，每组8个青蛙。
假设排序后的青蛙种群为
，适应度值分别为
其模因分组方式为：
青蛙个体
分入组1，青蛙个体
分入组2，青蛙个体
分入组5，青蛙个体
再分入组1，组号k与青蛙个体的序号i之间的关系为：
青蛙个体位置
由步骤2得出，例如编码序列为
，表示第1、3、5、7、9结点对应的任务由软件实现，其它任务由硬件实现。
标记5个组内最优青蛙
，5个组内最差青蛙
以及全局最优青蛙
。
4、将最差青蛙
先用5个组内最优青蛙
进行更新。
假设
，则这两种方案在第2,6,8,9,10位上不同，分别在这5位上依步长概率
进行更新，若计算得出第6,8位上需用最有青蛙信息更新，则
，计算
对应适度的值
，如果
，则完成组1的更新。
如果
，则采用全局最优青蛙的信息
对
进行更新。
如果更新的青蛙个体的适应度值
，则完成组1的更新。
否则，随机产生一个
完成组1的更新。
类似地更新其余四组。
5、迭代次数iter+1，如果iter6、如果iter>IterMax，输出最后一代青蛙种群的全局最优青蛙的信息
。
算法终止。
算法结束时找到的最优解即为最佳的软硬件划分方案。
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