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基于生物學(xué)的電子電路設(shè)計

時間:2024-09-23 16:19:27 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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基于生物學(xué)的電子電路設(shè)計

摘要:介紹了可進化硬件的機理和相關(guān)技術(shù),著重闡述了一種基于進化論中遺傳算法的大規(guī)模電子電路設(shè)計方法,分析了如何通過可進化硬件的機理來實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的高容錯性設(shè)計。介紹了進化電子電路設(shè)計的設(shè)計架構(gòu)及基本設(shè)計步驟?實現(xiàn)進化電子電路設(shè)計的設(shè)計環(huán)境。展望了基于可進化硬件思想的電子電路設(shè)計的發(fā)展前景。

在人類的科學(xué)研究中,有不少研究成果得益于大自然的啟發(fā),例如仿生學(xué)技術(shù)。隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展,許多的科學(xué)研究越來越與生物學(xué)緊密相聯(lián)。在人工智能方面,已經(jīng)實現(xiàn)了能用計算機和電子設(shè)備模仿人類生物體的看、聽、和思維等能力;另一方面,受進化論的啟發(fā),科學(xué)家們提出了基于生物學(xué)的電子電路設(shè)計技術(shù),將進化理論的方法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中,使得新的電子電路能像生物一樣具有對環(huán)境變化的適應(yīng)、免疫、自我進化及自我復(fù)制等特性,用來實現(xiàn)高適應(yīng)、高可靠的電子系統(tǒng)。這類電子電路常稱為可進化硬件(EHW, Evolvable HardWare)。本文主要介紹可進化硬件EHW的機理及其相關(guān)技術(shù)并根據(jù)這種機理對高可靠性電子電路的設(shè)計進行討論。

1 EHW的機理及相關(guān)技術(shù)

計算機系統(tǒng)所要求解決的問題日趨復(fù)雜,與此同時,計算機系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。而復(fù)雜性的提高就意味著可靠性的降低,實踐經(jīng)驗表明,要想使如此復(fù)雜的實時系統(tǒng)實現(xiàn)零出錯率幾乎是不可能的,因此人們寄希望于系統(tǒng)的容錯性能:即系統(tǒng)在出現(xiàn)錯誤的情況下的適應(yīng)能力。對于如何同時實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和可靠性,大自然給了我們近乎完美的藍本。人體是迄今為止我們所知道的最復(fù)雜的生物系統(tǒng),通過千萬年基因進化,使得人體可以在某些細胞發(fā)生病變的情況下,不斷地進行自我診斷,并最終自愈。因此借用這一機理,科學(xué)家們研究出可進化硬件(EHW,Evolvable HardWare),理想的可進化硬件不但同樣具有自我診斷能力,能夠通過自我重構(gòu)消除錯誤,而且可以在設(shè)計要求或系統(tǒng)工作環(huán)境發(fā)生變化的情況下,通過自我重構(gòu)來使電路適應(yīng)這種變化而繼續(xù)正常工作。嚴格地說,EHW具有兩個方面的目的,一方面是把進化算法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中;另一方面是硬件具有通過動態(tài)地、自主地重構(gòu)自己實現(xiàn)在線適應(yīng)變化的能力。前者強調(diào)的是進化算法在電子設(shè)計中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設(shè)計方法;后者強調(diào)的是硬件的可適應(yīng)機理。當(dāng)然二者的區(qū)別也是很模糊的。本文主要討論的是EHW在第一個方面的問題。

對EHW的研究主要采用了進化理論中的進化計算(Evolutionary Computing)算法,特別是遺傳算法(GA)為設(shè)計算法,在數(shù)字電路中以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為媒介,在模擬電路設(shè)計中以現(xiàn)場可編程模擬陣列(FPAA)為媒介來進行的。此外還有建立在晶體管級的現(xiàn)場可編程晶體管陣列(FPTA),它為同時設(shè)計數(shù)字電路和和模擬電路提供了一個可靠的平臺。下面主要介紹一下遺傳算法和現(xiàn)場可編程門陣列的相關(guān)知識,并以數(shù)字電路為例介紹可進化硬件設(shè)計方法。

1.1 遺傳算法

遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化算法,它借鑒了物種進化的思想,將欲求解問題編碼,把可行解表示成字符串形式,稱為染色體或個體。先通過初始化隨機產(chǎn)生一群個體,稱為種群,它們都是假設(shè)解。然后把這些假設(shè)解置于問題的“環(huán)境”中,根據(jù)適應(yīng)值或某種競爭機制選擇個體(適應(yīng)值就是解的滿意程度),使用各種遺傳操作算子(包括選擇,變異,交叉等等)產(chǎn)生下一代(下一代可以完全替代原種群,即非重疊種群;也可以部分替代原種群中一些較差的個體,即重疊種群),如此進化下去,直到滿足期望的終止條件,得到問題的最優(yōu)解為止。

1.2 現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)

現(xiàn)場可編程邏輯陣列是一種基于查找表(LUT, Lookup Table)結(jié)構(gòu)的可在線編程的邏輯電路。它由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài),工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。當(dāng)用戶通過原理圖或硬件描述語言(HDL)描述了一個邏輯電路以后, FPGA開發(fā)軟件會把設(shè)計方案通過編譯形成數(shù)據(jù)流,并將數(shù)據(jù)流下載至RAM中。這些RAM中的數(shù)據(jù)流決定電路的邏輯關(guān)系。掉電后,FPGA恢復(fù)成白片,內(nèi)部邏輯關(guān)系消失,因此,FPGA能夠反復(fù)使用,灌入不同的數(shù)據(jù)流就會獲得不同的硬件系統(tǒng),這就是可編程特性。這一特性是實現(xiàn)EHW的重要特性。目前在可進化電子電路的設(shè)計中,用得最多得是Xilinx 公司的Virtex系列 FPGA芯片。

2 進化電子電路設(shè)計架構(gòu)

本節(jié)以設(shè)計高容錯性的數(shù)字電路設(shè)計為例來闡述EHW的設(shè)計架構(gòu)及主要設(shè)計步驟。對于通過進化理論的遺傳算法來產(chǎn)生容錯性,所設(shè)計的電路系統(tǒng)可以看作一個具有持續(xù)性地、實時地適應(yīng)變化的硬件系統(tǒng)。對于電子電路來說,所謂的變化的來源很多,如硬件故障導(dǎo)致的錯誤,設(shè)計要求和規(guī)則的改變,環(huán)境的改變(各種干擾的出現(xiàn))等。

從進化論的角度來看,當(dāng)這些變化發(fā)生時,個體的適應(yīng)度會作相應(yīng)的改變。當(dāng)進化進行時,個體會適應(yīng)這些變化重新獲得高的適應(yīng)度;谶M化論的電子電路設(shè)計就是利用這種原理,通過對設(shè)計結(jié)果進行多次地進化來提高其適應(yīng)變化的能力。

電子電路進化設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。圖中給出了電子電路的設(shè)計的兩種進化,分別是內(nèi)部進化和外部進化。其中內(nèi)部進化是指硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進化,而外部進化是指軟件模擬的電路的進化。這兩種進化是相互獨立的,當(dāng)然通過外部進化得到的最終設(shè)計結(jié)果還是要由硬件結(jié)構(gòu)的變化來實際體現(xiàn)。從圖中可以看出,進化過程是一個循環(huán)往復(fù)的過程,其中是根據(jù)進化算法(遺傳算法)的計算結(jié)果來進行的。整個進化設(shè)計包括以下步驟:

(1)根據(jù)設(shè)計的目的,產(chǎn)生初步的方案,并把初步方案用一組染色體(一組“0”和“1”表示的數(shù)據(jù)串)來表示,其中每個個體表示的是設(shè)計的一部分。染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA上,用來定義FPGA的開關(guān)狀態(tài),從而確定可重構(gòu)硬件內(nèi)部各單元的聯(lián)結(jié),形成了初步的硬件系統(tǒng)。用來設(shè)計進化硬件的FPGA器件可以接受任意組合的數(shù)據(jù)流下載,而不會導(dǎo)致器件的損害。

(2)將設(shè)計結(jié)果與目標要求進行比較,并用某種誤差表示作為描述系統(tǒng)適應(yīng)度的衡量準則。這需要一定的檢測手段和評估軟件的支持。對不同的個體,根據(jù)適應(yīng)度進行排序,下一代的個體將由最優(yōu)的個體來產(chǎn)生。

(3)根據(jù)適應(yīng)度再對新的個體組進行統(tǒng)計,并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果挑選一些個體。一

基于生物學(xué)的電子電路設(shè)計

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