- 相關(guān)推薦
基于生物學(xué)的電子電路設計
摘要：介紹了可進(jìn)化硬件的機理和相關(guān)技術(shù)，著(zhù)重闡述了一種基于進(jìn)化論中遺傳算法的大規模電子電路設計方法，分析了如何通過(guò)可進(jìn)化硬件的機理來(lái)實(shí)現復雜系統的高容錯性設計。介紹了進(jìn)化電子電路設計的設計架構及基本設計步驟?實(shí)現進(jìn)化電子電路設計的設計環(huán)境。展望了基于可進(jìn)化硬件思想的電子電路設計的發(fā)展前景。在人類(lèi)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(zhù)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(lái)越與生物學(xué)緊密相聯(lián)。在人工智能方面，已經(jīng)實(shí)現了能用計算機和電子設備模仿人類(lèi)生物體的看、聽(tīng)、和思維等能力；另一方面，受進(jìn)化論的啟發(fā)，科學(xué)家們提出了基于生物學(xué)的電子電路設計技術(shù)，將進(jìn)化理論的方法應用于電子電路的設計中，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、免疫、自我進(jìn)化及自我復制等特性,用來(lái)實(shí)現高適應、高可靠的電子系統。這類(lèi)電子電路常稱(chēng)為可進(jìn)化硬件(ＥＨＷ, Ｅｖｏｌｖａｂｌｅ ＨａｒｄＷａｒｅ)。本文主要介紹可進(jìn)化硬件ＥＨＷ的機理及其相關(guān)技術(shù)并根據這種機理對高可靠性電子電路的設計進(jìn)行討論。
１ ＥＨＷ的機理及相關(guān)技術(shù)
計算機系統所要求解決的問(wèn)題日趨復雜，與此同時(shí)，計算機系統本身的結構也越來(lái)越復雜。而復雜性的提高就意味著(zhù)可靠性的降低，實(shí)踐經(jīng)驗表明，要想使如此復雜的實(shí)時(shí)系統實(shí)現零出錯率幾乎是不可能的，因此人們寄希望于系統的容錯性能：即系統在出現錯誤的情況下的適應能力。對于如何同時(shí)實(shí)現系統的復雜性和可靠性，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雜的生物系統，通過(guò)千萬(wàn)年基因進(jìn)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(jìn)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(jìn)化硬件（ＥＨＷ,Ｅｖｏｌｖａｂｌｅ ＨａｒｄＷａｒｅ），理想的可進(jìn)化硬件不但同樣具有自我診斷能力，能夠通過(guò)自我重構消除錯誤，而且可以在設計要求或系統工作環(huán)境發(fā)生變化的情況下，通過(guò)自我重構來(lái)使電路適應這種變化而繼續正常工作。嚴格地說(shuō)，ＥＨＷ具有兩個(gè)方面的目的，一方面是把進(jìn)化算法應用于電子電路的設計中；另一方面是硬件具有通過(guò)動(dòng)態(tài)地、自主地重構自己實(shí)現在線(xiàn)適應變化的能力。前者強調的是進(jìn)化算法在電子設計中可替代傳統基于規范的設計方法；后者強調的是硬件的可適應機理。當然二者的區別也是很模糊的。本文主要討論的是ＥＨＷ在第一個(gè)方面的問(wèn)題。
對ＥＨＷ的研究主要采用了進(jìn)化理論中的進(jìn)化計算（Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）算法,特別是遺傳算法（ＧＡ）為設計算法，在數字電路中以現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（ＦＰＧＡ）為媒介，在模擬電路設計中以現場(chǎng)可編程模擬陣列（ＦＰＡＡ）為媒介來(lái)進(jìn)行的。此外還有建立在晶體管級的現場(chǎng)可編程晶體管陣列（ＦＰＴＡ），它為同時(shí)設計數字電路和和模擬電路提供了一個(gè)可靠的平臺。下面主要介紹一下遺傳算法和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列的相關(guān)知識，并以數字電路為例介紹可進(jìn)化硬件設計方法。
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(jìn)化過(guò)程的一種自適應全局優(yōu)化算法，它借鑒了物種進(jìn)化的思想，將欲求解問(wèn)題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱(chēng)為染色體或個(gè)體。先通過(guò)初始化隨機產(chǎn)生一群個(gè)體，稱(chēng)為種群，它們都是假設解。然后把這些假設解置于問(wèn)題的“環(huán)境”中，根據適應值或某種競爭機制選擇個(gè)體（適應值就是解的滿(mǎn)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(gè)體，即重疊種群），如此進(jìn)化下去，直到滿(mǎn)足期望的終止條件，得到問(wèn)題的最優(yōu)解為止。
１．２ 現場(chǎng)可編程邏輯陣列(ＦＰＧＡ)
現場(chǎng)可編程邏輯陣列是一種基于查找表(ＬＵＴ, Ｌｏｏｋｕｐ Ｔａｂｌｅ)結構的可在線(xiàn)編程的邏輯電路。它由存放在片內ＲＡＭ中的程序來(lái)設置其工作狀態(tài)，工作時(shí)需要對片內的ＲＡＭ進(jìn)行編程。當用戶(hù)通過(guò)原理圖或硬件描述語(yǔ)言（ＨＤＬ）描述了一個(gè)邏輯電路以后， ＦＰＧＡ開(kāi)發(fā)軟件會(huì )把設計方案通過(guò)編譯形成數據流，并將數據流下載至ＲＡＭ中。這些ＲＡＭ中的數據流決定電路的邏輯關(guān)系。掉電后，ＦＰＧＡ恢復成白片，內部邏輯關(guān)系消失，因此，ＦＰＧＡ能夠反復使用，灌入不同的數據流就會(huì )獲得不同的硬件系統，這就是可編程特性。這一特性是實(shí)現ＥＨＷ的重要特性。目前在可進(jìn)化電子電路的設計中，用得最多得是Ｘｉｌｉｎｘ 公司的Ｖｉｒｔｅｘ系列 ＦＰＧＡ芯片。
２ 進(jìn)化電子電路設計架構
本節以設計高容錯性的數字電路設計為例來(lái)闡述ＥＨＷ的設計架構及主要設計步驟。對于通過(guò)進(jìn)化理論的遺傳算法來(lái)產(chǎn)生容錯性，所設計的電路系統可以看作一個(gè)具有持續性地、實(shí)時(shí)地適應變化的硬件系統。對于電子電路來(lái)說(shuō)，所謂的變化的來(lái)源很多，如硬件故障導致的錯誤，設計要求和規則的改變，環(huán)境的改變（各種干擾的出現）等。
從進(jìn)化論的角度來(lái)看，當這些變化發(fā)生時(shí)，個(gè)體的適應度會(huì )作相應的改變。當進(jìn)化進(jìn)行時(shí)，個(gè)體會(huì )適應這些變化重新獲得高的適應度�；谶M(jìn)化論的電子電路設計就是利用這種原理,通過(guò)對設計結果進(jìn)行多次地進(jìn)化來(lái)提高其適應變化的能力。
電子電路進(jìn)化設計架構如圖１所示。圖中給出了電子電路的設計的兩種進(jìn)化，分別是內部進(jìn)化和外部進(jìn)化。其中內部進(jìn)化是指硬件內部結構的進(jìn)化，而外部進(jìn)化是指軟件模擬的電路的進(jìn)化。這兩種進(jìn)化是相互獨立的，當然通過(guò)外部進(jìn)化得到的最終設計結果還是要由硬件結構的變化來(lái)實(shí)際體現。從圖中可以看出，進(jìn)化過(guò)程是一個(gè)循環(huán)往復的過(guò)程，其中是根據進(jìn)化算法（遺傳算法）的計算結果來(lái)進(jìn)行的。整個(gè)進(jìn)化設計包括以下步驟：
（１）根據設計的目的，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”表示的數據串）來(lái)表示，其中每個(gè)個(gè)體表示的是設計的一部分。染色體轉化成控制數據流下載到ＦＰＧＡ上，用來(lái)定義ＦＰＧＡ的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而確定可重構硬件內部各單元的聯(lián)結，形成了初步的硬件系統。用來(lái)設計進(jìn)化硬件的ＦＰＧＡ器件可以接受任意組合的數據流下載，而不會(huì )導致器件的損害。
（２）將設計結果與目標要求進(jìn)行比較，并用某種誤差表示作為描述系統適應度的衡量準則。這需要一定的檢測手段和評估軟件的支持。對不同的個(gè)體，根據適應度進(jìn)行排序，下一代的個(gè)體將由最優(yōu)的個(gè)體來(lái)產(chǎn)生。
（３）根據適應度再對新的個(gè)體組進(jìn)行統計，并根據統計結果挑選一些個(gè)體。一
【基于生物學(xué)的電子電路設計】相關(guān)文章：
基于51單片機復位電路設計03-07
基于FKS111的瓦斯涌出預警電路設計03-07
基于TRF4900的無(wú)線(xiàn)發(fā)射電路設計與應用03-18
一種基于CPLD的PWM控制電路設計03-19
探析基于電子商務(wù)的組織創(chuàng )新11-15
基于電子商務(wù)的物流模式研究12-07
基于電子商務(wù)的供給鏈治理的探討03-21