基于生物學的電子電路設計

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)模電子電路設計方法，分析了如何通過可進化硬件的機理來實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的高容錯性設計。介紹了進化電子電路設計的設計架構(gòu)及基本設計步驟?實現(xiàn)進化電子電路設計的設計環(huán)境。展望了基于可進化硬件思想的電子電路設計的發(fā)展前景。

在人類的科學研究中，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，許多的科學研究越來越與生物學緊密相聯(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)，科學家們提出了基于生物學的電子電路設計技術(shù)，將進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、自我進化及自我復制等特性,用來實現(xiàn)高適應、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雜，與此同時，計算機系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來越復雜。而復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能力。對于如何同時實現(xiàn)系統(tǒng)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(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用于電子電路的設計中；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)在線適應變化的能力。前者強調(diào)的是進化算法在電子設計中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設計方法；后者強調(diào)的是硬件的可適應機理。當然二者的區(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，它們都是假設解。然后把這些假設解置于問題的“環(huán)境”中，根據(jù)適應值或某種競爭機制選擇個體（適應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中的程序來設置其工作狀態(tài)，工作時需要對片內(nèi)的ＲＡＭ進行編程。當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恢復成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，ＦＰＧＡ能夠反復使用，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 進化電子電路設計架構(gòu)

本節(jié)以設計高容錯性的數(shù)字電路設計為例來闡述ＥＨＷ的設計架構(gòu)及主要設計步驟。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，如硬件故障導致的錯誤，設計要求和規(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，當這些變化發(fā)生時，個體的適應度會作相應的改變。當進化進行時，個體會適應這些變化重新獲得高的適應度。基于進化論的電子電路設計就是利用這種原理,通過對設計結(jié)果進行多次地進化來提高其適應變化的能力。

電子電路進化設計架構(gòu)如圖１所示。圖中給出了電子電路的設計的兩種進化，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，當然通過外部進化得到的最終設計結(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。整個進化設計包括以下步驟：

（１）根據(jù)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(shù)據(jù)串）來表示，其中每個個體表示的是設計的一部分。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，而不會導致器件的損害。

（２）將設計結(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

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