- 相關(guān)推薦
基于生物學(xué)的電子電路設計和操作
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熓迪紙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。
關(guān)鍵詞：可進(jìn)化硬件 遺傳算法 電子電路設計 現場(chǎng)可編程門(mén)陣列
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。
(收集整理)
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。
�。保� 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。
�。保� 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：
�。ǎ保└鶕O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。
�。ǎ玻⿲⒃O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。
�。ǎ常└鶕m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。一部分被選個(gè)體保持原樣，另一部分個(gè)體根據遺傳算法進(jìn)行修改，如進(jìn)行交叉和變異，而這種交叉和變異的目的是為了產(chǎn)生更具適應性的下一代。把新一代染色體轉化成控制數據流下載到ＦＰＧＡ中對硬件進(jìn)行進(jìn)化。
�。ǎ矗┲貜蜕鲜霾襟E，產(chǎn)生新的數代個(gè)體，直到新的個(gè)體表示的設計方案表現出接近要求的適應能力為止。
一般來(lái)說(shuō)通過(guò)遺傳算法最后會(huì )得到一個(gè)或數個(gè)設計結果，最后設計方案具有對設計要求和系統工作環(huán)境的最佳適應性。這一過(guò)程又叫內部進(jìn)化或硬件進(jìn)化。
圖中的右邊展示了另一種設計可進(jìn)化電路的方法，即用模擬軟件來(lái)代替可重構器件，染色體每一位確定的是軟件模擬電路的連接方式，而不是可重構器件各單元的連接方式。這一方法叫外部進(jìn)化或軟件進(jìn)化。這種方法中進(jìn)化過(guò)程完全模擬進(jìn)行，只有最后的結果才在器件上實(shí)施。
進(jìn)化電子電路設計中，最關(guān)鍵的是遺傳算法的應用。在遺傳算法的應用過(guò)程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關(guān)系到個(gè)體變異的程度，也關(guān)系到個(gè)體對環(huán)境變化做出反應的能力，而這兩個(gè)因素相互抵觸。變異因子越大，個(gè)體更容易適應環(huán)境變化，對系統出現的錯誤做出快速反應，但個(gè)體更容易發(fā)生突變。而變異因子較小時(shí)，系統的反應力變差，但系統一旦獲得高適應度的設計方案時(shí)可以保持穩定。
對于可進(jìn)化數字電路的設計，可以在兩個(gè)層面上進(jìn)行。一個(gè)是在基本的“與”、“或”、“非”門(mén)的基礎上進(jìn)行進(jìn)化設計，一個(gè)是在功能塊如觸發(fā)器、加法器和多路選擇器的基礎上進(jìn)行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業(yè)應用。有人提出了一種基于進(jìn)化細胞機（Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ａｕｔｏｍａｔｏｎ）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模塊設計架構。采用這一結構設計時(shí)，只需要定義整個(gè)模塊的適應度，而對于每一模塊如何實(shí)現它復雜的功能可以不予理睬，對于超大規模線(xiàn)路的設計可以采用這一方法來(lái)將電路進(jìn)行整體優(yōu)化設計。３ 可進(jìn)化電路設計環(huán)境
上面描述的軟硬件進(jìn)化電子電路設計可在圖２所示的設計系統環(huán)境下進(jìn)行。這一設計系統環(huán)境對于測試可重構硬件的構架及展示在ＦＰＧＡ可重構硬件上的進(jìn)化設計很有用處。該設計系統環(huán)境包括遺傳算法軟件包、ＦＰＧＡ開(kāi)發(fā)系統板、數據采集軟硬件、適應度評估軟件、用戶(hù)接口程序及電路模擬仿真軟件。
遺傳算法由計算機上運行的一個(gè)程序包實(shí)現。由它來(lái)實(shí)現進(jìn)化計算并產(chǎn)生染色體組。表示硬件描述的染色體通過(guò)通信電纜由計算機下載到有ＦＰＧＡ器件的實(shí)驗板上。然后通過(guò)接口將布線(xiàn)結果傳回計算機。適應度評估建立在儀器數據采集硬件及軟件上，一個(gè)接口碼將ＧＡ與硬件連接起來(lái)，可能的設計方案在此得到評估。同時(shí)還有一個(gè)圖形用戶(hù)接口以便于設計結果的可視化和將問(wèn)題形式化。通過(guò)執行遺傳算法在每一代染色體組都會(huì )產(chǎn)生新的染色體群組，并被轉化為數據流傳入實(shí)驗板上。至于通過(guò)軟件進(jìn)化的電子電路設計
，可采用Ｓｐｉｃｅ軟件作為線(xiàn)路模擬仿真軟件，把染色體變成模擬電路并通過(guò)仿真軟件來(lái)仿真電路的運行情況，通過(guò)相應軟件來(lái)評估設計結果。
４ 結論與展望
進(jìn)化過(guò)程廣義上可以看作是一個(gè)復雜的動(dòng)態(tài)系統的狀態(tài)變化。在這個(gè)意義上，可以將“可進(jìn)化”這一特性運用到無(wú)數的人工系統中，只要這些系統的性能會(huì )受到環(huán)境的影響。不僅是遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、人工智能工程以及胚胎學(xué)都可以應用到可進(jìn)化系統中。雖然目前設計出的可進(jìn)化硬件還存在著(zhù)許多需要解決的問(wèn)題，如系統的魯棒性等。但在未來(lái)的發(fā)展中，電子電路可進(jìn)化的設計方法將不可避免的取代傳統的自頂向下設計方法，系統的復雜性將不再成為系統設計的障礙。另一方面，硬件本身的自我重構能力對于那些在復雜多變的環(huán)境，特別是人不能直接參與的環(huán)境工作的系統來(lái)說(shuō)將帶來(lái)極大的影響。因此可進(jìn)化硬件的研究將會(huì )進(jìn)一步深入并會(huì )得到廣泛的應用而造福人類(lèi)。
【基于生物學(xué)的電子電路設計和操作】相關(guān)文章：
生物學(xué)習方法和技巧07-11
電路設計論文07-03
基于單片機的電子密碼鎖設計07-02
微電子技術(shù)（集成電路設計與制造）就業(yè)前景怎樣？07-12
簡(jiǎn)單電路設計教案07-02
基于工作過(guò)程導向的應用電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)習領(lǐng)域開(kāi)發(fā)和課程設計論文07-04
股票阻力線(xiàn)和支撐線(xiàn)操作方法07-04
電路設計合同07-02