摘? 要: 介紹了可進(jìn)化硬件的機(jī)理和相關(guān)技術(shù),著重闡述了一種基于進(jìn)化論中遺傳算法" title="遺傳算法">遺傳算法的大規(guī)模電子電路" title="電子電路">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" title="電子電路設(shè)計">電子電路設(shè)計" 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　　關(guān)鍵詞: 可進(jìn)化硬件? 遺傳算法? 電子電路設(shè)計? 現(xiàn)場可編程門陣列

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　　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(jī)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(jī)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(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(shè)計技術(shù),將進(jìn)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(jìn)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(jìn)化硬件(EHW,Evolvable HardWare) ^[1],。本文主要介紹可進(jìn)化硬件EHW的機(jī)理及其相關(guān)技術(shù)并根據(jù)這種機(jī)理對高可靠性電子電路的設(shè)計進(jìn)行討論,。

1 EHW的機(jī)理及相關(guān)技術(shù)

　　計算機(jī)系統(tǒng)所要求解決的問題日趨復(fù)雜,與此同時,計算機(jī)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(lán)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(jìn)化,使得人體可以在某些細(xì)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(jī)理,科學(xué)家們研究出可進(jìn)化硬件(EHW,Evolvable HardWare)^[1],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(yán)格地說,EHW具有兩個方面的目的,一方面是把進(jìn)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(qiáng)調(diào)的是進(jìn)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" title="設(shè)計方法">設(shè)計方法;后者強(qiáng)調(diào)的是硬件的可適應(yīng)機(jī)理,。當(dāng)然二者的區(qū)別也是很模糊的^[7],。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(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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化算法,它借鑒了物種進(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)化進(jìn)行時,個體會適應(yīng)這些變化重新獲得高的適應(yīng)度^[3],。基于進(jìn)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(jìn)行多次地進(jìn)化來提高其適應(yīng)變化的能力,。

　　電子電路進(jìn)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(jìn)化,分別是內(nèi)部進(jìn)化和外部進(jìn)化。其中內(nèi)部進(jìn)化是指硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dú)立的,當(dāng)然通過外部進(jìn)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(jìn)化過程是一個循環(huán)往復(fù)的過程,其中是根據(jù)進(jìn)化算法(遺傳算法)的計算結(jié)果來進(jìn)行的。整個進(jìn)化設(shè)計包括以下步驟:

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　　(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)" title="可重構(gòu)">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(jìn)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(biāo)要求進(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行統(tǒng)計,并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果挑選一些個體。一部分被選個體保持原樣,另一部分個體根據(jù)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(yīng)性的下一代,。把新一代染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA中對硬件進(jìn)行進(jìn)化,。

　　(4)重復(fù)上述步驟,產(chǎn)生新的數(shù)代個體,直到新的個體表示的設(shè)計方案表現(xiàn)出接近要求的適應(yīng)能力為止。

一般來說通過遺傳算法最后會得到一個或數(shù)個設(shè)計結(jié)果,最后設(shè)計方案具有對設(shè)計要求和系統(tǒng)工作環(huán)境的最佳適應(yīng)性,。這一過程又叫內(nèi)部進(jìn)化或硬件進(jìn)化,。

　　圖中的右邊展示了另一種設(shè)計可進(jìn)化電路的方法,即用模擬軟件來代替可重構(gòu)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(gòu)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)化過程完全模擬進(jìn)行,只有最后的結(jié)果才在器件上實施,。

　　進(jìn)化電子電路設(shè)計中,最關(guān)鍵的是遺傳算法的應(yīng)用。在遺傳算法的應(yīng)用過程中,變異因子的確定是需要慎重考慮的,它的大小既關(guān)系到個體變異的程度,也關(guān)系到個體對環(huán)境變化做出反應(yīng)的能力,而這兩個因素相互抵觸,。變異因子越大,個體更容易適應(yīng)環(huán)境變化,對系統(tǒng)出現(xiàn)的錯誤做出快速反應(yīng),但個體更容易發(fā)生突變,。而變異因子較小時,系統(tǒng)的反應(yīng)力變差,但系統(tǒng)一旦獲得高適應(yīng)度的設(shè)計方案時可以保持穩(wěn)定。

　　對于可進(jìn)化數(shù)字電路的設(shè)計,可以在兩個層面上進(jìn)行,。一個是在基本的“與”,、“或”、“非”門的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)化設(shè)計,一個是在功能塊如觸發(fā)器,、加法器和多路選擇器的基礎(chǔ)上進(jìn)行,。前一種方法更為靈活,而后一種更適于工業(yè)應(yīng)用。有人提出了一種基于進(jìn)化細(xì)胞機(jī)(Cellular Automaton)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計架構(gòu),。采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計時,只需要定義整個模塊的適應(yīng)度,而對于每一模塊如何實現(xiàn)它復(fù)雜的功能可以不予理睬,對于超大規(guī)模線路的設(shè)計可以采用這一方法來將電路進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計^[2],。

3 可進(jìn)化電路設(shè)計環(huán)境

　　上面描述的軟硬件進(jìn)化電子電路設(shè)計可在圖2所示的設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行。這一設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境對于測試可重構(gòu)硬件的構(gòu)架及展示在FPGA可重構(gòu)硬件上的進(jìn)化設(shè)計很有用處,。該設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境包括遺傳算法軟件包,、FPGA開發(fā)系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)采集軟硬件,、適應(yīng)度評估軟件,、用戶接口程序及電路模擬仿真軟件。

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　　遺傳算法由計算機(jī)上運(yùn)行的一個程序包實現(xiàn),。由它來實現(xiàn)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通信電纜由計算機(jī)下載到有FPGA器件的實驗板上。然后通過接口將布線結(jié)果傳回計算機(jī),。適應(yīng)度評估建立在儀器數(shù)據(jù)采集硬件及軟件上,一個接口碼將GA與硬件連接起來,可能的設(shè)計方案在此得到評估,。同時還有一個圖形用戶接口以便于設(shè)計結(jié)果的可視化和將問題形式化,。通過執(zhí)行遺傳算法在每一代染色體組都會產(chǎn)生新的染色體群組,并被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流傳入實驗板上。至于通過軟件進(jìn)化的電子電路設(shè)計,可采用Spice軟件作為線路模擬仿真軟件,把染色體變成模擬電路并通過仿真軟件來仿真電路的運(yùn)行情況,通過相應(yīng)軟件來評估設(shè)計結(jié)果,。

4 結(jié)論與展望

　　進(jìn)化過程廣義上可以看作是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化,。在這個意義上,可以將“可進(jìn)化”這一特性運(yùn)用到無數(shù)的人工系統(tǒng)中,只要這些系統(tǒng)的性能會受到環(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(yīng)用到可進(jìn)化系統(tǒng)中,。雖然目前設(shè)計出的可進(jìn)化硬件還存在著許多需要解決的問題,如系統(tǒng)的魯棒性等。但在未來的發(fā)展中,電子電路可進(jìn)化的設(shè)計方法將不可避免的取代傳統(tǒng)的自頂向下設(shè)計方法,系統(tǒng)的復(fù)雜性將不再成為系統(tǒng)設(shè)計的障礙,。另一方面,硬件本身的自我重構(gòu)能力對于那些在復(fù)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(tǒng)來說將帶來極大的影響,。因此可進(jìn)化硬件的研究將會進(jìn)一步深入并會得到廣泛的應(yīng)用而造福人類。

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