數(shù)字演化硬件與容錯(cuò)技術(shù)研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的飛速進(jìn)步及其應(yīng)用范圍的不斷拓展，對(duì)任務(wù)和環(huán)境的自適應(yīng)、復(fù)雜功能集成、多場(chǎng)景應(yīng)用集成，已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)。將演化思想引入電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作過(guò)程中，為構(gòu)建具有自適應(yīng)、自修復(fù)能力的電子系統(tǒng)開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域——演化硬件。本文以數(shù)字演化硬件為主要研究對(duì)象，探索構(gòu)建數(shù)字演化平臺(tái)和演化容錯(cuò)系統(tǒng)的基本方法，圍繞硬件演化中的演化算法、演化容錯(cuò)技術(shù)、數(shù)字演化平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)和演化容錯(cuò)系統(tǒng)構(gòu)建方法四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究。

2、>　　演化算法是實(shí)現(xiàn)演化硬件的核心技術(shù)之一，同時(shí)也是組合優(yōu)化和全局搜索的主要工具。首先，以?xún)?nèi)部數(shù)字演化硬件為目標(biāo)，對(duì)適應(yīng)度評(píng)估方法和演化算法展開(kāi)研究，研究了可重構(gòu)單元陣列及電路表達(dá)方法，并分別在細(xì)粒度和粗粒度上研究了可重構(gòu)功能單元陣列的映射方法。然后，根據(jù)內(nèi)部硬件演化的需求，提出了一種基于精英保留策略的自適應(yīng)變異概率緊湊遺傳算法。該算法在基本緊湊遺傳算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)精英保留策略，防止最優(yōu)解在迭代過(guò)程中被破壞，提高了算法的收斂速度；引入

3、自適應(yīng)變異算子，改善算法的局部搜索能力，維持種群的多樣性，防止出現(xiàn)早熟收斂現(xiàn)象，進(jìn)一步提高了算法的性能。另外，在算法硬件實(shí)現(xiàn)方面，提出了一種可配置、可參數(shù)化的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。
　　在線(xiàn)演化修復(fù)是演化硬件的重要應(yīng)用領(lǐng)域。在分析了單粒子效應(yīng)和永久性老化故障模式的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有演化修復(fù)方法收斂速度較慢的缺點(diǎn)，提出了一種基于相關(guān)度排序故障定位的演化修復(fù)方法，減小了演化搜索空間，有效地提高了演化修復(fù)速度。另外，該方法的測(cè)試配置可在設(shè)計(jì)階段生

4、成，且其故障定位性能與電路的具體實(shí)現(xiàn)方式無(wú)關(guān)，具有較好的通用性。
　　演化平臺(tái)是內(nèi)部演化硬件的基礎(chǔ)。針對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)系統(tǒng)中修改LUT依賴(lài)于專(zhuān)用工具和比特流信息格式的不足，本文采用一種基于LUT操作的動(dòng)態(tài)映射方法進(jìn)行門(mén)級(jí)演化，解除了對(duì)底層比特流信息的依賴(lài)，并且有效提高了動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)的速度。針對(duì)大規(guī)模的演化應(yīng)用，提出了一種基于比特流重定位的函數(shù)級(jí)演化方法。通過(guò)比特流重定位技術(shù)，可以有效減少可重構(gòu)單元所需的配置數(shù)量。此外，還引入了比

5、特流壓縮技術(shù)，在減小了系統(tǒng)存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)，提高了重構(gòu)速度。針對(duì)嵌入式內(nèi)部演化需要，為了兼顧重構(gòu)粒度和配置速度的需求，設(shè)計(jì)了基于LUT級(jí)和函數(shù)級(jí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的嵌入式演化平臺(tái)，并通過(guò)演化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了演化平臺(tái)的性能。
　　針對(duì)傳統(tǒng)冗余容錯(cuò)方法存在的資源消耗巨大的不足，提出了動(dòng)態(tài)冗余的容錯(cuò)方法，并將動(dòng)態(tài)冗余和演化修復(fù)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)多層修復(fù)機(jī)制。在本文研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)冗余的演化修復(fù)系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)，使得系統(tǒng)可以工作在單模、雙