數(shù)字進(jìn)化硬件關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、進(jìn)化硬件是一種將進(jìn)化算法與可重構(gòu)器件有機(jī)結(jié)合的硬件系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)硬件的不同在于其具有自組織、自適應(yīng)和自修復(fù)能力。進(jìn)化硬件的研究對新型智能電路和芯片設(shè)計方法，對構(gòu)建自組織、自適應(yīng)和自修復(fù)的硬件系統(tǒng)，對解決當(dāng)前復(fù)雜集成電路和芯片設(shè)計中面臨的各種重大問題，對實現(xiàn)航空航天飛行器的高可靠性、長期可用性，都具有非常重要的理論意義和實用價值。
　　 針對數(shù)字進(jìn)化硬件的關(guān)鍵技術(shù)，論文分別研究了進(jìn)化算法的設(shè)計與應(yīng)用、復(fù)雜數(shù)字電路的在線進(jìn)化技術(shù)及基

2、于進(jìn)化硬件的強(qiáng)容錯三模冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與容錯機(jī)制。
　　 1. 給出了進(jìn)化算法模型與設(shè)計步驟，對其4個分支進(jìn)行了分析與比較，提出了一種基于進(jìn)化算法的自適應(yīng)形態(tài)濾波器結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，以遺傳算法作為優(yōu)化工具，在Xilinx XCV2000-E FPGA上對濾波器結(jié)構(gòu)和參數(shù)（濾波算法、結(jié)構(gòu)元素形狀和尺寸）進(jìn)行在線優(yōu)化。對典型噪聲的濾波結(jié)果表明，該濾波器能夠根據(jù)噪聲的不同自適應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)和參數(shù)，魯棒性好，濾波性能優(yōu)于均值濾波器和中值濾波器，且

3、該濾波器采用硬件實現(xiàn)，便于在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。
　　 2. 為提高進(jìn)化收斂速度，提出了一種基于猴王婚配機(jī)制的免疫遺傳算法，模擬猴王婚配機(jī)制將交叉有效引至算法中，并保留最優(yōu)個體以保證算法的收斂性，同時通過雙變異、自適應(yīng)變異和模擬褪火等機(jī)制提高搜索效率，采用相異矩陣和模糊選擇法簡化計算過程。給出了算法原理、步驟和收斂性證明，通過函數(shù)優(yōu)化、數(shù)字邏輯電路在線進(jìn)化和圖像濾波器的在線進(jìn)化對算法性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，該算法可有效克服遺傳算

4、法的早熟收斂問題，加快收斂速度。
　　 3.分析了進(jìn)化大規(guī)模電路存在的困難和解決方法，針對寄存器級數(shù)字電路的進(jìn)化，提出了生長進(jìn)化方法。該方法首先將復(fù)雜電路分解為不同的種子電路，然后結(jié)合L 系統(tǒng)的生長方法遞增進(jìn)化，隨時保護(hù)已進(jìn)化成功的電路結(jié)構(gòu)，并采用增長驗證評估方法解決在線驗證評估難題。結(jié)果表明，采用生長進(jìn)化方法進(jìn)化出的電路規(guī)模和進(jìn)化速度均優(yōu)于傳統(tǒng)的直接進(jìn)化方法。
　　 4. 針對片上系統(tǒng)進(jìn)化，提出了一種基于可進(jìn)化實時可參

5、數(shù)化核（RTP 核）的設(shè)計方法，可根據(jù)用戶設(shè)計實時改變軟IP 核的功能。給出了可進(jìn)化RTP 核的概念和模型，并以HDB3 編碼器設(shè)計為例，給出了可進(jìn)化RTP 核的進(jìn)化設(shè)計方法和基于可進(jìn)化RTP核的片上系統(tǒng)設(shè)計方法。使用可進(jìn)化RTP 核可實現(xiàn)片上系統(tǒng)的在線進(jìn)化、自適應(yīng)與自修復(fù)，為進(jìn)化硬件的工程應(yīng)用提供了一種可行的實現(xiàn)方法。
　　 5. 為提高太空惡劣環(huán)境中電子系統(tǒng)的可靠性，將進(jìn)化硬件與傳統(tǒng)三模冗余（TMR）容錯思想相結(jié)合，提出了一

6、種具有多種在線自修復(fù)機(jī)制的強(qiáng)容錯TMR 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，可以在不影響系統(tǒng)正常工作的前提下實現(xiàn)故障模塊的在線修復(fù)。該系統(tǒng)采用TMR結(jié)構(gòu)，可實時檢測并定位故障模塊；模塊中每個組件均有備件，故障發(fā)生時可通過備件切換法快速自修復(fù)，同時模塊中每個組件也可通過進(jìn)化進(jìn)行修復(fù)；另外還通過異構(gòu)冗余設(shè)計降低2個以上模塊同時發(fā)生故障的概率。給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和可靠性模型，推出了可靠性計算公式，對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了理論分析，并以具有片內(nèi)三模冗余的HDB3 編碼