電子電路設計具有重要意義，此外電子電路設計具有一定難度。學習電子電路設計的朋友，在學習過程中需保持耐心。目前，電子電路設計不僅與物理知識有關，與生物學同樣相關。本文中，講介紹基于生物學的電子電路設計。本文僅為上篇，下篇相關內(nèi)容請關注后期文章。如果你對本文即將探討的電子電路設計內(nèi)容存在一定興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀。
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。
一、EHW的機理及相關技術(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(EvolutionaryComputing)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知識，并以數(shù)字電路為例介紹可進化硬件設計方法。
二、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。
三、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，F(xiàn)PGA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系。掉電后，F(xiàn)PGA恢復成白片，內(nèi)部邏輯關系消失，因此，F(xiàn)PGA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。
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