【摘要】： 進(jìn)化型硬件(Evolvable Hardware：EHW)是指硬件能夠通過(guò)與環(huán)境的交互作用自適應(yīng)地和動(dòng)態(tài)地改變和調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)和行為，其研究思路是在可重配置的硬件平臺(tái)上模擬自然進(jìn)化的過(guò)程。進(jìn)化型硬件具備自適應(yīng)、自組織、自修復(fù)的特點(diǎn)，這為硬件容錯(cuò)技術(shù)開(kāi)辟了一條嶄新的途徑。進(jìn)化型硬件不但能在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，在無(wú)需人為干涉的條件下實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)、自修復(fù)，而且能夠發(fā)現(xiàn)并修復(fù)未知的錯(cuò)誤。開(kāi)展基于EHW容錯(cuò)方法的理論和應(yīng)用研究對(duì)高可靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有十分重要的意義，例如核工業(yè)、航空航天、深海探索以及軍事等領(lǐng)域。 本文旨在研究基于進(jìn)化型硬件的容錯(cuò)方法，分別從快速電路進(jìn)化設(shè)計(jì)、異構(gòu)冗余系統(tǒng)進(jìn)化構(gòu)造以及胚胎電子系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)化設(shè)計(jì)這幾個(gè)方面進(jìn)行了研究。具體而言，本論文的主要研究工作有： (1)針對(duì)電路進(jìn)化設(shè)計(jì)存在收斂速度慢、可擴(kuò)展性差等問(wèn)題，本文通過(guò)實(shí)例分析說(shuō)明了電路中較復(fù)雜邏輯需要多層連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，并在進(jìn)化策略中引入一種新的變異算子——短距離優(yōu)先連接變異。該變異算子符合邏輯復(fù)雜電路的結(jié)構(gòu)特征，且大大降低了進(jìn)化算法的搜索空間大小，能夠有效地解決電路進(jìn)化設(shè)計(jì)中收斂速度慢的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，將這種進(jìn)化策略與現(xiàn)有的分而治之設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，結(jié)合后的設(shè)計(jì)方法能夠進(jìn)化較大規(guī)模電路，解決可擴(kuò)展性問(wèn)題，并且彌補(bǔ)了現(xiàn)有分解設(shè)計(jì)方法存在的使用門(mén)電路資源多，缺乏創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的不足。多組測(cè)試電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。 (2)研究了硬件電路的進(jìn)化冗余方法，這種方法解決了冗余系統(tǒng)中由于各子系統(tǒng)間存在相關(guān)錯(cuò)誤而導(dǎo)致可靠性降低的問(wèn)題。本文從兩個(gè)層次研究了這一問(wèn)題并提出相應(yīng)的冗余構(gòu)造方法：首先證明了在相關(guān)失效情況下，異構(gòu)兀余系統(tǒng)的可靠性?xún)?yōu)于同構(gòu)冗余系統(tǒng)，然后利用進(jìn)化算法生成多個(gè)結(jié)構(gòu)不同但功能相同的電路用于構(gòu)造冗余系統(tǒng)，并提出一種基于投票有利原則的冗余系統(tǒng)構(gòu)造方法；進(jìn)一步地，以錯(cuò)誤相關(guān)系數(shù)為基礎(chǔ)，分析了錯(cuò)誤相關(guān)存在時(shí)冗余系統(tǒng)的可靠性，指出異構(gòu)電路及其數(shù)量的優(yōu)化選擇對(duì)可靠性的重要性，并利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了高可靠異構(gòu)電路冗余系統(tǒng)的快速優(yōu)化構(gòu)造。 (3)提出了一種高可靠胚胎電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。胚胎電子系統(tǒng)借鑒了生物生長(zhǎng)及修復(fù)機(jī)制，具有自生長(zhǎng)、自檢測(cè)、自修復(fù)且重構(gòu)機(jī)制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是近年基于EHW容錯(cuò)的研究熱點(diǎn)。典型胚胎電子系統(tǒng)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)陣列，它通過(guò)節(jié)點(diǎn)的冗余和重構(gòu)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。本文首先指出胚胎陣列在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)成為特定功能的電路時(shí)，無(wú)論采用行取消還是細(xì)胞取消的錯(cuò)誤恢復(fù)策略，胚胎陣列中的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)行列結(jié)構(gòu)不同，其可靠性也不相同。在分析了不同恢復(fù)機(jī)制的可靠性的基礎(chǔ)上，從理論和數(shù)值分析的角度給出了相應(yīng)的高可靠胚胎陣列的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
【圖文】：

圖1一l進(jìn)化型硬件的沿革與未來(lái)【18]隨著進(jìn)化型硬件研究的發(fā)展，開(kāi)始有不少的關(guān)于進(jìn)化型硬件的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議和研討會(huì)召開(kāi)，1995年10月，進(jìn)化型硬件研討會(huì)(wbrkshop，TowardsEvolvableHardware)于瑞士洛桑召開(kāi);19%年10月，，第一屆進(jìn)化型硬件國(guó)際會(huì)議(lstInternationalConfereneeonEvolvableSystems:ICES96)于日本TSukuba召開(kāi)。除2000年和2001年連續(xù)開(kāi)了兩次會(huì)議之外，該會(huì)議每?jī)赡觊_(kāi)一次，會(huì)議地點(diǎn)主要在歐洲和日本;!999年7月，美國(guó)NASA/DOD召開(kāi)第一屆進(jìn)化型硬件專(zhuān)題研討會(huì)(TheFirstNAsA/DoDv人)rkshoponEvolvableHardware)，專(zhuān)門(mén)討論進(jìn)化型硬件的理論和應(yīng)用。該會(huì)議每年召開(kāi)一次，會(huì)議地點(diǎn)在美國(guó)各地。2006年，該會(huì)變?yōu)榈谝粚米赃m應(yīng)硬件與系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議‘TheF，rstNASA龍SAConferenceonAdaptiveHardwareandSystems:AHS一2006)，在土耳其的Istanbul召開(kāi)。

下載至配置電路完成進(jìn)化設(shè)計(jì)圖2一5電路進(jìn)化設(shè)計(jì)的一般流程(l)基于GA的FPTA電路設(shè)計(jì)A.Stoica等人設(shè)計(jì)了一種細(xì)條紋CMOS可編程晶體管門(mén)陣列來(lái)進(jìn)化模擬電路(實(shí)驗(yàn)進(jìn)化的是XNOR電路)【24，25，27]。FpTA的基本結(jié)構(gòu)如圖2一6所示，V+S，2}。二}圖2一 6FPTA的基本結(jié)構(gòu)【24)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2007
【分類(lèi)號(hào)】：TP302.8

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 李岳;王南天;錢(qián)彥嶺;;原核細(xì)胞仿生自修復(fù)電路設(shè)計(jì)[J];國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào);2012年03期

2 巨政權(quán);張海川;解雙建;;局部“自修復(fù)”電子系統(tǒng)的構(gòu)建及其可靠性分析[J];河北科技大學(xué)學(xué)報(bào);2011年S1期

3 李川濤;婁建安;張之武;常小龍;;基于Microblaze的組合電路在片進(jìn)化設(shè)計(jì)[J];河北科技大學(xué)學(xué)報(bào);2011年S1期

4 巨政權(quán);滿(mǎn)夢(mèng)華;原亮;;自組織容錯(cuò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其可靠性分析[J];微電子學(xué)與計(jì)算機(jī);2012年04期

5 王南天;錢(qián)彥嶺;李岳;卓清琪;李廷鵬;;胚胎型在線自修復(fù)FIR濾波器研究[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2012年06期

6 張峻賓;蔡金燕;李丹陽(yáng);潘剛;;三進(jìn)制編碼實(shí)現(xiàn)硬件演化方法研究[J];微電子學(xué)與計(jì)算機(jī);2013年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 李知方;組合邏輯電路和多態(tài)邏輯電路設(shè)計(jì)算法研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

2 張建政;并聯(lián)六維運(yùn)動(dòng)重載動(dòng)態(tài)模擬器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能研究[D];上海交通大學(xué);2012年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前9條

1 孫川;可重構(gòu)陣列自測(cè)試與容錯(cuò)技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2010年

2 周貴峰;基于胚胎型細(xì)胞電路的FIR濾波器仿生自修復(fù)技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

3 郝國(guó)鋒;可重構(gòu)硬件自診斷與自修復(fù)技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

4 呂啟;仿生自組織計(jì)算陣列體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

5 王南天;基于原核仿生陣列的自修復(fù)技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

6 李哲;基于可重構(gòu)FPGA的卷積碼通訊進(jìn)化電路研究[D];蘭州大學(xué);2008年

7 張小麗;機(jī)電產(chǎn)品容錯(cuò)糾錯(cuò)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2009年

8 張宇;可重構(gòu)硬件容錯(cuò)技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

9 平建軍;數(shù)字系統(tǒng)異構(gòu)冗余設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2602978