基于生物学的电子电路设计(2)

１．２ 现场可编程逻辑阵列(ＦＰＧＡ)

现场可编程逻辑阵列是一种基于查找表(ＬＵＴ, Ｌｏｏｋｕｐ Ｔａｂｌｅ)结构的可在线编程的逻辑电路。它由存放在片内ＲＡＭ中的程序来设置其工作状态，工作时需要对片内的ＲＡＭ进行编程。当用户通过原理图或硬件描述语言（ＨＤＬ）描述了一个逻辑电路以后， ＦＰＧＡ开发软件会把设计方案通过编译形成数据流，并将数据流下载至ＲＡＭ中。这些ＲＡＭ中的数据流决定电路的逻辑关系。掉电后，ＦＰＧＡ恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，ＦＰＧＡ能够反复使用，灌入不同的数据流就会获得不同的硬件系统，这就是可编程特性。这一特性是实现ＥＨＷ的重要特性。目前在可进化电子电路的设计中，用得最多得是Ｘｉｌｉｎｘ 公司的Ｖｉｒｔｅｘ系列 ＦＰＧＡ芯片。

２ 进化电子电路设计架构

本节以设计高容错性的数字电路设计为例来阐述ＥＨＷ的设计架构及主要设计步骤。对于通过进化理论的遗传算法来产生容错性，所设计的电路系统可以看作一个具有持续性地、实时地适应变化的硬件系统。对于电子电路来说，所谓的变化的来源很多，如硬件故障导致的错误，设计要求和规则的改变，环境的改变（各种干扰的出现）等。

从进化论的角度来看，当这些变化发生时，个体的适应度会作相应的改变。当进化进行时，个体会适应这些变化重新获得高的适应度。基于进化论的电子电路设计就是利用这种原理,通过对设计结果进行多次地进化来提高其适应变化的能力。

电子电路进化设计架构如图１所示。图中给出了电子电路的设计的两种进化，分别是内部进化和外部进化。其中内部进化是指硬件内部结构的进化，而外部进化是指软件模拟的电路的进化。这两种进化是相互独立的，当然通过外部进化得到的最终设计结果还是要由硬件结构的变化来实际体现。从图中可以看出，进化过程是一个循环往复的过程，其中是根据进化算法（遗传算法）的计算结果来进行的。整个进化设计包括以下步骤：

（１）根据设计的目的，产生初步的方案，并把初步方案用一组染色体（一组“０”和“１”表示的数据串）来表示，其中每个个体表示的是设计的一部分。染色体转化成控制数据流下载到ＦＰＧＡ上，用来定义ＦＰＧＡ的开关状态，从而确定可重构硬件内部各单元的联结，形成了初步的硬件系统。用来设计进化硬件的ＦＰＧＡ器件可以接受任意组合的数据流下载，而不会导致器件的损害。

（２）将设计结果与目标要求进行比较，并用某种误差表示作为描述系统适应度的衡量准则。这需要一定的检测手段和评估软件的支持。对不同的个体，根据适应度进行排序，下一代的个体将由最优的个体来产生。

（３）根据适应度再对新的个体组进行统计，并根据统计结果挑选一些个体。一