【摘要】： 進化型硬件(Evolvable Hardware：EHW)是指硬件能夠通過與環(huán)境的交互作用自適應地和動態(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上模擬自然進化的過程。進化型硬件具備自適應、自組織、自修復的特點，這為硬件容錯技術(shù)開辟了一條嶄新的途徑。進化型硬件不但能在發(fā)生錯誤時，在無需人為干涉的條件下實現(xiàn)自檢測、自修復，而且能夠發(fā)現(xiàn)并修復未知的錯誤。開展基于EHW容錯方法的理論和應用研究對高可靠系統(tǒng)設計領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域。 本文旨在研究基于進化型硬件的容錯方法，分別從快速電路進化設計、異構(gòu)冗余系統(tǒng)進化構(gòu)造以及胚胎電子系統(tǒng)應用中的優(yōu)化設計這幾個方面進行了研究。具體而言，本論文的主要研究工作有： (1)針對電路進化設計存在收斂速度慢、可擴展性差等問題，本文通過實例分析說明了電路中較復雜邏輯需要多層連接來實現(xiàn)，并在進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雜電路的結(jié)構(gòu)特征，且大大降低了進化算法的搜索空間大小，能夠有效地解決電路進化設計中收斂速度慢的問題。在此基礎上，將這種進化策略與現(xiàn)有的分而治之設計方法相結(jié)合，結(jié)合后的設計方法能夠進化較大規(guī)模電路，解決可擴展性問題，并且彌補了現(xiàn)有分解設計方法存在的使用門電路資源多，缺乏創(chuàng)造性設計的不足。多組測試電路的實驗結(jié)果驗證了該算法的有效性。 (2)研究了硬件電路的進化冗余方法，這種方法解決了冗余系統(tǒng)中由于各子系統(tǒng)間存在相關錯誤而導致可靠性降低的問題。本文從兩個層次研究了這一問題并提出相應的冗余構(gòu)造方法：首先證明了在相關失效情況下，異構(gòu)兀余系統(tǒng)的可靠性優(yōu)于同構(gòu)冗余系統(tǒng)，然后利用進化算法生成多個結(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；進一步地，以錯誤相關系數(shù)為基礎，分析了錯誤相關存在時冗余系統(tǒng)的可靠性，指出異構(gòu)電路及其數(shù)量的優(yōu)化選擇對可靠性的重要性，并利用遺傳算法實現(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)的設計準則。胚胎電子系統(tǒng)借鑒了生物生長及修復機制，具有自生長、自檢測、自修復且重構(gòu)機制簡單等特點，是近年基于EHW容錯的研究熱點。典型胚胎電子系統(tǒng)是一個節(jié)點陣列，它通過節(jié)點的冗余和重構(gòu)實現(xiàn)容錯。本文首先指出胚胎陣列在實際應用中設計成為特定功能的電路時，無論采用行取消還是細胞取消的錯誤恢復策略，胚胎陣列中的活動節(jié)點行列結(jié)構(gòu)不同，其可靠性也不相同。在分析了不同恢復機制的可靠性的基礎上，從理論和數(shù)值分析的角度給出了相應的高可靠胚胎陣列的設計準則。
【圖文】：

圖1一l進化型硬件的沿革與未來【18]隨著進化型硬件研究的發(fā)展，開始有不少的關于進化型硬件的國際學術(shù)會議和研討會召開，1995年10月，進化型硬件研討會(wbrkshop，TowardsEvolvableHardware)于瑞士洛桑召開;19%年10月，，第一屆進化型硬件國際會議(lstInternationalConfereneeonEvolvableSystems:ICES96)于日本TSukuba召開。除2000年和2001年連續(xù)開了兩次會議之外，該會議每兩年開一次，會議地點主要在歐洲和日本;!999年7月，美國NASA/DOD召開第一屆進化型硬件專題研討會(TheFirstNAsA/DoDv人)rkshoponEvolvableHardware)，專門討論進化型硬件的理論和應用。該會議每年召開一次，會議地點在美國各地。2006年，該會變?yōu)榈谝粚米赃m應硬件與系統(tǒng)國際會議‘TheF，rstNASA龍SAConferenceonAdaptiveHardwareandSystems:AHS一2006)，在土耳其的Istanbul召開。

下載至配置電路完成進化設計圖2一5電路進化設計的一般流程(l)基于GA的FPTA電路設計A.Stoica等人設計了一種細條紋CMOS可編程晶體管門陣列來進化模擬電路(實驗進化的是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)
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2007
【分類號】：TP302.8

【引證文獻】

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4 巨政權(quán);滿夢華;原亮;;自組織容錯系統(tǒng)的設計及其可靠性分析[J];微電子學與計算機;2012年04期

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本文編號：2602978