【摘要】：隨著信息技術(shù)的飛速進(jìn)步及其應(yīng)用范圍的不斷拓展,對(duì)任務(wù)和環(huán)境的自適應(yīng)、復(fù)雜功能集成、多場(chǎng)景應(yīng)用集成,已成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢(shì)。將演化思想引入電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作過(guò)程中,為構(gòu)建具有自適應(yīng)、自修復(fù)能力的電子系統(tǒng)開(kāi)辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域——演化硬件。本文以數(shù)字演化硬件為主要研究對(duì)象,探索構(gòu)建數(shù)字演化平臺(tái)和演化容錯(cuò)系統(tǒng)的基本方法,圍繞硬件演化中的演化算法、演化容錯(cuò)技術(shù)、數(shù)字演化平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)和演化容錯(cuò)系統(tǒng)構(gòu)建方法四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究。演化算法是實(shí)現(xiàn)演化硬件的核心技術(shù)之一,同時(shí)也是組合優(yōu)化和全局搜索的主要工具。首先,以內(nèi)部數(shù)字演化硬件為目標(biāo),對(duì)適應(yīng)度評(píng)估方法和演化算法展開(kāi)研究,研究了可重構(gòu)單元陣列及電路表達(dá)方法,并分別在細(xì)粒度和粗粒度上研究了可重構(gòu)功能單元陣列的映射方法。然后,根據(jù)內(nèi)部硬件演化的需求,提出了一種基于精英保留策略的自適應(yīng)變異概率緊湊遺傳算法。該算法在基本緊湊遺傳算法的基礎(chǔ)上,通過(guò)精英保留策略,防止最優(yōu)解在迭代過(guò)程中被破壞,提高了算法的收斂速度;引入自適應(yīng)變異算子,改善算法的局部搜索能力,維持種群的多樣性,防止出現(xiàn)早熟收斂現(xiàn)象,進(jìn)一步提高了算法的性能。另外,在算法硬件實(shí)現(xiàn)方面,提出了一種可配置、可參數(shù)化的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。在線演化修復(fù)是演化硬件的重要應(yīng)用領(lǐng)域。在分析了單粒子效應(yīng)和永久性老化故障模式的基礎(chǔ)上,針對(duì)現(xiàn)有演化修復(fù)方法收斂速度較慢的缺點(diǎn),提出了一種基于相關(guān)度排序故障定位的演化修復(fù)方法,減小了演化搜索空間,有效地提高了演化修復(fù)速度。另外,該方法的測(cè)試配置可在設(shè)計(jì)階段生成,且其故障定位性能與電路的具體實(shí)現(xiàn)方式無(wú)關(guān),具有較好的通用性。演化平臺(tái)是內(nèi)部演化硬件的基礎(chǔ)。針對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)系統(tǒng)中修改LUT依賴于專用工具和比特流信息格式的不足,本文采用一種基于LUT操作的動(dòng)態(tài)映射方法進(jìn)行門級(jí)演化,解除了對(duì)底層比特流信息的依賴,并且有效提高了動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)的速度。針對(duì)大規(guī)模的演化應(yīng)用,提出了一種基于比特流重定位的函數(shù)級(jí)演化方法。通過(guò)比特流重定位技術(shù),可以有效減少可重構(gòu)單元所需的配置數(shù)量。此外,還引入了比特流壓縮技術(shù),在減小了系統(tǒng)存儲(chǔ)開(kāi)銷的同時(shí),提高了重構(gòu)速度。針對(duì)嵌入式內(nèi)部演化需要,為了兼顧重構(gòu)粒度和配置速度的需求,設(shè)計(jì)了基于LUT級(jí)和函數(shù)級(jí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的嵌入式演化平臺(tái),并通過(guò)演化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了演化平臺(tái)的性能。針對(duì)傳統(tǒng)冗余容錯(cuò)方法存在的資源消耗巨大的不足,提出了動(dòng)態(tài)冗余的容錯(cuò)方法,并將動(dòng)態(tài)冗余和演化修復(fù)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)多層修復(fù)機(jī)制。在本文研究成果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)冗余的演化修復(fù)系統(tǒng),通過(guò)動(dòng)態(tài)部分重構(gòu),使得系統(tǒng)可以工作在單模、雙�；蛉顟B(tài),實(shí)現(xiàn)了邏輯資源開(kāi)銷與系統(tǒng)可靠性之間的平衡。另外,為了驗(yàn)證演化修復(fù)技術(shù)的容錯(cuò)能力,提出了一種基于動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)的故障注入方法。演化修復(fù)實(shí)驗(yàn)和容錯(cuò)性能評(píng)估結(jié)果表明,系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
【圖文】：

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文舉辦了 10 屆。鑒于演化硬件在航空航天以及軍事領(lǐng)域展現(xiàn)出的廣闊發(fā)展前景，美國(guó)航空航天局（NationalAeronautics and SpaceAdministration，NASA）和美國(guó)國(guó)防部（Department of Defense，DoD）在 1999 年舉辦了首屆演化硬件會(huì)議（NASA/DoD Workshop on Evolvable Hardware，WEH），之后每年在美國(guó)舉辦一次。WEH 自 2006 年改由 NASA 和歐洲航天局（European Space Agency，ESA）共同舉辦，并改名為自適應(yīng)硬件與系統(tǒng)會(huì)議（NASA/ESAConference onAdaptiveHardware and Systems，AHS），并在土耳其舉辦。AHS 每年舉辦一次，最新一屆會(huì)議于 2013 年 6 月在意大利都靈召開(kāi)。ICES 和 AHS 是演化硬件領(lǐng)域的頂級(jí)會(huì)議，反映了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展及研究動(dòng)態(tài)。另外，《IEEE Transactions onEvolutionary Computation》和《Genetic Programming and Evolvable Machines》等期刊也是獲取演化硬件相關(guān)信息的重要資源。

（a）模擬中頻濾波器 （b）FPTA （c）演化天線 （d）RISA圖 1.3 演化研究成果NASA/JPL 主要致力于模擬型演化硬件研究，其主要目標(biāo)是研究適用于航天飛機(jī)、宇宙飛船的自適應(yīng)、自修復(fù)電子系統(tǒng)。JPL 研制了現(xiàn)場(chǎng)可編程晶體管陣列（FPTA）（如圖 1.3（b）所示），并設(shè)計(jì)了基于 FPTA 的外部演化設(shè)計(jì)工具 EHWPack和板級(jí)內(nèi)部演化系統(tǒng)（Stand-Alone Board-Level Evolvable System，，SABLES）。JPL在 FPTA 上開(kāi)展了大量演化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，包括乘法器、基本邏輯門、半波整流器、模擬濾波器、4-bit DAC、電機(jī)控制器等，并驗(yàn)證了極端環(huán)境（空間粒子輻射、極限溫度）下模擬電路在線演化恢復(fù)能力[19][20][13][21]。此外，NASA 還開(kāi)展了演化天線設(shè)計(jì)研究，通過(guò)設(shè)置工作頻率、增益、駐波比、輸出阻抗等參數(shù)，無(wú)需人工干預(yù)即可設(shè)計(jì)出符合任務(wù)需求的演化天線。演化天線 ST5-3-10（如圖 1.3（c）所示）已成功應(yīng)用于 NASA 的 ST5 飛船[23]，成為首部部署到太空中的演化天線。瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的 D. Mange 是胚胎型演化硬件的先驅(qū)，主要研究基于胚胎陣列的細(xì)胞自動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了由 2000 個(gè) FPGA 組成的電子組織 Bio-Wall，將Von Neumann 研制自繁殖、自修復(fù)計(jì)算機(jī)的設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)[22][24][25][26]。由英國(guó) York 大學(xué)的 A. Tyrrell 負(fù)責(zé)主持的歐盟資助項(xiàng)目可重構(gòu) POEtic 組織
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN70;TP302.8

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2 李元香;謝曼;鄭波盡;張進(jìn)波;楊怡偉;;演化硬件設(shè)計(jì)的改進(jìn)演化程序[A];Systems Engineering, Systems Science and Complexity Research--Proceeding of 11th Annual Conference of Systems Engineering Society of China[C];2000年

3 婁建安;趙新青;;演化硬件在時(shí)序數(shù)字電路自適應(yīng)中的研究與實(shí)現(xiàn)[A];全國(guó)高等學(xué)校電子技術(shù)研究會(huì)2008年年會(huì)論文集[C];2008年

4 羅顯志;王W

本文編號(hào)：2632525