数字电路多目标进化设计研究

摘要

进化硬件(Evolvable Hardware,EHW)又称仿生硬件,是一种能根据外部环境的变化而自主地、动态地改变自身的结构和行为以适应其生存环境的硬件电路,具有自组织、自适应和自修复能力。基于这种优良特性,进化硬件技术在电路设计、自动控制、容错系统、模式识别与人工智能、机器人、太空和深海探索等领域具有广阔的应用前景。
　　 针对目前进化硬件存在的电路规模较小的问题,本文研究了一种适合进化较大规模数字电路的多目标进化设计方法,进一步研究了异构冗余系统多目标进化设计方法,设计出规模更大、结构更优、容错能力更强的异构冗余容错系统。论文的主要研究内容如下:
　　 (1)研究了一种基于真值表分离置换技术的进化设计方法。该方法采用多级分解进化思想,对真值表变量进行分离,并将真值表置换成新的真值子表,使复杂电路分解成多级简单子电路,进而构造规模更大的数字电路。实验结果表明,新方法能够有效进化出较大规模的数字电路。
　　 (2)研究了数字电路多目标进化设计方法。以电路功能、使用资源和时延为设计优化目标,采用真值表输入变量寻优排序策略,在多目标进化算法中引入约束法、小生境法以及最优个体存档法,实现了数字电路的多目标进化设计。实验结果表明,新方法能够进化出资源更少、时延更短的数字电路。
　　 (3)研究了异构冗余数字系统多目标进化设计方法。针对现有异构评价方法的不足,设计了合理有效的基于拓扑结构的异构评价策略,利用多目标遗传算法,设计出容错性能更好的异构冗余系统。
　　 本文的研究工作受到国家自然科学基金(60871009)与航空科学基金(2009ZD52045)的资助。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录、注释表

第一章 绪论

1.1 进化硬件的概述及研究意义

1.1.1 进化硬件的概述

1.1.2 进化硬件的研究意义

1.2 进化硬件研究现状分析

1.3 进化硬件研究存在问题

1.4 本文的研究内容及结构安排

第二章 进化硬件原理与实现

2.1 进化硬件基本原理

2.2 进化硬件的分类

2.3 进化硬件的实现步骤

2.4 本章小结

第三章 基于真值表分离置换技术的数字电路多目标进化设计

3.1 引言

3.2 真值表分离置换技术

3.2.1 分离技术原理基础

3.2.2 基于真值表的分离置换技术

3.2.3 真值表分离置换技术的进化实现

3.3 数字电路多目标进化设计

3.3.1 多目标优化设计

3.3.2 多目标优化算法分析

3.3.3 数字电路多目标进化设计

3.3.4 真值表输入变量寻优排序策略

3.4 实验验证与分析

3.4.1 实验平台介绍

3.4.2 基于真值表分离进化的16位加法器设计

3.4.3 基于真值表分离置换技术的数字电路进化设计实验分析

3.4.4 数字电路多目标进化设计实验验证与分析

3.5 本章小结

第四章 异构冗余数字系统多目标进化设计

4.1 引言

4.2 异构冗余系统设计与评价方法

4.2.1 异构冗余系统设计方法

4.2.2 冗余容错系统异构评价方法

4.3 异构冗余系统多目标进化设计

4.4 异构系统性能分析

4.4.1 同构、异构冗余系统比较

4.4.2 异构评价方法理论分析

4.4.3 多目标异构冗余系统可靠度分析

4.5 实验验证与分析

4.5.1 异构冗余系统设计实验验证与分析

4.5.2 异构冗余系统多目标进化设计实验分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文研究工作总结

5.2 课题展望

参考文献

致谢

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