基于FPGA的SOC设计方法实现进化硬件的研究

摘要

进化硬件是基于进化算法改变自身结构与功能的硬件电路。它结合了可编程器件、人工智能、容错机制以及自动控制系统，能够依据与外部环境的相互作用，自主、动态的改变自身结构和行为。具有上述特点的进化硬件，不仅可以实现复杂电路的自动设计从而获得新颖、优化的电路结构，更是实现具有自我修复功能系统的有效途径。 进化硬件可以概括为进化算法与可编程器件的融合，因此对于进化硬件的研究应包含进化算法的实现以及对可编程器件的编码与配置，本文分别对这两部分进行了研究，并利用基于FPGA的SOC设计方法实现了相应的设计。 本文首先介绍了进化硬件的概念，并做出分类和说明。随后概述了遗传算法以及FPGA的结构及重构原理。在此基础上，利用Xilinx的集成开发环境ISE以及嵌入式开发套件EDK，实现了基于FPGA的SOC方法的进化硬件设计。最后，采用Chipscope软件对其内部功能进行验证，同时对进化过程中的相关数据进行了分析。结果表明，采用基于FPGA的SOC设计方法对进化硬件的研究取得了预期效果，具有一定的可行性及研究价值。

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致谢

第一章 绪论

1.1进化硬件的特性

1.2进化硬件的研究与应用

1.2.1数字进化硬件

1.2.2模拟进化硬件

1.2.3机械硬件进化

1.2.4国内的相关研究

1.3基于FPGA的SOC设计方法实现进化硬件

1.4本文的工作及内容安排

第二章 遗传算法与进化硬件

2.1遗传算法的概念及理论概述

2.2遗传算法的基本操作过程

2.2.1编码和初始种群产生

2.2.2适应度评估

2.2.3遗传操作

2.3基于遗传算法的进化硬件

第三章 FPGA及其配置与重构

3.1 FPGA的结构

3.1.1可配置逻辑模块CLB

3.1.2输入输出模块IOB及内部连线

3.1.3扩展功能模块

3.2 FPGA的配置与重构

3.2.1 FPGA的配置

3.2.2 FPGA的重构

3.2.3进化硬件与FPGA的重构

3.3虚拟可重构

3.3.1虚拟可重构电路

3.3.2虚拟可重构的染色体编码

第四章 系统硬件的构建

4.1系统的硬件结构

4.1.1 Microblaze处理器软核

4.1.2 Microblaze的总线接口

4.1.3 IP的制定与添加

4.2 OPB可进化模块

4.2.1 OPB从设备的时序

4.2.2 OPB可进化模块的功能与结构

4.2.3TMR模块的功能与结构

4.2.4可编程单元PE的结构

4.2.5染色体配置过程仿真

4.3其它OPB外设

4.3.1通用输入/输出GPIO

4.3.2 OPB定时器/计数器

4.3.3 OPB中断控制器

4.4地址分配及资源占用

第五章 系统软件及算法实现

5.1系统软件结构及流程

5.2遗传算法的实现

5.2.1染色体定义与配置

5.2.2适应度的定义与计算

5.2.3进化操作

5.3 LCD显示的实现

5.3.1 GPIO读写及OPB定时器控制

5.3.2显示通信的建立

5.3.3显示功能的实现

第六章 系统验证

6.1进化功能的验证

6.2修复功能的验证

6.3显示及通信功能验证

第七章 总结与展望

7.1工作总结

7.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文