演化硬件

摘要： 演化硬件(EvolvableHardware,EHW)是可编程逻辑器件和进化算法的结合,可根据不同演化目标自主动态调整自身电路结构.在演化硬件方法中,由于其自演化特性和上层遗传算法为参数敏感型,面对不同演化对象自适应性较差.同时遗传算法有早熟缺陷,在大型演化目标后期经常无法演化到目标真值表,成功率较低.本文在传统演化硬件方法上,改进为基于强化学习和分块并行的演化硬件方法,并分三阶段进行演化.第一阶段使用基于强化学习的RLGA算法获得参数自学习能力,提高自适应性.第二阶段使用上一阶段学习到参数演化一定代数.第三阶段使用分块并行演化方法,提高末端演化能力,最终提高演化成功率.使用C语言对传统方法和三阶段法进行仿真比较,结果表明三阶段方法在面对大型真值表演化目标时可缩小演化硬件的演化代数,演化成功率提升至95%以上.

摘要： 为提高数字电路在线演化过程中的个体多样性以及收敛速度,提出一种函数级电路演化设计与实现方法,将每一个可演化逻辑单元中的函数功能也编码为染色体,参与演化操作,使函数功能在演化过程中也能够动态调整;限制逻辑单元的连接深度,使每一个逻辑单元的可连接深度都较小且相同,有利于抑制非法个体和加快收敛速度;在演化策略中引入一种不等概率连接的变异算子,缩小演化算法的搜索空间。多组测试电路的实验结果表明,该方法在增加生成电路多样性的同时,加快了电路演化的收敛速度,对规模不大的目标电路设计具有优势,特别适合于电路的容错与局部自修复。

摘要： 为了解决演化硬件实现过程中演化粒度较大造成资源浪费以及演化耗时长的问题,提出对FPGA资源-配置位流关系进行建模,在线生成位流的设计方法,并给出资源位流信息建模方法与位流在线生成算法。通过演化2位乘法器验证设计方法的有效性。结果表明:所提出的方法具有更低的资源代价和更高的演化速度。

摘要： 演化硬件是当前解决系统设计复杂度和系统可靠性这一矛盾最有潜力的技术.它是通过融入演化机制实现电子系统的实时自重构,它包括各种能够适应环境变化,并且在运行期间不断改善自身性能的电子系统.演化机制的引入使演化硬件具备了自修复的特性,其自修复特性来自于其对环境的自适应能力和对自身内部结构的自组织能力.利用演化硬件调整内部结构是实现自修复系统的重要途径.演化硬件所具有的自组织、自适应和自修复的特点能够在不需要人工干涉的前提下进行对故障的自诊断和自修复,不仅可以修复已知错误,还能够发现和修复未知的错误,为提高复杂系统的可靠性提供了全新的途经.

摘要： 演化硬件是当前解决系统设计复杂度和系统可靠性这一矛盾最有潜力的技术。它是通过融入演化机制实现电子系统的实时自重构,包括各种能够适应环境变化,并且在运行期间不断改善自身性能的电子系统。演化机制的引入使演化硬件具备了自组织、自适应和自修复的特性,这为优化硬件容错技术开辟了一条崭新的途径。演化硬件具有的自组织、自适应和自修复的特点能够在不需要人工干涉的前提下对故障进行自诊断和自修复,不仅可以修复已知错误,还能够发现和修复未知的错误,为提高复杂系统的可靠性提供了全新的途径。

摘要： 电路的演化设计方法是演化硬件研究的一个主要分支,它是开展演化硬件研究的基础,也是演化硬件得以具备自适应和自修复特性的技术前提.首先介绍了数字电路演化设计的理论基础,然后对系统开发所使用的硬件平台进行了描述,最后对电路演化设计的系统流程做了详细描述.为进一步深入到基于演化硬件的数字电路自适应和自修复技术研究打下了基础.

摘要： 演化硬件是当前解决系统设计复杂度和系统可靠性这一矛盾最有潜力的技术.它是通过融入演化机制来实现电子系统的实时自重构,并具备了自组织、自适应和自修复的特性,这为硬件容错技术开辟了一条崭新的途径.目前演化硬件主要采用对自身整体结构的重配置或者对局部结构的重配置来实现系统的自修复.本文提出了一种数字电路的自重构修复方法,该方法能够以消耗少量的冗余资源为代价获取良好的容错性能.通过实验证明了此演化设计方法运用到容错系统设计中的可行性和有效性.

摘要： 作为国家战略空间基础设施,北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)可以提供民用的标准定位服务和军用的精确定位服务,对我国的国防和经济建设意义重大;为研究BDS信号的产生机理和导航服务技术,在介绍伪随机码基本原理及BDS的CmI码和CB2I码产生方法的基础上,基于FPGA硬件对该码生成器进行了硬件仿真实现;通过定义11位寄存器用来描述11级移位寄存器各级的状态,以此为基础生成了m序列,并最终生成了CB1I码和CB21码;通过Modelsim软件进行了仿真实验,下载至FPGA进行了硬件实现实验,验证了该生成电路能准确得到目的CB1I码和CB2I码;设计了基于Nios Ⅱ和虚拟可重构(Virtual reconfigurable circuits,VRC)阵列的演化电路来实现该电路的方法,以可编程逻辑器件实现码生成电路,有助于对空间中BDS码生成器的抗干扰能力和自修复能力的研究.

摘要： The self-repairing feature of evolution hardware can effectively recover repairable faults of circuit systems.Due to the slow rate and low success rate in circuit evolution process, how to accomplish the evolution within the time constraint becomes a major challenge.We propose a real-time faulttolerant system based on evolution hardware, in which fault analysis trees are used to monitor circuit faults in real time, a fault compensation mechanism to maintain the normal operation of the system, and the evolution hardware technique is adopted to repair circuit faults so as to realize online real-time repair of faults.We test the fault-tolerant system on FPGA through random fault injection.Several evolutionary algorithms are used to verify the self-repairing capability of the fault-tolerant system.The results show that the repair rate of the fault circuit can reach 95％under the real-time constraint and the stability and reliability of the system are improved.%演化硬件的自修复特性能够有效解决电路系统的可修复性故障, 但演化硬件存在电路演化速度慢、演化成功率不高的缺陷, 如何在修复约束期限内完成电路演化成为关键难点.提出一种基于演化硬件的实时系统容错架构, 通过建立故障树实时监测电路故障, 利用故障补偿机制维持系统正常运行, 并采用演化硬件技术修复电路故障, 实现故障的在线实时修复.采用FPGA构建容错系统测试环境, 通过随机故障注入对比验证不同演化算法的自修复能力, 实验结果表明, 在实时性约束下故障电路的修复率达到95％, 有效提升了系统的稳定性和可靠性.

摘要： 针对复杂度日益递增的电子系统,以人工设计电路的方式无法满足大规模复杂电路设计,提出基于Zynq的演化硬件电路设计方案.该设计通过在Zynq的PS部分利用自适应遗传算法对电路染色体进行快速演化迭代,在PL部分实现虚拟可重构电路加速染色体适应度评估,通过软硬件协同合作,快速收敛得到所需目标电路的配置信息.实验结果表明该设计方案能够高效快速得到满足设计要求的目标电路,对电子电路设计具有一定实用价值.

摘要： 演化硬件作为新的硬件载体,具有自组织、自适应、自修复的能力,是人工智能在高能激光控制方面的一个重要应用.遗传算法是影响硬件演化速度的一个重要因素.针对目前传统遗传算法进化时间长、运算量大的问题,本文提出了一种改进的猴王遗传算法——种群杂交猴王遗传算法.受自然界生物种群杂交优势的启发,种群杂交猴王遗传算法将参与进化的基因序列划分为Nd个独立进化的子种群.每个子种群独立按照猴王遗传算法进化Td代形成原始种群的Nd个亚种群后,交换亚种群的猴王基因重复猴王遗传操作,在亚种群中产生具有杂交优势的后代.分析表明与猴王遗传算法相比,种群杂交猴王遗传算法可以将每一代基因排序的运算量减小到1/Nd,并且更加利于并行实现.基于MATLAB和Modelsim的仿真分析表明:种群杂交猴王遗传算法具有更快的收敛速度和更优的进化结果.

摘要： 介绍了演化硬件的概念、基本原理和实现方法，以无刷直流电机逻辑控制电路为例，对基于演化硬件的电路进化修复进行研究。通过引入单个逻辑单元故障到多个逻辑单元故障，研究电路通过进化自修复的能力。研究结果表明，无刷直流电机逻辑控制电路通过进化可以得到同等功能的不同电路拓扑结构，从而避开故障单元，使电路功能恢复，且电路的进化修复能力随故障点的增多而下降。

摘要： 为了提高复杂多变的导航战环境和恶劣的空间环境下卫星导航系统的卫星和地面站设备的可靠性和抗摧毁能力,简要介绍了演化硬件的实现原理及研究现状,分析了演化硬件在卫星电子系统设计、卫星导航电子系统自修复和自维护、卫星导航系统容错等方面的应用.基于演化硬件的数据选择器证明演化硬件能解决传统硬件设计不能解决的问题.

摘要： 提出了一种利用演化硬件技术来实现智能传感器故障自修复的方法.利用动态可编程模拟器件(FPAA)代替固定的传感器信号调理电路，在检测到传感器电路故障后，通过进化算法控制该可重构器件进行在线演化和动态重构，实现传感器系统的功能恢复.通过故障注入措施对所提容错传感器系统进行了故障自修复测试，结果表明，在多种故障条件和有限演化时间内系统均能自主恢复原有功能.

摘要： 论文简述了容错技术和演化硬件技术,指出了传统的三模块技术在应用中的不足之处,介绍了演化硬件的独特优势,给出了一种利用演化硬件方法实现演化三模块冗余表决的容错电路概要设计,使演化算法与可演化芯片有效地结合来提高容错电路的可靠性.

摘要： 在太空环境下,具有精密电子结构的大规模集成电路不断受到电离辐射的损伤而导致电子设备的故障,这种故障由于设备工作条件的限制不能直接进行人工修理.本文采用演化硬件(EHW)技术使硬件系统实现自修复,从而提高VLSI的可靠性.EHW是指可以随外界环境(如高温、电磁辐射等)的变化而动态改变其自身结构和行为的部件.研究表明,采用EHW技术可以大大提高VLSI系统的可靠性和自修复能力,尤其在航空、航天领域具有重要意义.

摘要： 常规空间飞行器设计时，针对其所处的内外部环境的变化，采取了适应于这些环境变化的适应性设计和冗余措施，但对于出现概率低的内外环境突变则不能给出足够的裕度，否则代价太大。随着可编程逻辑器件技术的快速发展,可编程逻辑器件内的硬件资源越来越丰富,可以实现越来越多的功能,使可重构计算技术逐渐受到人们的重视.同时,结合适当的演化算法就可以得到具有自演化功能的演化硬件.提出将演化硬件理论应用于可重构部件计算模块的生成,从而使动态可重构计算系统具有动态演化的能力.基于国产SoPC的硬件,结合遗传演化算法进行了动态演化的系统设计和实现.该研究成果具有广泛的应用前景，特别是在深空恶劣环境下有重要的应用价值。能提高星载电子产品的功能密度，提高对空间环境的适应性，有助于增长卫星寿命，提高系统的可靠性，有着广泛的应用前景和战略意义。

摘要： 随着半导体技术的飞跃发展,用于航天器上的半导体器件的集成度不断提高,器件的特征尺寸越来越小,由于单个高能带电粒子射入半导体器件灵敏区,使器件逻辑状态翻转为相反状态,从而存储的信息出错,导致系统的功能紊乱,严重的可以导致灾难性事故的单粒子翻转等单粒子效应所造成的损失越来越严重,成为影响航天器可靠性和寿命的主要因素[1].仅仅通过工艺方法改进器件结构和电路结构,提高器件抗单粒子效应能力的器件加固已不能满足目前的要求.本文利用三模块冗余容错机制来提高系统的可靠性,用可重配置芯片实现演化算法,利用演化硬件实现电子系统的容错、自修复、自适应等功能,大大提高了系统可靠性与适应性.

摘要： 基于电磁防护仿生概念，以电机控制系统为例给出了设计具有自修复能力电子系统一般方法，深入分析了重配置电路模型对电路演化修复的影响，提出了优化重配置电路模型的方法。实验结果表明，利用该优化方法改进的重配置电路模型大大降低了电路生成时间，提高了电路修复速度。

摘要： 基于电磁防护仿生概念，以电机控制系统为例给出了设计具有自修复能力电子系统一般方法，深入分析了重配置电路模型对电路演化修复的影响，提出了优化重配置电路模型的方法。实验结果表明，利用该优化方法改进的重配置电路模型大大降低了电路生成时间，提高了电路修复速度。

摘要： 本发明公开了一种演化硬件无延迟控制装置，包括嵌入式模块(1)、可编程逻辑单元(2)，其特征在于：还包括切换模块(3)，所述嵌入式模块(1)与可编程逻辑单元(2)以及切换模块(3)连接，所述可编程逻辑单元(2)与切换单元(3)连接，切换模块(3)用于切换嵌入式模块(1)和可编程逻辑单元(2)的输出。本发明可以使得可编程器件的输出为非正常工作状态时切换为嵌入式模块的信号输出，提高系统稳定性，实现演化硬件的无延迟控制。

摘要： 本发明公开了一种演化硬件无延迟控制方法，包括步骤有：S1、嵌入式模块运行演化算法，演化算法根据外界环境变化演化出新的最优解；S2、嵌入式模块根据新的最优解产生硬件配置参数和嵌入式系统输出；S3、嵌入式模块控制切换模块将可编程逻辑单元的输出切换为嵌入式系统输出；S4、嵌入式模块中的参数配置模块模拟可编程逻辑单元的配置时序，并将硬件配置参数配置到可编程逻辑单元中，在接收到可编程逻辑单元配置成功信号后，重启可编程逻辑单元，然后通知嵌入式模块；S5、嵌入式模块在得到可编程逻辑单元发来的启动完成信号后，控制切换模块将嵌入式系统输出切换回可编程逻辑单元的输出，嵌入式模块继续运行演化算法。本发明可以使得可编程器件的输出为非正常工作状态时切换为嵌入式模块的信号输出，提高系统稳定性，实现演化硬件的无延迟控制。

摘要： 本发明的目的在于提供一种基于演化硬件的井下生命探测装置及方法，所述的演化硬件的井下生命探测装置包括现场可编程门阵列FPGA模块以及与所述FPGA模块连接的外部存储器模块、空气环境传感器模块、采空区监测模块、声光报警模块、供电模块、处理器模块以及与所述处理器模块连接的Ad Hoc通信模块、与所述处理器模块连接的433MHZ通信模块，当设备电路发生故障时，传统的修复技术已经不适用了，通过演化硬件的算法对电路重新配置能很好的解决这个问题，包括自适应型的传感器及能够适应环境的变化而变化，在运行期间增强性能或进行自我修复的演化系统，增强设备的可靠性和安全性，适合广泛的推广使用。

摘要： 本发明公开了一种基于演化硬件的实时容错系统设计方法，属于演化硬件领域。该方法从电路编码和系统容错机制进行分析，并在FPGA平台上实现了一套实时容错系统。采用动态自适应CGP编码方法，挖掘编码矩阵的潜能，减少演化耗时，提高演化成功率；采用多种机制保证容错系统的实时性和容错性。以系统故障容错时间为约束条件，保证系统的实时性；利用静态故障配置库加速对故障的修复过程；当静态配置库溢出时，采用补偿修复模式重构系统，提高系统长期运行能力；采用虚拟可重构技术在FPGA平台上构建了一套实时容错系统原型，验证该设计方法的可行性和有效性。该方法兼顾系统的容错性和实时性，充分发挥演化硬件在容错系统设计领域的优势。

摘要： 本发明公开了一种用于硬件电路的冗余演化硬件的演化算法，该演化算法包括以下步骤：步骤一、算法执行端执行演化算法，并将演化算法运行过程中的中间参数和结果存储到存储器；步骤二、使用参数配置模块将演化算法及其运行过程中的中间参数和结果转化为可用于配置可重配置单元的配置数据流；步骤三、在算法执行端故障、可重配置单元故障或者可重配置单元资源不够用时，启动冗余可重配置单元。本发明具有比现有的演化硬件系统更好的安全性，提供了可切换的冗余解决方案。

摘要： 本发明公开了一种用于硬件电路的冗余演化硬件，包括算法执行端、可重配置单元、冗余可重配置单元以及存储单元，所述存储单元与算法执行端、冗余可重配置单元连接，算法执行端与可重配置单元、冗余可重配置单元连接，冗余可重配置单元与可重配置单元连接。所述算法执行端用于执行演化硬件的演化算法。本发明具有比现有的演化硬件系统更好的安全性，提供了可切换的冗余解决方案。

摘要： 本发明公开了一种基于改进演化硬件的电路自修复方法，采用演化硬件实现自修复电路；对电路系统外加一个补偿电路，对错误输出进行修复，利用异或运算的可反向计算的特性，目标输出与错误输出进行异或运算就得到的补偿系统的真值表，补偿系统实现后再利用异或运算，完成对于错误输出的修复功能。本发明使用演化硬件的自修复电路仅对错误部分进行修复，减少电路资源，提高可靠性。

摘要： 本发明公开了一种演化硬件无延迟控制装置，包括嵌入式模块(1)、可编程逻辑单元(2)，其特征在于：还包括切换模块(3)，所述嵌入式模块(1)与可编程逻辑单元(2)以及切换模块(3)连接，所述可编程逻辑单元(2)与切换单元(3)连接，切换模块(3)用于切换嵌入式模块(1)和可编程逻辑单元(2)的输出。本发明可以使得可编程器件的输出为非正常工作状态时切换为嵌入式模块的信号输出，提高系统稳定性，实现演化硬件的无延迟控制。

摘要： 本发明的目的在于提供一种基于演化硬件的井下生命探测装置及方法，所述的演化硬件的井下生命探测装置包括现场可编程门阵列FPGA模块以及与所述FPGA模块连接的外部存储器模块、空气环境传感器模块、采空区监测模块、声光报警模块、供电模块、处理器模块以及与所述处理器模块连接的Ad Hoc通信模块、与所述处理器模块连接的433MHZ通信模块，当设备电路发生故障时，传统的修复技术已经不适用了，通过演化硬件的算法对电路重新配置能很好的解决这个问题，包括自适应型的传感器及能够适应环境的变化而变化，在运行期间增强性能或进行自我修复的演化系统，增强设备的可靠性和安全性，适合广泛的推广使用。

摘要： 本发明公开了一种演化硬件无延迟控制方法，包括步骤有：S1、嵌入式模块运行演化算法，演化算法根据外界环境变化演化出新的最优解；S2、嵌入式模块根据新的最优解产生硬件配置参数和嵌入式系统输出；S3、嵌入式模块控制切换模块将可编程逻辑单元的输出切换为嵌入式系统输出；S4、嵌入式模块中的参数配置模块模拟可编程逻辑单元的配置时序，并将硬件配置参数配置到可编程逻辑单元中，在接收到可编程逻辑单元配置成功信号后，重启可编程逻辑单元，然后通知嵌入式模块；S5、嵌入式模块在得到可编程逻辑单元发来的启动完成信号后，控制切换模块将嵌入式系统输出切换回可编程逻辑单元的输出，嵌入式模块继续运行演化算法。本发明可以使得可编程器件的输出为非正常工作状态时切换为嵌入式模块的信号输出，提高系统稳定性，实现演化硬件的无延迟控制。