fpga在演化硬件中的应用

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1、FPGA在演化硬件中的应用

2、第1lunann就提出了研制具有自繁殖与自修复能力并能进行通用计算的机器的设想，这就是演化硬件的概念雏形。一直到演化算法和大规模PLD的出现，这一梦想才具备了实现的可能。1992年日本的HugodeGaris和瑞士联邦工学院的科学家同时正式提出了EHs,简称EAs）。EaAs是一类模拟自然界遗传进化规律的仿生学算法，它们首先随机产生一组待求优化问题的潜在可能矢量解（解称为染色体，解的集合称为种群，解中的分量称为基因）；然后采用变异、交*、评价、选择等手段，优胜劣汰，不能进化，最后获得优化解。作为一

3、种优化算法，它们也具有自适应、自组织、自修复的特性，本身还具有随机性和并行性。在搜索解空间时，能以很大概率找到全局解，不易陷入局部优化点。嵌入问题方式简单，寻优鲁棒性强，可以解决不连续、不可导、多目标、带各种约束条件的优化问题，因而成为EHW演化的“发动机”或“引擎”。EHW的简单定义为：演化算法+可编程逻辑器件。从目前EHW研究的内容看，EHW具两个方面的内容：①根据功能或指标的要求，采用EA技术对电路进行合成，形成新电路结构和参数。值得一提的是EA用于电路及系统设计由来已欠，但主要集中于利用电路参数设计电路板、布线、布局

4、优化等方面[2]，与本文所指的EHW有本质区别。②　　FPGA在演化硬件中的应用

5、第1lunann就提出了研制具有自繁殖与自修复能力并能进行通用计算的机器的设想，这就是演化硬件的概念雏形。一直到演化算法和大规模PLD的出现，这一梦想才具备了实现的可能。1992年日本的HugodeGaris和瑞士联邦工学院的科学家同时正式提出了EHs,简称EAs）。EaAs是一类模拟自然界遗传进化规律的仿生学算法，它们首先随机产生一组待求优化问题的潜在可能矢量解（解称为染色体，解的集合称为种群，解中的分量称为基因）；然后采用变异、交*、评价、

6、选择等手段，优胜劣汰，不能进化，最后获得优化解。作为一种优化算法，它们也具有自适应、自组织、自修复的特性，本身还具有随机性和并行性。在搜索解空间时，能以很大概率找到全局解，不易陷入局部优化点。嵌入问题方式简单，寻优鲁棒性强，可以解决不连续、不可导、多目标、带各种约束条件的优化问题，因而成为EHW演化的“发动机”或“引擎”。EHW的简单定义为：演化算法+可编程逻辑器件。从目前EHW研究的内容看，EHW具两个方面的内容：①根据功能或指标的要求，采用EA技术对电路进行合成，形成新电路结构和参数。值得一提的是EA用于电路及系统设计由

7、来已欠，但主要集中于利用电路参数设计电路板、布线、布局优化等方面[2]，与本文所指的EHW有本质区别。②具有自组织、自适应自修复特性的硬件电路。此为EHW最吸引人的地方，其核心为“自适应”。由于FPGA比以往PLD具有独特的优越性，目前大多数的EHW都采用FPGA器件。2EHW的实现方法和演化方式从FPGA的原理可知，FPGA结构可以最终描述为配置数据。因此对FPGA的演化，最终可归结为对配置数据的演化，整个演化过程大约可描述成如下步骤：①设定EA参数，如交*率、变异率、种群数等；②随机产生初始化种群Xi={xi1,xi2,

8、…，xiR}，其中1≤i≤POP_SIZE；Xi为染色体，代表FPGA结构编码，如二进制串等；R为基因总数；③评价种群中的各染色体，获取相应的适应度函数值；④以某种方式选择部分种群，按指定的变异率、交*率进行交*、变异，形成新的子染色体；⑤评价表的染色体，与父代染色体一起按适应度函数值大小选出POP_SIZE的个体染色体作为下一代种群；⑥判别是否满足终止条件：是，结束；否，回到④重复演化过程。EA染色体编码方式是影响EA计算速度和有效性的重要因素。根据编码方式和级别的不同，可将EHW进化方式分为三类：直接型、间接型和函数型。

9、直接型的任务是直接进化结构位串以改变门级电路的连接。结构位串为染色体，通过专用的软件工具，下载到FPGA中，以获得新的电路，如图1所示[3]。这种演化层次属于门级水平，缺点是染色体的表示过于庞大。一般情况下（不考虑其他结束条件），n个逻辑门的进化，染色体的串位数为O（n2）数量级，无论是表示或进化都是十分困难的。间接型的任务并不直接进化结构位串，它采用了高级的表达方式，即用树或法则产生电路。文献[4]提供了一个很典型的例子，它采用了硬件描述语言（HDL）程序实现一个二进制加法器，染色体为按规则产生的衍生树（derivatio

10、ntree），500)this.style.ouseg(this)">树的所有可能结果钭与电路结构的所有可能结果一一对应。每一个树可以产生一个结构功能描述程序块，如果该树是合活的话，则将衍生出HDL的EHW结构描述程序。EA的交*、变异等算子对树的作用与一般的EA算法对二进制串的作用相似，