王平均，覃 楨（海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南瓊海，571400）

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基于遺傳程序設(shè)計(jì)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化研究

王平均，覃 楨
（海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南瓊海，571400）

摘要：本文通過(guò)介紹電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，演化硬件，遺傳程序設(shè)計(jì)三個(gè)概念，并且從基于遺傳程序設(shè)計(jì)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化研究中來(lái)還找尋三者的關(guān)系，并且分析遺傳程序設(shè)計(jì)的算法思想及實(shí)現(xiàn)的方式，并將其運(yùn)用到數(shù)字電路的自動(dòng)化設(shè)計(jì)中去。

關(guān)鍵詞：電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化；遺傳程序設(shè)計(jì)；演化硬件

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，整個(gè)社會(huì)進(jìn)入了一個(gè)科技高度發(fā)展的時(shí)期，在這個(gè)時(shí)期各個(gè)領(lǐng)域的科技都得到了一個(gè)高速的發(fā)展，其中在二十一世紀(jì)發(fā)展最為迅速的是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展變得非常的快，已經(jīng)達(dá)到了滲透到人們生活中的各個(gè)領(lǐng)域的地步，在這其中，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)都得到了一個(gè)很廣泛的發(fā)展，并且隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)變得更加的高級(jí)，更加的有效。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)成了電子技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)帶給了電子技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中非常多的便利，設(shè)計(jì)者可以利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)來(lái)完成在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要完成的大部分工作，帶來(lái)了非常多的便利，從而被廣泛的應(yīng)用，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)被廣泛應(yīng)用的同時(shí)也得到了高速的發(fā)展，但是在發(fā)展的過(guò)程中也遇到了瓶頸，由于現(xiàn)在的人們對(duì)于電路的要求變得更加的復(fù)雜化，而且其中對(duì)于演化硬件的研究仍然還存在一些瓶頸，如何將電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)和演化硬件進(jìn)行妥善的結(jié)合，并且在遺傳程序設(shè)計(jì)過(guò)程中利用演化硬件和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)算法，來(lái)提高演化設(shè)計(jì)的速度，并且使得數(shù)字電路的設(shè)計(jì)也變得更加的完善。

1 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)過(guò)程中而形成的一門(mén)新技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為EDA，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電子電路的設(shè)計(jì)和仿真，集成電路的版圖設(shè)計(jì)、印刷電路板的設(shè)計(jì)和可編程器件的編程等各項(xiàng)工作中。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)在被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，仍然存在著很多的不成熟的地方。比如在模擬集成電路以及混合電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化的發(fā)展尚不成熟，最近幾年來(lái)，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）技術(shù)的發(fā)展帶給數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的變化。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)主要包含的應(yīng)用技術(shù)有EDA軟件設(shè)計(jì)工具、硬件描述語(yǔ)言、可編程邏輯器件（PLD）。這些工具的發(fā)展使得電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)變得更加的方便和普及，也使得電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用變得更加的廣泛。

2 演化硬件

演化硬件，簡(jiǎn)稱(chēng)EHW，它主要是仿照自然界中生物的進(jìn)化過(guò)程，在現(xiàn)有的FPGA芯片的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可以控制的硅基進(jìn)化過(guò)程，演化硬件進(jìn)行演化設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)方法是將電路的結(jié)構(gòu)、參數(shù)等項(xiàng)內(nèi)容作為染色體加以編碼并施加交叉、變異等演化操作。電路的輸人一輸出特性與預(yù)期結(jié)果的符合程度來(lái)作為個(gè)體的適應(yīng)度，來(lái)指導(dǎo)下一步的演化操作。經(jīng)過(guò)反復(fù)的操作來(lái)逐步通過(guò)計(jì)算找到符合要求的個(gè)體，來(lái)達(dá)到最終電路的實(shí)現(xiàn)。演化硬件可以進(jìn)行演化設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)的結(jié)果是能夠?qū)呻娐沸酒锌梢赃M(jìn)行重新配置的邏輯單元進(jìn)行重新配置和重新組合，而且利用演化硬件可以使得系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、連接方式都可以得到改變。對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)連接方式進(jìn)行局部的變更，或者是進(jìn)行整體的調(diào)整。在進(jìn)行遺傳程序設(shè)計(jì)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化研究中，演化硬件在其中占據(jù)了一個(gè)很重要的地位，使得遺傳程序電路的設(shè)計(jì)變得更加的直觀(guān)，同時(shí)也使得更加的適合調(diào)整，因此受到了廣泛的應(yīng)用，也受到了廣泛的發(fā)展。

3 遺傳程序設(shè)計(jì)

遺傳程序設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)稱(chēng)為基因編程或者是GP ，這是一種基于生物進(jìn)化過(guò)程的自動(dòng)化生成和選擇計(jì)算機(jī)程序來(lái)完成用戶(hù)定義的任務(wù)的技術(shù)，遺傳程序設(shè)計(jì)在理論上可以通過(guò)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行遺傳編程，可以實(shí)現(xiàn)人工智能。而且也有可能會(huì)實(shí)現(xiàn)真正意義上的人工智能，遺傳程序設(shè)計(jì)是一種特殊的利用進(jìn)化算法的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)， 廣泛意義講，一群隨機(jī)產(chǎn)生的千萬(wàn)個(gè)計(jì)算機(jī)程序，根據(jù)一個(gè)程序給定的任務(wù)完成能力來(lái)確定某個(gè)程序的最適合度，利用達(dá)爾文的自然選擇準(zhǔn)則來(lái)選擇出中最適合的程序，計(jì)算機(jī)程序之間也會(huì)進(jìn)行模擬兩性的組合，變異，基因復(fù)制，基因刪除等進(jìn)化過(guò)程，直到進(jìn)化到預(yù)定的某個(gè)終止條件。利用遺傳程序設(shè)計(jì)在某種意義上可以達(dá)到真正的人工智能，對(duì)于未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間中，人們?cè)谶z傳學(xué)方面的發(fā)展具有非常重要的作用。

4 基于遺傳程序設(shè)計(jì)的數(shù)字電路演化

在進(jìn)行遺傳程序設(shè)計(jì)的數(shù)字電路演化過(guò)程中時(shí)，演化硬件的應(yīng)用在這其中占據(jù)很重要的一點(diǎn)，而演化硬件在應(yīng)用的過(guò)程中需要解決的問(wèn)題有編碼方案問(wèn)題，演化算子和適應(yīng)值評(píng)估方法等幾個(gè)問(wèn)題。其中編碼方案問(wèn)題是演化硬件程序設(shè)計(jì)中比較重要的一個(gè)方面。在演化硬件進(jìn)行編碼方案的時(shí)候，經(jīng)常被普遍使用的兩個(gè)方法有，第一個(gè)是用決定可編程器件或電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的配置位串，用來(lái)作為染色體加以二進(jìn)制編碼，用位串來(lái)代表一些門(mén)級(jí)的電路，這種方法被稱(chēng)為直接編碼，另一種方法是將反映電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)的樹(shù)或語(yǔ)法等作為染色體，被稱(chēng)為間接編碼。但是在這幾年中隨著電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，硬件描述語(yǔ)言被作為一種描述硬件結(jié)構(gòu)的工具廣泛的使用。因此，我們可以利用下列公式，遺傳程序設(shè)計(jì)+硬件描述語(yǔ)言=演化硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于演化硬件的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。并且為了提高演化的速度，將待演化的電路劃分為若干個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一的模塊，在每個(gè)模塊上都有若干個(gè)輸入，但一般只有一個(gè)輸出。通過(guò)將這些模塊的輸入輸出連接起來(lái)，即構(gòu)成了一個(gè)完整的電路。通過(guò)利用遺傳程序設(shè)計(jì)來(lái)演化模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，通過(guò)演化模塊之間的連接，從而實(shí)現(xiàn)了并行演化的效果，提高了演化速度，并使演化的結(jié)果具有更多的可能性，最后也使演化出的解向最優(yōu)的電路進(jìn)一步靠近。

5 結(jié)語(yǔ)

基于遺傳程序設(shè)計(jì)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化研究過(guò)程中，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)，演化硬件技術(shù)，以及遺傳程序設(shè)計(jì)技術(shù)的三者結(jié)合在一起，相互引用，相互配合，從何使得基于遺傳程序設(shè)計(jì)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化研究過(guò)程更加的簡(jiǎn)便，也更加的易于理解。

參考文獻(xiàn)

［1］張振林.基于遺傳程序設(shè)計(jì)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化研究［D］.武漢大學(xué)，2004.

［2］鄭道明，許雪瑩.數(shù)字電路電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)課程的研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，24（1）：58-59，62.

［3］鄭貴金，溫淑珍，冷廷武等.數(shù)字電路電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)課程的研究 --高校實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的途徑研究與實(shí)踐［J］.綏化學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，26（2）：167-168.

［4］劉大有，盧奕南，王飛等.遺傳程序設(shè)計(jì)方法綜述［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2001，38（2）：213-222.

［5］王小平，曹立明，顧紹元等.遺傳程序設(shè)計(jì)及其在符號(hào)回歸問(wèn)題中的應(yīng)用［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，29（10）：1200-1204.

作者簡(jiǎn)介

王平均 1979.11，新疆烏蘇人，海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，電子技術(shù)講師，主要研究電子技術(shù)，圖像處理方面。

覃楨1986.3海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南瓊海，電子技術(shù)講師，主要研究電子技術(shù).

Digital circuit design based on genetic programming automation research

Wang Pingjun，Qin Zhen
（Hainan software professional technology institute Hainan qionghai，571400）

Abstract：In this paper through the introduction of electronic design automation technology，evolvable hardware，genetic programming three concepts，and from the digital circuit design based on genetic programming automation in the study is to find the relationship between the three，and analyze the algorithm of genetic programming thought and realization way，and applied it to the automation design of digital circuit.

Keywords：circuit design automation；genetic programming；the evolution of hardware