基于片上網(wǎng)絡的層級并行可進化硬件系統(tǒng)研究.pdf

1、可進化硬件(EvolvableHardWare，EHW)模擬自然界生物進化過程，在進化算法（EvolutionaryAlgorithm，EA）的指導下，以實現(xiàn)一種特地目標功能硬件電路為目的，通過自適應地、動態(tài)地改變自身電路結構和系統(tǒng)行為，直到尋找到合適的解決方案。EHW系統(tǒng)擁有自繁殖、自適應、自修復等特點，在電路設計、容錯系統(tǒng)、自適應和自修復系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、智能機器人、模式識別與人工智能、太空和深海探索等應用領域都有廣泛的應用。

2、r>　　本文設計了一種新穎的基于片上網(wǎng)絡(NetworkonChip，NoC)的層級并行EHW系統(tǒng)，提出了有效提高進化算法收斂速度和減少單次進化時間的解決方案，從而優(yōu)化EHW系統(tǒng)的進化速度。并完成了從系統(tǒng)架構分析與設計，模塊電路設計與驗證，系統(tǒng)級驗證以及版級驗證等整個流程。本文主要的工作與創(chuàng)新點如下:
　　1.本文實現(xiàn)了適用于高速動態(tài)部分可重構(DynamicPartialReconfiguration，DPR)的NoC結構。該N

3、oC將傳輸數(shù)據(jù)區(qū)分為普通數(shù)據(jù)與配置位流數(shù)據(jù)，通過在資源網(wǎng)絡接口中設計不同的數(shù)據(jù)接口與配置接口，分別優(yōu)化兩種不同數(shù)據(jù)的傳輸，并且能夠通過配置接口控制FPGAIP核的配置位流下載，實現(xiàn)DPR功能。由于為配置位流設計了專門的配置接口，以及采用DMA(DirectMemoryAccess)方式進行配置位流的傳輸，可以使配置位流的傳輸效率和下載速度得到顯著的提高。實驗結果顯示，該NoC結構的DPR重構速度為336.8MB/s，與現(xiàn)有文獻中最高的可

4、重構速度相當;而且NoC結構能夠支持多節(jié)點并行重構過程，因此在多區(qū)域DPR重構系統(tǒng)中能夠提供成倍提高的重構速度。
　　2.影響EHW系統(tǒng)的進化速度主要有兩個因素:一個是進化算法收斂速度，即進化算法收斂找到合適目標所需要的迭代代數(shù);另一個是系統(tǒng)的單次進化時間，即完成進化算法單次迭代所需要的時間。為了有效提高EHW系統(tǒng)的進化速度，本文提出了基于NoC的層級并行EHW系統(tǒng)。該系統(tǒng)的創(chuàng)新點主要有:a）通過構建兩層次的層級并行遺傳算法(Ge

5、neticAlgorithm，GA)，有效提高GA的搜索能力，從而提高算法收斂速度;b）分別在硬件上設計遺傳算法引擎和適應度計算模塊，優(yōu)化遺傳算法的單次進化執(zhí)行時間;c）通過在適用于DPR的NoC結構上實現(xiàn)層級并行GA，一方面有效減少遺傳算法引擎之間和遺傳算法引擎與適應度計算模塊之間的通信開銷，另一方面提高對可重構硬件陣列進行動態(tài)部分可重構的速度，從而大大優(yōu)化系統(tǒng)的單次進化時間。
　　3.本文搭建了層級并行EHW系統(tǒng)的單芯片進化平

6、臺，在該平臺上實現(xiàn)了完整的單芯片進化流程，并進行EHW系統(tǒng)的進化實驗研究，給出具體的進化實驗結果。實驗結果表明，通過構建兩層次的層級并行GA，EHW系統(tǒng)比采用單層次全局并行的GA和沒有采用并行的GA在算法收斂速度上分別提高了188.7％和675.7％。而通過采用硬件實現(xiàn)遺傳算法引擎和適應度計算模塊以及引入NoC結構提高系統(tǒng)通信效率和重構速度等技術，本EHW系統(tǒng)比現(xiàn)有文獻中的其他EHW系統(tǒng)在進化規(guī)模相當?shù)哪繕穗娐窌r，單次進化時間提高了至少