基于進(jìn)化型硬件的容錯(cuò)方法研究.pdf

1、進(jìn)化型硬件(Evolvable Hardwat EHW)是指硬件能夠通過與環(huán)境的交互作用自適應(yīng)地和動(dòng)態(tài)地改變和調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)和行為，其研究思路是在可重配置的硬件平臺(tái)上模擬自然進(jìn)化的過程。進(jìn)化型硬件具備自適應(yīng)、自組織、自修復(fù)的特點(diǎn)，這為硬件容錯(cuò)技術(shù)開辟了一條嶄新的途徑。進(jìn)化型硬件不但能在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，在無需人為干涉的條件下實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)、自修復(fù)，而且能夠發(fā)現(xiàn)并修復(fù)未知的錯(cuò)誤。開展基于EHW容錯(cuò)方法的理論和應(yīng)用研究對(duì)高可靠系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有十分重要

2、的意義，例如核工業(yè)、航空航天、深海探索以及軍事等領(lǐng)域。 本文旨在研究基于進(jìn)化型硬件的容錯(cuò)方法，分別從快速電路進(jìn)化設(shè)計(jì)、異構(gòu)冗余系統(tǒng)進(jìn)化構(gòu)造以及胚胎電子系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)化設(shè)計(jì)這幾個(gè)方面進(jìn)行了研究。具體而言，本論文的主要研究工作有： (1)針對(duì)電路進(jìn)化設(shè)計(jì)存在收斂速度慢、可擴(kuò)展性差等問題，本文通過實(shí)例分析說明了電路中較復(fù)雜邏輯需要多層連接來實(shí)現(xiàn)，并在進(jìn)化策略中引入一種新的變異算子——短距離優(yōu)先連接變異。該變異算子符合邏輯復(fù)雜

3、電路的結(jié)構(gòu)特征，且大大降低了進(jìn)化算法的搜索空間大小，能夠有效地解決電路進(jìn)化設(shè)計(jì)中收斂速度慢的問題。在此基礎(chǔ)上，將這種進(jìn)化策略與現(xiàn)有的分而治之設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，結(jié)合后的設(shè)計(jì)方法能夠進(jìn)化較大規(guī)模電路，解決可擴(kuò)展性問題，并且彌補(bǔ)了現(xiàn)有分解設(shè)計(jì)方法存在的使用門電路資源多，缺乏創(chuàng)造性設(shè)計(jì)的不足。多組測(cè)試電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性。 (2)研究了硬件電路的進(jìn)化冗余方法，這種方法解決了冗余系統(tǒng)中由于各子系統(tǒng)間存在相關(guān)錯(cuò)誤而導(dǎo)致可靠性降低

4、的問題。本文從兩個(gè)層次研究了這一問題并提出相應(yīng)的冗余構(gòu)造方法：首先證明了在相關(guān)失效情況下，異構(gòu)冗余系統(tǒng)的可靠性優(yōu)于同構(gòu)冗余系統(tǒng)，然后利用進(jìn)化算法生成多個(gè)結(jié)構(gòu)不同但功能相同的電路用于構(gòu)造冗余系統(tǒng)，并提出一種基于投票有利原則的冗余系統(tǒng)構(gòu)造方法：進(jìn)一步地，以錯(cuò)誤相關(guān)系數(shù)為基礎(chǔ)，分析了錯(cuò)誤相關(guān)存在時(shí)冗余系統(tǒng)的可靠性，指出異構(gòu)電路及其數(shù)量的優(yōu)化選擇對(duì)可靠性的重要性，并利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了高町靠異構(gòu)電路冗余系統(tǒng)的快速優(yōu)化構(gòu)造。 (3)提出了一

5、種高可靠胚胎電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。胚胎電子系統(tǒng)借鑒了生物生長(zhǎng)及修復(fù)機(jī)制，具有自生長(zhǎng)、自檢測(cè)、自修復(fù)且重構(gòu)機(jī)制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是近年基于EHW容錯(cuò)的研究熱點(diǎn)。典型胚胎電子系統(tǒng)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)陣列，它通過節(jié)點(diǎn)的冗余和重構(gòu)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。本文首先指出胚胎陣列在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)成為特定功能的電路時(shí)，無論采用行取消還是細(xì)胞取消的錯(cuò)誤恢復(fù)策略，胚胎陣列中的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)行列結(jié)構(gòu)不同，其可靠性也不相同。在分析了不同恢復(fù)機(jī)制的可靠性的基礎(chǔ)上，從理論和數(shù)值分析的角度給出了相應(yīng)的高