（测试计量技术及仪器专业论文）演化硬件独立演化实验系统设计.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 演化硬件（ehw）是一种具有自适应与自修复特性的硬件电路，基于演化算法与可重构 硬件相结合的思想，具有自适应、自重构、自修复的特点。演化硬件技术在航空航天，空间技 术，智能机器人，电路设计领域有着广阔的应用前景。 内部演化是在硬件演化过程中，将演化算法生成的染色体直接下载到实际的可重构电路 中，然后对该电路进行测试，从而得到真实的电路性能，为进一步演化提供参考。与外部演化 相比，内部演化具有演化速度快、评估电路性能贴合实际的优点。 本文介绍了模拟型演化硬件的概念、基本原理、演化方法和实现过程。研究了美国喷气发 动机推进实验室 jpl （jet pulsion laboratory）研制的 fpta （field programmable transistor array） 的结构及特点。提出了基于 dsp 和 fpta2 细胞结构的独立演化系统设计方案。 设计并制作了基于 ti 公司 tms320lf2407a 数字信号处理芯片的独立演化系统，开发了 采用基于单染色体变异的 herebboy 演化算法的 dsp 程序，实现了包括染色体配置和电路功能 测试的内部演化。 在此基础上完成了放大器和电路自修复的演化实验。并通过对演化算法的改进，提高了演 化程序搜索的速度和命中率。 实验结果表明：该独立演化系统系统进化方法正确，配置电路设计可行，符合设计要求， 能够进化得到指定功能的模拟电路。 关键词： 演化硬件，模拟电路，fpta2，dsp，内部演化 演化硬件独立演化实验系统设计 ii abstract evolvable hardware (ehw) is the hardware circuit which can automatically change its structure. it is based on the idea of reconfigurable hardware and evolutionary algorithms. and it has the features of self- organization self- adaption and self- repairing just like an organism. since ehw has the capability to reconfigure itself for recover and new functionality. it is valuable in aeronautics， astronautics and ai. the search for an electronic circuit realization can be made in software as in extrinsic evolution, or in hardware as in intrinsic evolution. in intrinsic evolution, the chromosomes are converted into control bitstrings and downloaded to programmable hardware. intrinsic evolution can speed- up the search for a solution circuit compared to extrinsic evolution, and more close to the real circuit response. this thesis introduces the key concepts, basic principle of ehw,and discusses the methods of evolution and realization,and study the fine- grained jpl field programmable transi stor array (fpta) architecture. a stand- alone hardware evolution system of intrinsic evolution is established. it uses a ti dsp that implements the evolutionary algorithm controlling the fpta reconfiguration. and hereboy algorithm is used in evolutionary experiments. some examples are presented in this thesis. it also details the reasons that affect the output of fpta circuit, and the method to improve algorithm to accelerate the search. in the end the upgrade of the fpta circuit is realized. the stand- alone hardware evolution system and configuration circuits has the advantages of good hardware and software structure, high performance of real time, good scalability and the maintenance, good human- computer interaction function and fast evolution capability (compared with extrinsic evolution implemented in p1.6g). key words: evolvable hardware(ehw), anolog circuit,fpta2,dsp,intrinsic evolution 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图清单 图 1.1 演化硬件与其他学科的关系.2 图 2.1 演化硬件的组成.7 图 2.2 演化硬件工作原理.8 图 2.3 遗传算法原理.10 图 2.4 hereboy 算法流程图.11 图 2.5 fpta 的整体结构和单个单元的结构图 .15 图 2.6 装有 fpta0 的实验板.15 图 2.7 fpta1.15 图 2.8 fpta2.16 图 2.9 fpta2 芯片单元结构.16 图 2.10 fpta2 细胞结构.17 图 2.11 内部演化与外部演化.18 图 2.12 jpl 实验室混合演化平台 .19 图 2.13 sables 演化系统.20 图 2.14 sables 信息流图.20 图 3.1 nuaa08 独立演化系统组成框图.21 图 3.2 nuaa08 独立演化系统工作机理.22 图 3.3 na04-b 型 dsp2000 综合实验系统.22 图 3.4 lf2407a 的 4 级流水线操作.23 图 3.5 tlc7226 的内部功能框图.24 图 3.6 tlc7226 电路连接.25 图 3.7 max232 与 dsp 的连接.27 图 3.8 dsp 与 cpld 的连接.27 图 3.9 epm7128 管脚图 .28 图 3.10 epm7128stc100-10 管脚分配.28 图 3.11 byteblasterii 电缆的连接 .29 图 3.12 jtag 接口电路图.29 图 3.13 不同电平的门槛标准.30 图 3.14 max4652.31 演化硬件独立演化实验系统设计 vi 图 3.15 调理电路原理图.31 图 3.16 cpld 地址选择电路 .32 图 4.1 独立演化系统总程序.33 图 4.2 ccs4.10 集成开发环境（ide） .33 图 4.3 系统控制和状态寄存器 1（scsr1）.34 图 4.4 quartus ii 设计流程.41 图 4.5 quartus ii 界面.41 图 4.6 仿真输出 .41 图 4.7 ccs 中的演化结果.42 图 4.8 dsp 送到 pc 中的最优染色体 .42 图 4.9 示波器演化实时显示.43 图 5.1 dsp 中设置的输出信号波形 .44 图 5.2 演化得到最优代 dsp 保存数据 .45 图 5.3 5 倍放大电路演化中示波器显示.46 图 5.4 最优输出配置电路.46 图 5.5 10 倍放大电路演化中示波器显示.47 图 5.6 最优适应度保存结果.48 图 5.7 次优适应度演化结果.48 图 5.8 演化中示波器显示图.48 图 5.9 反馈放大器的部分演化数据.50 图 5.10 修正算法后最高适应度数据.52 图 5.11 演化中示波器显示图.52 图 5.12 含噪声信号提取电路图.53 图 5.13 滤波效果示波器显示.53 图 5.14 修复后输出效果.53 图 5.15 经过修复的电路.54 图 6.1 dg412dy 引脚图.56 图 6.2 半波整流演化结果.57 图 6.3 放大器演化输出.57 图 6.4 最优染色体对应放大器电路图.57 图 7.1 nuaa08 独立演化系统多细胞连接框图.60 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 表清单 表 3.1 fdn335n 和 fdn304p 主要参数.30 表 4.1 系统初始化相关寄存器.34 演化硬件独立演化实验系统设计 viii 注释表 ehw evolvable hardware 演化硬件 fpga field programmable gate array 现场可编程门阵列 ices international conference of evolvable systems 国际演化系统会议 nasa national america space administration 美国国家空间管理局 dod department of defense 美国国防局 jpl jet propulsion laboratory 喷气推动实验室 soc system on chip 在系统芯片 fpta field programmable transistor array 现场可编程晶体管阵列 earp evolvable analog hardware research platform 演化模拟硬件研发平台 eda electronic design automation 电子设计自动化 fpaa field programmable analog array 现场可编程模拟阵列 pama programmable analog multiplexer array 可编程多路模拟阵列 isppac in-system programmability programmable analog circuits 在系统可编程模拟电路 fpma field-programmable mixed-signal array 现场可编程混合信号阵列 sables stand-alone board-level evolvable system 独立板级演化系统 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名：_ 日 期：_ 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 演化硬件的概念 演化硬件1- 5（ehw）是指能利用演化算法实现自修复和自适应的硬件。它具有类似于生 物的自组织、自繁殖、自适应、自修复特性，能够根据工作环境的变化而自主地、动态地改变 自身结构与参数以获得期望的性能。因此在电路设计、空间技术、智能机器人等领域有着广阔 的应用前景。 演化硬件的出现有四个方面的主要动力：一是科学家的伟大构想；二是人类仿生研究的深 入；三是硬件技术的飞速发展；四是应用领域的切实需求。 在二十世纪 50 年代，计算机之父 von neumann 设想研制一种具有自繁殖与自修复能力并 能进行通用计算的机器，但是由于当时技术条件的限制使这一设想未能实现。直到演化计算和 大规模可编程芯片的出现，这一设想成为了可能。 随着电子技术和计算机技术的飞速发展，系统设计的复杂性和系统的可靠性要求也大大提 高，尤其是在太空和深海等恶劣环境以及一些特殊领域如空间探测等方面，环境因素极其不稳 定，硬件修复十分困难，这就要求硬件系统具有较高的自适应和自修复能力。这种情况下，演 化硬件的研究和应用需求显得尤为迫切。 1992 年由 hugo de garis 和瑞士联合工学院联合提出了演化硬件的概念。并将演化算法的 全局搜索和组合优化能力与现场可编程门阵列 fpga（field programmable gate array, fpga） 演化硬件 计算机科学 生物科学 电子工程科学 系统工程 仿生软件 仿生硬件 图 1.1 演化硬件与其他学科的关系 演化硬件独立演化实验系统设计 2 的结构可重配置特性有机地结合，提出了以 fpga 内部结构为演化对象，以硬件实测评估为 加速措施的演化硬件。实现了硬件的自适应。 经过十几年的发展，演化硬件已经成为了一个新的研究领域。成为一门计算机科学、生物 科学、电子工程科学三门科学的交叉学科，如图 1.1 所示。从狭义上来讲，硬件演化是通过演 化算法实现电子线路的自重构。从广义上来讲，演化硬件包括各种形式的硬件，如传感器、能 够适应变化环境的演化系统等。总之，只要把演化算法的搜索能力和硬件功能设计相结合的工 作都属于演化硬件技术的研究范围。本文主要讨论狭义上的演化硬件，即：通过演化算法实现 电子线路的自重构、自适应。 1.2 演化硬件的意义 演化硬件研究在电子和计算机技术飞速发展的今天具有深远意义6- 15。 随着电子技术和计算机技术的飞速发展，系统的功能不断增强，其复杂性也相应地提高。 随之而来的一些问题出现在人们的面前：设计繁琐、可靠性下降、通用性差等等。其中最为关 键的是系统的可靠性。系统一旦出现故障，则意味着整个设备功能的丧失。尤其在太空和深海 等恶劣环境下，采用传统的修复方法有很大的难度。另外，在一些特殊的应用领域(例如宇宙 空间飞行器)，由于工作任务的不确定性和环境的恶劣性，要求系统具有较好的自适应能力。 因此使硬件系统具有自修复、自适应的能力是提高可靠性、增强通用性的必然选择。 演化硬件的出现很好的解决了以上问题，其主要特点是硬件自组织、硬件自适应和硬件自 修复。它能自动感知外界环境的变化并根据该变化自动重构以获得最好的性能，在硬件遭到损 坏或者发生故障时，它可以实时重构修复错误以恢复原有的功能。 此外，演化硬件（ehw）的研究成果也为人类提供了新的硬件设计方法。 目前，世界上的电子设备都包含了各种电路，使用了成千上万种电子器件。传统的设计方 法是：设计人员对元器件功能加以组合，使之实现自己所期望的功能。设计过程中，需要将元 器件的所有功能的组合空间减少到人脑能够处理的大小。所以设计人员只能在自己已有经验和 技能的低维空间里工作。而演化方法则用抽象的语言和方式来表达所期望的硬件功能，只关注 对硬件功能的描述，弱化对设计经验和电路原理的要求。允许设计人员在一定程度上将搜索空 间定义得与问题及其实现方法更加贴近。这样，当需要解决的问题以一种很少的约束条件表达 时，可以从大得多的空间进行设计搜索。因此，演化方法可以拓展出更广泛的设计空间，并且 不需要总结任何特殊领域的先验知识，或者只需要较少的领域知识来加速收敛。从而突破经典 理论限制，以更新颖的方式设计出符合设计要求的硬件系统。 演化硬件（ehw）与传统硬件（chw- conventional hardware）设计有明显的差别。传统 硬件（chw）即现在广泛使用的，通过传统设计手段实现的硬件。一般来说，传统硬件是一 个自上而下的设计方法。而 ehw 则完全不同，它可以通过遗传学习，采用自下而上的方法实 南京航空航天大学硕士学位论文 3 现。 即使在事先没有设计方案的情况下也能够得到。 因此， ehw 与 chw 的最大差别在于： ehw 不要求任何形式的设计描述和对目标电路的先验知识，仅通过染色体编码和反复的适应度评估 隐含地定义预期的电路功能，完全通过演化计算自动地确定相应的电路内部结构。 演化硬件（ehw）将演化计算技术应用于系统（特别是电子系统）内部结构的设计、调 理和实时自适应等方面，实现电路、系统的自动设计和在线自适应与容错。因而在电路设计、 自动控制与容错、模式识别与人工智能、机器人等领域均具有广阔的应用前景和巨大的商业价 值，现已成为世界性的研究热点。 1.3 演化硬件的研究现状 演化硬件自从 1992 年提出以来，受到各国政府和众多学科的科学家们的重视。1995 年 10 月在瑞士洛桑召开了第一次演化硬件国际研讨会(international conference on evolvable systems:from biology to hardware，ices)，1996 到 2008 年间共召开了八届国际演化系统会议。 先后在日本筑波大学、瑞士洛桑、英国苏格兰的爱丁堡、日本东京、挪威特隆赫姆、西班牙巴 塞罗纳、中国武汉中国地质大学召开。第八届 ices 会议于 2008 年在捷克共和国的布拉格召 开。日本、美国、英国和瑞士等国都相继成立了相应的研究中心，主要研究基于演化硬件的电 子设计自动化方法与技术（称为离线演化技术或外部演化技术），以及演化硬件的自修复和自 主配置技术（称为在线演化技术或内演化技术）。 演化硬件研究的内容不仅仅是硬件的优化设计，还有硬件的自动生长和繁殖。基于此种构 想，有很多学者也提出了各种不同的演化和繁殖方法。hugo degaris 使用细胞自动机的方法， 利用硅设计了一个有 7500 万神经元胞的人脑模型15，神经元胞网络跟人脑细胞一样随机连结， 按照达尔文的演化论原理演化。整个电路每分钟能运作数千次。degaris 实现的第一代人工脑 是一只机械猫，并预计发展至第二代时，神经元胞数将超过 100 亿个，可达到一个弱智人士的 智力，有望进一步发展至普通成人智力。 国际上较著名的演化硬件研究小组主要有由 adrian.thompson，ricardo zebulum，inman harvey 等 人 主 持 的 英 国 内 部 演 化 硬 件 及 自 适 应 系 统 实 验 室 ， 瑞 士 有 d.mange ， m.sipper,e.sanchez,m.tomassird 等人主持逻辑系统实验室，该实验室主要研究人工生命和生 物智能系统，由 garis，hemmi等人主持的日本东京人工脑实验室，美国斯坦福大学 john koza 教授的研究小组，由 higuchi 等人主持的日本的演化系统实验室，德国由 didier keymculen 教 授主持的演化硬件研究小组和美国 nasa 的 adrian stoica 博士主持的 jpl 演化硬件研究小组 等。 从 1992 年到 1999 年，硬件演化技术的研究机构主要分布在欧洲和日本。在美国国家航空 航天局(national america space administration， nasa)、 美国国防部(department of defense， dod) 支持下，美国的空气动力实验室(jet propulsion laboratory，jpl)开始进行硬件演化技术的研究， 演化硬件独立演化实验系统设计 4 其远期目标是建造能够自检测、自修复的运行长达 100 年的宇宙飞船。从 1999 年起，由 nasa 和 dod 主持召开演化硬件技术研究工作会议。美国首届关于演化硬件的会议(nasa/dod conference on evolvable hardware，eh)于 1999 年 7 月在加州 pasadena 举行。第二届 eh会议 2000 年 7 月在加州 palo alto 举行，第三届 eh 会议 2001 年 7 月在加州 long beach 举行，第 四届 eh会议 2002 年 7 月在华盛顿举行，第五届 eh会议 2003 年 7 月在伊利诺斯州芝加哥举 行，第六届 eh会议 2004 年 6 月在华盛顿西雅图举行，第七届 eh会议 2005 年 6 月在华盛顿 举行。 2006 开始 nasa/dod conference on evolvable hardware 改名为 nasa/esa conference on adaptive hardware and systems。2006 年 6 月由 nasa 和美国生态学会 (ecological society of america，esa)在土耳其的伊斯坦布尔主持召开了首届自适应硬件系统会议(nasa/esa conference on adaptive hardware and systems，ahs)。2007 年 8 月在英国苏格兰的爱丁堡召开 了第二届 ahs 会议。2008 年 6 月第三届 ahs 会议在荷兰诺德惠克召开。 除了上述的几大会议外，和硬件演化技术相关的会议还有：演化计算会议(congress on evolutionary computation，cec)；遗传和演化计算会议(genetic and evolutionary computation conference， gecco)； 欧洲遗传规划会议(european conference on genetic programming， eurogp) 等。这几年来演化硬件会议的影响力不断增强，更多有着深远影响的会议频频召开，每年都有 很多优秀的论文发表，提出了很多先进的思想，推动着演化硬件的进一步发展。虽然美国在硬 件演化技术研究领域起步稍晚，但是发展迅速，目前在这一研究领域处于国际领先地位。 美国的 nasa 下属的 jpl 实验室设计出了可用于模拟电路演化设计的现场可编程晶体管 阵列 fpta(field programmable transistor array)，并对 fpta 芯片的结构进行了深入的研究和 改进。jpl 实验室使用 dsp 处理器制作了板级演化系统，该系统利用 fpta 作为晶体管级的重 构硬件，同时用一块 dsp 芯片实现演化算法来控制 fpta 的重构,系统可以自动快速连续地重 构电路。jpl 实验室成功演化得到的电路有半波整流电路、滤波电路（包括低通滤波器、带通 滤波器和高通滤波器） 、混合输入信号分离电路、d/a 和 a/d 转换电路、模糊逻辑产生、高斯 电路、非线性逼近电路以及逻辑门电路16- 18。此外，jpl 致力于研究空间恶劣环境下电路的自 修复能力，成功的试验了 fpta 在极端温度和放射条件下的工作情况。 德国海德堡大学也自主开发了基于 cmos 的 fpta 芯片及演化平台，进行模拟电路演化 方面的研究，也取得了不少的成果。他们研制的演化系统能演化简单的直流模拟电路，对于 nor、nand、and 和 or 门电路演化结果很理想，能近似实现基本的数学函数功能19- 20。 日本的 tesuya higuchi21- 22在工业硬件演化芯片及应用的研究上取得了很好的成绩。研究 成果主要是模拟量演化电路、数字打印的数据压缩、可重构的 dsp 芯片、人造手和使用演化 时钟计时技术的高速大规模集成电路。采用硬件演化技术的大部分产品已经投入市场。 除 jpl 实验室与海德堡大学开发了各自的芯片与平台外，波特兰大学开发了一种演化平 南京航空航天大学硕士学位论文 5 台并命名为 earp- 1230，可支持粗粒度电路模块比如 isppac 系列芯片，该平台目标是演化简 单功能模块的电路，重点是演化的控制系统。科内尔计算机综合实验室提出了将 fpaa 应用于 演化神经网络24，通过两层 fpaa 结合演化算法有效地实现了模糊控制器功能，将该控制器用 于控制机器人的行动中，对机器人的非线性有很好的控制作用而且可以修复机器人的行动故 障。 1.4 演化硬件的发展方向 演化硬件研究包括：电路表示基因编码、电路演化算法、个体电路适应度评估方法和可重 构模型结构四个方面。基因编码就是对可重构硬件可重构个体的规范描述，不同的编码要如实 反应出硬件不同的结构，要能便捷地参与演化运算。电路演化算法，是通过计算个体的适应度 和演化操作来搜索最接近目标的基因编码，从而找到理想的电路结构。在演化硬件研究中普遍 采用的是遗传算法和它的改进算法。个体电路适应度评估，就是采用一定的计算方法对不同电 路与目标电路的接近程度进行计算，不同的计算方法会明显地影响到演化的速度和精度。可重 构电路是演化硬件的物质基础，一种结构科学，鲁棒性好的可重构模型不仅是研究的需要，更 是将这项技术推到实际应用的必须载体。 所以目前研究中遇到的主要问题集中在以上的四个方面。例如:演化算法本身的理论基础 不是很完善，在对硬件演化技术进行分析时存在很大的困难。尤其是算法如何寻找并优化演化 结果以及如何提高硬件演化速度，具体涉及到演化算法中染色体的编码策略、染色体的有效评 估、演化算法的快速收敛和演化的并行运算等问题。电路的演化评估方法也有待改进，如实现 电路的多目标、多参数演化，从而使电路功能具有更广泛的适应能力。 在演化设计中常使用的染色体表达方式有两种，一种是间接方式，即用高级的、抽象的表 达形式，如树或语法等来表示电路和作为染色体，在评估和对器件编程时再将选中的个体翻译 成 pld 的结构位串；另一种是直接方式，即直接将 pld 的结构位串作为染色体进行编码。在 评估和编程时可直接将染色体下载到 pld 中。直接表达方式比较直观和容易理解，因此被广 泛采用。但是，当 pld 的结构位串很长，尤其是多细胞互联时。若直接将整个结构位串作为 染色体进行编码，则由于染色体过长，演化所需运算量过大，将直接限制演化的速度和所能处 理的电路规模。因此，提高染色体表达的有效性，寻求简洁高效的演化算法和评估方法，是目 前演化硬件研究中的热点问题。 演化硬件有数字型和模拟型之分，因为最初的演化硬件是在 fpga 上实现的，所以数字 型演化硬件研究发展较快。 近年来由于嵌入式系统的广泛应用、数模混合式高集成 soc(system on chip)系统的迅速发展，模拟信号处理电路必不可少，所以模拟型演化硬件研究也引起了国 际上的极大重视。模拟型演化硬件研究经过对基础理论与电路结构的探索，已经取得了很大进 演化硬件独立演化实验系统设计 6 展。 nasa 预测：演化硬件技术有可能成为 2020 年以后的空间电子产品的基础技术。未来的 电子产品不仅要能很好的实现其功能，而且要能通过重构和变体来实现智能化。在实现演化硬 件之后，应该是实现电路的自我配置与演化，即：电路能够完全脱离人的干涉，而自我选择功 能。这一类演化器件将是：self- configurable/evolvable hardware。但是，具有自我改变能力的 器件给人类带来的影响是未知的。jpl 认为未来演化硬件至少将在以下三个方向得到发展36： 1、模糊了硬件与软件的界限，糅合软、硬件为一体的“杂合体” （hybrid- ware） 。 2、向非电子学发展，如：天线，mems，生物系统（即直接安装在人体内的智能设备） 。 3、利用网络进行演化。 1.5 论文研究的主要内容 本文研究的主要内容是以 jpl 实验室的 fpta2 核心结构作为研究对象，围绕德州仪器公 司的 tms320lf2407a dsp 建立演化硬件的独立演化系统，实现演化硬件内部演化。并在此基 础上针对一些功能电路进行演化实验，研究了模拟型演化硬件的控制配置及演化理论。 针对以上内容，本文的结构主要为： 第一章 绪论。 第二章 主要介绍了模拟型演化硬件的演化原理及测试方法，分析了基于细胞阵列的模拟 可重构电路结构，介绍了国外研究单位所使用的模拟型演化硬件芯片及演化平台。 第三章 介绍了利用 dsp 实验箱搭建 fpta2 独立演化平台。以 cpld 为核心，设计新型 的 fpta2 细胞单元电路。 第四章 演化系统软件设计。 第五章 在搭建的硬件平台上进行了功能电路的演化，并改进了算法，最后分析了结果。 第六章 改进了细胞电路，并与改进前演化结果进行对比。 第七章 总结了课题成果，指出了进一步研究方向。 南京航空航天大学硕士学位论文 7 第二章 演化算法原理及演化硬件的结构 2.1 演化硬件的基本原理 演化硬件的本质是将演化算法与可重构的硬件相结合，利用演化算法的搜索和优化的 能力，将实现硬件功能的问题变成从大量个体组成的群体逐渐演化的求解过程，直到发现 满足要求的硬件配置形式。演化硬件的结构可用如下的公式来表示： 演化硬件（ehw）可重构硬件(eh)+ 演化算法（ea） 可重构硬件是硬件演化技术的物质基础，演化算法为硬件演化技术提供理论和