基于改进的遗传程序设计实现组合电路的进化设计

论文摘要

进化型硬件是将进化算法和可编程元件融合到一起而产生的新的硬件设计领域。进化型硬件不需要硬件功能的规范说明,它通过进化技术自适应地不断重构自身的结构,最终达到设计要求。当传统的设计方法不能解决实际问题的时候,进化型硬件将为电路设计提供一种新的设计途径。遗传程序设计是进化算法的一个分支,它基于达尔文适者生存的理论,从描述问题解的计算机程序群体出发,模拟自然进化过程,使问题的解不断进化,直至产生最优解。遗传程序设计的应用非常广泛,特别在电路设计方面,部分的研究结果就显示了该方法具有巨大的发展潜力。本文详细地介绍了遗传程序设计和基于进化的电子电路设计方法,将遗传程序设计应用到组合电路的进化设计上,提出多子树群的个体表示方法,并建立相应的遗传操作规则,改进了基本遗传程序设计中交叉和变异操作,提出随机个体集用以改进群体的质量,提高了算法的寻优能力和收敛速度。其中适应度评价采用与目标真值表的匹配程度来对个体好坏进行评价,主要针对组合电路的功能进行评价。本文采用模块化的进化方法,通过设计一个胚胎电路,将不同的可进化功能模块电路组合在一起,各功能模块是胚胎电路的进化核心,通过分别进化最终实现电路结构的整体设计。采用的是离线进化方式,进化后的结果通过电路图结构进入MaxplusII10.2进行功能测试。最后实现了1位全加器和2位算术逻辑单元ALU的电路进化设计,设计结果表明改进的遗传程序设计具有快速收敛特性,设计结果不依赖先验知识,满足电路功能要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 绪论
• 1.2 本文的主要研究工作
• 1.3 本文的组织结构
• 第二章 遗传程序设计
• 2.1 遗传程序设计的基本理论
• 2.1.1 遗传程序设计算法理论描述
• 2.1.2 个体的描述方法
• 2.1.2.1 终止符集
• 2.1.2.2 函数集
• 2.1.2.3 个体描述
• 2.1.3 初始群体的生成
• 2.1.3.1 初始个体生成原理
• 2.1.3.2 初始个体生成的方法
• 2.1.4 遗传算子操作
• 2.1.4.1 交叉
• 2.1.4.2 变异
• 2.1.4.3 复制
• 2.1.4.4 辅助算子
• 2.1.5 适应度函数
• 2.1.6 终止准则与结果标定
• 2.1.7 GP 的主要控制参数
• 2.2 遗传程序设计自然进化属性
• 2.3 GP 的研究新近展
• 2.4 GP 研究的发展趋势
• 2.5 GP 的应用
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于进化的电路自动设计方法
• 3.1 电子电路自动设计方法 EDA
• 3.1.1 EDA 设计方法简介
• 3.1.2 EDA 工作流程
• 3.2 进化型硬件
• 3.2.1 进化型硬件的发展概况
• 3.2.2 进化型硬件的基础知识
• 3.2.3 EHW 的工作机理
• 3.2.3.1 进化算法
• 3.2.3.2 可编程器件
• 3.2.4 进化型硬件的主要问题与技术难点
• 3.3 电子电路进化设计方法
• 3.3.1 进化设计基本原理
• 3.3.2 模拟电路进化设计研究概况
• 3.3.3 数字电路进化设计研究概况
• 3.3.4 面向实用的大规模、复杂电路的进化设计研究问题
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于改进的 GP 的组合电路进化设计
• 4.1 遗传程序设计的改进策略
• 4.1.1 改进的GP 个体表示方法
• 4.1.2 初始种群快速生成方法
• 4.1.3 改进的遗传操作
• 4.1.3.1 交叉操作
• 4.1.3.2 变异操作
• 4.1.4 适应度函数设计
• 4.2 基于改进的 GP 实现组合逻辑电路的进化设计
• 4.2.1 基本思想
• 4.2.2 实现步骤
• 4.3 实验电路简介
• 4.3.1 全加器电路简介
• 4.3.2 算术逻辑单元ALU
• 4.4 仿真实验
• 4.4.1 GP 设计实现全加器
• 4.4.2 模块化思想设计2 位ALU
• 4.4.3 改进算法的比较实验
• 4.4.3.1 改进的GP 与基本 GP 的比较实验
• 4.4.3.2 大规模组合电路进化设计初探
• 4.5 本章小结
• 结束语
• （1） 工作总结
• （2） 论文的创新之处
• （3） 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 在学期间公开发表论文及著作情况