胚胎電子細胞的部分基因循環存儲結構*

朱　賽，蔡金燕，孟亞峰，李丹陽

(軍械工程學院 電子與光學工程系， 河北 石家莊　050003)

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胚胎電子細胞的部分基因循環存儲結構*

朱賽，蔡金燕，孟亞峰，李丹陽

(軍械工程學院 電子與光學工程系， 河北 石家莊050003)

摘要：為了在保證胚胎電子系統可靠性的前提下降低系統的硬件消耗，提出一種新型的基因存儲結構——部分基因循環存儲，細胞只存儲陣列的部分基因，通過細胞內、細胞間的基因循環、非循環移位實現陣列的功能分化和自修復，自修復過程中基因存儲內容根據故障細胞數目進行自主更新。該存儲結構中基因備份數目可由設計者根據系統可靠性和硬件消耗要求設置，不受陣列中空閑資源數目的限制。理論分析和仿真實驗表明，該新型存儲結構不僅實現了胚胎電子陣列的功能分化、自修復等功能，而且能夠在保證系統可靠性的同時降低硬件消耗，具有較高的工程應用價值。

關鍵詞：胚胎電子陣列；基因存儲；循環移位；可靠性；自修復；基因更新

胚胎電子陣列是一種新型的仿生電子硬件，基于該硬件實現的目標電路具有快速自修復能力，能夠大大提高電子系統的可靠性[1-2]。經典的電子細胞結構中，95%的硬件消耗由基因存儲產生[3]，因此自胚胎電子電路提出以來，基因存儲就受到研究者的重視。在經典的全存儲[4]基礎上，以降低硬件消耗為目標，提出了行/列存儲[5]、部分基因存儲[6]、循環變形存儲[7]、循環備份存儲[8]、原核細胞存儲[9-12]等多種存儲結構。不同的基因存儲中，細胞存儲基因數目不同，陣列中每種基因的總數目(基因備份數目)也不同。基因備份數目與系統的可靠性、硬件消耗密切相關，而已有的基因存儲結構無法在確定的陣列規模下進行基因備份數目的選擇。

部分基因存儲[6]中基因備份數目可變，但與陣列中空閑行、列數目相關。當胚胎電子陣列及目標電路規模確定時，其可靠性和硬件消耗為固定值，無法根據設計者需求改變。

本文提出了一種新型的基因存儲結構——部分基因循環存儲，該存儲支持設計者任意選擇基因備份數目，電子細胞只存儲自身和其后若干相鄰細胞的表達基因，細胞內部的基因間具有循環、非循環移位能力，以此為基礎完成陣列的分化和自修復。對提出的基因存儲進行了可靠性和硬件消耗分析，分析表明，所提存儲結構能夠通過選擇基因備份數目在保證系統可靠性的同時降低硬件消耗。

1部分基因循環存儲結構

1.1基因存儲結構

設胚胎電子陣列中細胞數目為n，第i個細胞的表達基因為gi(1≤i≤n)。為了便于基因的循環移位及自修復，設置空閑基因g0，若第j個細胞為空閑細胞，則其表達基因gj=g0。

陣列中基因存儲如圖1所示，n個細胞的基因存儲依次首尾相接，細胞存儲自身和k-1個后續相鄰細胞的表達基因，第i(1≤i≤n)個細胞Ci存儲基因為其表達基因gi和后續k-1個細胞的表達基因gi+1～gi+k-1，對于空閑細胞，依然按照該規律進行存儲。對于第n個細胞，其后的k-1個細胞分別為C1，C2，…，Ck-1。

圖1　陣列中基因存儲Fig.1　Gene memory of embryonics array

圖1所示陣列中C1為母細胞，2-1多路復用器M控制母細胞的輸入；RunState為陣列運行狀態控制信號，當RunState為0時，陣列為功能分化狀態，RunState為1時，陣列為運行狀態；ConfGene為功能分化過程中的基因配置串；陣列正常運行時，母細胞接收Cn細胞的基因輸出，整個陣列構成基因存儲閉環，進行基因移位操作。

電子細胞結構如圖2所示，由邏輯模塊(Logical Block，LB)、開關盒(Switch Box，SB)、修復控制電路(repair control circuit)和基因存儲(gene memory)組成。基因存儲中，GeneInput為輸入基因，GeneOutput為輸出基因；基因存儲單元具有k個基因存儲寄存器r1，r2，r3，…，rk，每個寄存器存儲一個基因，且第一個寄存器r1存儲細胞表達基因，配置LB和SB功能；第i個寄存器ri的輸出為rio；Mi為2-1多路復用器，由修復控制電路產生的CiS信號控制；修復控制電路控制基因存儲單元移位。

相鄰電子細胞GeneInput端和GeneOutput端相連，整個陣列中的基因存儲組成如圖1所示環狀結構，進行細胞間基因信息的傳輸。

1.2基因移位方式

基因存儲中通過基因移位完成功能分化、自修復中所需的各種基因操作，有順時針非循環移位、順時針循環移位和逆時針循環移位三種，由移位控制信號CiS控制執行。

順時針非循環移位：移位控制信號CiS為00，基因由M0的0端進入，在時鐘控制下，經各2-1多路復用器的0端依次在r1，r2，r3，…，rk上移動，rk上的基因信息舍棄。

圖2　具有部分基因循環存儲的細胞結構Fig.2　Structure of cell with partial-DNA cyclic memory

順時針循環移位：移位控制信號CiS為01，在時鐘驅動下，基因依次在r1，r2，r3，…，rk，r1上移動，rk上的基因信息經M0的1端和M1的0端移位到r1上。逆時針循環移位：移位控制信號CiS為1x，基因經各2-1多路復用器的1端依次在rk，rk-1，rk-2，…，r1，rk上移動；r1上的基因信息移位到rk上。

通過三種移位方式的組合，進行陣列的功能分化和自修復。

2陣列的功能分化

陣列的功能分化過程，即為確定每個細胞的基因存儲的過程，在全局時鐘的控制下，基因配置串由2-1多路復用器M的0端進入母細胞，通過細胞間和細胞內的移位完成陣列的功能分化。

對于具有n個電子細胞、基因備份數目為k的胚胎電子陣列，功能分化過程如圖3所示，其中clk為全局時鐘信號，g1g2…gng1…gk-1為輸入的基因配置串，其送入C1細胞的次序為gk-1到g1。

在全局時鐘clk的控制下，基因配置串依次輸入至C1細胞的r1寄存器，并由此開始細胞間和細胞內兩個方向的移位：細胞間基因由C1細胞的r1寄存器依次移位至C2的r1寄存器、C3的r1寄存器…，直至Cn的r1寄存器，如圖3中橫向箭頭所示；細胞內基因進行順時針非循環移位，基因移動方向如圖3中豎向箭頭所示。經過n+k-1個周期的移位，所有基因移位到相應的寄存器中，完成陣列分化過程。

圖3　陣列分化過程Fig.3　Embryonics array′s differentiation process

對于具有5個細胞cell1，cell2，cell3，cell4，cell5的胚胎電子陣列；細胞表達基因分別為g1，g2，g3，g4，g0，即cell5為空閑細胞。若其基因備份數目為3，每個細胞存儲3個基因：自身和其后兩個相鄰細胞的表達基因。分化過程中陣列的輸入基因配置串為g1g2g3g4g0g1g2，經過5+3-1=7個時鐘的移位，陣列完成分化，分化過程中細胞內基因變化如表1所示。

表1　陣列分化過程基因移位

表1中，細胞存儲的3個基因中第一個為表達基因，用黑體表示。經過7個時鐘周期，每個細胞的表達基因移位到第一個寄存器上，如step7所示，陣列完成分化。

3陣列的自修復

3.1自修復過程基因存儲的更新

在胚胎電子陣列的自修復過程中，故障細胞變為“透明”，其功能由其后正常細胞代替執行，位于故障細胞后的細胞更新其基因存儲。

基因存儲的更新由位于故障細胞前面的正常細胞控制完成。細胞根據其后面k-1個鄰居細胞的狀態確定是否為控制細胞，一旦確定為控制細胞，則計算其后故障細胞數目，記為fcn。然后進行以下修復過程：

1)控制細胞內的基因首先逆時針循環移位fcn次；

2)控制細胞進行fcn次順時針循環移位，同時位于故障細胞后面的細胞進行fcn次順時針非循環移位。

在過程2中位于故障后面的細胞進行順時針非循環移位時，陣列中空閑細胞后的細胞不參與移位，細胞內空閑基因后的寄存器不參與移位。

經過2×fcn個周期的基因移位，完成陣列中細胞基因存儲的更新，自修復過程結束，耗時2×fcn個時鐘周期。

對于表1所示分化完成的胚胎電子陣列，若cell3故障，則cell2為修復控制細胞，故障數目fcn=1。首先cell2進行1次逆時針循環移位，然后cell2進行1次順時針循環移位，同時cell4，cell5進行1次順時針非循環移位。經過2個周期的移位，cell3，cell4的表達基因g3，g4分別移至cell4，cell5的第一個基因存儲寄存器上，成為cell4，cell5的表達基因，基因更新完畢，完成陣列的自修復，具體過程如表2所示。

表2　陣列自修復過程中基因的更新

細胞故障時，其存儲基因也可能同時故障，故用“xxx”表示故障cell3的基因。移位過程中，位于空閑細胞cell5后面的cell1不參與移位，cell4細胞內空閑基因g0后的g1，cell5細胞內空閑基因后的g1，g2不參與移位。

3.2修復控制電路

修復控制電路產生3.1節自修復過程所需信號，主要功能如下：

1)控制角色判斷：根據后續細胞的狀態信號，確定是否為控制細胞，判斷原則是：①若其后相鄰細胞故障，則該細胞為控制細胞；②若同一空閑細胞前出現多個控制細胞，則最靠近空閑細胞的控制優先級最高，與空閑細胞距離越遠，其優先級越低；

2)故障細胞數目計算；

3)產生存儲單元的移位控制信號CiS；

4)產生當前細胞和其后細胞的寄存器移位使能信號。

對于細胞Ci，為了完成以上功能，設置以下信號：控制使能信號CE，CE=1，則Ci為控制細胞，否則Ci不是控制細胞；Ci+1FS，Ci+2FS，…，Ci+k-1FS為其后k-1個細胞的故障信號，CjFS=1，細胞Cj故障，否則，Cj正常；CCI為后方細胞控制角色信號，CCI=1，表示后方存在控制細胞，否則，后方細胞全部為非控制細胞；CCO為輸出控制角色信號，該信號為前方細胞的CCI信號；CiCE為寄存器移位使能信號，CiCE=1，寄存器可以移位，CiCE=0，寄存器停止移位；OCE為位于控制細胞后的細胞寄存器移位使能信號，OCE=1，控制細胞后細胞的寄存器可以移位，OCE=0，寄存器停止移位。則功能1、功能2如式(1)、式(2)、式(3)所示。

(1)

(2)

CCO=CCI+CE

(3)

功能3、功能4完成細胞中基因移位更新的控制，使用計數器對移位數目進行計數，當確定細胞執行控制功能時，置細胞移位控制信號CiS為11，并置CiCE為1，開始逆時針循環移位，同時啟動計數器，當計數達到fcn時，停止移位，清除計數器；置CiS為10，并置OCE為1，控制細胞順時針循環移位，其他細胞順時針非循環移位，同時啟動計數器，當計數至fcn時，自修復完成，更新相關信號狀態。

為了實現上述功能，設計圖4所示修復控制電路。功能1、功能2根據式(2)、式(3)直接采用邏輯電路實現；功能3、功能4實現時，采用D觸發器組成計數器，使用q位計數器計算移位次數(q為fcn的二進制數據寬度)，并采用2位計數器對移位周期進行計數，判斷控制細胞移位狀態。

圖4　修復控制電路Fig.4　Repair control circuit

根據各計數器結果CR，SSA0，SSA1更新各控制信號，更新規則如下：

結合式(1)，控制信號更新規則為：

(4)

控制細胞的移位寄存器移位使能信號CiCE為：

CiCE=CE

(5)

故障細胞后激活細胞及一個相鄰的空閑細胞的寄存器移位使能信號CjCE為：

CjCE=SSA0

(6)

當前細胞寄存器移位控制信號CiS：

(7)

4功能分化、自修復能力實驗驗證

以文獻[5]中的半加器為目標電路，對所提基因存儲的分化、自修復能力進行驗證。目標電路規模為4×4，胚胎電子陣列規模為6×5。采用1.1節的存儲結構及3.2節的修復控制電路，在Xilinx ISE 12.2環境中對目標電路進行實現，并利用ISE自帶的仿真軟件ISim進行功能分化及自修復過程的仿真。

為了便于實驗結果的觀察，以目標電路中第一列細胞為對象觀察其功能分化、自修復過程。第一列細胞的坐標為(0, 0)，(1, 0)，(2, 0)，(3, 0)，(4, 0)，(5, 0)；分別記為C1，C2，C3，C4，C5，C6；其表達基因分別為3207，3079，903，903，4097，4097；其中4097為空閑基因，即C5，C6為空閑細胞。基因備份數目k=4，每個細胞內包含四個基因存儲寄存器。

實驗過程中監測細胞基因存儲器的內容及關鍵控制信號，時鐘周期設置為20 ns；Cirj為第i個細胞的第j個寄存器存儲內容，其中Cir1為第i個細胞的表達基因，本實驗中1≤i≤6，1≤j≤4。

4.1功能分化實驗驗證

陣列功能分化過程如圖5所示，230 ns，陣列的狀態控制信號RunState置為0，陣列開始功能分化，同時各寄存器的移位控制信號置為高，開始順時針非循環移位。按照基因配置串規則，基因配置串ConfGene分別置為903，3079，3207，4097，4097，903，903，3079，3207，依次送入母細胞。在時鐘clk的驅動下，每個基因由母細胞的r1寄存器開始在細胞間和細胞內的寄存器間按照圖4所示方向進行移位。10個時鐘周期后，在430 ns，細胞內的四個基因存儲寄存器分別存入該細胞和其后三個相鄰細胞的表達基因，完成陣列的分化。

4.2陣列的自修復實驗驗證

為了驗證所提基因存儲的自修復能力，對分化后的陣列設置故障，觀察其修復過程。分別對相鄰多細胞和不相鄰多細胞進行故障注入，由于多細胞故障保護單細胞故障，因此未進行單細胞故障自修復實驗。

4.2.1不相鄰多細胞故障的自修復

對于正常運行的胚胎電子陣列中不相鄰細胞C2，C4同時注入故障，其修復過程如圖6所示。

圖5　陣列功能分化過程Fig.5　Differentiation process of embryonics array

在480 ns，C2，C4細胞同時故障，對外發送細胞故障信號：C2FS，C3FS同時置為高。自修復過程分為兩步：首先C3作為控制細胞進行修復，然后C1作為控制細胞進行修復，具體如下：

1)C3為控制細胞：其移位控制信號C3S置為11，進行一個周期的逆時針循環移位，如500 ns；然后其移位控制信號置為01，進行一次順時針循環移位，同時C5細胞進行一次非循環移位，完成對C4細胞的修復，如520 ns所示；

圖6　C2，C4細胞故障自修復Fig.6　Repair process for C2 and C4 fault

2)C1為控制細胞：在C3完成修復過程的同時，C1的移位控制信號C1S置為11，開始一個周期的逆時針循環移位，在540 ns，逆時針循環移位完成，C1S置為01，開始一個周期的順時針循環移位，同時C4，C5，C6同時進行一次非循環移位，560 ns移位結束。

經過4個時鐘周期，C1，C2，C3，C4的表達基因3207，3079，903，903分別移位至C1，C3，C5，C6，所有基因正常表達，陣列可執行正常功能。C2，C4引起的陣列故障被修復，修復過程耗時4個時鐘周期。

4.2.2相鄰多細胞故障的自修復

在480 ns，對相鄰的C2，C3細胞同時注入故障，細胞內自檢單元檢測到故障向外發送細胞故障信號，C2FS，C3FS置為高電平。位于故障細胞前側的C1在故障信號的驅動下成為控制細胞，開始陣列的修復過程，如圖7所示，主要分為三步：

1)C1的移位控制信號C1S置為11，細胞內各基因存儲寄存器的移位控制信號置為高，在時鐘clk驅動下，C1內的基因逆時針循環移位兩次，如520 ns所示；

2)C1的移位控制信號C1S置為01，C1細胞、位于故障細胞后的激活細胞及空閑細胞C5內基因存儲寄存器的移位控制信號置為高，C1細胞進行一次順時針循環移位，而其余細胞進行一次順時針非循環移位，如540 ns，在移位過程中，故障細胞C2，C3為“透明”狀態，C1r1的內容直接移至C4r1；

3)繼續一次與第二步相同的移位操作，空閑細胞C6參與移位，一個時鐘周期后，在560 ns移位完成。

經過上述三步操作，故障細胞C2，C3的表達基因3079，903由其后面的細胞C4，C5執行；而C4的表達基因903移至C6細胞的r1寄存器，由C6表達，陣列完成自修復，耗時4個時鐘周期。

圖7　C2，C3故障修復過程Fig.7　Repair process for C2 and C3 fault

通過實驗可以看出，所提出的部分基因循環存儲結構通過基因的非循環移位和循環移位，能夠完成陣列的分化和各種故障情況下的陣列自修復，且分化、自修復時間較短。

5基因存儲的可靠性、硬件消耗分析

在已有可靠性模型[13]基礎上，結合所設計的基因存儲的自修復特點，建立了基于部分基因循環存儲的系統可靠性模型；并根據存儲的具體實現，建立了硬件消耗模型。以可靠性模型和硬件消耗模型為基礎，對所提出的基因存儲進行了分析。

設胚胎電子陣列規模為M×N，目標電路規模為m×n，陣列中每個細胞的可靠性符合指數分布，即r(t)=e-λt，基因備份數目記為k。

以行移除策略為例，每行中每個工作細胞都可靠則該行可靠，陣列中有n行可靠則目標電路可正常工作，則其可靠度

(8)

其中Rrr(t)=r(t)m=e-mλt為每一行的可靠度。

5.1可靠性模型

基于本文存儲的系統，細胞故障會導致基因備份數目的降低，但通過基因存儲的更新，基因備份數目得到恢復，系統正常運行；若多個細胞同時故障使某基因的備份數目減少至0，則陣列中不再存在該基因，陣列無法完成自修復，從而出現電路故障。因此其可靠性在傳統的可靠性基礎上，還須保證目標電路中多列同時故障時，各基因的基因備份數目大于0，否則陣列將失去自修復能力。

目標電路的n列中，當g(g≥k)列同時發生故障時，使電路中基因備份數目減少至0，即失去自修復能力的概率記為P(t)，則有：

(9)

則基于本文存儲的系統可靠性為：

(10)

系統的失效前平均時間(Mean Time to Failure, MTTF)MTTFtrr為：

(11)

5.2硬件消耗模型

部分基因循環存儲使用寄存器存儲基因。每位基因信息使用一個D觸發器進行存儲，通過觸發器間信息的移位實現基因的移位，其控制電路規模較小，可以忽略不計。

設基因寬度為w，即每個基因有w位信息；設細胞內存儲的基因數目為p，經典的上升沿D觸發器需要24個MOS管[14]。則存儲消耗MOS管數目為：

Hc=M×N×p×w×24

(12)

細胞內存儲的基因數目等于基因備份數目，則有：

Hc=M×N×k×w×24

(13)

5.3可靠性、硬件消耗分析

設目標電路規模為50×50，基因寬度為57[15]，基因備份數目變化范圍為[2, 50]。當陣列規模分別為50×75，50×100，50×125，50×150，50×175，50×200時，分別由式(11)、式(13)計算系統MTTF和存儲消耗MOS管數目，結果如圖8所示。

(a)不同基因備份數目下系統的MTTF(a) MTTF of systems with different gene backup number

(b)不同基因備份數目下存儲消耗MOS管數目(b) Hardware overhead under different gene backup number圖8　不同基因備份數目下的MTTFFig.8　MTTF under different gene backup number

由圖8(a)可以看出，基于本文存儲結構的系統的MTTF具有兩個特點：在相同基因備份數目下，系統的MTTF隨著陣列規模的增加而增加；當陣列規模固定時，系統的MTTF可分為兩個階段，當基因備份數目很小時，系統的MTTF隨基因備份數目的增加而迅速提高，如基因備份數目小于10時；當基因備份數目稍大時，系統的MTTF隨基因備份數目變化較小，趨于穩定。

由圖8(b)可以看出，基因存儲消耗MOS管數目與基因備份數目呈線性關系，隨著基因備份數目的增加而線性上升，且胚胎電子陣列的規模越大，MOS管數目增加速度越快。

對于規模相同的目標電路和胚胎電子陣列，該存儲支持任意選擇的基因備份數目，可在較小的基因備份數目下達到較大的系統MTTF，這是由于自修復過程中基因存儲具有自主更新能力，從而提高了系統的可靠性。因此可以通過選擇較小的基因備份數目，在保持系統MTTF變化不大的情況下，降低硬件消耗，這是該存儲結構的優點，且目標電路和胚胎電子陣列的規模越大，該優點越明顯。

6結論

提出一種新型的基因存儲結構——部分基因循環存儲，電子細胞只存儲系統的部分基因，且存儲的基因數目不受陣列中空閑資源的限制，可由設計者根據設計需求指定。通過細胞內、細胞間的基因循環、非循環移位進行陣列的功能分化和自修復，分化時間為(細胞個數+基因備份數目-1)個時鐘周期，自修復時間為(故障細胞數目×2)個時鐘周期，分化、自修復過程迅速。

自修復過程中，通過細胞內基因存儲的自主更新，保持基因信息的完整，完成陣列的自修復。理論分析表明，所提存儲的自主更新特性使其能夠在較小的基因備份數目下達到較大的可靠性，而較小的基因備份數目可以降低系統的硬件消耗，因而該基因存儲能夠在保證系統可靠性的同時降低硬件消耗。

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Structure of partial-DNA cyclic memory for embryonics cell

ZHUSai,CAIJinyan,MENGYafeng,LIDanyang

(Department of Electronic and Optical Engineering, Mechanical Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract：In order to reduce the hardware cost of embryonics system on the promise of ensuring system reliability, a novel genome memory structure—partial-DNA cyclic memory was presented, and only part of the system’s DNA was stored. The embryonics array’s functional differentiation and self repairing were achieved through the gene cyclic and non-cyclic shift in the cell and between cells, and the genes stored in memory were updated during the self repairing process. In this memory structure, the gene backups were set according to actual demand of system reliability and hardware cost, which were independent from the number of idle resources in embryonics array. Theoretical analysis and simulation results show that the new genome memory structure can not only achieve embryonics array’s functional differentiation and self-repair, but also can ensure system reliability and reduce hardware cost, and it has a high practical engineering value.

Key words：embryonics array; genome memory; cyclic shift; reliability; self repairing; genome update

中圖分類號：TP302.8

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)01-078-08

作者簡介：朱賽(1987—)，男，河南鄲城人，博士研究生，E-mail：szhumail@163.com；蔡金燕(通信作者)，女，教授，博士，博士生導師，E-mail：radarc@126.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61271153，61372039)

*收稿日期：2015-01-29

doi:10.11887/j.cn.201601014

http://journal.nudt.edu.cn