基于模塊化的數(shù)字電路優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

高蘭

摘 要：隨著超大規(guī)模集成電路在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、芯片設(shè)計(jì)中的普及和使用，數(shù)字電路設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)理念，將復(fù)雜的電路劃分為多個(gè)邏輯獨(dú)立的模塊，同時(shí)采用遺傳算法優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)字電路，可以更好地保證超大規(guī)模數(shù)字電路的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；模塊化；優(yōu)化設(shè)計(jì)；遺傳算法

中圖分類號(hào)：TN791 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

隨著單片機(jī)、CPU、存儲(chǔ)器、基帶等多媒體硬件設(shè)備的快速發(fā)展和普及，有效促進(jìn)了人們家居生活、科研教育、工作生產(chǎn)的智能化、信息化和共享化。數(shù)字電路是硬件設(shè)備數(shù)據(jù)通信、命令控制的重要基礎(chǔ)，隨著軟硬件資源設(shè)備的功能增多，數(shù)字電路日趨復(fù)雜和高度集成化，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)已經(jīng)無(wú)法滿足系統(tǒng)發(fā)展需求，并且無(wú)法保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、可靠性和通用性，因此吸引了諸多學(xué)者的研究。為了能夠提高數(shù)字電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性，數(shù)字電路設(shè)計(jì)提出了優(yōu)化理念。數(shù)字電路優(yōu)化設(shè)計(jì)包括兩個(gè)基本構(gòu)成要素，一是大規(guī)模現(xiàn)場(chǎng)可重構(gòu)器件，其可以作為硬件電路的實(shí)現(xiàn)載體與評(píng)價(jià)方法；二是進(jìn)化算法，其可以作為全局搜索和局部?jī)?yōu)化的主要手段。因此，為了能夠提高數(shù)字電路設(shè)計(jì)模式，可以引入遺傳算法將數(shù)字電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行位串編碼，將其作為染色體算法進(jìn)行執(zhí)行，將最優(yōu)化染色體下載到可重構(gòu)器件中，也可以使用軟件模型評(píng)估算法，能夠?qū)㈦娐穼?shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與期望值進(jìn)行有效比較，以便能夠更好地指導(dǎo)數(shù)字電路優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.基于模塊化的數(shù)字電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 模塊化設(shè)計(jì)理念

數(shù)字電路功能復(fù)雜、規(guī)模較大，常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法正常優(yōu)化，因此本文提出采用自頂向下的模塊設(shè)計(jì)理念，能夠?qū)?fù)雜的電路設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分解和細(xì)化，將復(fù)雜的數(shù)字電路設(shè)計(jì)分解為一系列簡(jiǎn)單的子電路進(jìn)化設(shè)計(jì)模塊，盡可能地降低電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，將一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)化為一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。數(shù)字電路設(shè)計(jì)可以建模一個(gè)真值表，描述數(shù)字電路的功能，因此本文優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將真值表作為一個(gè)完整的數(shù)字電路系統(tǒng)，因此可以將數(shù)字電路的輸入變量和輸出變量進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將輸入組合的部分位數(shù)作為子功能的輸入信號(hào)，其余位數(shù)作為子系統(tǒng)的選通信號(hào)。具體地，一位全加器的真值表可以有效地描述基本的全加器數(shù)字電路功能，使用模塊化設(shè)計(jì)思想，可以將進(jìn)化電路分為4個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)的輸入變量可以使用A1、A2表示，輸出變量由選通信號(hào)A0進(jìn)行判定和選擇，以便得到正確的輸出，比如電路輸出為OUT0時(shí)，需要兩個(gè)子系統(tǒng)S0和S1，當(dāng)IN0=0時(shí)，選擇子系統(tǒng)S0作為OUT0的輸出，當(dāng)IN0=1時(shí)，選擇子系統(tǒng)S1作為OUT0的輸出，如圖1所示。

與傳統(tǒng)的電路進(jìn)化算法相比，模塊化進(jìn)化算法具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是能夠解決功能電路選擇的不確定性，二是降低子系統(tǒng)輸入輸出位數(shù)，能夠縮小算法可以搜索的解空間，能夠有效地降低算法搜索最優(yōu)解的時(shí)間復(fù)雜度，提高算法成功率。

1.2 數(shù)字電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

數(shù)字電路設(shè)計(jì)劃分為多個(gè)模塊，因此為了能夠?qū)で笠环N最優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)目標(biāo)，引入了遺傳算法，遺傳算法的設(shè)計(jì)流程如下所述。

（1）染色體編碼

在遺傳算法執(zhí)行過(guò)程中，需要對(duì)電路模塊化結(jié)構(gòu)的染色體進(jìn)行編碼。該染色體分為邏輯獨(dú)立的N段，每一段都可以表示一個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)采用門(mén)級(jí)電路進(jìn)化，每一個(gè)子系統(tǒng)都包含功能編碼、連線編碼和選通信號(hào)位。遺傳算法的染色編碼采用實(shí)數(shù)編碼，將所有子系統(tǒng)合成一條染色體，各個(gè)子系統(tǒng)可以并行進(jìn)化，為了避免電路資源開(kāi)銷(xiāo)較大，各個(gè)進(jìn)化子系統(tǒng)相互邏輯獨(dú)立。染色體編碼方案如圖2所示。

（2）適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)

適應(yīng)度函數(shù)是遺傳算法在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)是否好直接影響最優(yōu)化目標(biāo)，適應(yīng)度函數(shù)的輸出值可以與期望值進(jìn)行有效的比較和分析，將操作結(jié)果當(dāng)作是數(shù)字電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字電路遺傳算法適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)如公式（1）所示。

其中，CorrectNum是進(jìn)化電路輸出正確的個(gè)數(shù)，InputNum是輸入端的個(gè)數(shù)，α是復(fù)雜度在適應(yīng)度中所占比例大小，Length=R×C表示染色體的長(zhǎng)度，GateEvComi是第i個(gè)基本門(mén)電路的估計(jì)復(fù)雜度。

（3）選擇操作

遺傳算法常用的選擇操作很多，比如競(jìng)爭(zhēng)選擇法和輪盤(pán)賭法。本文數(shù)字電路設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了模塊化原則，因此可以采用競(jìng)爭(zhēng)選擇策略，也即是從父代的種群中選擇若干個(gè)遺傳個(gè)體，然后可以將這些個(gè)體在適應(yīng)度函數(shù)中的計(jì)算值進(jìn)行比較，選擇適應(yīng)度最高的個(gè)體進(jìn)行交叉操作，重復(fù)上述過(guò)程直到交叉操作執(zhí)行完畢。

（4）交叉算子

交叉算子可以從父代群體中任意選擇兩個(gè)染色體，按照一定的概率P進(jìn)行交叉和配對(duì)，能夠?qū)?yōu)秀的基因保留下來(lái)，以便能夠更好地滿足種群遺傳。交叉算子常用的方法包括均勻交叉、兩點(diǎn)交叉或單點(diǎn)交叉。均勻交叉具有染色體置換較多的優(yōu)點(diǎn)，因此可以更好地滿足需求，本文針對(duì)染色體采用均勻交叉操作，以便更好地滿足均勻交叉操作管理模式，如果P1、P2描述任意兩個(gè)父代染色體，C1、C2描述任意兩個(gè)子代染色體，Minv描述M按位取非操作。則遺傳算子均勻交叉操作如公式（4）和（5）所述。

（5）變異算子

變異操作可以將染色體中的一些基因按照概率Pm的機(jī)制實(shí)施變異操作，變異操作主要是為了保持群體的多樣性。如果概率Pm的取值越大，則遺傳算法的種群多樣性就會(huì)越好。變異操作僅僅在單個(gè)父代個(gè)體上進(jìn)行有效的操作，其可以改變某一個(gè)染色體的基因，就可以使種群保持較好的多樣性。本文變異算子具體操作如下：選擇一條染色體C1，根據(jù)變異概率Pc決定個(gè)體是否變異，如果M取值為0，則不進(jìn)行任何操作，如果M不等于0，則進(jìn)行變異操作。

結(jié)語(yǔ)

數(shù)字電路采用模塊化設(shè)計(jì)方法，同時(shí)利用遺傳算法優(yōu)化電路，因此可以提高數(shù)字電路設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確度，更加有效地適用于航空電子、精密儀器等電子化設(shè)備，提高我國(guó)自動(dòng)化設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑治國(guó)，吳偉.一種改進(jìn)的遺傳算法在數(shù)字電路優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].電子制作，2015，25（23）：77-79.

[2]趙江，陳又新，黃玉珍，等.加速器數(shù)字電源模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2014，6（4）：542-546.

[3]王新勝，胡詣?wù)?低功耗電流模互連電路的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，48（3）：39-45.

[4]李玉學(xué)，白忠臣，秦水介.基于VerilogHDL的FIR數(shù)字濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，9（7）：154-156.

[5]龐莉莉.高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)技術(shù)的分析與思考[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2015，9（6）：196-196.