基于模塊化的數(shù)字電路優(yōu)化設計研究

高蘭

摘 要：隨著超大規(guī)模集成電路在數(shù)據(jù)存儲、芯片設計中的普及和使用，數(shù)字電路設計越來越復雜，采用自頂向下的模塊化設計理念，將復雜的電路劃分為多個邏輯獨立的模塊，同時采用遺傳算法優(yōu)化設計數(shù)字電路，可以更好地保證超大規(guī)模數(shù)字電路的準確度。

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

中圖分類號：TN791 文獻標識碼：A

0.引言

隨著單片機、CPU、存儲器、基帶等多媒體硬件設備的快速發(fā)展和普及，有效促進了人們家居生活、科研教育、工作生產(chǎn)的智能化、信息化和共享化。數(shù)字電路是硬件設備數(shù)據(jù)通信、命令控制的重要基礎，隨著軟硬件資源設備的功能增多，數(shù)字電路日趨復雜和高度集成化，傳統(tǒng)的設計規(guī)則和經(jīng)驗知識已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)發(fā)展需求，并且無法保證系統(tǒng)設計的準確性、可靠性和通用性，因此吸引了諸多學者的研究。為了能夠提高數(shù)字電路設計的準確性和可靠性，數(shù)字電路設計提出了優(yōu)化理念。數(shù)字電路優(yōu)化設計包括兩個基本構(gòu)成要素，一是大規(guī)模現(xiàn)場可重構(gòu)器件，其可以作為硬件電路的實現(xiàn)載體與評價方法；二是進化算法，其可以作為全局搜索和局部優(yōu)化的主要手段。因此，為了能夠提高數(shù)字電路設計模式，可以引入遺傳算法將數(shù)字電路拓撲結(jié)構(gòu)進行位串編碼，將其作為染色體算法進行執(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估算法，能夠?qū)㈦娐穼嶋H優(yōu)化設計結(jié)果與期望值進行有效比較，以便能夠更好地指導數(shù)字電路優(yōu)化設計。

1.基于模塊化的數(shù)字電路優(yōu)化設計

1.1 模塊化設計理念

數(shù)字電路功能復雜、規(guī)模較大，常見的設計方法已經(jīng)無法正常優(yōu)化，因此本文提出采用自頂向下的模塊設計理念，能夠?qū)碗s的電路設計問題進行分解和細化，將復雜的數(shù)字電路設計分解為一系列簡單的子電路進化設計模塊，盡可能地降低電路設計的復雜程度，將一個復雜的問題簡化為一個個簡單的問題。數(shù)字電路設計可以建模一個真值表，描述數(shù)字電路的功能，因此本文優(yōu)化設計過程中，可以將真值表作為一個完整的數(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行模塊化設計，將輸入組合的部分位數(shù)作為子功能的輸入信號，其余位數(shù)作為子系統(tǒng)的選通信號。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，使用模塊化設計思想，可以將進化電路分為4個獨立的子系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)的輸入變量可以使用A1、A2表示，輸出變量由選通信號A0進行判定和選擇，以便得到正確的輸出，比如電路輸出為OUT0時，需要兩個子系統(tǒng)S0和S1，當IN0=0時，選擇子系統(tǒng)S0作為OUT0的輸出，當IN0=1時，選擇子系統(tǒng)S1作為OUT0的輸出，如圖1所示。

與傳統(tǒng)的電路進化算法相比，模塊化進化算法具有兩個優(yōu)點，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)解的時間復雜度，提高算法成功率。

1.2 數(shù)字電路優(yōu)化設計

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

（1）染色體編碼

在遺傳算法執(zhí)行過程中，需要對電路模塊化結(jié)構(gòu)的染色體進行編碼。該染色體分為邏輯獨立的N段，每一段都可以表示一個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)采用門級電路進化，每一個子系統(tǒng)都包含功能編碼、連線編碼和選通信號位。遺傳算法的染色編碼采用實數(shù)編碼，將所有子系統(tǒng)合成一條染色體，各個子系統(tǒng)可以并行進化，為了避免電路資源開銷較大，各個進化子系統(tǒng)相互邏輯獨立。染色體編碼方案如圖2所示。

（2）適應度函數(shù)設計

適應度函數(shù)是遺傳算法在數(shù)字電路設計中的重要環(huán)節(jié)，適應度函數(shù)設計是否好直接影響最優(yōu)化目標，適應度函數(shù)的輸出值可以與期望值進行有效的比較和分析，將操作結(jié)果當作是數(shù)字電路優(yōu)化設計的評價標準，數(shù)字電路遺傳算法適應度函數(shù)設計如公式（1）所示。

其中，CorrectNum是進化電路輸出正確的個數(shù)，InputNum是輸入端的個數(shù)，α是復雜度在適應度中所占比例大小，Length=R×C表示染色體的長度，GateEvComi是第i個基本門電路的估計復雜度。

（3）選擇操作

遺傳算法常用的選擇操作很多，比如競爭選擇法和輪盤賭法。本文數(shù)字電路設計過程中采用了模塊化原則，因此可以采用競爭選擇策略，也即是從父代的種群中選擇若干個遺傳個體，然后可以將這些個體在適應度函數(shù)中的計算值進行比較，選擇適應度最高的個體進行交叉操作，重復上述過程直到交叉操作執(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染色體，按照一定的概率P進行交叉和配對，能夠?qū)?yōu)秀的基因保留下來，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、兩點交叉或單點交叉。均勻交叉具有染色體置換較多的優(yōu)點，因此可以更好地滿足需求，本文針對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描述任意兩個父代染色體，C1、C2描述任意兩個子代染色體，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的機制實施變異操作，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越好。變異操作僅僅在單個父代個體上進行有效的操作，其可以改變某一個染色體的基因，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決定個體是否變異，如果M取值為0，則不進行任何操作，如果M不等于0，則進行變異操作。

結(jié)語

數(shù)字電路采用模塊化設計方法，同時利用遺傳算法優(yōu)化電路，因此可以提高數(shù)字電路設計的可靠性和準確度，更加有效地適用于航空電子、精密儀器等電子化設備，提高我國自動化設備自動化、智能化水平。

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