FPGA在线演化自修复方法研究
发布时间：2020-12-31 02:02
随着电子技术的集成度越来越高和科技的逐渐进步,在太空、深海等环境下工作的电子信息系统也具有了更多功能。但是在这类极端环境下,系统难免会遇到各种各类的故障与错误,如何去排除并且修复这些故障一直是系统上比较棘手的问题。传统的修复方法有很大的局限性,一方面太浪费资源,另一方面效果不能满足要求,所以需要一种高效可行的自修复方法来应用于极端条件的电子信息系统。演化硬件作为一个正在发展的技术在处理故障修复这方面有很大的发展空间,使用微处理器加可编程逻辑区的搭配让系统能够保证功能的同时也可以有很强的可靠性。在可编程逻辑区使用动态部分重配置技术（DPR）使得演化的效率更高,能耗也更小,本文研究在DPR技术的基础上使用遗传算法修复可编程逻辑硬件故障,主要研究内容如下:首先,研究硬件在结构上与生物组织的相似性,通过研究生物系统内的自修复方法,进而对硬件的自修复进行了类比,提出了硬件组织层面上的自修复方法,并且通过DPR技术对可编程逻辑资源的修复进行了可行性的分析,提出硬件自修复的方法。其次,采用Zynq-7000系列的So C作为系统的实验验证平台,设计开发了自修复演化硬件系统。作为自修复设计不可缺少的部...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全局最优解与局部最优解
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-23-再生指的是在正常生命活动时，当细胞或组织持续老化或消耗后，为保持原有结构或功能的不变而让新生同种细胞来源源不断的补充的过程，病理性再生则是在病理状况下细胞或组织缺损下的再生。如果按照细胞再生能力的强弱来区分，人体细胞分为不稳定细胞、稳定细胞和永久性细胞，其中不稳定细胞占人体占比的1.5%，具有不断增生、更新的能力，而稳定细胞则具有潜在的增生能力，在需要其增生时才会选择去再生，永久性细胞在受损后会永久消失，比如神经细胞、心肌细胞等。干细胞是生命周期中能够长时间或一直自我更新或能够继续多向分化的一类细胞，有胚胎干细胞和成体干细胞两类，干细胞在组织修复中发挥了重要作用。机体内多种成熟分化的组织中有成体干细胞存在的踪影，当组织损伤时，组织内或外部干细胞涌入损伤部位，并继续分化成熟用来修补受损的部分。以骨髓组织的干细胞为例，如图2-15所示，骨髓中干细胞有自我更新和自我维持能力，能够不断进行有丝分裂来产生不分化状态的细胞，而在特定条件下又能够分化成不同组织的细胞，而且这些组织内部的干细胞又能分化成间充质干细胞(mesenchymalstemcell,MSC)[44]。间充质干细胞能够分化成的组织类型十分丰富，在创伤性病理炎症时能够发挥巨大的作用，比如在烧伤时分化为真皮组织，在心脏疾病时分化为心肌组织。图2-15骨骼间充质干细胞分化示意图而组织修复的可实施性又取决于损伤组织的类型和受损的程度。再生在不同组织又可分为上皮组织的再生、纤维组织的再生、软骨组织和骨组织的再生、
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-34-生成比特流文件(可选)系统配置添加IP导入软件开发工具可编程逻辑区配置(比特流文件)硬件规格文件(XML)内存映射信息(MMI)处理系统配置硬件交接图3-5系统开发流程图在系统工程建立之后，需要在IPIntegrator中创建一个块设计，实例化Zynq处理器与其它XilinxIP和自定义IP并为其生成输出产品，如图3-6所示。完成需要的程序文件和约束文件(用于硬件外设管脚分配以及电平配置等)并加载到资源区。创建顶层封装wrapper，将块设计实例化到顶层RTL设计中，再运行综合、实现、生成比特流文件，导出硬件hdf文件到SDK中。最后在SDK中创建软件应用，将可执行的ELF文件与硬件设计联系在一起，下载到我们的硬件上。图3-6系统总体块设计示意图之后便可以开展我们自修复系统的工作，如果进一步进行开发并运用到实际生产中，我们的系统可以用于空间、核电站、深海等极端环境下，如图3-7所示。在这类环境下，常具有大量的辐射且难以去进行人工修复，本文所设计的自修复演化系统便可有足够的用武之地。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种缓解NBTI效应引起电路老化的门替换方法[J]. 梁华国,陶志勇,李扬. 电子测量与仪器学报. 2013(11)
[2]碱性成纤维细胞生长因子修复功能及其应用研究进展[J]. 赵宇,孙立伟,姜锐,申野. 中国老年学杂志. 2012(11)
[3]一种新型的单芯片级可进化硬件系统[J]. 杨华秋,段欣,来金梅. 复旦学报(自然科学版). 2012(01)
[4]基于演化硬件的在线自适应系统[J]. 朱继祥,李元香,夏学文,曾辉. 计算机科学. 2009(07)
[5]FDP FPGA芯片的设计实现(英文)[J]. 陈利光,王亚斌,吴芳,来金梅,童家榕,张火文,屠睿,王建,王元,申秋实,余慧,黄均鼐,卢海舟,潘光华. 半导体学报. 2008(04)
[6]FPGA动态部分重构的研究及位流信息重构的实现[J]. 徐新民,乐莹,尚丽娜. 科技通报. 2008(02)
[7]RLGA:一种基于强化学习机制的遗传算法[J]. 王本年,高阳,陈兆乾,谢俊元,陈世福. 电子学报. 2006(05)
[8]大容量FPGA数据的EEPROM串行加载[J]. 电子元器件应用. 2006(03)
[9]多目标优化的演化算法[J]. 谢涛,陈火旺,康立山. 计算机学报. 2003(08)
[10]骨髓间充质干细胞分化为血管内皮细胞的实验研究[J]. 方利君,付小兵,孙同柱,李建福,程飚,杨银辉,王玉新. 中华烧伤杂志. 2003(01)
博士论文
[1]基于数字电路的演化自适应系统研究[D]. 杨晓艳.武汉大学 2018
[2]星载ATP控制系统容错设计及单粒子效应加固技术研究[D]. 王红举.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[3]卫星热辐射特性及其空间辐照环境效应研究[D]. 马伟.南京理工大学 2011
硕士论文
[1]基于ARM Cortex-A9 MPCore嵌入式多核操作系统内核研究与实现[D]. 蔡人和.电子科技大学 2016
[2]基于FPGA动态部分重构的数字系统在线演化技术研究[D]. 孙艳梅.南京航空航天大学 2015
[3]基于遗传算法的多目标优化问题的研究与应用[D]. 徐磊.中南大学 2007
本文编号：2948731
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全局最优解与局部最优解
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-23-再生指的是在正常生命活动时，当细胞或组织持续老化或消耗后，为保持原有结构或功能的不变而让新生同种细胞来源源不断的补充的过程，病理性再生则是在病理状况下细胞或组织缺损下的再生。如果按照细胞再生能力的强弱来区分，人体细胞分为不稳定细胞、稳定细胞和永久性细胞，其中不稳定细胞占人体占比的1.5%，具有不断增生、更新的能力，而稳定细胞则具有潜在的增生能力，在需要其增生时才会选择去再生，永久性细胞在受损后会永久消失，比如神经细胞、心肌细胞等。干细胞是生命周期中能够长时间或一直自我更新或能够继续多向分化的一类细胞，有胚胎干细胞和成体干细胞两类，干细胞在组织修复中发挥了重要作用。机体内多种成熟分化的组织中有成体干细胞存在的踪影，当组织损伤时，组织内或外部干细胞涌入损伤部位，并继续分化成熟用来修补受损的部分。以骨髓组织的干细胞为例，如图2-15所示，骨髓中干细胞有自我更新和自我维持能力，能够不断进行有丝分裂来产生不分化状态的细胞，而在特定条件下又能够分化成不同组织的细胞，而且这些组织内部的干细胞又能分化成间充质干细胞(mesenchymalstemcell,MSC)[44]。间充质干细胞能够分化成的组织类型十分丰富，在创伤性病理炎症时能够发挥巨大的作用，比如在烧伤时分化为真皮组织，在心脏疾病时分化为心肌组织。图2-15骨骼间充质干细胞分化示意图而组织修复的可实施性又取决于损伤组织的类型和受损的程度。再生在不同组织又可分为上皮组织的再生、纤维组织的再生、软骨组织和骨组织的再生、
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-34-生成比特流文件(可选)系统配置添加IP导入软件开发工具可编程逻辑区配置(比特流文件)硬件规格文件(XML)内存映射信息(MMI)处理系统配置硬件交接图3-5系统开发流程图在系统工程建立之后，需要在IPIntegrator中创建一个块设计，实例化Zynq处理器与其它XilinxIP和自定义IP并为其生成输出产品，如图3-6所示。完成需要的程序文件和约束文件(用于硬件外设管脚分配以及电平配置等)并加载到资源区。创建顶层封装wrapper，将块设计实例化到顶层RTL设计中，再运行综合、实现、生成比特流文件，导出硬件hdf文件到SDK中。最后在SDK中创建软件应用，将可执行的ELF文件与硬件设计联系在一起，下载到我们的硬件上。图3-6系统总体块设计示意图之后便可以开展我们自修复系统的工作，如果进一步进行开发并运用到实际生产中，我们的系统可以用于空间、核电站、深海等极端环境下，如图3-7所示。在这类环境下，常具有大量的辐射且难以去进行人工修复，本文所设计的自修复演化系统便可有足够的用武之地。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种缓解NBTI效应引起电路老化的门替换方法[J]. 梁华国,陶志勇,李扬. 电子测量与仪器学报. 2013(11)
[2]碱性成纤维细胞生长因子修复功能及其应用研究进展[J]. 赵宇,孙立伟,姜锐,申野. 中国老年学杂志. 2012(11)
[3]一种新型的单芯片级可进化硬件系统[J]. 杨华秋,段欣,来金梅. 复旦学报(自然科学版). 2012(01)
[4]基于演化硬件的在线自适应系统[J]. 朱继祥,李元香,夏学文,曾辉. 计算机科学. 2009(07)
[5]FDP FPGA芯片的设计实现(英文)[J]. 陈利光,王亚斌,吴芳,来金梅,童家榕,张火文,屠睿,王建,王元,申秋实,余慧,黄均鼐,卢海舟,潘光华. 半导体学报. 2008(04)
[6]FPGA动态部分重构的研究及位流信息重构的实现[J]. 徐新民,乐莹,尚丽娜. 科技通报. 2008(02)
[7]RLGA:一种基于强化学习机制的遗传算法[J]. 王本年,高阳,陈兆乾,谢俊元,陈世福. 电子学报. 2006(05)
[8]大容量FPGA数据的EEPROM串行加载[J]. 电子元器件应用. 2006(03)
[9]多目标优化的演化算法[J]. 谢涛,陈火旺,康立山. 计算机学报. 2003(08)
[10]骨髓间充质干细胞分化为血管内皮细胞的实验研究[J]. 方利君,付小兵,孙同柱,李建福,程飚,杨银辉,王玉新. 中华烧伤杂志. 2003(01)
博士论文
[1]基于数字电路的演化自适应系统研究[D]. 杨晓艳.武汉大学 2018
[2]星载ATP控制系统容错设计及单粒子效应加固技术研究[D]. 王红举.中国科学院研究生院(光电技术研究所) 2016
[3]卫星热辐射特性及其空间辐照环境效应研究[D]. 马伟.南京理工大学 2011
硕士论文
[1]基于ARM Cortex-A9 MPCore嵌入式多核操作系统内核研究与实现[D]. 蔡人和.电子科技大学 2016
[2]基于FPGA动态部分重构的数字系统在线演化技术研究[D]. 孙艳梅.南京航空航天大学 2015
[3]基于遗传算法的多目标优化问题的研究与应用[D]. 徐磊.中南大学 2007
本文编号：2948731
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2948731.html
