基于SystemC的进化硬件技术研究

发布时间：2020-04-06 06:31

【摘要】：进化硬件能根据环境变化而改变自身结构,以适应其生存环境。实现能够自演化的进化硬件系统是进化硬件付诸工程应用的重要途径。近年来,片上系统因其高效集成性能而成为微型计算机系统的研究热点。因此,将进化控制和可重构硬件在一个芯片中实现,并进一步构成能够自适应和自修复的片上自演化系统,具有重要意义与研究价值。SystemC作为一种优秀的系统设计描述语言,可完成从系统到寄存器传输级、从软件到硬件、从设计到验证的全部设计过程。本文研究了使用SystemC建模实现片上自演化系统的关键技术,主要内容如下: (1)分析了进化硬件的研究现状、基本原理、关键技术及分类方法,给出了其搜索工具——遗传算法的基本操作流程。选用SystemC语言作为开发语言,给出了基于SystemC的系统级设计步骤,介绍了SystemC的仿真和调试环境,说明了使用SystemC建模的过程。 (2)研究了片上自演化系统实现方案和总体结构,分析了系统各模块之间的关系。使用SystemC对自演化系统的关键模块——精简指令计算机(RISC CPU)和遗传算法模块进行了建模,并在SystemC_Win环境下,对程序进行了仿真。给出了RISC CPU的指令系统以及RISC CPU和遗传算法模块的代码实现。 (3)在所建RISC CPU和遗传算法模型上,分别以二阶低通切比雪夫滤波器参数和分类器分类规则的进化为例,验证了方案的可行性。给出了二阶低通切比雪夫滤波器的模型、传递函数和设计步骤。通过仿真得到了滤波器的优化参数,对仿真结果进行了分析,并进一步分析了遗传算法控制参数对实验结果的影响。给出了分类规则进化的实现方案,以ID3算法产生初始规则集作为初始种群,在所建模型上进化得出更优的规则集,仿真结果表明优化后规则集的复杂度明显下降。
【图文】：

进化硬件,自主机器人

则把寄存器传输级描述综合为门级电路。因此本文使用 SystemC 建模实现片上进化系统。1.2 进化硬件的研究现状进化硬件的研究内容主要包括硬件进化设计和硬件自适应两个方面，硬件进化设计研究目的是使用进化算法来创造新颖的物理设计，而硬件自适应研究目标则是使物理系统具有某些自适应特征，以适应变化的环境甚至在出现错误的情况下也能成功运行。国外对于进化硬件的研究起步比较早，并取得了大量研究成果。目前，主要研究机构分布在日本、美国、英国等国家，包括美国喷气推进实验所、英国约克大学、日本电子技术研究所、爱丁堡大学电子工程学院等单位。这些研究机构分别对进化硬件进行了大量研究，英国约克大学主要研究胚胎进化硬件方面，美国喷气推进实验所主要对模拟进化硬件进行研究，而日本电子技术研究所主要研究的是数字进化硬件方面。数字进化硬件典型应用包括人造假手控制和机器人，如图 1.1 所示。文献[8]中，提出门级进化硬件芯片，把遗传算法和可重构硬件应用于人造假手的控制。文献[9]提出了形态学进化中一个新的算法，，用人工神经网络控制自主机器人。

进化硬件,小卫星

并应用于太空领域[10]。图1.2 是进化硬件在宇宙探索和通信方面的应用。文献[11]研究了进化硬件在太空领域中的应用，文中为了解决由于同一个发射台部署多个卫星，它们彼此距离很近，用特别的技术保证相互通信问题。提出了一个片上系统设计，包括普通用途的处理器核和专门用途的 Java 处理器核，使用实时软件代理申请来适应和重构拓扑结构。使网络适应不同的太空干扰并保证设计寿命。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP368.1;TN47

【参考文献】