基于DNA计算的单片机并行处理系统的设计和实现

发布时间：2020-07-20 21:17

【摘要】： DNA计算机以其高度并行性,运算速度快,存储容量大,能量消耗低等特点成为新一代计算机的候选之一。但是由于大量DNA分子的控制、辨别复杂,无法高效地从候选结构中检测和筛选结果等缺陷,使DNA计算机的实现非常困难。 另一方面,随着电子技术和集成电路技术的发展,超大规模集成电路的产生,单位面积上可集成的晶体管数量越来越多,使得在芯片上构建大规模的并行系统成为可能。 本文设计并实现了一个新的并行系统,用FPGA实现系统主体框架,引入四值逻辑实现地址转换器和数据发生器,借用DNA计算的步骤,采用大规模并行计算;控制器部分用单片机实现,像FPGA发送相关控制信号。该系统结合了DNA计算和集成电路二者的优点, 本文主要研究内容如下: 1.设计并实现一个全新系统的可行性,并利用单片机和FPGA设计实现该系统。该系统结合了DNA计算和电子并行计算二者的优点,可以根据具体问题定制不同的部件。针对SAT问题和均分问题,分别设计相应的系统,该系统集合了电子技术和DNA计算二者共同的优点,通过以空间换时间的方式,在多项式时间内解决了SAT问题和均分问题,并且可以复用,造价低廉,与传统计算方式和DNA计算方式比较都有优势。 2.由于Verilog HDL语言的特性,当生成多个部件时,需要反复编写差异不大的语句,工作量大且容易出错。对于该问题,通过C语言实现了大量相似语句的自动生成,减少了错误率,提高效率。 3.由于系统工作是需要输入大量二进制串指令,易出错。针对该问题,通过C语言实现一个汇编器,并制定助记符,该汇编器可以将助记符自动“翻译”成相应的二进制指令串。简化了编写系统工作指令的过程。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP368.12
【图文】：

枷.!!l一个乌谁幸锄鳞簿夔----一一图1一 1DNA分子结构DNA分子是由两条互补成双螺旋结构相互缠绕的单链DNA所构成。每条单链DNA都是由众多的脱氧核糖核昔酸线性聚合而成。每个脱氧核糖核普酸是由一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基组成的。脱氧核糖核昔酸中的含氮碱基主要有4种:腺嗓吟A、胞嗜陡C、胸腺嚓睫T、鸟嗓吟G。由含氮碱基的不同，形成了DNA中的4种不同的脱氧核糖核普酸以及它们之间的互补配对关系。含有A的脱氧核糖核普酸可以和含有T的通过氢键互补配对，而含有G的可以和含有C的互补配对，从而成为双螺旋结构和生物体遗传的物质基础。碱基对的不同排列顺序就形成了生物体的遗传信息，而双螺旋结构则保证了遗传信息传递的可靠性。DNA计算是一种以DNA与相关的某些生物酶等作为最基本材料的、基于某些生化反应原理的一种新型的分子生物计算方法。其基本思想是:利用DNA特殊的双螺旋结构和碱基互补配对规律进行信息编码，把要运算的对象映射成DNA分子链，在生物酶的作用下，生成各种数据池 (datapool)，然后按照特定的规则将原始问题的数据运算高度并行地映射成DNA分子链的可控的生化过程

图2并xc2s200一6pqZos内部结构SPartanH主要包括cLBs，FO块，RAM块和可编程连线。在Spartann中，一个CLB包括2个Sliees。SlieeS结构如图2一5所示。每个Sliees包括两个LUT，两个触发器和相关逻辑。Slices可以看成是SPartann实现逻辑的最基本结构。进进进进进进进进进进 场场 场场纂纂 纂纂纂纂纂长长支 支支控控 控控控控控控 555一一一一一丝 OOOOO馨馨 馨 馨馨口白 白口口 ...泞爱 爱爱 爱 爱 爱爱你 你，，，，，，出代 1111111111111饭仁 仁 nnnnnnnnnnnnnnnnn日日日 日日.匕勿 勿 勿 ...........................................门 门门 门不不 不 不 进进进进进进进进进进进进进进进进 荡荡荡门门门门阵 阵尸 尸 控控控控控控控控控控控控控控控控 剃剃剃 剃门门日 日门 门 镬镬镬 镬镬镬镬镬镬镬镬镬镬镬镬 ··比 比比 比 比 比 比比比比比比”””””””翼。 。。 。 。 。 。。 SSS。 。。襄 襄襄 襄 襄襄襄襄襄襄襄襄襄襄襄 0OOO.............

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本文编号：2763961