基于遗传程序设计的数字电路设计自动化研究

王平均，覃 桢（海南软件职业技术学院，海南琼海，571400）



基于遗传程序设计的数字电路设计自动化研究

王平均，覃 桢
（海南软件职业技术学院，海南琼海，571400）

摘要：本文通过介绍电子设计自动化技术，演化硬件，遗传程序设计三个概念，并且从基于遗传程序设计的数字电路设计自动化研究中来还找寻三者的关系，并且分析遗传程序设计的算法思想及实现的方式，并将其运用到数字电路的自动化设计中去。

关键词：电路设计自动化；遗传程序设计；演化硬件

0 引言

进入二十一世纪以来，整个社会进入了一个科技高度发展的时期，在这个时期各个领域的科技都得到了一个高速的发展，其中在二十一世纪发展最为迅速的是计算机科学技术，计算机的发展变得非常的快，已经达到了渗透到人们生活中的各个领域的地步，在这其中，电子设计自动化技术都得到了一个很广泛的发展，并且随着计算机科学技术的发展，电子设计自动化技术变得更加的高级，更加的有效。电子设计自动化技术成了电子技术发展的趋势。电子设计自动化技术带给了电子技术在发展过程中非常多的便利，设计者可以利用电子设计自动化技术来完成在电子系统设计中要完成的大部分工作，带来了非常多的便利，从而被广泛的应用，电子设计自动化技术被广泛应用的同时也得到了高速的发展，但是在发展的过程中也遇到了瓶颈，由于现在的人们对于电路的要求变得更加的复杂化，而且其中对于演化硬件的研究仍然还存在一些瓶颈，如何将电子设计自动化技术和演化硬件进行妥善的结合，并且在遗传程序设计过程中利用演化硬件和电子设计自动化技术来设计一个算法，来提高演化设计的速度，并且使得数字电路的设计也变得更加的完善。

1 电子设计自动化技术

电子设计自动化技术是将计算机技术应用于电子设计过程中而形成的一门新技术，简称为EDA，电子设计自动化技术被广泛应用于电子电路的设计和仿真，集成电路的版图设计、印刷电路板的设计和可编程器件的编程等各项工作中。电子设计自动化技术在被广泛应用的同时，仍然存在着很多的不成熟的地方。比如在模拟集成电路以及混合电路设计自动化的发展尚不成熟，最近几年来，电子设计自动化（EDA）技术的发展带给数字系统设计带来了革命性的变化。电子设计自动化技术主要包含的应用技术有EDA软件设计工具、硬件描述语言、可编程逻辑器件（PLD）。这些工具的发展使得电子设计自动化技术变得更加的方便和普及，也使得电子设计自动化技术在计算机科学技术的应用变得更加的广泛。

2 演化硬件

演化硬件，简称EHW，它主要是仿照自然界中生物的进化过程，在现有的FPGA芯片的基础上实现可以控制的硅基进化过程，演化硬件进行演化设计的主要实现方法是将电路的结构、参数等项内容作为染色体加以编码并施加交叉、变异等演化操作。电路的输人一输出特性与预期结果的符合程度来作为个体的适应度，来指导下一步的演化操作。经过反复的操作来逐步通过计算找到符合要求的个体，来达到最终电路的实现。演化硬件可以进行演化设计，进行设计的结果是能够对集成电路芯片中可以进行重新配置的逻辑单元进行重新配置和重新组合，而且利用演化硬件可以使得系统的体系结构、连接方式都可以得到改变。对系统的体系结构连接方式进行局部的变更，或者是进行整体的调整。在进行遗传程序设计的数字电路设计自动化研究中，演化硬件在其中占据了一个很重要的地位，使得遗传程序电路的设计变得更加的直观，同时也使得更加的适合调整，因此受到了广泛的应用，也受到了广泛的发展。

3 遗传程序设计

遗传程序设计也简称为基因编程或者是GP ，这是一种基于生物进化过程的自动化生成和选择计算机程序来完成用户定义的任务的技术，遗传程序设计在理论上可以通过利用计算机进行遗传编程，可以实现人工智能。而且也有可能会实现真正意义上的人工智能，遗传程序设计是一种特殊的利用进化算法的机器学习技术， 广泛意义讲，一群随机产生的千万个计算机程序，根据一个程序给定的任务完成能力来确定某个程序的最适合度，利用达尔文的自然选择准则来选择出中最适合的程序，计算机程序之间也会进行模拟两性的组合，变异，基因复制，基因删除等进化过程，直到进化到预定的某个终止条件。利用遗传程序设计在某种意义上可以达到真正的人工智能，对于未来很长一段时间中，人们在遗传学方面的发展具有非常重要的作用。

4 基于遗传程序设计的数字电路演化

在进行遗传程序设计的数字电路演化过程中时，演化硬件的应用在这其中占据很重要的一点，而演化硬件在应用的过程中需要解决的问题有编码方案问题，演化算子和适应值评估方法等几个问题。其中编码方案问题是演化硬件程序设计中比较重要的一个方面。在演化硬件进行编码方案的时候，经常被普遍使用的两个方法有，第一个是用决定可编程器件或电路内部结构的配置位串，用来作为染色体加以二进制编码，用位串来代表一些门级的电路，这种方法被称为直接编码，另一种方法是将反映电路结构和参数的树或语法等作为染色体，被称为间接编码。但是在这几年中随着电子设计自动化技术的发展，硬件描述语言被作为一种描述硬件结构的工具广泛的使用。因此，我们可以利用下列公式，遗传程序设计+硬件描述语言=演化硬件来实现一个基于演化硬件的软硬件协同设计平台。并且为了提高演化的速度，将待演化的电路划分为若干个结构简单、功能单一的模块，在每个模块上都有若干个输入，但一般只有一个输出。通过将这些模块的输入输出连接起来，即构成了一个完整的电路。通过利用遗传程序设计来演化模块内部的结构，通过演化模块之间的连接，从而实现了并行演化的效果，提高了演化速度，并使演化的结果具有更多的可能性，最后也使演化出的解向最优的电路进一步靠近。

5 结语

基于遗传程序设计的数字电路设计自动化研究过程中，电子设计自动化技术，演化硬件技术，以及遗传程序设计技术的三者结合在一起，相互引用，相互配合，从何使得基于遗传程序设计的数字电路设计自动化研究过程更加的简便，也更加的易于理解。

参考文献

［1］张振林.基于遗传程序设计的数字电路设计自动化研究［D］.武汉大学，2004.

［2］郑道明，许雪莹.数字电路电子设计自动化实验课程的研究［J］.实验室研究与探索，2005，24（1）：58-59，62.

［3］郑贵金，温淑珍，冷廷武等.数字电路电子设计自动化实验课程的研究 --高校实验室培养创新型人才的途径研究与实践［J］.绥化学院学报，2006，26（2）：167-168.

［4］刘大有，卢奕南，王飞等.遗传程序设计方法综述［J］.计算机研究与发展，2001，38（2）：213-222.

［5］王小平，曹立明，顾绍元等.遗传程序设计及其在符号回归问题中的应用［J］.同济大学学报（自然科学版），2001，29（10）：1200-1204.

作者简介

王平均 1979.11，新疆乌苏人，海南软件职业技术学院，电子技术讲师，主要研究电子技术，图像处理方面。

覃桢1986.3海南软件职业技术学院，海南琼海，电子技术讲师，主要研究电子技术.

Digital circuit design based on genetic programming automation research

Wang Pingjun，Qin Zhen
（Hainan software professional technology institute Hainan qionghai，571400）

Abstract：In this paper through the introduction of electronic design automation technology，evolvable hardware，genetic programming three concepts，and from the digital circuit design based on genetic programming automation in the study is to find the relationship between the three，and analyze the algorithm of genetic programming thought and realization way，and applied it to the automation design of digital circuit.

Keywords：circuit design automation；genetic programming；the evolution of hardware