來源：《電子技術(shù)應(yīng)用》

摘要：介紹了fpga的新應(yīng)用一演化硬件（ehw）的進(jìn)展和現(xiàn)狀，其中主要包括ehw的概念、工作原理、存在問題和應(yīng)用領(lǐng)域。闡述了ehw在電路與系統(tǒng)學(xué)科中的科學(xué)意義及對新興電子信息產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。 關(guān)鍵詞：演化硬件 遺傳算法 fpga 二十世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了可編程邏輯器件（pld），發(fā)展至今已出現(xiàn)簡單pld（spld）、復(fù)雜pld（cpld）和現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）等各類器件。自1985年叛國xilinx公司推出第一片fpga以來，以今已有多家公司開發(fā)銷售自己的fpga產(chǎn)品。fpga有更高的集成度、更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實(shí)現(xiàn)，它與以往的pld之間的差別有于pld一般是通過修改內(nèi)連電路的邏輯功能來實(shí)現(xiàn)編程的，而fpga則是通過修改一根或多根內(nèi)連線來編程。fpga的在線可編程技術(shù)（isp）及動態(tài)重構(gòu)技術(shù)進(jìn)一步提高了fpga的應(yīng)用靈活性和自由度，重組及配置工作速度極快，從而為ehw的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了堅(jiān)的實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 1 ehw的概念 早在二十世紀(jì)50年代，計(jì)算機(jī)之父von neumann就提出了研制具有自繁殖與自修復(fù)能力并能進(jìn)行通用計(jì)算的機(jī)器的設(shè)想，這就是演化硬件的概念雛形。一直到演化算法和大規(guī)模pld的出現(xiàn)，這一夢想才具備了實(shí)現(xiàn)的可能。1992年日本的hugo de garis和瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的科學(xué)家同時(shí)正式提出了ehw的構(gòu)想[1]，短短幾年這一新的領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注，并且正處于急劇升溫之中。 ehw指的是在與外部環(huán)境相互作用之后，能自主地、動態(tài)地改變自身結(jié)構(gòu)和行為的硬件電路。它具有自組織、自適應(yīng)、自修復(fù)功能，能適應(yīng)不同環(huán)境要求和提高自身性能。這一特性獲得主要?dú)w功于演化算法（evolvable algorithms,簡稱eas）。 eaas是一類模擬自然界遺傳進(jìn)化規(guī)律的仿生學(xué)算法，它們首先隨機(jī)產(chǎn)生一組待求優(yōu)化問題的潛在可能矢量解（解稱為染色體，解的集合稱為種群，解中的分量稱為基因）；然后采用變異、交叉、評價(jià)、選擇等手段，優(yōu)勝劣汰，不能進(jìn)化，最后獲得優(yōu)化解。作為一種優(yōu)化算法，它們也具有自適應(yīng)、自組織、自修復(fù)的特性，本身還具有隨機(jī)性和并行性。在搜索解空間時(shí)，能以很大概率找到全局解，不易陷入局部優(yōu)化點(diǎn)。嵌入問題方式簡單，尋優(yōu)魯棒性強(qiáng)，可以解決不連續(xù)、不可導(dǎo)、多目標(biāo)、帶各種約束條件的優(yōu)化問題，因而成為ehw演化的“發(fā)動機(jī)”或“引擎”。 ehw的簡單定義為：演化算法+可編程邏輯器件。從目前ehw研究的內(nèi)容看，ehw具兩個(gè)方面的內(nèi)容：①根據(jù)功能或指標(biāo)的要求，采用ea技術(shù)對電路進(jìn)行合成，形成新電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)。值得一提的是ea用于電路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)由來已欠，但主要集中于利用電路參數(shù)設(shè)計(jì)電路板、布線、布局優(yōu)化等方面[2]，與本文所指的ehw有本質(zhì)區(qū)別。②具有自組織、自適應(yīng)自修復(fù)特性的硬件電路。此為ehw最吸引人的地方，其核心為“自適應(yīng)”。由于fpga比以往pld具有獨(dú)特的優(yōu)越性，目前大多數(shù)的ehw都采用fpga器件。 2 ehw的實(shí)現(xiàn)方法和演化方式 從fpga的原理可知，fpga結(jié)構(gòu)可以最終描述為配置數(shù)據(jù)。因此對fpga的演化，最終可歸結(jié)為對配置數(shù)據(jù)的演化，整個(gè)演化過程大約可描述成如下步驟： ①設(shè)定ea參數(shù)，如交叉率、變異率、種群數(shù)等； ②隨機(jī)產(chǎn)生初始化種群xi={xi1,xi2,…，xir}，其中1≤i≤pop_size；xi為染色體，代表fpga結(jié)構(gòu)編碼，如二進(jìn)制串等；r為基因總數(shù)； ③評價(jià)種群中的各染色體，獲取相應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值； ④以某種方式選擇部分種群，按指定的變異率、交叉率進(jìn)行交叉、變異，形成新的子染色體； ⑤評價(jià)表的染色體，與父代染色體一起按適應(yīng)度函數(shù)值大小選出pop_size的個(gè)體染色體作為下一代種群； ⑥判別是