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可逆逻辑进化设计方法研究与开发

作　者: 张春潜
导　师: 赵曙光
学　校: 东华大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 遗传算法进化硬件基因表达式编程函数建模可逆逻辑电路
分类号: TP18
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

进化算法(Evolution Algorithm,EA)具有智能性、自适应性和全局搜索能力,能将实际问题编码后进行运算;PLD(ProgrammableLogic Device,PLD)具有可重构性,可以通过程序控制重新配置内部电路的功能与结构。基于EA和PLD的这些特点,科学家们提出了进化硬件(Evolvable Hardware,EHW)这一概念,并很快成为一个热门的研究领域,这为研究自适应机器提供了新的方法。传统的EHW设计法通常采用遗传算法(Genetic Algorithm,GA),由于GA在对复杂电路进行编码和解码时很复杂繁琐,可读性较差,并且容易产生早熟,甚至发生运行中断。本文研究了一种新的进化算法——基因表达式编程(Gene Expression Programming,GEP),将它应用于进化硬件设计中,研究了基于GEP的函数建模方法,国内外对基于GA的进化硬件进行了大量研究,基于这些研究成果最后研究了基于GA的可逆逻辑电路设计方法。本文首先研究了进化硬件的研究历史和国内外研究状况,目前存在的主要问题。第二章研究了最常用的进化算法GA和进化硬件:主要研究了GA的二进制编码、实数编码和适应度评估;研究了进化硬件的原理和设计方法,基于GA的硬件编码方法和适应度评估方法。第三章研究了新兴的进化算法GEP及其在函数建模中的应用,研究了基于GEP的进化硬件设计:主要研究了算法的基本原理,基因和染色体构成,树型编码方法和适应度函数设计,提出了一种改进的GEP,并对GEP与GA进行了比较;重点研究了电路的树型编码法和进化操作步骤(包括交叉、变异、选择、插串和移项操作);对GEP在函数建模中的应用进行了实验;设计了一个基于GEP进化技术的半加器。在前两章的基础上,第四章研究了GA在可逆逻辑电路设计中的应用,首先研究了几种基本的量子逻辑门和量子电路,研究基于模板技术和PPRM的可逆逻辑电路综合法,最后研究了基于GA的量子电路综合法,从逻辑门和电路的编码、适应度评估上进行了研究。第五章对全文做了总结,并对今后的发展方向进行了展望。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章引言  10-14
  1.1 概述  10-11
  1.2 国内外研究状况  11-13
  1.3 本文内容安排  13-14
第二章进化算法及进化硬件  14-26
  2.1 遗传算法  14-19
    2.1.1 遗传算法的基本原理  14-16
    2.1.2 编码  16-18
    2.1.3 适应度评估  18-19
  2.2 进化硬件  19-21
    2.2.1 进化硬件的基本原理  19
    2.2.2 进化硬件的设计流程  19-21
  2.3 基于遗传算法的进化硬件设计  21-24
    2.3.1 编码方法  21-23
      2.3.1.1 二进制编码  21-22
      2.3.1.2 矩阵编码  22-23
    2.3.2 电路个体的评估方法  23-24
  2.4 进化电路设计与传统电路设计的主要区别  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第三章基因表达式编程及其在进化硬件中的应用  26-44
  3.1 GEP算法的基本原理  26-29
    3.1.1 GEP算法的基因和染色体构成  27-28
    3.1.2 GEP算法的适应度函数设计  28-29
  3.2 一种改进的GEP算法  29-30
  3.3 GEP算法与GA的比较  30-31
  3.4 GEP算法在函数建模中的应用  31-33
    3.4.1 函数建模概述  31
    3.4.2 编码方法  31-32
    3.4.3 适应度函数  32-33
  3.5 基于GEP算法的进化硬件设计  33-40
    3.5.1 电路的编码方法  33-36
    3.5.2 适应度评估  36
    3.5.3 进化操作  36-40
      3.5.3.1 交叉操作  36-38
      3.5.3.2 变异操作  38-39
      3.5.3.3 插串和选择操作  39-40
  3.6 实验结果与分析  40-43
    3.6.1 基于GEP算法的函数建模实验  40-42
    3.6.2 用GEP算法进化设计半加器  42-43
  3.7 本章小结  43-44
第四章基于遗传算法的可逆逻辑电路设计  44-59
  4.1 量子信息  44-45
  4.2 量子逻辑门  45-47
  4.3 可逆逻辑电路综合方法  47-53
    4.3.1 基于PPRM表达式变换的电路综合法  47-50
    4.3.2 利用模板对电路优化  50-53
  4.4 基于遗传算法的可逆逻辑电路综合方法  53-58
    4.4.1 对逻辑门和电路的编码  53-57
    4.4.2 适应度评估  57-58
    4.4.3 选择、交叉与变异  58
  4.5 本章小结  58-59
第五章结束语  59-60
  5.1 本文主要的研究工作  59
  5.2 进一步研究工作展望  59-60
参考文献  60-63
致谢  63

可逆逻辑进化设计方法研究与开发

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