基于FPGA數(shù)據(jù)流控制動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

摘要  基于FPGA基本數(shù)據(jù)流的下載控制方式，利用遺傳算法，通過單片機(jī)控制數(shù)據(jù)流的方式對(duì)FPGA進(jìn)行編程配置，實(shí)現(xiàn)自身重構(gòu)，使系統(tǒng)具有自適應(yīng)、自組織和自修復(fù)的特性。
關(guān)鍵詞  FPGA；遺傳算法；動(dòng)態(tài)重構(gòu)；單片機(jī)

    可重構(gòu)計(jì)算的概念是在20世紀(jì)60年代由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Geraid Estrin提出，并研制了系統(tǒng)原型。70年代末，Suetlana P Kartas-hev和Steven I．Kartashev博士提出了動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)的概念。進(jìn)入90年代，可重構(gòu)技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)，近幾年，可重構(gòu)計(jì)算和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)科研領(lǐng)域的兩大核心，其任務(wù)建模平臺(tái)大多是基于FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)系統(tǒng)，是最近幾年該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)話題，并在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
    本文實(shí)現(xiàn)了基于遺傳算法的硬件演化過程。通過Mcu隨機(jī)產(chǎn)生種群，選擇好的基因進(jìn)行交叉變異產(chǎn)生后代，然后將合適的基因通過測(cè)試找到最佳重構(gòu)方案。選擇最佳方案應(yīng)用于硬件，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)和自適應(yīng)。

1 軟件算法
    遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)是由美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)John Holland教授于20世紀(jì)70年代提出并逐步發(fā)展起來的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化搜索算法。他模擬自然選擇和自然遺傳過程發(fā)生的繁殖，交叉和基因突變現(xiàn)象，在每次迭代中都保留一組候選解，并按某種指標(biāo)從群解中選取較優(yōu)個(gè)體，利用遺傳算子對(duì)這些個(gè)體進(jìn)行組合，產(chǎn)生新一代的候選解群，直到滿足某種收斂指標(biāo)，最終得到問題的最優(yōu)解或近似解。
    基本遺傳算法由4部分組成：(1)編碼(產(chǎn)生初始種群)。(2)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算。(3)遺傳算子(選擇、交叉、變異)。(4)運(yùn)行參數(shù)。
1．1 選擇
    遺傳算法首先要產(chǎn)生初始種群，通常叫做染色體。染色體由基因組成，如11001，每位二進(jìn)制數(shù)就是一個(gè)基因變量，然后通過適應(yīng)度函數(shù)檢測(cè)合格的染色體，選擇合格染色體進(jìn)行下一步的交叉、變異，得到新個(gè)體。
    遺傳算法中的適應(yīng)度，是表示某一個(gè)體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，也表示該個(gè)體繁殖后代的能力。遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)也叫評(píng)價(jià)函數(shù)，是用以判斷群體中個(gè)體優(yōu)劣程度的指標(biāo)，它是根據(jù)所求問題的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行評(píng)估的。
    此處適應(yīng)度選擇函數(shù)的模式通過一種反饋模式，將產(chǎn)生的個(gè)體經(jīng)過仿真檢測(cè)評(píng)估。如果達(dá)到要求，經(jīng)評(píng)估結(jié)果存入存儲(chǔ)模塊，然后以輪盤賭的方式對(duì)所有的函數(shù)結(jié)果加權(quán)，判斷每個(gè)基因的適應(yīng)度與加權(quán)和的比值，即介于(0，1)的小數(shù)，選擇大于—個(gè)值比如0.8為合格，當(dāng)評(píng)估完群體中所有個(gè)體的適應(yīng)度后，選擇適應(yīng)度大于0.8的個(gè)體存儲(chǔ)，然后等待由交叉變異模塊產(chǎn)生出的新個(gè)體。
1．2 交叉變異
    交叉變異模塊得到來自選擇模塊的兩個(gè)個(gè)體，根據(jù)隨機(jī)數(shù)模塊產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)與交叉概率作比較，判斷是否進(jìn)行交叉操作。交叉算子根據(jù)交叉率將種群中的兩個(gè)個(gè)體隨機(jī)交換某些基因，能夠產(chǎn)生新的基因組合，期望將有益基因組合在一起。
    如找到兩個(gè)父代基因，需要進(jìn)行交叉，找到基因的交叉點(diǎn)，將各個(gè)基因的交叉點(diǎn)交叉基因變量形成新的基因變量，變異就是每個(gè)基因找到基因變異點(diǎn)，試圖通過基因變異找到合適的方案，如圖1所示。

1．3 基因下載
    得到的優(yōu)良基因就是所需的方案，將這個(gè)方案直接下載，最后實(shí)現(xiàn)可控制，可重構(gòu)，自適應(yīng)。如圖2所示。

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    基本遺傳算法是通過某種編碼機(jī)制把對(duì)象抽象為由特定符號(hào)按一定順序排成的串，就像染色體都是由基因排成的串，此處是使用二進(jìn)制編碼，得到的是5 bit二進(jìn)制字符串。程序如下：
   
     

2 FPGA基本結(jié)構(gòu)
    目前主流FPGA均采用基于SRAM工藝的查找表結(jié)構(gòu)，也有些軍品和宇航級(jí)FPGA，采用Flash或熔絲與反熔絲工藝的查找表結(jié)構(gòu)。通過燒寫文件改變查找表內(nèi)容的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的重復(fù)配置。
    查找表(Look-Up-Table)簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)UT，目前FPGA中多使用4輸入的LUT，所以每個(gè)LUT可以看成一個(gè)有4位地址線的RAM。這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出。
2．1 多路復(fù)用器(Multiplexer)
    基于這種4輸入LUT結(jié)構(gòu)的原理，采用了4輸入的復(fù)用選擇器，在多路數(shù)據(jù)傳送過程中，能夠根據(jù)需要將其中任意一路選出，也稱多路選擇器或多路開關(guān)。本文將控制器產(chǎn)生的5位數(shù)據(jù)流通過移位寄存器來控制4個(gè)輸入端口的選擇，如圖3所示。

2．2 移位寄存器(Shift Register)
    在數(shù)字電路中，通常會(huì)用寄存器存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，如圖4所示。Mux的選擇位由控制器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流經(jīng)緩存后輸出，SelA[1，0]，SelB[1，O]分別作用于兩個(gè)多路復(fù)用器。移位寄存器中輸出控制多路復(fù)用器的控制位如表1所示。

2．3 與非門
    與非門是組成各種電路的基礎(chǔ)門，可根據(jù)需要，用與非門搭建不同的門，如圖5所示，將不同的與非門結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與門或門等其他功能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)。

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3 可重構(gòu)系統(tǒng)的單元結(jié)構(gòu)搭建
    根據(jù)4輸入LUT的結(jié)構(gòu)原理，本電路選用2個(gè)4輸入的MUX用來選擇與非門的輸入端口，然后用1個(gè)2輸入的MUX選擇數(shù)據(jù)的輸出，3個(gè)MUX的選擇位分別用SelB[1，0]，SelA[1，0]，Sel-out控制，移位寄存器作為5位串行二進(jìn)制數(shù)的緩存，如圖6所示。可知，與非門可以通過東西南北4輸入的選擇組成各種數(shù)字電路，這種單元結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)擴(kuò)展為2×2或更多單元，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字電路。這里演示單元結(jié)構(gòu)形成的與門和或門的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步說明可重構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)性。

    當(dāng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)流經(jīng)過緩存進(jìn)行重構(gòu)電路后，可以看到新的熟悉電路所實(shí)現(xiàn)的功能，如圖7所示。通過觀察輸入和輸出端的關(guān)系，測(cè)試得到所需電路的最佳方案，即可下載到硬件，完成所需任務(wù)。

4 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)
    硬件結(jié)構(gòu)是基于單片機(jī)與FPGA的通信。Mcu選擇MSP430，通過RS232和FPGA進(jìn)行通信，PC機(jī)通過JTAG接口向中心芯片下載程序。外圍設(shè)備中，選擇2個(gè)8位LED，4位輸入按鍵，1個(gè)12864液晶顯示，預(yù)留32位的擴(kuò)展接口。如圖8所示，F(xiàn)PGA選擇的是Ahera的EP1C16Q240C8。

5 結(jié)束語
    實(shí)施電路可重構(gòu)技術(shù)，已成為計(jì)算系統(tǒng)研究中的新熱點(diǎn)，使硬件逐漸軟件化，通過微處理器結(jié)合多個(gè)FPGA對(duì)其進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)局部可重構(gòu)，具有較強(qiáng)的通用性和自適應(yīng)性，適用于模塊化設(shè)計(jì)。本文基于5 bit數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)了FPGA的部分動(dòng)態(tài)可重構(gòu)，可以實(shí)時(shí)生成所需要的硬件結(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)可以充分利用可重配置硬件，尤其是可重配置計(jì)算方面。該技術(shù)在理論上有較大發(fā)展，FPGA未來的發(fā)展方向之一就是做支持動(dòng)態(tài)可配置的SOPC硬件。