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一種可進化IP核的設(shè)計和實現(xiàn)
摘要：提出一種可進化IP核的設(shè)計和實現(xiàn)方法。這種IP核采用進化硬件的設(shè)計思想，將遺傳算法運用于硬件電路的設(shè)計中，使電路能根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境自動進行內(nèi)部電路的時化，從而生成最有效的電路，并能在普通的FPGA器件上實現(xiàn)�？蛇M化IP核以HDL源泉代碼的形式表示，與普通IP核的復(fù)用方式相同，可被綜合到不同的目標可重構(gòu)器件中去，大大減少了復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計時間，提高了設(shè)計的利用率，是可進化硬件一個頗具潛力的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：進化硬件 可進化IP核 FPGA 可重構(gòu) 虛擬可重構(gòu)電路
引言
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機系統(tǒng)面臨的問題越來越復(fù)雜，如何保證復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性成為一個不容忽視的問題�？蛇M化硬件給我們提供了一個很好的解決方案�？蛇M化硬件EHW（Evolvable Hardware）是將進化算法和可編程邏輯元件融合在一起而產(chǎn)生的一種新的硬件研究流派。當(dāng)所使用的環(huán)境發(fā)生變化時，或被放置于未知的環(huán)境中時，這種硬件會自動地改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使之經(jīng)常處于最適合狀態(tài)，快速高效地完成規(guī)定的任務(wù)。
可編程門陣列（FPGA）以其獨有的優(yōu)點為國外多數(shù)研究人員用作硬件進化平臺。EHW利用FPGA的在線可編程技術(shù)（ISP）及動態(tài)重構(gòu)技術(shù)，將FPGA的配置信息作為染色體，通過遺傳算法（GA）對其進行反復(fù)的適應(yīng)度計算，交叉和變異，最終進化出符號環(huán)境要求的個體（即電路配置），從而使電路適合環(huán)境的變化。
與此同時，隨著FPGA技術(shù)的發(fā)展，芯片的性能越來越強、規(guī)模越來越大、開發(fā)的周期越來越長，使得芯片設(shè)計業(yè)正面臨一系列新的問題：設(shè)計質(zhì)量難以控制，設(shè)計成本也越來越高。IP（Intelligence Property）技術(shù)解決了當(dāng)今芯片設(shè)計業(yè)所面臨的難題。IP是指可用來生成ASIC和PLD的邏輯功能塊，又稱IP核（IP Core）或虛擬器件（VC）。設(shè)計者可以重復(fù)使用已經(jīng)設(shè)計并經(jīng)過驗證的IP核，從而專注于整個系統(tǒng)的設(shè)計，提高設(shè)計的效率和正確性，降低成本。目前數(shù)字IP已得到了充分的發(fā)展，可以很方便地購買到IP核并整合到SoC的設(shè)計中。
因此，可以考慮將進化硬件的思想應(yīng)用于IP核的設(shè)計中，設(shè)計一種可進化的IP核，根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境進化出相應(yīng)的電路，并能夠在普通的可重構(gòu)器件中實現(xiàn)。(范文先生網(wǎng)www.panasonaic.com收集整理)
1 什么是可進化IP核
從進化硬件的經(jīng)驗可知，系統(tǒng)通常只有一部分是適應(yīng)性的（可進化的），另一部分可以通過傳統(tǒng)的不可變的電路來實現(xiàn)。同樣，使用IP核構(gòu)造的系統(tǒng)也是有些IP核是可進化的，有些IP核是不可變的�？蛇M化的那些IP核稱為可進化組件或可進化IP核。
可進化IP核像普通的IP核一樣被存儲在組件庫中，在被下載并放在一個可重構(gòu)器件中后，它們將自動地進化它們的內(nèi)部電路。當(dāng)不再需要適應(yīng)性行為時，可以從可重構(gòu)器件中刪除可進化IP核�？蛇M化IP核和普通IP核的復(fù)用方式相同。
2 可進化IP核的一般體系結(jié)構(gòu)
如圖1所示，可進化IP核由可重構(gòu)電路，基因單元和控制器構(gòu)成（本文中可重構(gòu)電路是指可進化IP核內(nèi)的一個部分；可重構(gòu)器件是指整個可重構(gòu)平臺，如FPGA）。這里要強調(diào)的是，基因單元不包含適應(yīng)度計算，它只實現(xiàn)基因的操作、染色體存儲和適應(yīng)度存儲。適應(yīng)度的計算和環(huán)境由其它的核來提供�；騿卧梢恍┡渲貌⑸陷d到可重構(gòu)電路中去，環(huán)境對這些配置進行評估，并將適應(yīng)度值發(fā)送給IP核。可進化IP核實際上是一個由環(huán)境控制的電路生成器。
環(huán)境（由其它核提出）和可進化IP核之間的通信如下：首先IP核被初始化（生成初始化種群），然后進入如下無限循環(huán)——當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化后，環(huán)境計算當(dāng)前電路配置的適應(yīng)度，并判斷電路是否適應(yīng)環(huán)境。如果染色體存儲器中的配置不可用，則向IP核發(fā)出控制信息，IP核開始進化。即基因單元把硬件配置信息作為染色體，根據(jù)適應(yīng)度對其進行交叉、變異等遺傳操作，生成一個新的種群。環(huán)境對新種群進行適應(yīng)度計算，并判斷是否有滿足當(dāng)前環(huán)境的個體（配置）。若沒有，向IP核發(fā)控制信息，遺傳單元繼續(xù)對電路配置進行進化，直至有滿足當(dāng)前環(huán)境的配置為止；若有，則將適應(yīng)度值發(fā)給IP核，IP核用這個新生成的最優(yōu)配置來重配置可重構(gòu)電路，并在染色體存儲器中保存當(dāng)前最優(yōu)配置及其適應(yīng)度值，等待來自環(huán)境的下一個請求。
環(huán)境總是要求下載當(dāng)前最優(yōu)的進化電路，因此，IP核必須保存目前為止最優(yōu)的配置，并且在需要的時候提供出去�？蛇M化IP核總是屏蔽重構(gòu)過程，因此它對于外部環(huán)境來說是不可見的。
對于一些特殊的應(yīng)用，必須為它們開發(fā)專用的可進化IP核，因為反映應(yīng)用的要求基因單元和可重構(gòu)電路的體系結(jié)構(gòu)將使進化過程優(yōu)于一個隨機的搜索。由于適應(yīng)度計算是在IP核外進行的，因此IP核原則上支持動態(tài)適應(yīng)度函數(shù)和無限的進化�？蛇M化IP核可以用軟件實現(xiàn)。
3 可進化IP核的實現(xiàn)
3．1 實現(xiàn)中的問題
可復(fù)用的IP核通常有軟核、固核和硬核三種。本文討論的是軟核。本文的目標是，設(shè)計和實現(xiàn)以HDL源代碼（例如，VHDL）表示的可進化
IP核。其優(yōu)點是IP核的表示獨立于平臺，這樣它們就可以在各種不同的目標結(jié)構(gòu)中運行。要解決的主要問題是，可進化的IP核的內(nèi)部可重構(gòu)電路的自動重構(gòu)（因為它們是可進化的）。
當(dāng)一個可進化IP核從一個組件庫中被下載到可重構(gòu)器件的一個指定位置時，它的內(nèi)部可重構(gòu)電路必須進行重構(gòu)。這就意味著這個可重構(gòu)器件中的一些可編程塊必須能配置這個可重構(gòu)器件的其它內(nèi)部可編程塊。另外，這個可進化IP核（它的基因單元）能被放置于這個可編程陣列（即可重構(gòu)器件）的任何位置，也就是說，這個可重構(gòu)器件中必須支持內(nèi)部重構(gòu)。
FPGA以其動態(tài)可重構(gòu)的優(yōu)點，無疑是可進化IP核的最佳實現(xiàn)平臺。然而，通常的FPGA并不支持內(nèi)部重構(gòu)，而只允許通過一個特殊的配置接口外部重構(gòu)（如圖2）。目前，只存在一種支持內(nèi)部重構(gòu)的平臺，就是單元陣列，但這種芯片目前還相當(dāng)少。因此，為了在普通FPGA器件實現(xiàn)可進化IP核，使之能在實際應(yīng)用中發(fā)揮作用，必須采用其它的一些方法。硬件虛擬化是基于FPGA的系統(tǒng)常用的一種設(shè)計技術(shù)。從這個思想出發(fā)，本文采用了一個被稱為虛擬可重構(gòu)電路的技術(shù)來實現(xiàn)可進化硬件中的內(nèi)部可重構(gòu)電路。但文中對設(shè)計虛擬可重構(gòu)電路的概念進行了擴展。
3.2 虛擬可重構(gòu)電路
一些FPGA芯片支持部分重構(gòu)，也就是允許可重構(gòu)系統(tǒng)的一部分重構(gòu)，而不影響其余部分的運行。部分重構(gòu)的優(yōu)點在于，其重構(gòu)所花的時間比全部重構(gòu)更少。本文以支持部分重構(gòu)的Xilinx Virtex FPGA為例，來說明虛擬可重構(gòu)電路的實現(xiàn)。IP核可以動態(tài)地下載到FPGA或從FPGA刪除。所有的操作都通過Virtex重構(gòu)端口和Jbits接口來完成。當(dāng)一個可進化IP核被下載時，它的重構(gòu)位串在指定位置構(gòu)靠下列單元；虛擬可重構(gòu)電路、基因單元和控制器。
圖2表明，虛擬可重構(gòu)電路實際上是一種在普通FPGA上實現(xiàn)的新的可重構(gòu)電路。本例中由八個可編程元素構(gòu)成，由Virtex單元（slice）實現(xiàn)。Virtex單元實現(xiàn)新的可編程元素陣列、新的布線電路和新的配置存儲器。虛擬電路能內(nèi)部重構(gòu)，但如果有其它新的配置存儲器與之連接，也可從FPGA的I/O引腳配置。
這種方法的優(yōu)點在于：可根據(jù)具體的應(yīng)用需要準確地設(shè)計可編程元素陣列、布線電路和配置存儲器。虛擬可重構(gòu)電路的重構(gòu)方式和粒度能準確地反映具體應(yīng)用的需要。通過虛擬可重構(gòu)電路，很容易把領(lǐng)域知識插入到基因單元和可重構(gòu)電路的體系結(jié)構(gòu)中，從而獲得電路軟件模型的精確實現(xiàn)。
圖3給出了一個虛擬可編程元素的例子。這個虛擬可重構(gòu)電路由8個這樣的元素構(gòu)成，有4個輸入和2個輸出。這些虛擬可編程元素稱為可重配置功能塊CFB（Configurable Functional Blocks）。每個CFB對應(yīng)一個配置位串（這里的位串為6位），其中兩個配置位決定了CFB的功能，其它四位定義了輸入的連接信息。布線電路由多路器組成，它們由配置存儲器中的位串控制。配置存儲器由Virtex單元構(gòu)成，一個Virtex單元包含兩個觸發(fā)器，用于存儲配置位串中的兩位。配置存儲器的所有位都連到多路器，多路器控制布線和CFB中功能的選擇。
虛擬可重構(gòu)電路中CFB的數(shù)量由具體的應(yīng)用決定。虛擬可重構(gòu)電路用結(jié)構(gòu)級VHDL語言來描述，但是一些基本的電路（例如“MAX”電路）用行為級來描述。虛擬可重構(gòu)能在不同的目標器件下綜合，目標器件并不需要支持部分重構(gòu)。
3．3 基因單元和控制器
基因單元和控制器的實現(xiàn)通常有兩種選擇：采用普通微處理器實現(xiàn)，或者設(shè)計一個專用的電路來實現(xiàn)。
專用的電路是指一種進化算法的硬件實現(xiàn)，目前在可進化硬件領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了很多這樣的實現(xiàn)。這種算法的優(yōu)點是電路的進化速度快，適合于復(fù)雜的應(yīng)用。
采用微處理器實現(xiàn)時，可以購買或免費獲得現(xiàn)成的微處理器軟核，如Xilinx提供的MicroBlaze和PicoBlaze微控制器IP核，Altera生產(chǎn)Nios核，等等。此外，如果給出的目標可重構(gòu)器件中有片上處理器，可以使用片上處理器，Xilinx Virtex II Pro XC2VP50芯片包含四個PowerPC處理器。處理器必須通過編程來執(zhí)行程序，它們能和核周圍的環(huán)境進行通信并完成對染色體的基因操作。此外，處理器還負責(zé)內(nèi)部虛擬可重構(gòu)電路的重構(gòu)。
4 結(jié)論
文中定義了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的一個新的抽象級別，并將一些組件的方法引入可進化硬件的設(shè)計。為了實現(xiàn)可進化IP核，使用一種虛擬可重構(gòu)電路。這種方法在門的數(shù)量方面代價稍大，但卻能大大加快進化硬件的速度。
可進化IP核的設(shè)計目的主要是以合理的代價實現(xiàn)適應(yīng)性和高性能實時系統(tǒng)，最常見的如圖像壓縮。本文提出的核的結(jié)構(gòu)和接口都只是最基本的，實際應(yīng)用中還可進行擴充。例如，還可以給核擴充一個讀配置的端口，這個對于某些應(yīng)用來說是必需的�；蛘咴诳蛇M化IP核中包含兩個虛擬可重構(gòu)電路RC1和RC2。RC1實現(xiàn)當(dāng)前最優(yōu)的進化電路。電路不斷進化在RC2中完成。如果RC2中進化出更好的電路，就把它的配置送入RC1，然后RC1
以一系列數(shù)字電路的形式表現(xiàn)出對變化的環(huán)境的最佳的響應(yīng)。
與以往的方法相比，本文提出的方法具有更強的適應(yīng)性和可移植性�？蛇M化IP核以HDL源代碼的形式表示，易于重用和修改。此外，進化的配置位串也可以作為一種變化的IP核在其它應(yīng)用中被重用�？蛇M化IP核縮短了電路設(shè)計的時間，提高了設(shè)計的利用率，促進可進化硬件向?qū)嵱没陌l(fā)展。
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