一种可进化IP核的设计和实现

 摘要：提出一种可进化IP核的设计和实现方法。这种IP核采用进化硬件的设计思想，将遗传算法运用于硬件电路的设计中，使电路能根据当前的环境自动进行内部电路的时化，从而生成最有效的电路，并能在普通的FPGA器件上实现。可进化IP核以HDL源泉代码的形式表示，与普通IP核的复用方式相同，可被综合到不同的目标可重构器件中去，大大减少了复杂系统的设计时间，提高了设计的利用率，是可进化硬件一个颇具潜力的发展方向。

    关键词：进化硬件 可进化IP核 FPGA 可重构 虚拟可重构电路

引言

随着信息技术的飞速发展，计算机系统面临的问题越来越复杂，如何保证复杂系统的可靠性成为一个不容忽视的问题。可进化硬件给我们提供了一个很好的解决方案。可进化硬件EHW（Evolvable Hardware）是将进化算法和可编程逻辑元件融合在一起而产生的一种新的硬件研究流派。当所使用的环境发生变化时，或被放置于未知的环境中时，这种硬件会自动地改变内部结构，使之经常处于最适合状态，快速高效地完成规定的任务。

可编程门阵列（FPGA）以其独有的优点为国外多数研究人员用作硬件进化平台。EHW利用FPGA的在线可编程技术（ISP）及动态重构技术，将FPGA的配置信息作为染色体，通过遗传算法（GA）对其进行反复的适应度计算，交叉和变异，最终进化出符号环境要求的个体（即电路配置），从而使电路适合环境的变化。

与此同时，随着FPGA技术的发展，芯片的性能越来越强、规模越来越大、开发的周期越来越长，使得芯片设计业正面临一系列新的问题：设计质量难以控制，设计成本也越来越高。IP（Intelligence Property）技术解决了当今芯片设计业所面临的难题。IP是指可用来生成ASIC和PLD的逻辑功能块，又称IP核（IP Core）或虚拟器件（VC）。设计者可以重复使用已经设计并经过验证的IP核，从而专注于整个系统的设计，提高设计的效率和正确性，降低成本。目前数字IP已得到了充分的发展，可以很方便地购买到IP核并整合到SoC的设计中。

因此，可以考虑将进化硬件的思想应用于IP核的设计中，设计一种可进化的IP核，根据当前的环境进化出相应的电路，并能够在普通的可重构器件中实现。(凹丫丫范文网fanwen.oyaya.net收集整理)

1 什么是可进化IP核

从进化硬件的经验可知，系统通常只有一部分是适应性的（可进化的），另一部分可以通过传统的不可变的电路来实现。同样，使用IP核构造的系统也是有些IP核是可进化的，有些IP核是不可变的。可进化的那些IP核称为可进化组件或可进化IP核。

可进化IP核像普通的IP核一样被存储在组件库中，在被下载并放在一个可重构器件中后，它们将自动地进化它们的内部电路。当不再需要适应性行为时，可以从可重构器件中删除可进化IP核。可进化IP核和普通IP核的复用方式相同。

2 可进化IP核的一般体系结构

如图1所示，可进化IP核由可重构电路，基因单元和控制器构成（本文中可重构电路是指可进化IP核内的一个部分；可重构器件是指整个可重构平台，如FPGA）。这里要强调的是，基因单元不包含适应度计算，它只实现基因的操作、染色体存储和适应度存储。适应度的计算和环境由其它的核来提供。基因单元生成一些配置并上载到可重构电路中去，环境对这些配置进行评估，并将适应度值发送给IP核。可进化IP核实际上是一个由环境控制的电路生成器。

环境（由其它核提出）和可进化IP核之间的通信如下：首先IP核被初始化（生成初始化种群），然后进入如下无限循环——当环境发生变化后，环境计算当前电路配置的适应度，并判断电路是否适应环境。如果染色体存储器中的配置不可用，则向IP核发出控制信息，IP核开始进化。即基因单元把硬件配置信息作为染色体，根据适应度对其进行交叉、变异等遗传操作，生成一个新的种群。环境对新种群进行适应度计算，并判断是否有满足当前环境的个体（配置）。若没有，向IP核发控制信息，遗传单元继续对电路配置进行进化，直至有满足当前环境的配置为止；若有，则将适应度值发给IP核，IP核用这个新生成的最优配置来重配置可重构电路，并在染色体存储器中保存当前最优配置及其适应度值，等待来自环境的下一个请求。

环境总是要求下载当前最优的进化电路，因此，IP核必须保存目前为止最优的配置，并且在需要的时候提供出去。可进化IP核总是屏蔽重构过程，因此它对于外部环境来说是不可见的。

对于一些特殊的应用，必须为它们开发专用的可进化IP核，因为反映应用的要求基因单元和可重构电路的体系结构

《一种可进化IP核的设计和实现》