[发明专利]基于图编码的组合逻辑电路的自动合成方法

说明书

技术领域

本发明属于组合逻辑电路设计领域。具体涉及一种基于“图”编码的组合逻辑电路的自动合成方法。 

背景技术

组合逻辑电路是一种输出端子的值仅基于当前输入端子的值的逻辑电路。传统的组合逻辑电路的合成主要靠设计者个人的知识和相关的经验人工设计。但人工设计往往得不到最优的组合逻辑电路。 

随着进化硬件(EHW)的迅速发展，大量的从生物学中借鉴过来的人工智能算法被成功地引入到数字电路自动设计领域。如GA算法，作为一种具有开创意义的寻找最优解或近似最优解的算法，已被应用在组合逻辑电路设计中并成功实现了一些较小规模的组合逻辑电路的自动合成。GA将组合逻辑电路编码成一个定长或变长的串结构，串中的每一位均表示电路中的某一元件或元件间的电气连接。种群中的个体(组合逻辑电路)通过交叉、变异等算子进行变异，并随着遗传代数的增加，逐步优化至生成设计要求的目标电路。组合逻辑电路自动合成领域另一重大的进展是GP算法的发现及引入。GP与GA最大的不同之处在于GP采用树形数据结构表示组合逻辑电路。在GP算法中，树型结构中的叶子节点表示电路中的输入端子，而树型结构中的父节点表示电路中的逻辑元件。电路亦通过交叉、变异等算子变异种群中的个体。相对于GA而言，GP表现出了更强的搜索能力和电路最优化能力。一些其他的人工智能算法也相继诞生并均被应用于组合逻辑电路的设计中。例如蚁群算法、注入式的遗传算法等等，但这些算法所采用的组合逻辑电路编码方式与GA和GP相似。不可否认的是，相对于传统的人工设计而言，这些新颖的人工智能算法能遍历更大的搜索空间，因此能生成更多的符合设计要求的目标电路。 

最近，一种新的基于进化“图”的人工智能算法(EGG)被提出。EGG使用“图”结构表示电路并通过交叉和变异两种算子对“图”直接进行操作。尽管EGG能表示复杂的电路结构，但是EGG算法中的操作算子却需要进一步地优化。首先，EGG的变异算子仅仅改变“图”中部分顶点的值，因此变异算子并不涉及“图”结构的优化；其次，EGG的交叉算子是对两个已知图形结构的交换，因此这一算子也不能丰富某一种群中的图形结构多样性。由于这两种算子的局限性，EGG算法中种群多样性仅仅决定于种群初始化过程，而非变异过程。

综合分析目前组合逻辑电路的表示方法，主要有以下不足：一是很多方法限制了电路结构的多样性，这些方法只能生成一些特定结构的电路；二是很多方法有很复杂的映射规则，在从编码映射到电路的过程中需要花费很多运算时间。 

发明内容

本发明旨在克服上述技术不足，目的是提供一种可生成任意结构形式、映射简单和编码效率高的基于“图”编码的组合逻辑电路的自动合成方法。 

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是： 

第一步：用“有向图”(简称“图”)表示组合逻辑电路，“图”G记作(V，E)，V是“图”的顶点的集合，E是“图”的边的集合。其中： 

“图”的顶点分为输入顶点、输出顶点和中间顶点，输入顶点、输出顶点和中间顶点分别用V_IN、V_OUT和V_MID表示；在进化过程中，V_MID允许添加、删除或修改，V_IN、V_OUT禁止添加、删除或修改；V’_IN、V’_OUT分别表示组合逻辑电路的输入和输出端子，V’_MID表示组合逻辑电路中不同类型的逻辑门；逻辑门包括与门、或门、非门和异或门四种基本的逻辑门，其中与门、或门和异或门是两输入一输出的逻辑门，非门是一输入一输出的逻辑门。 

“图”的边为有向边，表示逻辑门之间的连接。一条有向边e∈E仅能起始于某一顶点的输出端子并终止于另一顶点的输入端子，有向边中箭头表示信号流的方向，一条有向边被描述为Name[A-B]；其中A、B分别是起始点A和终止点B，符号E_i(v)和E_o(v)分别表示连接至顶点v的输入端子的有向边集和输出端子的有向边集。 

第二步：设定目标组合逻辑电路的真值表和最大循环次数。