基于FPGA的膜計(jì)算研究.pdf

1、隨著自然計(jì)算領(lǐng)域的不斷發(fā)展，各種模擬生物系統(tǒng)的算法被提出并應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中。在自然計(jì)算蓬勃發(fā)展的前提下，模擬人類(lèi)細(xì)胞生命功能的計(jì)算模型——膜計(jì)算被提出，該算法是自然計(jì)算中的一個(gè)新分支。膜計(jì)算的主要計(jì)算模式是根據(jù)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、功能建立模型，在通過(guò)將活細(xì)胞的結(jié)構(gòu)及功能抽象成形式化的過(guò)程中，并將各個(gè)進(jìn)程進(jìn)行綜合，從而得到了膜計(jì)算的計(jì)算模式，具有極大非確定性、并行性以及分布式等顯著的特點(diǎn)。通過(guò)眾多研究可以發(fā)現(xiàn)，在理論上膜計(jì)算的計(jì)算能力與圖靈機(jī)等同

2、。目前膜計(jì)算研究領(lǐng)域受到了大量研究者們的關(guān)注。研究者們運(yùn)用各種數(shù)學(xué)工具對(duì)膜計(jì)算進(jìn)行理論方面的研究，從而提出了多種類(lèi)型的膜計(jì)算模型，并且利用膜計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，其中膜計(jì)算在優(yōu)化領(lǐng)域的應(yīng)用就是它的一個(gè)重要方向。
　　本文所提出基于酶因子的膜計(jì)算優(yōu)化方法（BCMC算法）是受到生物酶對(duì)生物系統(tǒng)運(yùn)作具有重要影響的啟發(fā)，在一般膜計(jì)算優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)了基本的交流規(guī)則，意在解決設(shè)置確定的交流對(duì)象而引起的這種交流過(guò)程中的缺陷問(wèn)題。

3、該算法在標(biāo)準(zhǔn)膜計(jì)算的基礎(chǔ)上運(yùn)用催化因子，它與進(jìn)化對(duì)象的自適應(yīng)值有關(guān)，通過(guò)控制膜與膜之間交流對(duì)象的個(gè)數(shù)，使膜與膜之間交流對(duì)象個(gè)數(shù)依據(jù)膜內(nèi)環(huán)境情況的變化而改變，即如果膜內(nèi)部的平均適應(yīng)度值相比于膜內(nèi)個(gè)體的適應(yīng)度值偏大，則減少該膜交流對(duì)象的個(gè)數(shù)，反之，則增加。本文中的BCMC算法具有4層并行膜，使用了選擇規(guī)則、改進(jìn)的交流規(guī)則等規(guī)則。采用了9個(gè)比較具有特點(diǎn)（如局部極小點(diǎn)多等）的測(cè)試函數(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)試尋優(yōu)，并與遺傳算法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
　　FPG

4、A(FieldProgrammableGateArray)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。由于FPGA具有并行特性，本文采用了FPGA對(duì)BCMC算法進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。首先建立隨即地址模塊、控制模塊等總控模塊，其次對(duì)BCMC算法中的各種進(jìn)化規(guī)則進(jìn)行模塊劃分，主要有選擇模塊、交叉變異模塊，最后劃分出初始對(duì)象?？臁⑦m應(yīng)度值計(jì)算模塊和最優(yōu)輸出模塊。本文采用VHDL語(yǔ)言對(duì)硬件進(jìn)行描述來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，在QuartusⅡ8.0進(jìn)行電路時(shí)序的仿真及RTL級(jí)電路