朱　賽，蔡金燕，孟亞峰，李丹陽(yáng)

(軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系， 河北 石家莊　050003)

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胚胎電子細(xì)胞的部分基因循環(huán)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)*

朱賽，蔡金燕，孟亞峰，李丹陽(yáng)

(軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系， 河北 石家莊050003)

摘要：為了在保證胚胎電子系統(tǒng)可靠性的前提下降低系統(tǒng)的硬件消耗，提出一種新型的基因存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)——部分基因循環(huán)存儲(chǔ)，細(xì)胞只存儲(chǔ)陣列的部分基因，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間的基因循環(huán)、非循環(huán)移位實(shí)現(xiàn)陣列的功能分化和自修復(fù)，自修復(fù)過(guò)程中基因存儲(chǔ)內(nèi)容根據(jù)故障細(xì)胞數(shù)目進(jìn)行自主更新。該存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中基因備份數(shù)目可由設(shè)計(jì)者根據(jù)系統(tǒng)可靠性和硬件消耗要求設(shè)置，不受陣列中空閑資源數(shù)目的限制。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明，該新型存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了胚胎電子陣列的功能分化、自修復(fù)等功能，而且能夠在保證系統(tǒng)可靠性的同時(shí)降低硬件消耗，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：胚胎電子陣列；基因存儲(chǔ)；循環(huán)移位；可靠性；自修復(fù)；基因更新

胚胎電子陣列是一種新型的仿生電子硬件，基于該硬件實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)電路具有快速自修復(fù)能力，能夠大大提高電子系統(tǒng)的可靠性[1-2]。經(jīng)典的電子細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，95%的硬件消耗由基因存儲(chǔ)產(chǎn)生[3]，因此自胚胎電子電路提出以來(lái)，基因存儲(chǔ)就受到研究者的重視。在經(jīng)典的全存儲(chǔ)[4]基礎(chǔ)上，以降低硬件消耗為目標(biāo)，提出了行/列存儲(chǔ)[5]、部分基因存儲(chǔ)[6]、循環(huán)變形存儲(chǔ)[7]、循環(huán)備份存儲(chǔ)[8]、原核細(xì)胞存儲(chǔ)[9-12]等多種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。不同的基因存儲(chǔ)中，細(xì)胞存儲(chǔ)基因數(shù)目不同，陣列中每種基因的總數(shù)目(基因備份數(shù)目)也不同。基因備份數(shù)目與系統(tǒng)的可靠性、硬件消耗密切相關(guān)，而已有的基因存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)無(wú)法在確定的陣列規(guī)模下進(jìn)行基因備份數(shù)目的選擇。

部分基因存儲(chǔ)[6]中基因備份數(shù)目可變，但與陣列中空閑行、列數(shù)目相關(guān)。當(dāng)胚胎電子陣列及目標(biāo)電路規(guī)模確定時(shí)，其可靠性和硬件消耗為固定值，無(wú)法根據(jù)設(shè)計(jì)者需求改變。

本文提出了一種新型的基因存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)——部分基因循環(huán)存儲(chǔ)，該存儲(chǔ)支持設(shè)計(jì)者任意選擇基因備份數(shù)目，電子細(xì)胞只存儲(chǔ)自身和其后若干相鄰細(xì)胞的表達(dá)基因，細(xì)胞內(nèi)部的基因間具有循環(huán)、非循環(huán)移位能力，以此為基礎(chǔ)完成陣列的分化和自修復(fù)。對(duì)提出的基因存儲(chǔ)進(jìn)行了可靠性和硬件消耗分析，分析表明，所提存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)選擇基因備份數(shù)目在保證系統(tǒng)可靠性的同時(shí)降低硬件消耗。

1部分基因循環(huán)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

1.1基因存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

設(shè)胚胎電子陣列中細(xì)胞數(shù)目為n，第i個(gè)細(xì)胞的表達(dá)基因?yàn)間i(1≤i≤n)。為了便于基因的循環(huán)移位及自修復(fù)，設(shè)置空閑基因g0，若第j個(gè)細(xì)胞為空閑細(xì)胞，則其表達(dá)基因gj=g0。

陣列中基因存儲(chǔ)如圖1所示，n個(gè)細(xì)胞的基因存儲(chǔ)依次首尾相接，細(xì)胞存儲(chǔ)自身和k-1個(gè)后續(xù)相鄰細(xì)胞的表達(dá)基因，第i(1≤i≤n)個(gè)細(xì)胞Ci存儲(chǔ)基因?yàn)槠浔磉_(dá)基因gi和后續(xù)k-1個(gè)細(xì)胞的表達(dá)基因gi+1～gi+k-1，對(duì)于空閑細(xì)胞，依然按照該規(guī)律進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)于第n個(gè)細(xì)胞，其后的k-1個(gè)細(xì)胞分別為C1，C2，…，Ck-1。

圖1　陣列中基因存儲(chǔ)Fig.1　Gene memory of embryonics array

圖1所示陣列中C1為母細(xì)胞，2-1多路復(fù)用器M控制母細(xì)胞的輸入；RunState為陣列運(yùn)行狀態(tài)控制信號(hào)，當(dāng)RunState為0時(shí)，陣列為功能分化狀態(tài)，RunState為1時(shí)，陣列為運(yùn)行狀態(tài)；ConfGene為功能分化過(guò)程中的基因配置串；陣列正常運(yùn)行時(shí)，母細(xì)胞接收Cn細(xì)胞的基因輸出，整個(gè)陣列構(gòu)成基因存儲(chǔ)閉環(huán)，進(jìn)行基因移位操作。

電子細(xì)胞結(jié)構(gòu)如圖2所示，由邏輯模塊(Logical Block，LB)、開(kāi)關(guān)盒(Switch Box，SB)、修復(fù)控制電路(repair control circuit)和基因存儲(chǔ)(gene memory)組成。基因存儲(chǔ)中，GeneInput為輸入基因，GeneOutput為輸出基因；基因存儲(chǔ)單元具有k個(gè)基因存儲(chǔ)寄存器r1，r2，r3，…，rk，每個(gè)寄存器存儲(chǔ)一個(gè)基因，且第一個(gè)寄存器r1存儲(chǔ)細(xì)胞表達(dá)基因，配置LB和SB功能；第i個(gè)寄存器ri的輸出為rio；Mi為2-1多路復(fù)用器，由修復(fù)控制電路產(chǎn)生的CiS信號(hào)控制；修復(fù)控制電路控制基因存儲(chǔ)單元移位。

相鄰電子細(xì)胞GeneInput端和GeneOutput端相連，整個(gè)陣列中的基因存儲(chǔ)組成如圖1所示環(huán)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行細(xì)胞間基因信息的傳輸。

1.2基因移位方式

基因存儲(chǔ)中通過(guò)基因移位完成功能分化、自修復(fù)中所需的各種基因操作，有順時(shí)針?lè)茄h(huán)移位、順時(shí)針循環(huán)移位和逆時(shí)針循環(huán)移位三種，由移位控制信號(hào)CiS控制執(zhí)行。

順時(shí)針?lè)茄h(huán)移位：移位控制信號(hào)CiS為00，基因由M0的0端進(jìn)入，在時(shí)鐘控制下，經(jīng)各2-1多路復(fù)用器的0端依次在r1，r2，r3，…，rk上移動(dòng)，rk上的基因信息舍棄。

圖2　具有部分基因循環(huán)存儲(chǔ)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)Fig.2　Structure of cell with partial-DNA cyclic memory

順時(shí)針循環(huán)移位：移位控制信號(hào)CiS為01，在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，基因依次在r1，r2，r3，…，rk，r1上移動(dòng)，rk上的基因信息經(jīng)M0的1端和M1的0端移位到r1上。逆時(shí)針循環(huán)移位：移位控制信號(hào)CiS為1x，基因經(jīng)各2-1多路復(fù)用器的1端依次在rk，rk-1，rk-2，…，r1，rk上移動(dòng)；r1上的基因信息移位到rk上。

通過(guò)三種移位方式的組合，進(jìn)行陣列的功能分化和自修復(fù)。

2陣列的功能分化

陣列的功能分化過(guò)程，即為確定每個(gè)細(xì)胞的基因存儲(chǔ)的過(guò)程，在全局時(shí)鐘的控制下，基因配置串由2-1多路復(fù)用器M的0端進(jìn)入母細(xì)胞，通過(guò)細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)的移位完成陣列的功能分化。

對(duì)于具有n個(gè)電子細(xì)胞、基因備份數(shù)目為k的胚胎電子陣列，功能分化過(guò)程如圖3所示，其中clk為全局時(shí)鐘信號(hào)，g1g2…gng1…gk-1為輸入的基因配置串，其送入C1細(xì)胞的次序?yàn)間k-1到g1。

在全局時(shí)鐘clk的控制下，基因配置串依次輸入至C1細(xì)胞的r1寄存器，并由此開(kāi)始細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)兩個(gè)方向的移位：細(xì)胞間基因由C1細(xì)胞的r1寄存器依次移位至C2的r1寄存器、C3的r1寄存器…，直至Cn的r1寄存器，如圖3中橫向箭頭所示；細(xì)胞內(nèi)基因進(jìn)行順時(shí)針?lè)茄h(huán)移位，基因移動(dòng)方向如圖3中豎向箭頭所示。經(jīng)過(guò)n+k-1個(gè)周期的移位，所有基因移位到相應(yīng)的寄存器中，完成陣列分化過(guò)程。

圖3　陣列分化過(guò)程Fig.3　Embryonics array′s differentiation process

對(duì)于具有5個(gè)細(xì)胞cell1，cell2，cell3，cell4，cell5的胚胎電子陣列；細(xì)胞表達(dá)基因分別為g1，g2，g3，g4，g0，即cell5為空閑細(xì)胞。若其基因備份數(shù)目為3，每個(gè)細(xì)胞存儲(chǔ)3個(gè)基因：自身和其后兩個(gè)相鄰細(xì)胞的表達(dá)基因。分化過(guò)程中陣列的輸入基因配置串為g1g2g3g4g0g1g2，經(jīng)過(guò)5+3-1=7個(gè)時(shí)鐘的移位，陣列完成分化，分化過(guò)程中細(xì)胞內(nèi)基因變化如表1所示。

表1　陣列分化過(guò)程基因移位

表1中，細(xì)胞存儲(chǔ)的3個(gè)基因中第一個(gè)為表達(dá)基因，用黑體表示。經(jīng)過(guò)7個(gè)時(shí)鐘周期，每個(gè)細(xì)胞的表達(dá)基因移位到第一個(gè)寄存器上，如step7所示，陣列完成分化。

3陣列的自修復(fù)

3.1自修復(fù)過(guò)程基因存儲(chǔ)的更新

在胚胎電子陣列的自修復(fù)過(guò)程中，故障細(xì)胞變?yōu)椤巴该鳌保涔δ苡善浜笳＜?xì)胞代替執(zhí)行，位于故障細(xì)胞后的細(xì)胞更新其基因存儲(chǔ)。

基因存儲(chǔ)的更新由位于故障細(xì)胞前面的正常細(xì)胞控制完成。細(xì)胞根據(jù)其后面k-1個(gè)鄰居細(xì)胞的狀態(tài)確定是否為控制細(xì)胞，一旦確定為控制細(xì)胞，則計(jì)算其后故障細(xì)胞數(shù)目，記為fcn。然后進(jìn)行以下修復(fù)過(guò)程：

1)控制細(xì)胞內(nèi)的基因首先逆時(shí)針循環(huán)移位fcn次；

2)控制細(xì)胞進(jìn)行fcn次順時(shí)針循環(huán)移位，同時(shí)位于故障細(xì)胞后面的細(xì)胞進(jìn)行fcn次順時(shí)針?lè)茄h(huán)移位。

在過(guò)程2中位于故障后面的細(xì)胞進(jìn)行順時(shí)針?lè)茄h(huán)移位時(shí)，陣列中空閑細(xì)胞后的細(xì)胞不參與移位，細(xì)胞內(nèi)空閑基因后的寄存器不參與移位。

經(jīng)過(guò)2×fcn個(gè)周期的基因移位，完成陣列中細(xì)胞基因存儲(chǔ)的更新，自修復(fù)過(guò)程結(jié)束，耗時(shí)2×fcn個(gè)時(shí)鐘周期。

對(duì)于表1所示分化完成的胚胎電子陣列，若cell3故障，則cell2為修復(fù)控制細(xì)胞，故障數(shù)目fcn=1。首先cell2進(jìn)行1次逆時(shí)針循環(huán)移位，然后cell2進(jìn)行1次順時(shí)針循環(huán)移位，同時(shí)cell4，cell5進(jìn)行1次順時(shí)針?lè)茄h(huán)移位。經(jīng)過(guò)2個(gè)周期的移位，cell3，cell4的表達(dá)基因g3，g4分別移至cell4，cell5的第一個(gè)基因存儲(chǔ)寄存器上，成為cell4，cell5的表達(dá)基因，基因更新完畢，完成陣列的自修復(fù)，具體過(guò)程如表2所示。

表2　陣列自修復(fù)過(guò)程中基因的更新

細(xì)胞故障時(shí)，其存儲(chǔ)基因也可能同時(shí)故障，故用“xxx”表示故障cell3的基因。移位過(guò)程中，位于空閑細(xì)胞cell5后面的cell1不參與移位，cell4細(xì)胞內(nèi)空閑基因g0后的g1，cell5細(xì)胞內(nèi)空閑基因后的g1，g2不參與移位。

3.2修復(fù)控制電路

修復(fù)控制電路產(chǎn)生3.1節(jié)自修復(fù)過(guò)程所需信號(hào)，主要功能如下：

1)控制角色判斷：根據(jù)后續(xù)細(xì)胞的狀態(tài)信號(hào)，確定是否為控制細(xì)胞，判斷原則是：①若其后相鄰細(xì)胞故障，則該細(xì)胞為控制細(xì)胞；②若同一空閑細(xì)胞前出現(xiàn)多個(gè)控制細(xì)胞，則最靠近空閑細(xì)胞的控制優(yōu)先級(jí)最高，與空閑細(xì)胞距離越遠(yuǎn)，其優(yōu)先級(jí)越低；

2)故障細(xì)胞數(shù)目計(jì)算；

3)產(chǎn)生存儲(chǔ)單元的移位控制信號(hào)CiS；

4)產(chǎn)生當(dāng)前細(xì)胞和其后細(xì)胞的寄存器移位使能信號(hào)。

對(duì)于細(xì)胞Ci，為了完成以上功能，設(shè)置以下信號(hào)：控制使能信號(hào)CE，CE=1，則Ci為控制細(xì)胞，否則Ci不是控制細(xì)胞；Ci+1FS，Ci+2FS，…，Ci+k-1FS為其后k-1個(gè)細(xì)胞的故障信號(hào)，CjFS=1，細(xì)胞Cj故障，否則，Cj正常；CCI為后方細(xì)胞控制角色信號(hào)，CCI=1，表示后方存在控制細(xì)胞，否則，后方細(xì)胞全部為非控制細(xì)胞；CCO為輸出控制角色信號(hào)，該信號(hào)為前方細(xì)胞的CCI信號(hào)；CiCE為寄存器移位使能信號(hào)，CiCE=1，寄存器可以移位，CiCE=0，寄存器停止移位；OCE為位于控制細(xì)胞后的細(xì)胞寄存器移位使能信號(hào)，OCE=1，控制細(xì)胞后細(xì)胞的寄存器可以移位，OCE=0，寄存器停止移位。則功能1、功能2如式(1)、式(2)、式(3)所示。

(1)

(2)

CCO=CCI+CE

(3)

功能3、功能4完成細(xì)胞中基因移位更新的控制，使用計(jì)數(shù)器對(duì)移位數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)確定細(xì)胞執(zhí)行控制功能時(shí)，置細(xì)胞移位控制信號(hào)CiS為11，并置CiCE為1，開(kāi)始逆時(shí)針循環(huán)移位，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到fcn時(shí)，停止移位，清除計(jì)數(shù)器；置CiS為10，并置OCE為1，控制細(xì)胞順時(shí)針循環(huán)移位，其他細(xì)胞順時(shí)針?lè)茄h(huán)移位，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)至fcn時(shí)，自修復(fù)完成，更新相關(guān)信號(hào)狀態(tài)。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，設(shè)計(jì)圖4所示修復(fù)控制電路。功能1、功能2根據(jù)式(2)、式(3)直接采用邏輯電路實(shí)現(xiàn)；功能3、功能4實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用D觸發(fā)器組成計(jì)數(shù)器，使用q位計(jì)數(shù)器計(jì)算移位次數(shù)(q為fcn的二進(jìn)制數(shù)據(jù)寬度)，并采用2位計(jì)數(shù)器對(duì)移位周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，判斷控制細(xì)胞移位狀態(tài)。

圖4　修復(fù)控制電路Fig.4　Repair control circuit

根據(jù)各計(jì)數(shù)器結(jié)果CR，SSA0，SSA1更新各控制信號(hào)，更新規(guī)則如下：

結(jié)合式(1)，控制信號(hào)更新規(guī)則為：

(4)

控制細(xì)胞的移位寄存器移位使能信號(hào)CiCE為：

CiCE=CE

(5)

故障細(xì)胞后激活細(xì)胞及一個(gè)相鄰的空閑細(xì)胞的寄存器移位使能信號(hào)CjCE為：

CjCE=SSA0

(6)

當(dāng)前細(xì)胞寄存器移位控制信號(hào)CiS：

(7)

4功能分化、自修復(fù)能力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以文獻(xiàn)[5]中的半加器為目標(biāo)電路，對(duì)所提基因存儲(chǔ)的分化、自修復(fù)能力進(jìn)行驗(yàn)證。目標(biāo)電路規(guī)模為4×4，胚胎電子陣列規(guī)模為6×5。采用1.1節(jié)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及3.2節(jié)的修復(fù)控制電路，在Xilinx ISE 12.2環(huán)境中對(duì)目標(biāo)電路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并利用ISE自帶的仿真軟件ISim進(jìn)行功能分化及自修復(fù)過(guò)程的仿真。

為了便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察，以目標(biāo)電路中第一列細(xì)胞為對(duì)象觀察其功能分化、自修復(fù)過(guò)程。第一列細(xì)胞的坐標(biāo)為(0, 0)，(1, 0)，(2, 0)，(3, 0)，(4, 0)，(5, 0)；分別記為C1，C2，C3，C4，C5，C6；其表達(dá)基因分別為3207，3079，903，903，4097，4097；其中4097為空閑基因，即C5，C6為空閑細(xì)胞?；騻浞輸?shù)目k=4，每個(gè)細(xì)胞內(nèi)包含四個(gè)基因存儲(chǔ)寄存器。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)細(xì)胞基因存儲(chǔ)器的內(nèi)容及關(guān)鍵控制信號(hào)，時(shí)鐘周期設(shè)置為20 ns；Cirj為第i個(gè)細(xì)胞的第j個(gè)寄存器存儲(chǔ)內(nèi)容，其中Cir1為第i個(gè)細(xì)胞的表達(dá)基因，本實(shí)驗(yàn)中1≤i≤6，1≤j≤4。

4.1功能分化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

陣列功能分化過(guò)程如圖5所示，230 ns，陣列的狀態(tài)控制信號(hào)RunState置為0，陣列開(kāi)始功能分化，同時(shí)各寄存器的移位控制信號(hào)置為高，開(kāi)始順時(shí)針?lè)茄h(huán)移位。按照基因配置串規(guī)則，基因配置串ConfGene分別置為903，3079，3207，4097，4097，903，903，3079，3207，依次送入母細(xì)胞。在時(shí)鐘clk的驅(qū)動(dòng)下，每個(gè)基因由母細(xì)胞的r1寄存器開(kāi)始在細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)的寄存器間按照?qǐng)D4所示方向進(jìn)行移位。10個(gè)時(shí)鐘周期后，在430 ns，細(xì)胞內(nèi)的四個(gè)基因存儲(chǔ)寄存器分別存入該細(xì)胞和其后三個(gè)相鄰細(xì)胞的表達(dá)基因，完成陣列的分化。

4.2陣列的自修復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提基因存儲(chǔ)的自修復(fù)能力，對(duì)分化后的陣列設(shè)置故障，觀察其修復(fù)過(guò)程。分別對(duì)相鄰多細(xì)胞和不相鄰多細(xì)胞進(jìn)行故障注入，由于多細(xì)胞故障保護(hù)單細(xì)胞故障，因此未進(jìn)行單細(xì)胞故障自修復(fù)實(shí)驗(yàn)。

4.2.1不相鄰多細(xì)胞故障的自修復(fù)

對(duì)于正常運(yùn)行的胚胎電子陣列中不相鄰細(xì)胞C2，C4同時(shí)注入故障，其修復(fù)過(guò)程如圖6所示。

圖5　陣列功能分化過(guò)程Fig.5　Differentiation process of embryonics array

在480 ns，C2，C4細(xì)胞同時(shí)故障，對(duì)外發(fā)送細(xì)胞故障信號(hào)：C2FS，C3FS同時(shí)置為高。自修復(fù)過(guò)程分為兩步：首先C3作為控制細(xì)胞進(jìn)行修復(fù)，然后C1作為控制細(xì)胞進(jìn)行修復(fù)，具體如下：

1)C3為控制細(xì)胞：其移位控制信號(hào)C3S置為11，進(jìn)行一個(gè)周期的逆時(shí)針循環(huán)移位，如500 ns；然后其移位控制信號(hào)置為01，進(jìn)行一次順時(shí)針循環(huán)移位，同時(shí)C5細(xì)胞進(jìn)行一次非循環(huán)移位，完成對(duì)C4細(xì)胞的修復(fù)，如520 ns所示；

圖6　C2，C4細(xì)胞故障自修復(fù)Fig.6　Repair process for C2 and C4 fault

2)C1為控制細(xì)胞：在C3完成修復(fù)過(guò)程的同時(shí)，C1的移位控制信號(hào)C1S置為11，開(kāi)始一個(gè)周期的逆時(shí)針循環(huán)移位，在540 ns，逆時(shí)針循環(huán)移位完成，C1S置為01，開(kāi)始一個(gè)周期的順時(shí)針循環(huán)移位，同時(shí)C4，C5，C6同時(shí)進(jìn)行一次非循環(huán)移位，560 ns移位結(jié)束。

經(jīng)過(guò)4個(gè)時(shí)鐘周期，C1，C2，C3，C4的表達(dá)基因3207，3079，903，903分別移位至C1，C3，C5，C6，所有基因正常表達(dá)，陣列可執(zhí)行正常功能。C2，C4引起的陣列故障被修復(fù)，修復(fù)過(guò)程耗時(shí)4個(gè)時(shí)鐘周期。

4.2.2相鄰多細(xì)胞故障的自修復(fù)

在480 ns，對(duì)相鄰的C2，C3細(xì)胞同時(shí)注入故障，細(xì)胞內(nèi)自檢單元檢測(cè)到故障向外發(fā)送細(xì)胞故障信號(hào)，C2FS，C3FS置為高電平。位于故障細(xì)胞前側(cè)的C1在故障信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下成為控制細(xì)胞，開(kāi)始陣列的修復(fù)過(guò)程，如圖7所示，主要分為三步：

1)C1的移位控制信號(hào)C1S置為11，細(xì)胞內(nèi)各基因存儲(chǔ)寄存器的移位控制信號(hào)置為高，在時(shí)鐘clk驅(qū)動(dòng)下，C1內(nèi)的基因逆時(shí)針循環(huán)移位兩次，如520 ns所示；

2)C1的移位控制信號(hào)C1S置為01，C1細(xì)胞、位于故障細(xì)胞后的激活細(xì)胞及空閑細(xì)胞C5內(nèi)基因存儲(chǔ)寄存器的移位控制信號(hào)置為高，C1細(xì)胞進(jìn)行一次順時(shí)針循環(huán)移位，而其余細(xì)胞進(jìn)行一次順時(shí)針?lè)茄h(huán)移位，如540 ns，在移位過(guò)程中，故障細(xì)胞C2，C3為“透明”狀態(tài)，C1r1的內(nèi)容直接移至C4r1；

3)繼續(xù)一次與第二步相同的移位操作，空閑細(xì)胞C6參與移位，一個(gè)時(shí)鐘周期后，在560 ns移位完成。

經(jīng)過(guò)上述三步操作，故障細(xì)胞C2，C3的表達(dá)基因3079，903由其后面的細(xì)胞C4，C5執(zhí)行；而C4的表達(dá)基因903移至C6細(xì)胞的r1寄存器，由C6表達(dá)，陣列完成自修復(fù)，耗時(shí)4個(gè)時(shí)鐘周期。

圖7　C2，C3故障修復(fù)過(guò)程Fig.7　Repair process for C2 and C3 fault

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，所提出的部分基因循環(huán)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)通過(guò)基因的非循環(huán)移位和循環(huán)移位，能夠完成陣列的分化和各種故障情況下的陣列自修復(fù)，且分化、自修復(fù)時(shí)間較短。

5基因存儲(chǔ)的可靠性、硬件消耗分析

在已有可靠性模型[13]基礎(chǔ)上，結(jié)合所設(shè)計(jì)的基因存儲(chǔ)的自修復(fù)特點(diǎn)，建立了基于部分基因循環(huán)存儲(chǔ)的系統(tǒng)可靠性模型；并根據(jù)存儲(chǔ)的具體實(shí)現(xiàn)，建立了硬件消耗模型。以可靠性模型和硬件消耗模型為基礎(chǔ)，對(duì)所提出的基因存儲(chǔ)進(jìn)行了分析。

設(shè)胚胎電子陣列規(guī)模為M×N，目標(biāo)電路規(guī)模為m×n，陣列中每個(gè)細(xì)胞的可靠性符合指數(shù)分布，即r(t)=e-λt，基因備份數(shù)目記為k。

以行移除策略為例，每行中每個(gè)工作細(xì)胞都可靠則該行可靠，陣列中有n行可靠則目標(biāo)電路可正常工作，則其可靠度

(8)

其中Rrr(t)=r(t)m=e-mλt為每一行的可靠度。

5.1可靠性模型

基于本文存儲(chǔ)的系統(tǒng)，細(xì)胞故障會(huì)導(dǎo)致基因備份數(shù)目的降低，但通過(guò)基因存儲(chǔ)的更新，基因備份數(shù)目得到恢復(fù)，系統(tǒng)正常運(yùn)行；若多個(gè)細(xì)胞同時(shí)故障使某基因的備份數(shù)目減少至0，則陣列中不再存在該基因，陣列無(wú)法完成自修復(fù)，從而出現(xiàn)電路故障。因此其可靠性在傳統(tǒng)的可靠性基礎(chǔ)上，還須保證目標(biāo)電路中多列同時(shí)故障時(shí)，各基因的基因備份數(shù)目大于0，否則陣列將失去自修復(fù)能力。

目標(biāo)電路的n列中，當(dāng)g(g≥k)列同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，使電路中基因備份數(shù)目減少至0，即失去自修復(fù)能力的概率記為P(t)，則有：

(9)

則基于本文存儲(chǔ)的系統(tǒng)可靠性為：

(10)

系統(tǒng)的失效前平均時(shí)間(Mean Time to Failure, MTTF)MTTFtrr為：

(11)

5.2硬件消耗模型

部分基因循環(huán)存儲(chǔ)使用寄存器存儲(chǔ)基因。每位基因信息使用一個(gè)D觸發(fā)器進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)觸發(fā)器間信息的移位實(shí)現(xiàn)基因的移位，其控制電路規(guī)模較小，可以忽略不計(jì)。

設(shè)基因?qū)挾葹閣，即每個(gè)基因有w位信息；設(shè)細(xì)胞內(nèi)存儲(chǔ)的基因數(shù)目為p，經(jīng)典的上升沿D觸發(fā)器需要24個(gè)MOS管[14]。則存儲(chǔ)消耗MOS管數(shù)目為：

Hc=M×N×p×w×24

(12)

細(xì)胞內(nèi)存儲(chǔ)的基因數(shù)目等于基因備份數(shù)目，則有：

Hc=M×N×k×w×24

(13)

5.3可靠性、硬件消耗分析

設(shè)目標(biāo)電路規(guī)模為50×50，基因?qū)挾葹?7[15]，基因備份數(shù)目變化范圍為[2, 50]。當(dāng)陣列規(guī)模分別為50×75，50×100，50×125，50×150，50×175，50×200時(shí)，分別由式(11)、式(13)計(jì)算系統(tǒng)MTTF和存儲(chǔ)消耗MOS管數(shù)目，結(jié)果如圖8所示。

(a)不同基因備份數(shù)目下系統(tǒng)的MTTF(a) MTTF of systems with different gene backup number

(b)不同基因備份數(shù)目下存儲(chǔ)消耗MOS管數(shù)目(b) Hardware overhead under different gene backup number圖8　不同基因備份數(shù)目下的MTTFFig.8　MTTF under different gene backup number

由圖8(a)可以看出，基于本文存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的MTTF具有兩個(gè)特點(diǎn)：在相同基因備份數(shù)目下，系統(tǒng)的MTTF隨著陣列規(guī)模的增加而增加；當(dāng)陣列規(guī)模固定時(shí)，系統(tǒng)的MTTF可分為兩個(gè)階段，當(dāng)基因備份數(shù)目很小時(shí)，系統(tǒng)的MTTF隨基因備份數(shù)目的增加而迅速提高，如基因備份數(shù)目小于10時(shí)；當(dāng)基因備份數(shù)目稍大時(shí)，系統(tǒng)的MTTF隨基因備份數(shù)目變化較小，趨于穩(wěn)定。

由圖8(b)可以看出，基因存儲(chǔ)消耗MOS管數(shù)目與基因備份數(shù)目呈線性關(guān)系，隨著基因備份數(shù)目的增加而線性上升，且胚胎電子陣列的規(guī)模越大，MOS管數(shù)目增加速度越快。

對(duì)于規(guī)模相同的目標(biāo)電路和胚胎電子陣列，該存儲(chǔ)支持任意選擇的基因備份數(shù)目，可在較小的基因備份數(shù)目下達(dá)到較大的系統(tǒng)MTTF，這是由于自修復(fù)過(guò)程中基因存儲(chǔ)具有自主更新能力，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。因此可以通過(guò)選擇較小的基因備份數(shù)目，在保持系統(tǒng)MTTF變化不大的情況下，降低硬件消耗，這是該存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，且目標(biāo)電路和胚胎電子陣列的規(guī)模越大，該優(yōu)點(diǎn)越明顯。

6結(jié)論

提出一種新型的基因存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)——部分基因循環(huán)存儲(chǔ)，電子細(xì)胞只存儲(chǔ)系統(tǒng)的部分基因，且存儲(chǔ)的基因數(shù)目不受陣列中空閑資源的限制，可由設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)需求指定。通過(guò)細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間的基因循環(huán)、非循環(huán)移位進(jìn)行陣列的功能分化和自修復(fù)，分化時(shí)間為(細(xì)胞個(gè)數(shù)+基因備份數(shù)目-1)個(gè)時(shí)鐘周期，自修復(fù)時(shí)間為(故障細(xì)胞數(shù)目×2)個(gè)時(shí)鐘周期，分化、自修復(fù)過(guò)程迅速。

自修復(fù)過(guò)程中，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)基因存儲(chǔ)的自主更新，保持基因信息的完整，完成陣列的自修復(fù)。理論分析表明，所提存儲(chǔ)的自主更新特性使其能夠在較小的基因備份數(shù)目下達(dá)到較大的可靠性，而較小的基因備份數(shù)目可以降低系統(tǒng)的硬件消耗，因而該基因存儲(chǔ)能夠在保證系統(tǒng)可靠性的同時(shí)降低硬件消耗。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]Kim S, Chu H, Yang I, et al. A hierarchical self-repairing architecture for fast fault recovery of digital systems inspired from paralogous gene regulator circuit[J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) System, 2012, 20(12): 2315-2328.

[2]Yang I, Jung S H, Cho K H. Self-repairing digital system with unified recovery process inspired by endocrine cellular communication[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) System, 2013, 21(6): 1027-1040.

[3]Jackson A H, Canham R, Tyrrell A M. Robot fault-tolerance using an embryonic array[C] //Proceedings of the NASA/Dod Conference on Evolvable Hardware,IEEE, Los Alamitos, 2003: 91-100.

[4]Ortega C, Tyrrell A. Biologically inspired reconfigurable hardware for dependable applications[C]//Proceedings of the IEE Colloquium on Hardware Systems for Dependable Applications, IEE, Stevenage, 1997: 1-4.

[5]Ortega-Sanchez C, Mange D, Smith S, et al. Embryonics: a bio-inspired cellular architecture with fault-tolerant properties[J]. Genetic Programming and Evolvable Machines. 2000, 1(3):187-215.

[6]Zhang X, Dragffy G, Pipe A G, et al. Partial-DNA supported artificial-life in an embryonic array[C] //Proceedings of the International Conference on Engineering of Reconfigurable Systems and Algorithms, CSREA, Athens, 2004: 203-208.

[7]Samie M, Farjah E, Dragffy G. Cyclic metamorphic memory for cellular bio-inspired electronic systems[J]. Genetic Programming and Evolvable Machines, 2008, 9(3): 183-201.

[8]Xu G L, Xia Z H, Wang H B, et al. Design of embryo-electronic systems capable of self-diagnosing and self-healing and configuration control[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2009, 22(6): 637-643.

[9]Samie M, Dragffy G, Popescu A, et al. Prokaryoticbio-inspired model for embryonics[C]//Proceedings of NASA/ESA Conference on Adaptive Hardware and System, IEEE, Piscataway, 2009: 171-178.

[10]Samie M, Dragffy G, Tyrrell A M, et al. Novel bio-inspired approach for fault-tolerant VLSI systems[J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems, 2012, 21(10): 1878-1891.

[11]Bremner P, Liu Y, Samie M, et al. SABRE: a bio-inspired fault-tolerant electronic architecture[J]. Bioinspiration and Biomimetics, 2013, 8(1): 1-16.

[12]李岳, 王南天, 錢彥嶺. 原核細(xì)胞仿生自修復(fù)電路設(shè)計(jì)[J]. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(3): 154-157.

LI Yue, WANG Nantian, QIAN Yanling. Self-healing circuit design inspired by prokaryotic cell[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2012, 34(3): 154-157. (in Chinese)

[13]張砦, 王友仁. 基于可靠性分析的胚胎硬件容錯(cuò)策略選擇方法[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐, 2013, 33(1): 236-242.

ZHANG Zhai, WANG Youren. Guidelines to fault-tolerant strategy selection in embryonics hardware based on reliability analysis[J]. Systems Engineering—Theory & Practice, 2013, 33(1): 236-242. (in Chinese)

[14]葉以正, 來(lái)逢昌, 肖立伊, 等. 集成電路設(shè)計(jì)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2011, 238-245.

YE Yizheng, LAI Fengchang, XIAO Liyi, et al. Integrate circuit design[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2011： 238-245. (in Chinese)

[15]Zhu S, Cai J Y, Meng Y F,et al. A novel structure of embryonics electronic cell array[J]. WSEAS Transactions on Circuits and Systems, 2014, 13: 224-232.

Structure of partial-DNA cyclic memory for embryonics cell

ZHUSai,CAIJinyan,MENGYafeng,LIDanyang

(Department of Electronic and Optical Engineering, Mechanical Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract：In order to reduce the hardware cost of embryonics system on the promise of ensuring system reliability, a novel genome memory structure—partial-DNA cyclic memory was presented, and only part of the system’s DNA was stored. The embryonics array’s functional differentiation and self repairing were achieved through the gene cyclic and non-cyclic shift in the cell and between cells, and the genes stored in memory were updated during the self repairing process. In this memory structure, the gene backups were set according to actual demand of system reliability and hardware cost, which were independent from the number of idle resources in embryonics array. Theoretical analysis and simulation results show that the new genome memory structure can not only achieve embryonics array’s functional differentiation and self-repair, but also can ensure system reliability and reduce hardware cost, and it has a high practical engineering value.

Key words：embryonics array; genome memory; cyclic shift; reliability; self repairing; genome update

中圖分類號(hào)：TP302.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2486(2016)01-078-08

作者簡(jiǎn)介：朱賽(1987—)，男，河南鄲城人，博士研究生，E-mail：szhumail@163.com；蔡金燕(通信作者)，女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，E-mail：radarc@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61271153，61372039)

*收稿日期：2015-01-29

doi:10.11887/j.cn.201601014

http://journal.nudt.edu.cn