遺傳算法是一種基于自然選擇原理的優(yōu)化算法，在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但是，遺傳算法使用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，會(huì)隨著問題復(fù)雜度和求解精度要求的提高，產(chǎn)生很大的計(jì)算延時(shí)，這種計(jì)算的延時(shí)限制了遺傳算法在很多實(shí)時(shí)性要求較高場合的應(yīng)用。為了提升運(yùn)行速度，可以使用FPGA作為硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)完成遺傳算法。和軟件實(shí)現(xiàn)相比，硬件實(shí)現(xiàn)盡管在實(shí)時(shí)性和并行性方面具有很大優(yōu)勢，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的靈活性不足、通用性不強(qiáng)。本文針對上述矛盾，使用基于功能的模塊化思想，將基于FPGA的遺傳算法硬件平臺(tái)劃分成兩類模塊：系統(tǒng)功能模塊和算子功能模塊。針對不同問題，可以在保持系統(tǒng)功能模塊不變的前提下，選擇不同的遺傳算子功能模塊完成所需要的優(yōu)化運(yùn)算。本文基于Xilinx公司的Virtex5系列FPGA平臺(tái)，使用VerilogHDL語言實(shí)現(xiàn)了偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊、隨機(jī)數(shù)接口模塊、存儲(chǔ)器接口/控制模塊和系統(tǒng)控制模塊等系統(tǒng)功能模塊，以及基本位交叉算子模塊、PMX交叉算子模塊、基本位變異算子模塊、交換變異算子模塊和逆轉(zhuǎn)變異算子模塊等遺傳算法功能模塊，構(gòu)建了系統(tǒng)功能構(gòu)架和遺傳算子庫。該設(shè)計(jì)方法不僅使遺傳算法平臺(tái)在解決問題時(shí)具有更高的靈活性和通用性，而且維持了系統(tǒng)架構(gòu)的穩(wěn)定。本文設(shè)計(jì)了多峰值、不連續(xù)、不可導(dǎo)函數(shù)的極值問題和16座城市的旅行商問題 (TSP)對遺傳算法硬件平臺(tái)進(jìn)行了測試。根據(jù)測試結(jié)果，該硬件平臺(tái)表現(xiàn)良好，所求取的最優(yōu)解誤差均在1％以內(nèi)。相對于軟件實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)在求解一些復(fù)雜問題時(shí)，速度可以提高2個(gè)數(shù)量級(jí)。最后，本文使用FPGA實(shí)現(xiàn)了粗粒度并行遺傳算法模型，并用于 TSP問題的求解。將硬件平臺(tái)的運(yùn)行速度在上述基礎(chǔ)上提高了近1倍，取得了顯著的效果。關(guān)鍵詞：遺傳算法，硬件實(shí)現(xiàn)，并行設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA，TSP
標(biāo)簽：
FPGA
算法
硬件實(shí)現(xiàn)
上傳時(shí)間：
2013-06-15
上傳用戶：hakim
