[发明专利]一种可优化功耗的纳米CMOS电路容错映射方法

权利要求书

1.一种可优化功耗的纳米CMOS电路容错映射方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：若纳米CMOS电路中的2个CMOS单元U、V之间存在常连缺陷，则称U、V进行联结；若V位于U的输出连通域，则称U为V的常连输入，称V为U的常连输出；

按照从下到上、从左到右的顺序遍历纳米CMOS电路中的常连单元，并按照遍历到的先后顺序以非负整数赋予各常连单元以编码0,1,2……Q，再将遍历到的常连单元存入集合P中；

定义初值均为0的整数变量i、j，定义初值为0的二进制数变量fa，按照以下步骤划分集合P中的元素，并生成当前集合P的多个子集：

步骤1-1：若集合P为空集且i＝0，直接跳转到步骤4；若集合P为空集且i0，转到步骤1-4；否则，令i＝i+1，跳转到步骤1-2；

步骤1-2：建立空集将当前集合P中编码值最小的常连单元移出到更新P与转到步骤1-3；

步骤1-3：遍历集合P，若有常连单元与中任一常连单元存在联结关系，将其从P中移至更新P与令fa＝1；

结束本次遍历后，若fa＝1，令fa＝0并重复步骤1-3；若fa＝0，则跳转到步骤1-1；

步骤1-4：将得到的每个集合称为一个常连块，对于任一常连单元在中总是有至少一个常连单元与X进行联结；而在2个不同的常连块与中，对于任一常连单元与任一常连单元X与Y之间无联结关系；

步骤2：若常连单元X的输出信号g_X在其所属常连块中最多可被取反lev次，则称lev为X的常连等级，将纳米CMOS电路中各常连单元的常连等级lev初始化为-1；定义初值为0的整数变量y，令j＝1，定义初值为0的整数变量k，定义初值为0的整数变量N，定义初值为0的二进制数变量fb；已知步骤1生成了m个常连块，按照以下步骤依次对这些常连块实施单元打包操作：

步骤2-1：针对常连块首先标记该常连块中各常连单元的常连等级，标记步骤如下：

步骤2-1-1：遍历若有常连单元无常连输出，则将其lev设为0；

步骤2-1-2：遍历若有常连单元的lev＝-1且其常连输出均符合lev-1，取得常连输出拥有的常连等级最大值lm，并更新该常连单元lev＝lm+1；若有常连单元的lev＝-1且其存在lev＝-1的常连输出，令fb＝1；

结束本次遍历后，若fb＝1，令fb＝0并重复步骤2-1-2；否则，将中常连单元拥有的最大常连等级赋值给y，跳转到步骤2-2；

步骤2-2：遍历若有常连单元X的常连等级为y，生成包含单元X及其距离最近且常连等级为y-1的常连输出的集合C_k；包含2个常连单元的集合C_k即为1个单元包，生成C_k的过程即为单元打包；令k＝k+1，N＝k，继续当前遍历，N为生成的单元包总数；

结束本次遍历后，将常连等级为y的常连单元及其所有常连输出移出更新y＝y-2，若此时y≤0，跳转到步骤2-3；否则，重复步骤2-2；

步骤2-3：若jm，令j＝j+1，跳转到步骤2-1；否则，跳转到步骤3；

步骤3：按照从上到下、从左到右的顺序遍历有向无环图形式的待映射的逻辑电路中的节点，并按照遍历到的先后顺序以非负整数赋予各节点以编码0,1,2……K，再将遍历到的节点存入集合R中；定义初值为0的整数变量h，按照以下步骤对集合R实施节点打包操作：

步骤3-1：利用式(1)求得常数N_pack：

式(1)中，N_close代表给定的纳米CMOS电路的常连单元总数，N_cell代表给定的纳米CMOS电路的单元总数，N_gate代表待映射的逻辑电路的节点总数；若N_pack＝0，跳转到步骤4；否则，跳转到步骤3-2；

步骤3-2：若h＝N_pack，跳转到步骤4；否则，跳转到步骤3-3；

步骤3-3：随机从R中选择一对关联节点，计算其平均连接边数n_i，并计算集合R中所有节点的平均连接边数n_ave，得到[0,1]的随机浮点数λ，进行下式判断：

λ≥n_i/n_ave (2)

若式(2)的判断结果为真，生成包含选中的关联节点的集合G_h；G_h即为1个节点包，生成G_h的过程即为节点打包；将被打包的关联节点移出集合R，令h＝h+1，跳转到步骤3-2；若式(2)的判断结果为假，重复步骤3-3；

步骤4：建立纳米CMOS电路的容错映射约束：

将映射了节点的单元称为映射单元，式(3)中的c_i,c_j分别表示节点g_i,g_j的映射单元，d(c_i,c_j)表示c_i,c_j之间的曼哈顿距离，该式说明映射了关联节点的两个单元应在彼此连通域内；式(4)中的N(c_i,c_j)为一个二进制数值1,0，表示单元间是否存在常开缺陷，该式说明映射了关联节点的单元间不可存在常开缺陷；式(5)中的M(c_i,c_j)为一个二进制数值1,0，表示单元之间是否存在常连缺陷，该式说明映射了非关联节点的单元间不可存在常连缺陷；式(6)说明若单元c_i/c_j之间存在常连缺陷且单元c_j已被映射，其常连输入c_i不可处于未映射状态以避免常连缺陷传播；式(7)说明若单元c_i/c_j之间存在常连缺陷且单元c_i已被映射，其常连输出c_j不可处于未映射状态以优化功耗；

步骤5：采用遗传算法实现容错映射，随机生成N_P个生物组成初始种群，种群规模N_P＝24，每个生物代表一个容错映射解；设置每个生物体内存在X与Y两条染色体，令X染色体的基因编码为(C₀{c_x0,c_x1},C₁{c_x2,c_x3},…,C_N-1{c_x(2N-2),c_x(2N-1)})，C_N-1{c_x(2N-2),c_x(2N-1)}代表由常连单元c_x(2N-2),c_x(2N-1)组成的单元包，标号0,1,2……N-1与纳米CMOS电路上的N个单元包一一对应；按照从下往上、从左到右的顺序遍历纳米CMOS电路中未被打包的单元，并按照遍历到的先后顺序以非负整数0,1,2……M对其重新编码；令Y染色体的基因编码为(c_y0,c_y1,c_y2,…,c_yM)，c_yM代表未被打包的单元；对于Y染色体的基因c_yM，其值为集合R中任一不重复节点的编号或者-1，-1表示相应单元处于未映射状态；对于X染色体的基因C_N-1{c_x(2N-2),c_x(2N-1)}，其中c_x(2N-2),c_x(2N-1)的值为任一不重复节点包中一对关联节点的编号或者均为-1，c_x(2N-2),c_x(2N-1)的值均为-1表示相应单元包处于未映射状态；

步骤6：利用适值函数对种群内各个生物的适应值进行评估，适值函数定义如下：

将节点的映射单元对约束式的违反称为违例；在式(8)中，K+1为逻辑电路的节点总数；V_g代表节点g的映射单元对约束式(3)-(5)的违例数；p_g代表节点g的映射单元对约束式(6)的违例数；q_g代表节点g的映射单元对约束式(7)的违例数；分母中的常数1用来避免所有映射单元均无违例时，适值函数的值趋于无穷大；针对常连缺陷传播设置的约束式(6)可用传播阻断方法进行松弛，约束式(7)的违例不会影响映射电路的逻辑功能，因此对V_g、p_g、q_g设置不同的惩罚系数α、β、η，使得算法总是能够优先消除约束式(3)-(5)的违例，根据经验，令α＝6，β＝2，η＝1；由式(8)可知，适值越大，解的质量越好；

步骤7：利用轮盘赌算法实现选择策略，选出适应值高的两个亲代进行交叉操作；已知种群规模N_P，适应值为f_l的生物L被选择的概率为：

生物L的累积概率为：

q₀＝0,q_l＝q_l-1+P_l (10)

每次选择时旋转轮盘N_P次，每次生成[0,1]的一个随机浮点数λ，若满足q_l-1≤λq_l，则生物L被选择次数加1；N_P次旋转结束后，将种群中被选择次数最多的2个生物作为亲代进行繁衍；利用双切点法实现交叉操作，对于选定的2个亲代，分别在其X染色体与Y染色体上随机选取两个切割点，交换同一类型染色体切割出的子串，生成2个子代，子代暂不加入当前种群；

重复步骤7，完成N_P·R_C次交叉操作后，跳转到步骤8，R_C＝0.33为算法的交叉概率；

步骤8：在种群中随机选择一个亲代，利用成对交换策略实现变异操作；分别在其X、Y染色体中选择一对基因进行互换，生成一个子代，子代暂不加入当前种群；

重复步骤8，完成N_P·R_M·J/2次变异操作，其中R_M＝0.01为算法的变异概率，J为用于映射的纳米CMOS电路单元总数；完成N_P·R_M·J/2次变异操作后，跳转到步骤9；

步骤9：将交叉、变异操作生成的子代加入当前种群，计算各生物的适应值，并按适应值大小降序排列，此时判断遗传算法的终止标志是否出现：(1)种群中出现适应值为1的个体；(2)到达迭代次数上限iteration＝2500；(3)在0.2*iteration次迭代内种群生物的最大适应值未改变；只要有上述任一标志出现，就终止遗传算法并跳转到步骤10；否则，选择前N_P个个体形成新种群，跳转到步骤7；

步骤10：判断映射解中是否仍存在约束式(6)的违例，若是，利用互补信号阻断常连缺陷传播以修正该类违例，所有违例都修正成功后，结束本次容错映射；否则，直接结束本次容错映射。