论文正文：

科学技术地迅猛发展的同时，现代机电产品也向着集成化、智能化、自动化的方向飞速发展着。不同机电产品，在发生故障后的处理方式是不同的，有的产品智能化程度较高，发生故障后不可能有人去修理，有的机电一体化系统，一旦出现故障，就会造成不可估量的损失。及早发现故障，挽回损失，是机电产品容错设计与仿真技术的主要作用。容错技术是提高系统稳定性和可靠性的主要技术途径，研究和应用容错技术，具有深远的现实意义。

一、仿生硬件容错研究现状
　　现代机电产品向着集成化、智能化、自动化发展的同时，电路系统也趋向复杂化，传统的硬件容错技术已经无法应付这样的要求。人们花费了大量的时间研发新的容错技术，提出了自检测、自修复的新型容错技术的概念，以期在电路发生故障时，机电产品可以第一时间自我修复，有效减少工作量。这一设想最早实在20世纪50年代末计算机之父冯·诺依曼提出的。但是直到20世纪90年代，研究才有了实质性的进展：瑞士联邦工学院提出了仿生硬件概念，仿生硬件技术开始飞速发展起来，目前已经成为国内外相关领域的研究热点。实际上，仿生硬件技术在我国起源时间较晚，发展相对不够成熟，与发达国家相比，技术水平远远落后，发展仿生硬件技术已经成为我国的当务之急。
　　仿生硬件有效地将进化算法与可编程器件结合起来，成功地研发出了新型的硬件电路，使得自动感应外部环境变化相继自主变化自身结构以适应外部变化成为可能，具有自我修我、自我适应等特征。仿生硬件的灵感来源于自然界的生物体，模仿生物体的细胞组织结构，模仿自然界生物体的细胞增殖生长、自我修复与遗产特点，扩展到仿生硬件的工作机制中去。与传统的硬件相比，这种电路系统自大的特点就是自我检查自我更新自我康复，还可以利用组织特性生成新的电路系统，以达到更强的容错纠错机能，具有传统技术不可比拟的优越性。

二、仿生硬件的容错技术新思路
　　基于仿生硬件的容错研究，对建立借鉴生物进化机制的硬件容错新理论、新模型和新方法，提高硬件系统的可靠性，具有至关重要的意义。
　　（一）胚胎型仿生硬件的容错体系结构和容错原理
　　一般说来，我们将仿生硬件分为两类：胚胎型和进化型，胚胎型仿生硬件的容错体系结构主要由胚胎细胞、开关阵和线轨组成，其原理主要是模仿生物的多细胞容错机制。开关阵根据可编程连线的控制信号完成开关闭合，控制线轨内各线段的使用。胚胎细胞包含存储器、坐标发生器、I/O换向块、功能单元、直接连线、可编程连线、控制模块等。存储器用于保存配置数据位串，并根据细胞状态和坐标发生器计算出的结果，从配置位串中提取一段经译码后对胚胎电子细胞的换向块和功能单元进行配置。坐标发生器根据每个细胞最近两侧（左侧和下侧）邻居细胞的坐标为其分配坐标。I/O换向块为细胞功能单元间的可编程连线提供控制信号。功能单元用于实现一个n输入的布尔函数，用于实现所需的细胞功能。直接连线负责功能单元之间的相互通信。可编程连线传递控制信号控制开关阵。控制模块完成细胞的工作状态检测、故障诊断、控制细胞冗余切换。
　　（二）胚胎型仿生硬件实现容错的策略
　　胚胎型仿生硬件实现容错主要通过两种策略，即行列取消和细胞取消策略，通过记录出错的单元，进而重新布线，用其他单元替代出错单元来实现容错。但是这种策略具有一定的局限性，尤其在连线资源故障时，不能很好的实现容错效果。针对线轨故障，不妨采用以下的策略：
　　1.行（列）取消策略。所谓行（列）取消策略，不再是用其他单元替换出错单元，而是当一个细胞出错时，整行或者整列的所有细胞都要取消，然后被其上一行或者又一列的所有细胞所替换。即使发生错误的只是一个细胞，也要用一整个备用行或者备用列来代替当前的工作。
　　2.细胞取消策略。该策略主要分两个步骤实施。如果某一行出错的细胞数量较多，备用细胞数不足以替换出错细胞数时，这时整行被取消，行细胞上移，用备用行取代出错行。
　　（三）胚胎型仿生硬件实现容错的流程
　　胚胎型仿生硬件容错的流程为：（1）根据设计需求选择器件，确定硬件设计方案；（2）以电路结构及有关参数等作为染色体进行编码，按照进化算法的进化模式对系统进行进化操作；（3）一般以电路的功能与预期结果的符合程度作为个体的适应度。根据给定的输入条件或测试集，通过基于电路模型的仿真测试或实测计算群体中的每个个体的适应度。
　　（四）胚胎型仿生硬件内部错误检测机制与自修复机制
　　1.错误检测机制。仿生硬件首先要内部检测，才能很好的实现容错目的。常用的仿生硬件错误检测机制主要包括三模冗余和利用健康细胞监视周围细胞状态两种检测方法。目前的自我检测机制可以有效排查出故障是否存在，但是对于排查故障发生点，基本没有效用，无法查出具体位置就无法高效修复出错细胞，所以我们既要注重研究三模冗余的可靠性，也要加大力气研究可以检测出具体故障位置的差错检测器。
　　2.自修复机制。通过前面的叙述，我们不难发现，胚胎型仿生硬件的电子细胞不具备容错能力，发生故障的细胞往往遭到整行或者整列的替换，通过空闲为出错细胞的自我复制，对配套阵列重构，故障细胞退出运行来实现容错。
　　胚胎型生物硬件具有自我检测自我复制等特性，能够比较好的适应外部环境的变化，是基于生物体多细胞容错机制实现的硬件，具有十分广阔的应用前景，但是其具有一定的局限性，在未来很长一段时间内，我们任然要加大力气研究胚胎型生物硬件，以期能够更好地提高电路系统的可靠性。

参考文献：
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