基於映射模塊的16位加減法器的方法與流程

2023-05-01 11:40:26

本發明涉及利用映射模塊設計16位加減法器的方法,屬於計算機應用技術領域。

背景技術：

Seelig利用DNA鏈設計了與門、或門、非門，利用這三個模塊可以組合DNA計算機的DNA邏輯電路，電路中的布爾值是通過DNA鏈的是否存在來表示的。但是Seelig設計的非門並不穩定，由非門設計的邏輯電路容易產生錯誤信號，這樣並不能製造穩定DNA計算機。Winfree構造了與門模塊、或門模塊和扇出門模塊，將它們與雙軌邏輯結合起來設計了4-bit平方根DNA邏輯電路，電路的布爾值是通過DNA鏈濃度的高低來表示的。

Winfree通過雙軌邏輯解決了非門不穩定性的問題，他設計的與門模塊、或門模塊及扇出門模塊和雙軌邏輯結合起來可以設計許多穩定的DNA邏輯電路，但是雙軌邏輯電路的規模是單軌邏輯電路的2倍，這增加了DNA計算機的規模和設計的複雜度。非門的不穩定性問題和雙軌的規模問題的根本問題是用DNA鏈濃度來表示邏輯值，因為從高濃度向低濃度方向反應是DNA鏈反應的一般規律，本文用域t和f來代表邏輯值避免了由DNA鏈的濃度來表示邏輯值帶來的不穩定性問題。其次，與門、或門和非門原本是電子邏輯電路的基本邏輯運算模塊，將它們用在DNA邏輯電路上並沒有充分考慮DNA鏈的特點及DNA計算的高度並行性，DNA邏輯電路應該有自己的基本邏輯運算模塊但並不局限於與門、或門和非門。本文利用域t和f代表邏輯值的方法設計了DNA映射運算模塊，映射模塊根據輸入數量的不同分為1輸入映射模塊(1-mapping modules)、2輸入映射模塊(2-mapping modules)、3輸入映射模塊(3-mapping modules)，…，n輸入映射模塊(n-mapping modules)。DNA映射運算模塊充分利用了DNA鏈的特點及DNA計算的高度並行性，將n輸入1輸出邏輯電路的層次性用並行的2n條相同結構的DNA鏈來代替，以此來縮短運算的時間。通過更改映射模塊中的DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，使更改後的映射模塊實現不同的邏輯功能。根據異或門的真值表來更改2輸入映射模塊中的4個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，使更改後的2輸入映射模塊實現異或門的功能。更改3輸入映射模塊中8個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，分別得到1位全加器求和項的模塊和求進位項的模塊。將域標記異或門模塊和1位全加器模塊進行組合設計了DNA16位加減法器。

技術實現要素：

本發明的目的在於利用利用域標記2輸入映射模塊、域標記3輸入映射模塊設計DNA16位加減法器。

本發明的技術方案如下：

利用映射模塊設計16位加減法器的方法，包括如下步驟，

步驟1：利用域t和域f對DNA鏈進行標記，域t和域f分別代表邏輯1和邏輯0，構建域標記的DNA信號鏈，輸入輸出鏈是DNA信號鏈；DNA信號鏈是結構對稱的，其左半邊可以與上遊相應的模塊進行DNA鏈置換反應，右半邊可以與下遊的相應模塊進行DNA鏈置換反應；

步驟2：構建域標記1輸入映射模塊；

步驟3：構建域標記2輸入映射模塊；

步驟4：根據異或門的真值表來更改2輸入映射模塊中的4個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，使更改後的2輸入映射模塊實現異或門的功能；

步驟5：構建域標記3輸入映射模塊；

步驟6：根據1位全加器的求和項的真值表來更改3輸入映射模塊中的8個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，使更改後的3輸入映射模塊實現1位全加器求和項的功能；根據1位全加器的求進位項的真值表來更改3輸入映射模塊中的8個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f,使更改後的3輸入映射模塊實現1位全加器求進位項的功能；

步驟7：將步驟4中的異或門模塊和步驟6中的1位全加器以相同的數量和濃度組合起來設計DNA16位加減法器，所述的異或門模塊的數量是16個，1位全加器的數量是16個，所述的異或門模塊的濃度是1單位，1位全加器的濃度是1單位。

步驟2所述的構建域標記1輸入映射模塊的方法為：1輸入映射模塊由2個結構相同的DNA雙鏈組成；通過更改2個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，可以使該1輸入映射模塊實現不同的邏輯功能。

步驟3所述的構建域標記2輸入映射模塊的方法為：2輸入映射模塊由4個結構相同的DNA雙鏈組成；通過更改4個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，可以使該2輸入映射模塊實現不同的邏輯功能。

步驟5所述的構建域標記3輸入映射模塊的方法為：3輸入映射模塊由8個結構相同的DNA雙鏈組成；通過更改8個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，可以使該3輸入映射模塊實現不同的邏輯功能。

本發明與現有發明相比具有以下優點：

1.通過域t和域f來分別代表邏輯1和邏輯0，增加了反應的確定性，避免了由濃度代表邏輯值所帶來的不穩定性。

2.充分利用了DNA計算的海量存儲性和高度的並行性，構建的映射模塊具有結構單一、層次少、反應時間短等特點，它們可以取代與門、或門和非門作為DNA邏輯電路基本邏輯運算模塊。

3.由映射模塊設計的DNA邏輯電路比由與門、或門、非門設計的DNA邏輯電路具有更少的層、更短的反應時間、更利用設計大規模DNA邏輯電路。

4.首次設計了DNA16位邏輯電路。

附圖說明

圖1是DNA鏈置換反應。

圖2是DNA信號鏈。

圖3是1輸入映射模塊代碼。

圖4是1輸入映射模塊。

圖5是2輸入映射模塊代碼。

圖6是2輸入映射模塊。

圖7是3輸入映射模塊代碼。

圖8是3輸入映射模塊。

圖9是n輸入映射模塊代碼。

圖10是異或門模塊的模擬結果。

圖11是1位全加器的模擬結果。

圖12是DNA16位加減法器電路圖。

圖13是DNA16位加減法器的模擬結果。

圖14是DNA16位加減法器構建流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

結合圖14的DNA16位加減法器構建流程圖，下面進行詳細步驟介紹：

步驟1：利用域t和域f對DNA鏈進行標記，構造域標記DNA信號鏈。如附圖2所示，DNA信號鏈在反應起到傳遞信號的作用。

步驟2：充分利用DNA計算的海量存儲性和高度並行性，構造了含有2條相同結構DNA雙鏈的域標記1輸入映射模塊，如附圖3和4所示。附圖4中的2條DNA雙鏈具有相同的結構，而且以相等的濃度參加DNA鏈置換反應。通過更改映射模塊中的DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，使更改後的映射模塊實現不同的邏輯功能，例如非門模塊等。

步驟3：充分利用DNA計算的海量存儲性和高度並行性，構造了含有4條相同結構DNA雙鏈的域標記2輸入映射模塊，如附圖5和附圖6所示。附圖6中的4條DNA雙鏈具有相同的結構，而且以相等的濃度參加DNA鏈置換反應。通過更改映射模塊中的DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，使更改後的映射模塊實現不同的邏輯功能，例如異或門模塊、同或門模塊等。

步驟4：根據異或門模塊的真值表，更改2輸入映射模塊中4個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，得到異或門模塊，異或門模塊的模擬結果如附圖10所示。

步驟5：充分利用DNA計算的海量存儲性和高度並行性，構造了含有8條相同結構DNA雙鏈的域標記3輸入映射模塊，如附圖7和附圖8所示，附圖8逆時針旋轉90度為正確的圖。附圖8中的8條DNA雙鏈具有相同的結構，以相等的濃度參加DNA鏈置換反應。通過更改映射模塊中的DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，使更改後的映射模塊實現不同的邏輯功能，例如1位全加器求和模塊和1位全加器求進位模塊等。

步驟6：根據1位全加器的真值表，更改3輸入映射模塊中的8個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f,分別得到1位全加器求和模塊和求進位模塊，附圖11是1位全加器的模擬結果圖，1位全加器模塊是由1位全加器求和模塊和求進位模塊以相等的深度組合而成的。

步驟7：將16個步驟4中的異或門和16個步驟6中的1位全加器組合起來設計DNA16位加減法器，如附圖12和附圖13所示，附圖12順時針旋轉90度為正確的圖；其中附圖12是DNA16位加減法器電路圖，附圖13是DNA16位加減法器的模擬結果圖。附圖13逆時針旋轉90度為正確的圖。

實施例1

本發明的實施例是在以本發明技術方案為前提下進行實施的，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述實施例。因為本發明中的域標記1輸入映射模塊、域標記2輸入映射模塊、域標記3輸入映射模塊作為DNA邏輯電路的基本邏輯運算模塊，它們可以進行組合設計成其它DNA邏輯電路。本發明以16位加減法器為例。

步驟1：利用域t和域f對DNA鏈進行標記，域t和域f分別代表邏輯1和邏輯0，構建域標記的DNA信號鏈(輸入輸出鏈)。DNA信號鏈是結構對稱的，其左半邊可以與上遊相應的模塊進行DNA鏈置換反應，右半邊可以與下遊的相應模塊進行DNA鏈置換反應。

步驟2：構建域標記1輸入映射模塊。1輸入映射模塊由2個結構相同的DNA雙鏈組成。通過更改2個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，可以使該1輸入映射模塊實現不同的邏輯功能，例如非門模塊的功能。

步驟3：構建域標記2輸入映射模塊。2輸入映射模塊由4個結構相同的DNA雙鏈組成。通過更改4個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，可以使該2輸入映射模塊實現不同的邏輯功能。

步驟4：根據異或門的真值表來更改2輸入映射模塊中的4個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，使更改後的2輸入映射模塊實現異或門的功能。

步驟5：構建域標記3輸入映射模塊。3輸入映射模塊由8個結構相同的DNA雙鏈組成。通過更改8個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，可以使該3輸入映射模塊實現不同的邏輯功能。

步驟6：根據1位全加器的求和項的真值表來更改3輸入映射模塊中的8個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f，使更改後的3輸入映射模塊實現1位全加器求和項的功能。根據1位全加器的求進位項的真值表來更改3輸入映射模塊中的8個DNA雙鏈右端突出的上鏈上的域t或域f,使更改後的3輸入映射模塊實現1位全加器求進位項的功能。

步驟7：將步驟4中的異或門模塊和步驟6中的1位全加器以相同的數量和濃度組合起來設計DNA16位加減法器。所述的異或門模塊的數量是16個，1位全加器的數量是16個，所述的異或門模塊的濃度是1單位，1位全加器的濃度是1單位。

綜上所述，用域t和f來代表邏輯值避免了由DNA鏈的濃度來表示邏輯值帶來的不穩定性問題。構造了域標記DNA信號鏈、1輸入映射模塊、域標記2輸入映射模塊、域標記3輸入映射模塊，它們可以被用於設計其它大規模邏輯電路。通過對域標記2輸入映射模塊、域標記3輸入映射模塊進行組合，設計了DNA16位加減法器，其模擬結果具有穩定、時間短的特點。由此說明我們設計的域標記1輸入映射模塊、域標記2輸入映射模塊、域標記3輸入映射模塊具有很好的並行性、穩定性、封裝性等特點，可以被作為DNA邏輯電路的基本邏輯運算模塊以及用於設計大規模穩定的DNA邏輯電路。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其構思以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍內。