摘要：近年来，电子技术飞速发展，超大规模的集成电路在各项芯片的设计中有了广泛的应用，数字电路的设计问题变得越来越复杂，尤其是电子产品的自动化设计问题愈发复杂，该文分析了如何在数字电路的设计中明确研究目标，优化电路的设计模块化发展，促进数字电路的设计质量提升。
关键词：模块化；数字电路；优化设计；
前言
随着集成电路的电子产品在生活中普及，对数字电路的要求变得愈发高，数字电路在设计与优化的过程中要确保电路的准确性，进行模块化处理，使其在未来应用的时候实现信息化、智能化以及共享化的优势。该文分析了数字电路优化设计的必然发展趋势，提出了模块化设计的思路。
一、模块化数字电路概述
1.模块化的设计理念
本文提出的自顶向下的模块设计理念，将复杂的数字电路设计分解、细化为一系列相对简单的子电路，将复杂、繁琐的电路设计变为简单、容易的设计，这种将复杂难懂的问题转换为简单易懂的问题的方式在于思维的转变。在本文中，具体描述数字电路功能时，可在数字电路设计上搭建一个真值表，对于那些可以优化的过程，需把真值表看成一个完整的数字电路系统，对数字电路的输入变量和输出变量进行模块化设计，让整个过程变得更加简单方便。把输入部分的位数看作子功能输入信号，把其余位数看作通信信号，这样就可使整个算法变得简单。通俗说就是利用优化电子电路的输入和输出来改变传统的电路算法，使用模块化设计，优化计算系统的独立性。与传统电路算法相比，模块化进化算法具有两个优势，一是可以让功能电路的选择更加准确；二是能够缩小子系统输入和输出的位数占比，降低算法复杂程度，提高算法的成功概率，减少算法计算时间。
2.数字电路优化设计
数字电路设计划分为许多个小模块，为了快速、高效地寻找出一种最优的电路设计目标，引入遗传算法，遗传算法的过程如下。
（1）染色体编码在对染色体定向编码过程中，首先要进行遗传算法的运算时间规划，对电路模块化结构的染色体进行优化，以提升运算时间。进行染色体编码时，可将染色体分成更为独立的逻辑段，每个独立的逻辑段都表示一个小的子系统，在子系统当中采用更加精准的门级电路进化方式，让每个子系统都包含编码、通信信号和联线编码，这样就可以让整个染色体变化的过程变得更为简单快捷。遗传算法的染色编码为实数编码，把所有的子系统整合为一个大的染色体，每个子系统既可以独立进行并排净化，又可以降低大范围的电路资源浪费，而且每个子系统之间既相互独立又相互联系。
（2）适应度函数设计
在数字电路设计中，适应度函数有着非常重要的作用，适应度函数设计的优劣可以对最终目标产生直接影响。可对适应度函数的输入值与期望值进行更为科学的对比研究，让整个评价系统变得更加准确，评价过程采用的标准就是操作结果；数字电路中遗传算法的使用公式可以表示电路功能的正确度。
（3）选择操作
在进行遗传算法的过程中，需选择很多操作，其中包括竞争选择方法和轮盘法。本文采用模块化原则，故而倾向选用竞争选择方法。竞争选择方法就是从父代的种族当中挑选多个遗传个体，然后将这些个体采用适应度函数进行比较，最终选择最好的个体来进行交叉算法，不断地进行重复，直到整个过程操作完毕。
（4）交叉算法
如果使用交叉算法进行操作，就需要从父代当中随便选择两个染色体进行杂交，以便把优秀基因保留下来，并且较大程度地保留特别优秀的基因。采用交叉算法可以使种族的基因更加优化，让整个种族变得更加发达。在进行交叉算法的过程中，一般采用均匀交叉方式或两点交叉方式及单点交叉方式。均匀交叉方式就是将染色体的很多优点进行交换，让它们更加有利于种族延续，本文采用的是均匀交叉操作方式。
（5）变异算子
变异算子是把染色体中的一些基因按照相应的概率进行变异操作，所选取的概率值越大，遗传过程中的多样性就会越大。变异操作仅在父代上进行就可改变某一个基因，使种族发生整体改变。本文中变异算子的具体操作是选择一条染色体，根据变异概率决定是否变异，如果取值为零，那么就不进行变异；如果取值不为零，那么就进行文件的变异操作。
二、降低功耗的具体措施
1.优化方向。使用组合逻辑+时序逻辑+存储的方法。时序电路的特点：输出与当时的输入值和电路之前的状态有关系；组合电路功能的特点：任意一个时刻的输出仅仅与该时刻的输入有关系，和电路原来的状态没有关系，可以采用结合的方式来减小功耗。
2.组合逻辑。通过算法优化来减少门电路，复用模块，优化算法。
3.时序逻辑。尽量降低采用没有用的register和非功能性的register，最好不要采用带复位reg，数据打拍。
三、数字电路的模块化电路优化设计措施
1.数字电路的染色体编码优化
在对数字电路的模块化进行结构编程的时候，染色体编码的算法优势有利于确保遗传算法的顺利执行，在逻辑思考的过程中将染色体进行独立划分，建立多个相互独立的子系统，各个子系统之间具备不同的通信号位、连线编码以及编码功能，确保优化数字电路设计的遗传算法在使用的时候可以应用实数进行编码，确保染色体数字结构中的各个子系统之间快速合成，形成一个单独且完整的染色体结构，独立运行，并不会对各个子系统的进化产生影响。在数字电路结构优化的时候，基于电力资源节约的原则，染色体子系统之间的逻辑应当互相独立。
2.在数字电路优化的过程中设计适应度函数
基于遗传算法进行数字电路的优化设计，要确保遗传算法可以开展适应度函数设计，否则会直接影响数字电路的最终模块化设计结果。在设计适应度函数的时候，要通过计算的结果进行合理性分析，适应度函数的计算结果点评数字电路的优化设计合理性，对比适应度函数的输出值与期望值，分析比较二者数据计算的结果来判断数字电路模块化优化设计的效果是否符合预期。具体的适应度函数如下：
.png)
适应度函数的分析，从F1函数的计算来判断电路功能的正确程度，用函数F2来体现数字电路的复杂程度，具体的计算过程如下：
.png)
3.数字电路优化设计过程的选择操作
基于数字电路模块化设计原则，可以应用竞争选择的策略进行操作，从父代数字电路的基础上在模块化的电路中进行随机选择，选择一定数量的遗传个体，借助适应度函数的计算方式进行计算结果的合理性分析，对各个遗传个体的计算效果急性逐一比较，最终将适应度最高的遗传个体筛选出来，并对不同的遗传个体进行交叉操作，不断重复这一操作，直到所有的遗传个体都完成对应的交叉操作。
结束语
通过对电路的优化设计可以让整个电路变得更加模块化，在进行数据储存及芯片设计过程中降低设计复杂度，使设计变得更为方便。数字电路采用模块化设计方式可以使遗传算法得到更多的优化，提高了数字电路的准确性和可靠性；这种方法在现阶段适应于比较精密的仪器，可整体提高机器设备的自动化和智能化水平。
参考文献：
[1]李翠翠.电机控制器中的CMOS电路节能设计与实现，现代电子技术,2017
[2]王洪亮,智立甫.高职数字电路基础课程模块化教学初探，石家庄职业技术学院学报,2010