CN107103183B - 基于分子计算的同步时序逻辑设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分子计算的同步时序逻辑设计方法，通过在不同时钟电平压缩存储和释放状态转化信息，可将任意的状态转换图映射为化学反应，从而构建能实现对应逻辑功能的分子系统。

Description

基于分子计算的同步时序逻辑设计方法
技术领域
本发明涉及化学反应网络计算领域，特别是涉及基于分子计算的同步时序逻辑设计方法。
背景技术
化学反应网络(CRNs)是由一系列形如
Figure GDA0002270713670000011
的基元反应所构成的集合(包含反应物、生成物、反应速率常数)。在分子计算中，CRNs是描述化学系统行为、构建动力学模型的建模语言。2010年，现有技术从理论层面证明：任意的只包含二输入反应和单输入反应的CRNs，总是能被映射为DNA链置换反应。而DNA链置换反应由美国加州理工大学首次提出，已有相应的理论支持与实验验证，这使得CRNs具有很好的可操作性与可实现性。有了可靠的物理实现载体后，研究者可以专心于顶层的CRNs模型设计工作。
在CRNs的设计中，通常用双轨逻辑表征数字逻辑变量。例如，某一逻辑变量X的值由2种分子X0、X1表示，即：若CRNs中出现一定浓度的X0，代表X的逻辑值为0；若CRNs中出现一定浓度的X1，代表X的逻辑值为1。同时，将现有技术所提出的双稳态反应，如图1，用于每一个逻辑变量以确保每一个逻辑变量的值的稳定性。另外，在双轨逻辑的基础上，现有技术为CRNs层面的时序逻辑电路提供CRNs时钟信号的生成方法，可得到如图2所示的时钟。
然而，现有的CRN同步时序逻辑实现方法在面对具有反馈回路的电路时，存在分子浓度随时间衰减的缺点。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于分子计算的同步时序逻辑设计方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于分子计算的同步时序逻辑设计方法，包括以下步骤：
S1：逻辑变量的表征与时钟信号的生成：画出描述同步时序逻辑电路功能的状态转换图，状态转换图中包含状态变量、输入变量和输出变量这三种逻辑变量，用双轨逻辑和双稳态反应表征状态转换图中的逻辑变量，利用时钟信号驱动状态转换图；
S2：根据状态变量与输入变量得到并压缩状态转换信息：在时钟低电平时，时钟信号clk0首先与状态转换图中第一个状态变量反应生成第一个状态中间产物，第一个状态中间产物再与第二个状态变量反应生成第二个状态中间产物，依次进行，直至第N-1个状态中间产物与第N个状态变量反应生成第N个状态中间产物，N为状态变量的总个数；第N个状态中间产物再与第一个输入变量反应得到第一个输入中间产物，第一个输入中间产物与第二个输入变量反应得到第二个输入中间产物，依次进行，直至第M-1个输入中间产物与第M个输入变量反应得到最终的分子keysmithi，M为输入变量的总个数，i＝1,2…K，K为状态转化图中可能发生的状态转换的种类；
S3：释放状态转换信息并完成状态转换：在时钟高电平时，时钟信号clk1将步骤S2生成的keysmithi转换为分子keyi，分子keyi根据状态转换图，通过双分子催化反应将当前状态变量和输出变量彻底转换为目标状态的状态变量和输出变量，且状态变量和输出变量的转换在同一时钟高电平完成；
S4：在时钟低电平时，时钟信号clk0将步骤S3生成的keyi彻底转化为与整个反应体系不相干的分子。
有益效果：本发明公开了一种基于分子计算的同步时序逻辑设计方法，通过在不同时钟电平压缩存储和释放状态转化信息，可将任意的状态转换图映射为化学反应，从而构建能实现对应逻辑功能的分子系统。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)稳定性比现有方法更好，特别是本方法的分子浓度不因电路中的反馈回路而随时间衰减；
2)具有简便性与通用性，无需进行复杂的电路设计，可直接从功能(状态转换图)入手设计CRN。
附图说明
图1为现有技术提出的双稳态反应；
图2为采用现有技术的CRNs时钟信号生成方法生成的时钟信号；
图3为本发明具体实施方式中的状态转换图；
图4为本发明具体实施方式中的生成状态转换图的keysmithi的方法；
图5为对应于图4的具体反应方程；
图6为本发明具体实施方式中的时钟高电平信号clk1把keysmith1转化为key1的方程；
图7为本发明具体实施方式中的分子key1把2个状态逻辑变量XY的值从0改为1的方程；
图8为本发明具体实施方式中的时钟低电平信号clk0清除key1的过程。
具体实施方式
本具体实施方式公开了一种基于分子计算的同步时序逻辑设计方法，包括以下步骤：
基于分子计算的同步时序逻辑设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：逻辑变量的表征与时钟信号的生成：画出描述同步时序逻辑电路功能的状态转换图，如图3所示，状态转换图中包含状态变量、输入变量和输出变量这三种逻辑变量，用双轨逻辑和双稳态反应表征状态转换图中的逻辑变量，如图1所示，利用图2所示的时钟信号驱动状态转换图；图3中，圆圈内XY为状态变量，箭头侧边的Z为输入变量，Q为输出变量，括号内的keyi完成对应箭头所示的状态转换；
S2：根据状态变量与输入变量得到并压缩状态转换信息，如图4和图5所示：在时钟低电平时，时钟信号clk0首先与状态转换图中第一个状态变量反应生成第一个状态中间产物，第一个状态中间产物再与第二个状态变量反应生成第二个状态中间产物，依次进行，直至第N-1个状态中间产物与第N个状态变量反应生成第N个状态中间产物，N为状态变量的总个数；第N个状态中间产物再与第一个输入变量反应得到第一个输入中间产物，第一个输入中间产物与第二个输入变量反应得到第二个输入中间产物，依次进行，直至第M-1个输入中间产物与第M个输入变量反应得到最终的分子keysmithi，M为输入变量的总个数，i＝1,2…K，K为状态转化图中可能发生的状态转换的种类；
S3：释放状态转换信息并完成状态转换：在时钟高电平时，时钟信号clk1将步骤S2生成的keysmithi转换为分子keyi，如图6所示，分子keyi根据状态转换图，通过双分子催化反应将当前状态变量和输出变量彻底转换为目标状态的状态变量和输出变量，如图7所示，且状态变量和输出变量的转换在同一时钟高电平完成；
S4：在时钟低电平时，时钟信号clk0将步骤S3生成的keyi彻底转化为与整个反应体系不相干的分子，如图8所示。
图5中，分子mi(i＝1,2,…8)代表中间产物；箭头上方的ks、kf代表反应速率常数，kf的值为ks的100倍，也就是说，分子clk0参与的2个反应的速率慢于其它反应，为限速步骤。它使得keysmithi的生成速率主要由clk0与X的反应决定，也就是说，当clk0的浓度接近0时，中间产物m1m2将不再生成，反之将被快速地转化为对应的keysmithi。

Claims (1)

1.基于分子计算的同步时序逻辑设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：逻辑变量的表征与时钟信号的生成：画出描述同步时序逻辑电路功能的状态转换图，状态转换图中包含状态变量、输入变量和输出变量这三种逻辑变量，用双轨逻辑和双稳态反应表征状态转换图中的逻辑变量，利用时钟信号驱动状态转换图；
S2：根据状态变量与输入变量得到并压缩状态转换信息：在时钟低电平时，时钟信号clk0首先与状态转换图中第一个状态变量反应生成第一个状态中间产物，第一个状态中间产物再与第二个状态变量反应生成第二个状态中间产物，依次进行，直至第N-1个状态中间产物与第N个状态变量反应生成第N个状态中间产物，N为状态变量的总个数；第N个状态中间产物再与第一个输入变量反应得到第一个输入中间产物，第一个输入中间产物与第二个输入变量反应得到第二个输入中间产物，依次进行，直至第M-1个输入中间产物与第M个输入变量反应得到最终的分子keysmithi，M为输入变量的总个数，i＝1,2…K，K为状态转化图中可能发生的状态转换的种类；
S3：释放状态转换信息并完成状态转换：在时钟高电平时，时钟信号clk1将步骤S2生成的keysmithi转换为分子keyi，分子keyi根据状态转换图，通过双分子催化反应将当前状态变量和输出变量彻底转换为目标状态的状态变量和输出变量，且状态变量和输出变量的转换在同一时钟高电平完成；
S4：在时钟低电平时，时钟信号clk0将步骤S3生成的keyi彻底转化为与整个反应体系不相干的分子。
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