CN107256306A - 基于两域链置换的四位取补器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及链置换领域，构造了一种基于两域DNA链置换的四位原码转换为补码的取补器的设计方法。该取补器的设计方法中引入了双轨逻辑的思想，利用DNA链模拟由4个与门、3个或门、4个异或门和1个缓冲器构成的单轨逻辑电路并将其转化为双轨逻辑参与反应，这种方法使反应更加稳定高效，得到的结果逻辑更加清晰易于理解。从实验数据和实验结果来看，该方法不仅可以正确的处理运算过程中的取反与取补，而且效率高，结果稳定，说明了本发明取补器设计的有效性。

Description

基于两域链置换的四位取补器的设计方法
技术领域
本发明涉及DNA链置换领域，具体涉及到利用双轨逻辑以及Cardelli提出的基于两域链置换的Transducer门模块和Join门模块设计稳定有效的取补器的方法。
背景技术
在现阶段的科技发展中，DNA计算模型受到的关注度和支持率越来越高，DNA链置换已成为DNA计算最常用的技术手段，越来越广泛地被应用于设计各种复杂的生物器件以及实现复杂的DNA计算中，这主要归因于链置换的以下几个特点：(1)基于链置换反应的分子计算模型中，一种DNA单链即可表示一种信号，几条DNA链组装在一起便可构成一个分子元器件，因此DNA链置换反应的逻辑计算单元结构更为简单；(2)基于链置换反应的计算模型只需要在20～25℃的常温下便可完成自组装，不需要酶等外界条件辅助，因此反应条件更容易实现；(3)因为基于DNA链置换反应的计算单元结构简单，所以构造的计算单元产率更高；(4)因为其并行性高，产率高，实验耗时被大大缩短。
2000年，Mao等人应用三交叉DNATile构建了异或(XOR)逻辑门，开创了纳米逻辑电路研究的先河。随后，Wang等人利用改进的三交叉DNATile构建了一系列逻辑门模型，并进一步实现了半/全加器、半/全减器的逻辑运算。2010年Cardelli利用两域链置换设计了Transducer Gate模型、Join Gate模型和Fork Gate模型。2011年，Qian and Winfree基于双轨(dual-rail logic)逻辑将与门、或门和扇出门模块组合起来设计了四个完全相互连接的能实现Hopfield联想记忆的人工神经元。2013年，Murieta等人提出了DNA链置换的计算模型，实现了贝叶斯公式的推导过程。2016年，Lakin等人提出了自适应性DNA链置换网络的监督是式学习模型，通过线性函数的随机梯度下降法设计了基于多域DNA链置换的反馈电路。
尽管前人基于DNA链置换设计了多种逻辑门，提出了多种运算模型，但是在链置换这个具有无限开发潜力的新领域中，对前人逻辑门模型的改进，新的运算模型的研究依然具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于两域DNA链置换的四位取补器的设计方法，将双轨逻辑，Transducer门模块和Join门模块相结合，通过两域DNA链置换反应实现模型简单，实现结果稳定有效的取补器。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
基于两域链置换的四位取补器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：输入四位二进制数，利用双轨逻辑构造相应的DNA信号链；
步骤2：设置相应反应物浓度；
步骤3：通过Transducer门对四位二进制数进行取反；
步骤4：通过相同的Join门传递不同的参数进行取补运算；
步骤5：通过最终输出信号链浓度数值确定反应结果。
上述基于两域链置换的四位取补器的设计方法，步骤1中输入的四位二进制数原码，其输入范围在-15到15之间，正数符号位用“0”表示，负数符号位用“-”表示，零的补码唯一是其本身。
上述基于两域链置换的四位取补器的设计方法，步骤3所述的对四位二进制数进行取反的方法为：将四位二进制数值位从低位到高位按位取反，符号位不变。
上述基于两域链置换的四位取补器的设计方法，步骤4所述的不同的参数为：反码末位加1进行取补运算，原码的低位对应补码的低位，原码的高位对应补码的高位，符号位保持不变，一共五组，进行取补运算，得到一个四位补码。
上述基于两域链置换的四位取补器的设计方法，步骤5输出信号链浓度>900的代表数值为1，输出信号链浓度<100的代表数值为0。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、首次利用两域DNA链置换反应实现了四位二进制码取补器。
2、本发明可以准确的将二进制码转成其补码，使最终输出结果在补码的合理范围内。
3、将Transducer门模型和Join门模型与双轨逻辑结合，使链置换反应更加充分，输出结果更加稳定。
附图说明
图1为本发明的整体程序流程图；
图2为本发明电子电路图；
图3为本发明实验仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
基于两域链置换的四位取补器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：输入四位二进制数原码，利用双轨逻辑构造相应的DNA信号链，其输入范围在-15到15之间，正数符号位用“0”表示，负数符号位用“-”表示，零的补码唯一是其本身，见表1；
步骤2：设置相应反应物浓度；
步骤3：通过Transducer门进行取反运算，将四位二进制数原码数值位从低位到高位按位取反，符号位不变；
步骤4：通过相同的Join门传递不同的参数进行取补运算；其中不同的参数为：反码末位加1进行取补运算，从而使得原码的低位对应补码的低位，原码的高位对应补码的高位，符号位保持不变，一共五组，进行取补运算，得到一个四位补码；
步骤5：通过最终输出信号链浓度数值确定反应结果，输出信号链浓度>900的代表数值为1，输出信号链浓度<100的代表数值为0。
实施例1
本发明的实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实例。因为采用四位二进制码，范围是-15到15，以-10为例，具体数值见表2。
步骤1：输入二进制原码A＝(1，1，0，1，0)，最高位为符号位；
步骤2：根据DSD语法和双轨逻辑思想构造DNA信号链<t^A41>、<t^A31>、<t^A20>、<t^A11>和<t^A00>；
步骤3：定义并初始输入信号链浓度Con，并设置Con＝1000，(见表2)；
步骤4：通过传递不同的参数在相同的Transducer门进行取反运算，<t^A41>保持不变<t^E41>，<t^A31>取反为<t^E30>，<t^A20>取反为<t^E21>，<t^A11>取反为<t^E10>，<t^A00>取反为<t^E01>；
步骤5：通过Join门传递不同的参数，在反码的末位加1做取补运算；
步骤6：运算结果最高位即符号位保持不变；
步骤7：运行结果(见图3)，上升的曲线分别是<t^S41>、<t^S30>、<t^S21>、<t^S11>和<t^S10>，根据输出信号链的浓度(见表3)得到最终运算结果是10110；程序结束。
综上所述，我们通过将Transducer门模块、Join门模块与双轨逻辑相结合，利用两域DNA链置换反应模拟电子逻辑电路(见图2)，设计了基于两域DNA链置换的四位二进制码取补器，通过Visual DSD软件仿真模拟，进一步证明了取补器的功能有效性。由此说明我们的方法是有效可行的。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
表1运算结果前后真值对照表
表2初始输入DNA信号链浓度表
表3最终输出DNA信号链浓度表

Claims (5)

1.基于两域链置换的四位取补器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：输入四位二进制数，利用双轨逻辑构造相应的DNA信号链；
步骤2：设置相应反应物浓度；
步骤3：通过Transducer门对四位二进制数进行取反；
步骤4：通过相同的Join门传递不同的参数进行取补运算；
步骤5：通过最终输出信号链浓度数值确定反应结果。
2.根据权利要求1所述的基于两域链置换的四位取补器的设计方法，其特征在于，步骤1中输入的四位二进制数原码，其输入范围在-15到15之间，正数符号位用“0”表示，负数符号位用“-”表示，零的补码唯一是其本身。
3.根据权利要求1所述的基于两域链置换的四位取补器的设计方法，其特征在于，步骤3所述的对四位二进制数进行取反的方法为：将四位二进制数值位从低位到高位按位取反，符号位不变。
4.根据权利要求1所述的基于两域链置换的四位取补器的设计方法，其特征在于，步骤4所述的不同的参数为：反码末位加1进行取补运算，原码的低位对应补码的低位，原码的高位对应补码的高位，符号位保持不变，一共五组，进行取补运算，得到一个四位补码。
5.根据权利要求1所述的基于两域链置换的四位取补器的设计方法，其特征在于：步骤5输出信号链浓度>900的代表数值为1，输出信号链浓度<100的代表数值为0。
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