基于映射模块的16位加减法器的方法与流程

本发明涉及利用映射模块设计16位加减法器的方法,属于计算机应用技术领域。

背景技术：

Seelig利用DNA链设计了与门、或门、非门，利用这三个模块可以组合DNA计算机的DNA逻辑电路，电路中的布尔值是通过DNA链的是否存在来表示的。但是Seelig设计的非门并不稳定，由非门设计的逻辑电路容易产生错误信号，这样并不能制造稳定DNA计算机。Winfree构造了与门模块、或门模块和扇出门模块，将它们与双轨逻辑结合起来设计了4-bit平方根DNA逻辑电路，电路的布尔值是通过DNA链浓度的高低来表示的。

Winfree通过双轨逻辑解决了非门不稳定性的问题，他设计的与门模块、或门模块及扇出门模块和双轨逻辑结合起来可以设计许多稳定的DNA逻辑电路，但是双轨逻辑电路的规模是单轨逻辑电路的2倍，这增加了DNA计算机的规模和设计的复杂度。非门的不稳定性问题和双轨的规模问题的根本问题是用DNA链浓度来表示逻辑值，因为从高浓度向低浓度方向反应是DNA链反应的一般规律，本文用域t和f来代表逻辑值避免了由DNA链的浓度来表示逻辑值带来的不稳定性问题。其次，与门、或门和非门原本是电子逻辑电路的基本逻辑运算模块，将它们用在DNA逻辑电路上并没有充分考虑DNA链的特点及DNA计算的高度并行性，DNA逻辑电路应该有自己的基本逻辑运算模块但并不局限于与门、或门和非门。本文利用域t和f代表逻辑值的方法设计了DNA映射运算模块，映射模块根据输入数量的不同分为1输入映射模块(1-mapping modules)、2输入映射模块(2-mapping modules)、3输入映射模块(3-mapping modules)，…，n输入映射模块(n-mapping modules)。DNA映射运算模块充分利用了DNA链的特点及DNA计算的高度并行性，将n输入1输出逻辑电路的层次性用并行的2ⁿ条相同结构的DNA链来代替，以此来缩短运算的时间。通过更改映射模块中的DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，使更改后的映射模块实现不同的逻辑功能。根据异或门的真值表来更改2输入映射模块中的4个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，使更改后的2输入映射模块实现异或门的功能。更改3输入映射模块中8个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，分别得到1位全加器求和项的模块和求进位项的模块。将域标记异或门模块和1位全加器模块进行组合设计了DNA16位加减法器。

技术实现要素：

本发明的目的在于利用利用域标记2输入映射模块、域标记3输入映射模块设计DNA16位加减法器。

本发明的技术方案如下：

利用映射模块设计16位加减法器的方法，包括如下步骤，

步骤1：利用域t和域f对DNA链进行标记，域t和域f分别代表逻辑1和逻辑0，构建域标记的DNA信号链，输入输出链是DNA信号链；DNA信号链是结构对称的，其左半边可以与上游相应的模块进行DNA链置换反应，右半边可以与下游的相应模块进行DNA链置换反应；

步骤2：构建域标记1输入映射模块；

步骤3：构建域标记2输入映射模块；

步骤4：根据异或门的真值表来更改2输入映射模块中的4个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，使更改后的2输入映射模块实现异或门的功能；

步骤5：构建域标记3输入映射模块；

步骤6：根据1位全加器的求和项的真值表来更改3输入映射模块中的8个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，使更改后的3输入映射模块实现1位全加器求和项的功能；根据1位全加器的求进位项的真值表来更改3输入映射模块中的8个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f,使更改后的3输入映射模块实现1位全加器求进位项的功能；

步骤7：将步骤4中的异或门模块和步骤6中的1位全加器以相同的数量和浓度组合起来设计DNA16位加减法器，所述的异或门模块的数量是16个，1位全加器的数量是16个，所述的异或门模块的浓度是1单位，1位全加器的浓度是1单位。

步骤2所述的构建域标记1输入映射模块的方法为：1输入映射模块由2个结构相同的DNA双链组成；通过更改2个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，可以使该1输入映射模块实现不同的逻辑功能。

步骤3所述的构建域标记2输入映射模块的方法为：2输入映射模块由4个结构相同的DNA双链组成；通过更改4个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，可以使该2输入映射模块实现不同的逻辑功能。

步骤5所述的构建域标记3输入映射模块的方法为：3输入映射模块由8个结构相同的DNA双链组成；通过更改8个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，可以使该3输入映射模块实现不同的逻辑功能。

本发明与现有发明相比具有以下优点：

1.通过域t和域f来分别代表逻辑1和逻辑0，增加了反应的确定性，避免了由浓度代表逻辑值所带来的不稳定性。

2.充分利用了DNA计算的海量存储性和高度的并行性，构建的映射模块具有结构单一、层次少、反应时间短等特点，它们可以取代与门、或门和非门作为DNA逻辑电路基本逻辑运算模块。

3.由映射模块设计的DNA逻辑电路比由与门、或门、非门设计的DNA逻辑电路具有更少的层、更短的反应时间、更利用设计大规模DNA逻辑电路。

4.首次设计了DNA16位逻辑电路。

附图说明

图1是DNA链置换反应。

图2是DNA信号链。

图3是1输入映射模块代码。

图4是1输入映射模块。

图5是2输入映射模块代码。

图6是2输入映射模块。

图7是3输入映射模块代码。

图8是3输入映射模块。

图9是n输入映射模块代码。

图10是异或门模块的模拟结果。

图11是1位全加器的模拟结果。

图12是DNA16位加减法器电路图。

图13是DNA16位加减法器的模拟结果。

图14是DNA16位加减法器构建流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

结合图14的DNA16位加减法器构建流程图，下面进行详细步骤介绍：

步骤1：利用域t和域f对DNA链进行标记，构造域标记DNA信号链。如附图2所示，DNA信号链在反应起到传递信号的作用。

步骤2：充分利用DNA计算的海量存储性和高度并行性，构造了含有2条相同结构DNA双链的域标记1输入映射模块，如附图3和4所示。附图4中的2条DNA双链具有相同的结构，而且以相等的浓度参加DNA链置换反应。通过更改映射模块中的DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，使更改后的映射模块实现不同的逻辑功能，例如非门模块等。

步骤3：充分利用DNA计算的海量存储性和高度并行性，构造了含有4条相同结构DNA双链的域标记2输入映射模块，如附图5和附图6所示。附图6中的4条DNA双链具有相同的结构，而且以相等的浓度参加DNA链置换反应。通过更改映射模块中的DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，使更改后的映射模块实现不同的逻辑功能，例如异或门模块、同或门模块等。

步骤4：根据异或门模块的真值表，更改2输入映射模块中4个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，得到异或门模块，异或门模块的模拟结果如附图10所示。

步骤5：充分利用DNA计算的海量存储性和高度并行性，构造了含有8条相同结构DNA双链的域标记3输入映射模块，如附图7和附图8所示，附图8逆时针旋转90度为正确的图。附图8中的8条DNA双链具有相同的结构，以相等的浓度参加DNA链置换反应。通过更改映射模块中的DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，使更改后的映射模块实现不同的逻辑功能，例如1位全加器求和模块和1位全加器求进位模块等。

步骤6：根据1位全加器的真值表，更改3输入映射模块中的8个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f,分别得到1位全加器求和模块和求进位模块，附图11是1位全加器的模拟结果图，1位全加器模块是由1位全加器求和模块和求进位模块以相等的深度组合而成的。

步骤7：将16个步骤4中的异或门和16个步骤6中的1位全加器组合起来设计DNA16位加减法器，如附图12和附图13所示，附图12顺时针旋转90度为正确的图；其中附图12是DNA16位加减法器电路图，附图13是DNA16位加减法器的模拟结果图。附图13逆时针旋转90度为正确的图。

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施例。因为本发明中的域标记1输入映射模块、域标记2输入映射模块、域标记3输入映射模块作为DNA逻辑电路的基本逻辑运算模块，它们可以进行组合设计成其它DNA逻辑电路。本发明以16位加减法器为例。

步骤1：利用域t和域f对DNA链进行标记，域t和域f分别代表逻辑1和逻辑0，构建域标记的DNA信号链(输入输出链)。DNA信号链是结构对称的，其左半边可以与上游相应的模块进行DNA链置换反应，右半边可以与下游的相应模块进行DNA链置换反应。

步骤2：构建域标记1输入映射模块。1输入映射模块由2个结构相同的DNA双链组成。通过更改2个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，可以使该1输入映射模块实现不同的逻辑功能，例如非门模块的功能。

步骤3：构建域标记2输入映射模块。2输入映射模块由4个结构相同的DNA双链组成。通过更改4个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，可以使该2输入映射模块实现不同的逻辑功能。

步骤4：根据异或门的真值表来更改2输入映射模块中的4个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，使更改后的2输入映射模块实现异或门的功能。

步骤5：构建域标记3输入映射模块。3输入映射模块由8个结构相同的DNA双链组成。通过更改8个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，可以使该3输入映射模块实现不同的逻辑功能。

步骤6：根据1位全加器的求和项的真值表来更改3输入映射模块中的8个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f，使更改后的3输入映射模块实现1位全加器求和项的功能。根据1位全加器的求进位项的真值表来更改3输入映射模块中的8个DNA双链右端突出的上链上的域t或域f,使更改后的3输入映射模块实现1位全加器求进位项的功能。

步骤7：将步骤4中的异或门模块和步骤6中的1位全加器以相同的数量和浓度组合起来设计DNA16位加减法器。所述的异或门模块的数量是16个，1位全加器的数量是16个，所述的异或门模块的浓度是1单位，1位全加器的浓度是1单位。

综上所述，用域t和f来代表逻辑值避免了由DNA链的浓度来表示逻辑值带来的不稳定性问题。构造了域标记DNA信号链、1输入映射模块、域标记2输入映射模块、域标记3输入映射模块，它们可以被用于设计其它大规模逻辑电路。通过对域标记2输入映射模块、域标记3输入映射模块进行组合，设计了DNA16位加减法器，其模拟结果具有稳定、时间短的特点。由此说明我们设计的域标记1输入映射模块、域标记2输入映射模块、域标记3输入映射模块具有很好的并行性、稳定性、封装性等特点，可以被作为DNA逻辑电路的基本逻辑运算模块以及用于设计大规模稳定的DNA逻辑电路。

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构思以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。