本發(fā)明涉及化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計算領(lǐng)域，特別是涉及基于分子計算的同步時序邏輯設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(crns)是由一系列形如的基元反應(yīng)所構(gòu)成的集合(包含反應(yīng)物、生成物、反應(yīng)速率常數(shù))。在分子計算中，crns是描述化學(xué)系統(tǒng)行為、構(gòu)建動力學(xué)模型的建模語言。2010年，現(xiàn)有技術(shù)從理論層面證明：任意的只包含二輸入反應(yīng)和單輸入反應(yīng)的crns，總是能被映射為dna鏈置換反應(yīng)。而dna鏈置換反應(yīng)由美國加州理工大學(xué)首次提出，已有相應(yīng)的理論支持與實驗驗證，這使得crns具有很好的可操作性與可實現(xiàn)性。有了可靠的物理實現(xiàn)載體后，研究者可以專心于頂層的crns模型設(shè)計工作。

在crns的設(shè)計中，通常用雙軌邏輯表征數(shù)字邏輯變量。例如，某一邏輯變量x的值由2種分子x0、x1表示，即：若crns中出現(xiàn)一定濃度的x0，代表x的邏輯值為0；若crns中出現(xiàn)一定濃度的x1，代表x的邏輯值為1。同時，將現(xiàn)有技術(shù)所提出的雙穩(wěn)態(tài)反應(yīng)，如圖1，用于每一個邏輯變量以確保每一個邏輯變量的值的穩(wěn)定性。另外，在雙軌邏輯的基礎(chǔ)上，現(xiàn)有技術(shù)為crns層面的時序邏輯電路提供crns時鐘信號的生成方法，可得到如圖2所示的時鐘。

然而，現(xiàn)有的crn同步時序邏輯實現(xiàn)方法在面對具有反饋回路的電路時，存在分子濃度隨時間衰減的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷的基于分子計算的同步時序邏輯設(shè)計方法。

技術(shù)方案：為達到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述的基于分子計算的同步時序邏輯設(shè)計方法，包括以下步驟：

s1：邏輯變量的表征與時鐘信號的生成：畫出描述同步時序邏輯電路功能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中至多包含狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量這三種邏輯變量，用雙軌邏輯和雙穩(wěn)態(tài)反應(yīng)表征狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中的邏輯變量，利用時鐘信號驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；

s2：根據(jù)狀態(tài)變量與輸入變量得到并壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息：在時鐘低電平時，時鐘信號clk0首先與狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中第一個狀態(tài)變量反應(yīng)生成第一個狀態(tài)中間產(chǎn)物，第一個狀態(tài)中間產(chǎn)物再與第二個狀態(tài)變量反應(yīng)生成第二個狀態(tài)中間產(chǎn)物，依次進行，直至第n-1個狀態(tài)中間產(chǎn)物與第n個狀態(tài)變量反應(yīng)生成第n個狀態(tài)中間產(chǎn)物，n為狀態(tài)變量的總個數(shù)；第n個狀態(tài)中間產(chǎn)物再與第一個輸入變量反應(yīng)得到第一個輸入中間產(chǎn)物，第一個輸入中間產(chǎn)物與第二個輸入變量反應(yīng)得到第二個輸入中間產(chǎn)物，依次進行，直至第m-1個輸入中間產(chǎn)物與第m個輸入變量反應(yīng)得到最終的分子keysmithi，m為輸入變量的總個數(shù)，i＝1,2…k，k為狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖中可能發(fā)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的種類；

s3：釋放狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息并完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換：在時鐘高電平時，時鐘信號clk1將步驟s3生成的keysmithi轉(zhuǎn)換為分子keyi，分子keyi根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，通過雙分子催化反應(yīng)將當(dāng)前狀態(tài)變量和輸出變量徹底轉(zhuǎn)換為目標(biāo)狀態(tài)的狀態(tài)變量和輸出變量，且狀態(tài)變量和輸出變量的轉(zhuǎn)換在同一時鐘高電平完成；

s4：在時鐘低電平時，時鐘信號clk0將步驟s4生成的keyi徹底轉(zhuǎn)化為與整個反應(yīng)體系不相干的分子。

有益效果：本發(fā)明公開了一種基于分子計算的同步時序邏輯設(shè)計方法，通過在不同時鐘電平壓縮存儲和釋放狀態(tài)轉(zhuǎn)化信息，可將任意的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖映射為化學(xué)反應(yīng)，從而構(gòu)建能實現(xiàn)對應(yīng)邏輯功能的分子系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)穩(wěn)定性比現(xiàn)有方法更好，特別是本方法的分子濃度不因電路中的反饋回路而隨時間衰減；

2)具有簡便性與通用性，無需進行復(fù)雜的電路設(shè)計，可直接從功能(狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖)入手設(shè)計crn。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)提出的雙穩(wěn)態(tài)反應(yīng)；

圖2為采用現(xiàn)有技術(shù)的crns時鐘信號生成方法生成的時鐘信號；

圖3為本發(fā)明具體實施方式中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；

圖4為本發(fā)明具體實施方式中的生成狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的keysmithi的方法；

圖5為對應(yīng)于圖4的具體反應(yīng)方程；

圖6為本發(fā)明具體實施方式中的時鐘高電平信號clk1把keysmith1轉(zhuǎn)化為key1的方程；

圖7為本發(fā)明具體實施方式中的分子key1把2個狀態(tài)邏輯變量xy的值從0改為1的方程；

圖8為本發(fā)明具體實施方式中的時鐘低電平信號clk0清除key1的過程。

具體實施方式

本具體實施方式公開了一種基于分子計算的同步時序邏輯設(shè)計方法，包括以下步驟：

基于分子計算的同步時序邏輯設(shè)計方法，其特征在于：包括以下步驟：

s1：邏輯變量的表征與時鐘信號的生成：畫出描述同步時序邏輯電路功能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖3所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中至多包含狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量這三種邏輯變量，用雙軌邏輯和雙穩(wěn)態(tài)反應(yīng)表征狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中的邏輯變量，如圖1所示，利用圖2所示的時鐘信號驅(qū)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；圖3中，圓圈內(nèi)xy為狀態(tài)變量，箭頭側(cè)邊的z為輸入變量，q為輸出變量，括號內(nèi)的keyi完成對應(yīng)箭頭所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；

s2：根據(jù)狀態(tài)變量與輸入變量得到并壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息，如圖4和圖5所示：在時鐘低電平時，時鐘信號clk0首先與狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中第一個狀態(tài)變量反應(yīng)生成第一個狀態(tài)中間產(chǎn)物，第一個狀態(tài)中間產(chǎn)物再與第二個狀態(tài)變量反應(yīng)生成第二個狀態(tài)中間產(chǎn)物，依次進行，直至第n-1個狀態(tài)中間產(chǎn)物與第n個狀態(tài)變量反應(yīng)生成第n個狀態(tài)中間產(chǎn)物，n為狀態(tài)變量的總個數(shù)；第n個狀態(tài)中間產(chǎn)物再與第一個輸入變量反應(yīng)得到第一個輸入中間產(chǎn)物，第一個輸入中間產(chǎn)物與第二個輸入變量反應(yīng)得到第二個輸入中間產(chǎn)物，依次進行，直至第m-1個輸入中間產(chǎn)物與第m個輸入變量反應(yīng)得到最終的分子keysmithi，m為輸入變量的總個數(shù)，i＝1,2…k，k為狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖中可能發(fā)生的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的種類；

s3：釋放狀態(tài)轉(zhuǎn)換信息并完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換：在時鐘高電平時，時鐘信號clk1將步驟s3生成的keysmithi轉(zhuǎn)換為分子keyi，如圖6所示，分子keyi根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，通過雙分子催化反應(yīng)將當(dāng)前狀態(tài)變量和輸出變量徹底轉(zhuǎn)換為目標(biāo)狀態(tài)的狀態(tài)變量和輸出變量，如圖7所示，且狀態(tài)變量和輸出變量的轉(zhuǎn)換在同一時鐘高電平完成；

s4：在時鐘低電平時，時鐘信號clk0將步驟s4生成的keyi徹底轉(zhuǎn)化為與整個反應(yīng)體系不相干的分子，如圖8所示。

圖5中，分子mi(i＝1,2,…8)代表中間產(chǎn)物；箭頭上方的ks、kf代表反應(yīng)速率常數(shù)，kf的值為ks的100倍，也就是說，分子clk0參與的2個反應(yīng)的速率慢于其它反應(yīng)，為限速步驟。它使得keysmithi的生成速率主要由clk0與x的反應(yīng)決定，也就是說，當(dāng)clk0的濃度接近0時，中間產(chǎn)物m1m2將不再生成，反之將被快速地轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的keysmithi。