基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法技术

本发明专利技术提出了一种基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法，其步骤为：基于DNA链置换反应研究DNA链置换反应原理，设计出一种基于DNA链置换的模型，实现逻辑异或运算，并在此基础上设计出生化电路模型；基于生化逻辑门设计出四位超前进位加法器的生化电路，使用Visual DSD软件对逻辑电路进行仿真分析。本发明专利技术在四位超前进位加法器中所有位数的进位是同时产生，并且相互之间不影响，虽然电路结构复杂，但运算速度更快。本发明专利技术验证了四位超前进位加法器逻辑电路的动力学行为，证明电路的合理性及有效性；对以后构建更复杂的逻辑运算电路提供了基本的理论基础，促进了生物计算机的发展，从而提高生物计算机逻辑电路的可靠性。

Realization of four bit carry ahead adder circuit based on DNA strand replacement

【技术实现步骤摘要】
基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法
本专利技术涉及DNA链置换的
，尤其涉及一种基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法。
技术介绍
在当前快速发展的计算机时代，结合计算机和分子生物学科的DNA计算是一个新的研究领域。自然界中有很多包含着非常丰富信息处理机制的化学反应过程和物理反应过程，考虑到生物分子不仅具有良好的可操作性还有纳米级的空间尺寸等这些优势，发现这种生物分子为利用生物分子元件组装集成的生物计算机提供了更大的可能性，而生物计算一个重要的发展方向就是颇受关注的DNA计算，DNA计算也是将要进行详细研究和不断探索的一个重要方向。1994年美国科学家Adleman在一支装有特定DNA的试管中巧妙的解决了旅行商NP问题，仅仅用了7天时间，但是以当时的计算机水平来看所需要至少大约两年以上的时间，因此这个问题的解决开创了DNA计算机的新纪元。DNA计算还衍生出了DNA自组装、DNA折纸术、DNA单链自组装、DNA链置换等技术。本专利技术主要利用的是DNA链置换相关原理和技术。DNA计算已经处理了大量的分子操作，如自组装、荧光标记、链置换和探针机等。DNA链置换技术是在DNA自组装技术的基础上发展起来的，因此，DNA自组装技术和DNA链置换技术是DNA纳米技术研究的两大重要支撑技术。利用DNA链置换反应不仅能够实现数字计算而且能够实现模拟计算，构造DNA分子电路不仅能够实现加、减、乘、除模拟算术运算，而且还能够解决方程的根的求解问题。DNA链置换与DNA折纸术结合构建的DNA纳米结构可用于智能药物的载体，可特异性的与靶细胞结合释放药物起到靶向治疗的目的，避免损害正常的细胞。DNA生物传感器可用于检测有毒的生物分子如致癌的黄曲霉素分子和HIV分子，发挥快速检测以及方便实用的特点。此外，DNA链置换技术凭借高容量信息积累、高性能并行计算、编程以及仿真的优势已经在分子计算、纳米机器、诊断和疾病治疗领域得到了深入的研究。DNA链置换技术在解决数学问题、管理纳米机器和讨论生命历程方面也具有很大的研究意义。
技术实现思路
针对现有的串行进位加法器是由低级到高级逐级产生进位，运算速度慢的技术问题，本专利技术提出一种基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法，基于复合链置换原理设计了十六输入十输出的四位超前进位加法器的生化逻辑电路，利用VisualDSD仿真软件进行验证，阐明了其DNA链置换反应的工作过程，实现了预期的加法器运算功能，且实现了4个互不影响的进位计算结果，较一般加法器更快更准确。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法，其步骤如下：步骤一：基于DNA链置换反应研究DNA链置换的反应原理：具有小支点域的DNA单链与相匹配的DNA双链发生小支点域碱基互补配对反应，置换出输出链，小支点域碱基互补配对反应是可逆且可级联的；步骤二：采用双轨的思想将四位超前进位加法器的逻辑电路转化为双轨电路，并设计分子组合逻辑门，利用DNA单链设计输入信号链、输出信号链及对应的报道门DNA链；步骤三：将步骤二中双轨电路的与、或逻辑门转化为跷跷板门，使用VisualDSD进行对随机抽取的异或逻辑门的逻辑功能进行仿真验证；通过跷跷板门级联步骤二设计的分子组合逻辑逻辑门得到超前进位加法器分子组合生化电路；步骤四：使用VisualDSD软件对步骤三获得的超前进位加法器分子组合生化电路进行仿真分析，验证其逻辑运算功能。所述步骤二中分子组合逻辑门包括分子组合逻辑门GA/O1-8和异或分子组合逻辑门GX/XN，跷跷板门通常由一个整合门和一个放大门级联组合实现，分子组合逻辑门GA/O1-8的前半部分为整合门、后半部分为放大门，当将跷跷板门阈值设为“0.6”时，实现或门的功能，当将跷跷板门阈值设为“1.2”时，实现与门的功能；所述步骤二中双轨电路的输入信号包括16个，设计了16个扇出门，16个扇出门分别连接16个输入信号；还包括68个放大门和68个整合门。16个输入信号包括输入信号B30、B31、B20、B21、B10、B11、B00、B01、A30、A31、A20、A21、A10、A11、A00、A01并分别通过16个扇出门与4个组合逻辑门以及4个异或分子组合逻辑门GX/XN的输入端相连接，与或分子组合逻辑门以及异或分子组合逻辑门GX/XN的输出端和分子组合逻辑门GA/O1、GA/O2、GA/O3以及异或分子组合逻辑门GX/XN的输入端相连接；所述16个扇出门分别级联分子组合逻辑门GA/O1、GA/O4、GA/O5、GA/O6和异或分子组合逻辑门GX/XN，分子组合逻辑门GA/O1、GA/O4、GA/O5、GA/O6和异或分子组合逻辑门GX/XN分别级联分子组合逻辑门GA/O1、GA/O2、GA/O3，以及异或分子组合逻辑门GX/XN，分子组合逻辑门GA/O1、GA/O2、GA/O3分别级联分子组合逻辑门GA/O1、GA/O2、GA/O3，分子组合逻辑门GA/O1、GA/O2、GA/O3分别输出信号Y00、Y01和Y40、Y41，异或分子组合逻辑门GX/XN的输出端输出信号Y30、Y31，Y20、Y21，Y10、Y11；过程中分别输出C0、C1、C2、C3四个进位。所述超前进位加法器分子组合生化电路运行过程中共有488个链的分支迁移反应过程，有1156条链参与反应；其中扇出门、整合门、放大门涉及到228条链，有100条燃料链、10条报道门DNA链和84条阈值链参与反应。所述步骤二中输入信号链分别为：链<S4L^S4S4R^T^S5L^S5S5R^>表示输入信号B30，链<S6L^S6S6R^T^S7L^S7S7R^>表示输入信号B31，链<S8L^S8S8R^T^S9L^S9S9R^>表示输入信号A30，链<S10L^S10S10R^T^S11L^S11S11R^>表示输入信号A31，<S12L^S12S12R^T^S13L^S13S13R^>表示输入信号B20，<S14L^S14S14R^T^S15L^S15S15R^>表示输入信号B21，链<S16L^S16S16R^T^S17L^S17S17R^>表示输入信号A20，链<S18L^S18S18R^T^S19L^S19S19R^>表示输入信号A21，链<S20L^S20S20R^T^S21L^S21S21R^>表示输入信号B10，链<S22L^S22S22R^T^S23L^S23S23R^>表示输入信号B11，链<S24L^S24S24R^T^S25L^S25S25R^>表示输入信号A10，链<S26L^S26S26R^T^S27L^S27S27R^>表示输入信号A11，链<S28L^S28S28R^T^S29L^S29S29R^>表示输入信号B00，链<S30L^S30S30R^T^S31L^S3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法，其特征在于，其步骤如下：/n步骤一：基于DNA链置换反应研究DNA链置换的反应原理：具有小支点域的DNA单链与相匹配的DNA双链发生小支点域碱基互补配对反应，置换出输出链，小支点域碱基互补配对反应是可逆且可级联的；/n步骤二：采用双轨的思想将四位超前进位加法器的逻辑电路转化为双轨电路，并设计分子组合逻辑门，利用DNA单链设计输入信号链、输出信号链及对应的报道门DNA链；/n步骤三：将步骤二中双轨电路的与、或逻辑门转化为跷跷板门，使用Visual DSD进行对随机抽取的异或逻辑门的逻辑功能进行仿真验证；通过跷跷板门级联步骤二设计的分子组合逻辑逻辑门得到超前进位加法器分子组合生化电路；/n步骤四：使用Visual DSD软件对步骤三获得的超前进位加法器分子组合生化电路进行仿真分析，验证其逻辑运算功能。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法，其特征在于，其步骤如下：
步骤一：基于DNA链置换反应研究DNA链置换的反应原理：具有小支点域的DNA单链与相匹配的DNA双链发生小支点域碱基互补配对反应，置换出输出链，小支点域碱基互补配对反应是可逆且可级联的；
步骤二：采用双轨的思想将四位超前进位加法器的逻辑电路转化为双轨电路，并设计分子组合逻辑门，利用DNA单链设计输入信号链、输出信号链及对应的报道门DNA链；
步骤三：将步骤二中双轨电路的与、或逻辑门转化为跷跷板门，使用VisualDSD进行对随机抽取的异或逻辑门的逻辑功能进行仿真验证；通过跷跷板门级联步骤二设计的分子组合逻辑逻辑门得到超前进位加法器分子组合生化电路；
步骤四：使用VisualDSD软件对步骤三获得的超前进位加法器分子组合生化电路进行仿真分析，验证其逻辑运算功能。


2.根据权利要求1所述的基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法，其特征在于，所述步骤二中分子组合逻辑门包括分子组合逻辑门GA/O1-8和异或分子组合逻辑门GX/XN，跷跷板门通常由一个整合门和一个放大门级联组合实现，分子组合逻辑门GA/O1-8的前半部分为整合门、后半部分为放大门，当将跷跷板门阈值设为“0.6”时，实现或门的功能，当将跷跷板门阈值设为“1.2”时，实现与门的功能；所述步骤二中双轨电路的输入信号包括16个，设计了16个扇出门，16个扇出门分别连接16个输入信号；还包括68个放大门和68个整合门。


3.根据权利要求2所述的基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法，其特征在于，16个输入信号包括输入信号B30、B31、B20、B21、B10、B11、B00、B01、A30、A31、A20、A21、A10、A11、A00、A01并分别通过16个扇出门与4个组合逻辑门以及4个异或分子组合逻辑门GX/XN的输入端相连接，与或分子组合逻辑门以及异或分子组合逻辑门GX/XN的输出端和分子组合逻辑门GA/O1、GA/O2、GA/O3以及异或分子组合逻辑门GX/XN的输入端相连接；所述16个扇出门分别级联分子组合逻辑门GA/O1、GA/O4、GA/O5、GA/O6和异或分子组合逻辑门GX/XN，分子组合逻辑门GA/O1、GA/O4、GA/O5、GA/O6和异或分子组合逻辑门GX/XN分别级联分子组合逻辑门GA/O1、GA/O2、GA/O3，以及异或分子组合逻辑门GX/XN，分子组合逻辑门GA/O1、GA/O2、GA/O3分别级联分子组合逻辑门GA/O1、GA/O2、GA/O3，分子组合逻辑门GA/O1、GA/O2、GA/O3分别输出信号Y00、Y01和Y40、Y41，异或分子组合逻辑门GX/XN的输出端输出信号Y30、Y31，Y20、Y21，Y10、Y11；过程中分别输出C0、C1、C2、C3四个进位。


4.根据权利要求3所述的基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法，其特征在于，所述超前进位加法器分子组合生化电路运行过程中共有488个链的分支迁移反应过程，有1156条链参与反应；其中扇出门、整合门、放大门涉及到228条链，有100条燃料链、10条报道门DNA链和84条阈值链参与反应。


5.根据权利要求3所述的基于DNA链置换的四位超前进位加法器电路的实现方法，其特征在于，所述步骤二中输入信号链分别为：链<S4L^S4S4R^T^S5L^S5S5R^>表示输入信号B30，链<S6L^S6S6R^T^S7L^S7S7R^>表示输入信号B31，链<S8L^S8S8R^T^S9L^S9S9R^>表示输入信号A30，链<S10L^S10S10R^T^S11L^S11S11R^>表示输入信号A31，<S12L^S12S12R^T^S13L^S13S13R^>表示输入信号B20，<S14L^S14S14R^T^S15L^S15S15R^>表示输入信号B21，链<S16L^S16S16R^T^S17L^S17S17R^>表示输入信号A20，链<S18L^S18S18R^T^S19L^S19S19R^>表示输入信号A21，链<S20L^S20S20R^T^S21L^S21S21R^>表示输入信号B10，链<S22L^S22S22R^T^S23L^S23S23R^>表示输入信号B11，链<S24L^S24S24R^T^S25L^S25S25R^>表示输入信号A10，链<S26L^S26S26R^T^S27L^S27S27R^>表示输入信号A11，链<S28L^S28S28R^T^S29L^S29S29R^>表示输入信号B00，链<S30L^S30S30R^T^S31L^S31S31R^>表示输入信号B01，链<S32L^S32S32R^T^S33L^S33S33R^>表示输入信号A00，链<S34L^S34S34R^T^S35L^S35S35R^>表示输入信号A01；
输出信号链分别为：链<S228L^S228S228R^Fluor228>表示输出信号Y00，链<S230L^S230S230R^Fluor230>表示输出信号Y01，链<S232L^S232S232R^Fluor232>表示输出信号Y40，链<S234L^S234S234R^Fluor234>表示输出信号Y41，链<S236L^S236S236R^Fluor236>表示输出信号Y30，链<S238L^S238S238R^Fluor238>表示输出信号Y31，链<S240L^S240S240R^Fluor240>表示输出信号Y20，链<S242L^S242S242R^Fluor242>表示输出信号Y21，链<S244L^S244S244R^Fluor244>表示输出信号Y10，链<S246L^S246S246R^Fluor246>表示输出信号Y11；
每个输出信号都对应一个报道门，如图2所示，参与生成输出信号链反应的报道门DNA链分别为：{T^*}[S228L^S228S228R^]<Fluor228>、{T^*}[S230L^S230S230R^]<Fluor230>、{T^*}[S232L^S232S232R^]<Fluor232>、{T^*}[S234L^S234S234R^]<Fluor234>、{T^*}[S236L^S236S236R^]<Fluor236>、{T^*}[S238L^S238S238R^]<Fluor238>、{T^*}[S240L^S240S240R^]<Fluor240>、{T^*}[S242L^S242S242R^]<Fluor242>、{T^*}[S244L^S244S244R^]<Fluor244>、{T^*}[S246L^S246S246R^]<Fluor246>；其中，T为小支点结构域，T*为小支点结构域T的互补小支点结构域；Si表示DNA结构域，i=1,2,…,246，Fluori表示荧光结构域，L表示左结构域，R表示右结构域，^表示DNA分子中的小支点结构域。


6.根据权利要求4中所述的基于DNA...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙军伟，凌丹，姜素霞，吕傲龙，王延峰，王英聪，黄春，方洁，张勋才，王妍，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南;41