ARM LINUX入门与实践
一个嵌入式爱好者的自学体验,从零介绍ARM和LINUX的方方面面博客稳阁丛书程方网名阿南曰曰强个嵌入式爱好者的自学体验南编著与实践京航空统无荟出版社内容简介本书是以作者自学、应用嵌入式 Linux时的笔记(包括实验、出现的问题、调试过程、经验总结等)为基础,再增加应用到的硬件平台而成的。全书以亲自制作实验平台硬件,亲自设计实验软件为线索,指导读者从零开始学习到最终掌握ARM和 Linux应用的方方面面。全书可以分成ARM硬件、ARM前后台系统应用和基于Lnux系统的应用3个部分。ARM硬件部分包括整个硬件的原理分析、原理图、PCB板的绘制、元件焊接、硬件的检测与调试。ARM前后台系统应用部分包括启动代码、处理器内部外设、扩展外部设备及接口等的所有底层软件分析与实现,还有 Bootloader、文件系统、GUI等的原理与实现。 Linux系统的应用部分包括基于PC机的操作、应用编程和驱动、嵌入式 Linux的汗发环境创建、各种硬件的驱动实现、网络编程、图形用户界面设计等。本书可作为有志于掌握ARM、 Linux等嵌入式技术的高校学生、工程师等的参考书。图书在版编目(CIP)数据ARM Linux人门与实践/程昌南,方强编著.一北京:北京航空航天大学出版社,2008.10ISBN978-7-81124-422-9I.A…Ⅲ.①程…②方…Ⅲ.①微处理器,ARM系统设计② Linux操作系统一系统设计Ⅳ.TP332TP316.89肀国版本图书馆CIP数据核字(2008)第150813号c2009,北京航空航天大学出版社,版权所有。未经本书出版者书面许可,任何单位和个人不得以任何形式或手段复制本书及光盘内容。侵权必究。ARM Linux入门与实践一个嵌入式爱好者的自学体验程昌南[网名阿南]编著方强责任编辑董立娟北京航空航天大学出版社出版发行北京市海淀区学院路37号(100191)发行部电话:010-82317024传真:010-82328026http://www.buaapress,comcnE-mail:bhpress@263.net涿州市新华印刷有限公司印装各地书店经销开本:787mm×960mm1/16印张:31.5字数:706千字2008年10月第1版2008年10月第1次印刷印数:;5000册ISBN978-7-81124-422-9定价:49.50元(含光盘1张)本书的使用及学习方法ARM和 Linux学习方法的体会如何才能学好或尽快上手ARM和 Linux?这是很多初学者想问的,也曾经在网上讨论过。其实学习没有捷径,主要还是取决于学习态度和学习方法。ARM、 Linux也一样,在此阿南根据自学过程中的体会和网上的讨论作一些总结。ARM的学习。有了单片机或计算机结构的基本知识、C语言的基础,上手ARM是比较容易的。学习ARM,首先应该了解一下ARM的体系结构,了解它有哪些版本、哪些模式、哪些寄存器、异常等。这方面的内容可以参考《ARM体系结构与编程》一书,这本书介绍的内容还是很全的,可以先快速地浏览特别是汇编指令不需要记住,以后应用时再查。其次选定一种具体厂家型号的ARM处理器,学习该处理器相关的开发工具的使用,如开发环境、仿真器及评估板等。然后可以分析该处理器的外围扩展方法,如 SDRAM、 NAND Flash等,一般官方或第三方都会提供原理图,可以用来分析。接下来要理解该处理器的启动过程,亲自尝试从块裸板逐步运行自己的应用程序,也可以参考官方的启动代码及例程。最后就可以调试、测试该处理器的各种外围部件,例如定时器PWM串口、LCD等,特别是中断及执行过程。Liux的学习。尽管我们最终应用的是嵌入式 Linux,但还是要先在PC机下学习,因为无论基于PC机还是嵌入式处理器的 Linux开发、编程、调试等都是相近的,而PC机的性能、资源等都更加丰富,嵌入式 Linux的开发环境通常也都建立在PC机 Linux环境下,另外Linux大量的书籍也都是针对PC机写的。阿南觉得学习的顺序应该是先在PC机上安装Linux系统,再参考相应的入门书籍,主要是熟悉 Linux环境,学习常用的命令和操作(不一定多,基本、常用的就可以,以后在使用过程中慢慢积累),理解各 Linux下的目录结构与作用等。其次,学习在Liπux环境下编程。可以参考《GNU/ Linux编程指南》或《UNX环境高级编程》,它们介绍了文件描述符的概念,打开读写等操作的系列基础知识;没有这些基础而直接看《 Linux设备驱动程序》会觉得困难。再次,了解一下 Linux内核源代码树的目录结构、编译等。最后,学习《 Linux设备驱动程序》,理解驱动程序的结构框架等。根据实践需要也可学习网络编程和图形用户界面GUI编程,可以参考学习《UNIX网络编程》和《C++ GUI Qt3编程》。另外由于 Qt GUI是基于C++的,所以需要学习C++的知识,也可以选择其他如Microwindows、 MiniGUI等。有了PC机的 Linux基础及编程知识后,就可以直接应用于嵌入式前言了!此时需要一个硬件平台(如开发板或直接的产品等目标系统)和该平台的开发环境。一般的处理器原厂或第三方都会提供开发环境,所以不需要我们移植,它包括建立在PC宿主机上的编译等工具和嵌入式 Linux内核(包括硬件驱动等BSP)源码。此时只须学习开发环境的建立和使用以及将PC机所学的知识应用于具体的嵌入式平台。如果涉及硬件及驱动那么应三该有一定的硬件调试和解决问题的能力,此时单片机、ARM基础及外围设备接口的调试能力将起到很重要的作用。很多朋友(包括非电子、自动化专业的朋友)都希望将来从事 Linux驱入门与实践入动方面的工作,认为学习了Limx驱动方面的知识就OK了而往往忽略硬件本身的调试解决问题能力,阿南觉得这是不正确的。因为 Linux驱动与前后台控制硬件外设的区别只在于它与应用程序的接口,它要遵循一定的结构和规则,这种规则涉及的也就是通常讲的 Linux驱动知识和技术,它是固定的,是容易掌握的,只要遵循就不会出问题。而硬件及外设是千变万化的,它所涉及的技术是多方面的,除处理器本身外,还有各种接口及协议、数字、模拟技术等。这些在设计、调试时是很容易出现问题的,此时要求我们有一定的调试、测试手段和方法。所以,阿南认为要想成为一名优秀的 ARM Linux驱动工程师,首先必须是一名优秀的、具有丰富调试经验的单片机或ARM处理器应用工程师本书的使用与相关知识的同步学习曾经有一个朋友这样告诉阿南:“如果看您的笔记就能掌握 ARM Linux驱动,那就是最好的目的了”。对不起,阿南做不到,写不出这种“葵花宝典”。这本书的前身是在21CBBS上发表的《嵌入式 Linux人门笔记》,主要是阿南在自学 Linux和在项目中应用 Linux时记录的笔记、出现的错误和心得等,是自己平时工作中非常重要的参考手册。发表后得到众网友的喜爱、支持及北航出版社胡晓柏主任的鼓励,故花更多的时间、精力将笔记丰富出版。嵌人式是一门实践性很强的技术,而《嵌入式 Linux入门笔记》主要记录的是 Linux等相关的软件部分,没有包括硬件相关的部分,为了让读者能够亲自实践,故增加了ARM及硬件部分。并且亲自设计了AN2410SSB(最小系统板)和AN2410MB(扩展底板),给出了所有原理图,介绍了制作过程,记录了用裸板开始调试的步骤和过程,介绍了如何让ARM运行及启动等各方面的内容,以及前后台(无操作系统下)的应用等。本书没有将所涉及的技术及理论都包括进来,不仅篇幅有限,而且也没有必要,因为已有太多相当经典的资料。本书第1章为概述。第2章分析了硬件的原理图,读者应该阅读S3C2410A的数据手册,特别是信号引脚功能描述,内存控制部分。第3章主要介绍了关于 Protel原理图和PCB板的绘制,如果读者没有 Prote的基础可以参考人民邮电出版社的《电路设计与制版— Protel99入门与提高》或其他 Protel书。如果有 Protel基础,只是没有绘制过多层板,那么可以参考人民邮电出版社的《 Protel99E多层电路板设计与制作》。第4章介绍了S3C2410A系统核心部分的调试方法和工具的使用,以及利用工具进行测试的方法、手段。该部分是整个系统的基础,也是非常重要的,读者需要多试验,出现问题时多参考S3C2410A的数据手册。第5章专门分析了S3C2410A的启动代码,用于理解S3C2410A的启动过程,中断处理过程及存储器等前言相关部分,也是非常基础和重要的。因为启动代码由汇编组成,此时可参考清华大学出版社的《ARM体系结构与编程》,学习理解ARM的汇编语言等相关知识。第67章为硬件平台上实现ARM的外围实验和扩展实验读者仍然要参考S3C240A的数据手册,在仿真调试情况下理解ARM内部的寄存器、存储器、状态寄存器等与ARM体系相关的知识。另外还要阅读如WAv音频格式,SD卡规范及相关的数据手册等。CPLD部分读者可以参考电子工业出版社的《基于 Quartus II的FPGA/CPLD设计》,学习基本的工程创建,图形设计输入,编译和编程等。 Altera cpld更详细的资料可以去官网下载。第8章介绍了前后台系统还需要考虑的相关知识: NAND Bootloader、文件系统和图形界面。图形界面部分,读者需要理解一些基本的绘图原理和算法,可以参考机械工业出版社的《计算机图形学的算法基础》。第9章介绍了在PC机下的 Linux各方面技术,这些都是嵌入式 Linux的基础,非常重要,涉及的知识内容也很多。在该章中,阿南只是总结了一些实践操作的部分内容所以还需要读者自己去参考学习Linux的这些书籍: Linux系统的基本操作参考清毕大学出版社的《 Red hat linuⅹ9系统管入门与实践理》(这本书应该被实践安装的桌面 Linux系统相应版本的书替代),应用编程参考清华大学出版社的《GNU/Linuⅹ编程指南》或机械工业出版社的《Uniⅸx高级环境编程》,驱动编程参考中国电力出版社的《 Linux设备驱动程序》。第10章主要介绍S3C2410A的嵌入式 Linux开发环境的搭建及工具的使用。这里采用的是MIZI公司的 Linux for s3C2410平台,读者也可以直接参考《 MIZI Linux sdk for s3C2410》文档。第11章介绍在S3C2410A下实现 Linux驱动,很多原理性的知识依然要参考《 Linux设备驱动程序》一书,而且要多试验验证。读者在调试实现过程中也可以直接参考 Linux for s3C2410的内核源码中和硬件、驱动相关的代码例子(可以在 Windows系统下安装 Source insight软件,方便阅读 Linux内核源代码)。第12章介绍嵌人式 Linux桌面系统,可读写文件系统 YAFFS的实现,嵌入式Web服务器BOA、NFS及WIFI。这些都是实践性很强的应用操作,所以读者主要是应用它们,出现问题时上网查找相关应用操作,寻找解决问题的思路,再测试验证。第13章是网络编程方面的知识,主要参考清华大学出版社的《UNIX网络编程第1卷:套接口API》,目的是掌握TCP客服机/服务器的实现及网络的调试方法。第14章介绍嵌人式GUI开发环境的创建和开发方法,桌面系统的移植。学习前读者应该先学习基于Qt的应用编程,可以参考北航出版社的《C++GU1Qt3编程》,如果没有C++的基础可以参考清华大学出版社的《C++程序设计教程》。致谢感谢我的导师(也是本书的另一位作者)—方强多年来的关心与指导,且对本书付出的辛苦劳动。感谢我的公司——广州市天誉创高科技有限公司及同事们,他们对本书提供了很大帮助。段克为本书绘制了部分电路图,丁亚锋为本书编写并调试了部分程序。另外,还要感谢曾水生、李玉琪、刘卫国、张端峰、龙靖、彭雄飞、王勇、黄焕立、王菊林、黄斌、何运辉、吴建、方斌、黄伟、傅良英、胡孝发、黄志艳、张凯、欧孔德、梁家乐、宁雪玉、蔡青青及蓝萍等人的帮助。前言感谢深圳英蓓特公司提供 Realview mDK开发工具及相关资料和技术支持。感谢EDN网为本书创立书友会(hp:// group. ednchina, com/999/)和开展本书的AN2410SSB学习板助学等活动。感谢北京航空航天大学出版社嵌入式系统事业部主任胡晓柏的信任与鼓励,感谢21CBBS上网友们的支持、建议和帮助。感谢我的父母、老师、姐姐、姐夫及所有亲戚朋友们,你们的关心与爱都是阿南不断前进的动力。入门与实践阿南的技术水平、经验都还很欠缺,书中的错误和不妥之处在所难免,恳请广大读者朋友们批评指正;也欢迎登陆21CBBS的ARM论坛或《 ARM Linux人门与实践》书友会与阿南交流,共同提高。阿南2008年9月自序嵌入式自学经历和体会目的回想从2000年自学单片机开始,到后来的ARM,再到 Linux,自己经历了很多,也体会了很多,有经验也有教训,所以希望通过此次机会与读者相互交流,也让更多的爱好者在自学过程中有所借鉴。如果能得到您的共鸣,可以发送电子邮件给阿南:c422@hotmail.com。初识单片机和电子竟赛大一的暑假没有回家,留在学校里希望能向师兄学点技术,后来他向我推荐了单片机和全国大学生电子竞赛。和普通学生一样,阿南认为能参加电子竞赛是多么自豪呀!且对单片机很是好奇,于是去图书管借了些基础书来阅读,很快就被它的强大功能吸引,也产生了迅速学好、将来参加电子竞赛的念头买仿真器,下定决心学好单片机当时学校还没有开模拟、数字电子等专业基础课程,所以学习单片机还是很困难的,一般阿南都拿两三本单片机基础书一起对照着看,旁边还放着模拟、数字等基础教程以便查阅。暑假很快就过去了,期间虽然专心学习,但进展很慢,后得到师兄的指点:要想学好单片机,必须要有个仿真器实践大概1500元。这么贵?(这对农村孩子来讲,实在太贵了!另外买了之后,还不一定就能学会呢!)经过一个星期的思想斗争,终于下定决心要买。当时的想法是这样:“从小家里就穷,家人为了阿南付出了很多心血,所以阿南必须学好技术,好将来回报他们;要参加电子竞赛且取得好成绩,在技术上必须要超越同学、师兄及其他院校的同齡人,而论聪明、基础不可能占优,唯有比他们更早开始,更加勤奋和善于思考;是的,很心疼父母的这些辛苦钱,也正是这个原因更促使阿南尽最大努力,更加勤奋地学习”。培养兴趣,它是最好的老师买了仿真器后,阿南比以前任何时候都更加勤奋了:图书馆、书店找书学习,独自骑两小时自行车买器件,万能板上焊接电路,学习自己编程,用仿真器仿真,万用表测量各种信号变化等。对于单片机,阿南到了近乎疯狂的地步,调试遇到困难时的痛苦、解决问题后的畅快和兴奋,都让阿南对它产生了很深的感情,也已不再是在当初的巨大压力和包袱下学习了,而是在种很浓厚的兴趣下享受着它带来的喜怒哀乐。自序冲破难关,学会独立时间过的真快,自学单片机已经一年了,在这期间阿南对51系列单片机的原理已经理解得差不多了,也实验、测试了所有的片内外设,但只有并行通信测试还一直没有成功过,就是ADCo809的A/D转换实验。这个实验已经断断续续调了近两个月,分析了书上所有的相关内容,对原理也已经很清楚了,但仿真器就是采集不到正确的数据。当时遇到困难时没有像现在这样方便的网络,也没有示波器,只能分析书本和凭自己的想象和试验,另外总是期盼着师入门与实践兄能帮助解决。后来静下心来想了各种解决测试的方法和线索,一个个排除,最终在仿真器说明书中发现“POD52仿真头的P0、P2口只能用作IO用,POD51可以作为总线用”。由于直使用POD52的仿真头,所以读/写等信号都没有出来,换成POD51果然就成功了。(当时真的很兴奋!)之后,单片机学习就变得非常顺利,一般的系统都能独自完成,也终于可以自豪地宣告:阿南的单片机人门啦。在这一过程中阿南体会到了独自思考、解决问题的重要性,也明白了开发工具在实践过程中所起到的作用。(其实很多问题是要用示波器测试和请求工具厂商技术支持的。)上帝是公平的,机会留给有准备的人人门单片机后,不仅自己做些小课题,也用它完成课程设计、参加校里组织的竞赛等。虽然没有参加院里的工程师摇篮协会,但自己的勤奋、动手能力及对单片机的执着还是得到了老师的肯定。初识贾老师(负责组织参加全国大学生电子竞赛相关事务的老师)时,他给了一道1999年的竞赛题——工频真有效值表。该题有很多的运算,考虑到汇编语言实现的难度,所以阿南学习用C语言为单片机编程。由于大一时开过C语言的基础课,再加上良好的汇编语言基础能力,这个课题很顺利地完成了。之后,贾老师将阿南推荐给方老师,目的很明确:学好单片机,备战2003年SONY杯全国大学生电子设计竞赛。有了方老师的指导,再加上实验室的各种硬件,阿南开始了一个新的阶段:不仅学习单片机和C语言编程,还要学习单片机以外的相关技术,如 Protel绘制原理图、PCB制板;学习各种总线和协议,学习电动机控制等;还要学习PLC、MCGS组态软件以及VB。这2年半的时间里,阿南早已不仅仅是为了竞赛更多的是在体会和享受着整个学习过程。回想自己5年的大学学习生活,感觉真的很幸运,最初的王师兄,后来的贾老师和方老师、女朋友及所有帮助过阿南的朋友,在此对他们表示衷心的感谢,感谢他们总是在适当的时候出现指导和帮助阿南,让阿南为之感动,为之奋斗。同时,也深深体会一个道理:机会总是留给足够真诚,足够勤奋、执着,有所准备的人;连自己都不能感动,何以感动别人?感动上帝?坎坷的一年,技术上的追求而不断放弃工作当同学们纷纷进入大中专院校,从事让多少人羡慕的稳定的教师职业时,阿南却选择了南下打工,希望在技术上有更高的造诣。当时ARM在国内已经流行,阿南和广大爱好者一样,和当年初识单片机一样,也被它深深地吸引。辗转了几家公司后,终于可以从事单片机的应用开发。半年后,阿南作出了一个让
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多目标自适应和声搜索算法
提出了一种利用Pareto支配来求解多目标优化问题的自适应和声搜索算法（MOSAHS）。该算法利用外部种群来保存非支配解，为了保持非支配解的多样性，提出了一种基于拥挤度的删除策略，这个策略能较好地度量个体的拥挤程度。用5个标准测试函数对其进行测试，并与其他多目标优化算法相比较。实验结果表明，与其他的算法相比，提出的算法在逼近性和均匀性两方面都有很好的表现，是一种有效的多目标和声搜索算法。102011,47(31)Computer Engineering and Applications计算机工程与应用HMS;(4)和声记忆保留概率HMCR的上下界;(5)音调调节其中,n为所得解的个数,d1为第个解对应目标向量与其最近概率PAR的上下界;(6)最大迭代次数M。的目标向量之间的距离,d为d的平均距离。SP=0表示算步骤2初始化和声记忆库。法所得的解均匀的分布在 Pareto前沿。该指标反映算法所得步骤3产生新解。每次可以通过三种机理产生一个新解分布的均匀程度。解。(1)保留和声记忆库中的分量:(2)随机选择产生;(3)对多样性指标:将算法获得的所有非劣解按某个目标函数(1)、(2)中某些分量进行微调扰动产生。每次产生M个新个体。值的大小有序地分布在目标空间上,h为相邻两点间的距离,步骤4外部种群的更新。从记忆库租新个体中找出非支h为h的平均值,b,b分别为算法获得的边界解与相应极端配解放在外部种群中,计算外部种群的支配关系删除支配解之间的距离,则多样性指标△为解,把非支配解侏留在外部种群中。若外部种群中非支配解的数目超过外部种群规模,则删除多余的个体,每次仅删除hy+h,+∑|h-b(8)个,直到达到外部种群的规模。h,+h1+(n-1h步骤5更新记忆库。计算记忆库和新产生的个体的序极端解指某一目标函数值最大而其他目标函数值最小的并将其按照从大到小的顺序进行排列,前HMS个个体作为新解。n为非劣解的个数。当算法获得的非劣解完全均匀的分的记忆库,进入下一次进化布在均衡面上,h=0,h1=0,所有的h=h,这时△=0。因步骤6判断是否满足终止条件,若满足,则停止迭代,输此,A指标反映非劣解能否均匀的分布在整个均衡面上。出 Pareto最优解集,否则,返回步骤3。4.2数值结果334算法分析为了验证本文提出的算法的有效性,本文采用具有不同由亍和声搜索算法主要是基于邻域搜素的,初始解的好 Pareto前沿的几个典型函数进行仿真实验测试。测试函数坏对搜索的性能影响很大。和声搜索算法可以随机产生初始ZDT1、ZDT2、ZDT3、ZDI4、ZDT6是二维目标函数。由于处理解,也可以通过使用其他的启发式算法或其他方法产生较好多目标优化问题的和声搜索算法还不是很多,所以本文仅与的初始解。和声记忆库HM的大小M是和声搜索算法的种和声搜索算法 IMOHS相比,然后与4种多目标优化算法个重要参数,和声搜索算法之所以具有更强的全局搜索能力,相比,测试结果见表1-表4很大程度上依赖于HM的存在,一般来说,M越大,找到仝局表1MOHS和 MOSAHS的G表2 IMOHS和 MOSAHS的sP最优区域的能力越强。但是随着M的増人,计算量将会变IMOHSMOSAHSIMOHSMOSAHS4大,从而影响到最终搜索到最优解的速度。和声保图概率Dm1781420241-01Dm11433D031.0OE-350100E-0055.3E-36.5328E-004HMCR是和声搜索算法的另一个重要参数,其取值范围是0到5.39-42.1293L-0043.3E-30.0059之间,它决定每次迭代过程中新解产生的方式。在和声搜索ZDT2ZDT224E-48.8573E-0052.4E-35.9104E-004算法中,因新解产生时每个变量都依赖于HMCR,故HMCRDT39.80E-465670E-004ZDT32.|B-20.0077应取较大的值,通常HMCR的值在0.8到1.0之间。音调调节1.7OE-324699E-00529E-28.5088E-004率PAR在和声搜索中起控制局部搜索的作用,它可使搜索逃表3儿种多目标优化算法的GD离局部最优,其值一般取0.1到0.5之间。NSGA-IISPEA2MOPSOIOSADE MOSAHS1.3437E-33.8175E-31.8564E-11.2485E-329624EZITI14078E-449142E-37.7429E-297574E-550100E-0054数值实验9.8112E-48.6104E-352428E-19.8051E-42.1293E-004ZDT241算法性能的评价指标6.4138E-42.5973E-32.9699E-149107E-58.8573E-005多目标优化问题的解质量评价主要集中在所求得的解与2.4783E-397165E-34.3418E-2.1620E-36.5670E-004ZDT31.2746F-45.2305F-364880E-219962F-42.4699E-005理论最优值之间的差距,以及求得的解的分散程度和多样性,5.1635E-29.2512E12010E-349244E-004这里采用由 Van veldhuizen和 Lamont在1998年提出来的世ZDT413281E-34.282lE-18.3745E-549411E-005代距离( Generational Distance,GD)来衡量所求解与理论解75-21.909-252103E-22656-31190-004ZDT6之间的差距,世代距离被定义为如下形式:60797E-31.3994E-32.4963E-21.0967E-48.0065E-006表4儿种多目标优化算法的AGD=NSGA-IISPEA2MOPSO MOSADE MOSAHS0.504290.296440.2038050.131950.4063其中,n为最优解数目,d,为所求得第i个个体在目标空间与理ZDTI3.9251E-21.0850E-116956E-25.692lE-300219论 Pareto最优前沿的最小欧氏距离。世代距离GD越小,算法0.487750.505170.2880260.120990.3764ZDT2逼近 Pareto最优解集的程度越妤,当所得到的解刚好和从最优2.7686E-21.8356E-11.7580E-279444E-300359前端取得的点重合时,GD=0。0.590250.503100.6177960.437830.6388ZDT33.0439E-29.7283E-23.5019E-28.0801E-300103解的分散程度用下式来度量0.375240.727660.3235490.118270441ZDT42.4448E-25.515-13.2953E-25.869E-30.0227SP=n-/~(d-d1)0.486ll0.296441.1232580.1331904325(7)ZDT63.6054E-21.0850E-11.731E-19.8303E-300363InInj∈(1,n)②/(x)-/1(),=1,2,…,n,i≠其中表1、表2中MOHS算法的数据来源于文献5],和o1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net陈莹珍,高岳林:多目标自适应和声搜索算法2011,47(31)0.900.80.80.60.70.70.40.60.60.20.30.20.40.10.10.800.10.20.30.40.50.60.70.80.91.000.10.20.3040.50.60.70.80.91.000.10.20.30.40.50.60.70.80.9图1ZDT1图2ZDT2图3ZDT3声记忆库的规模为10,和声保留概率的上下界HMCR==0.95,5总结HMCR=0.85,音调调节概率的上下界PAR、=0.2,PAR=本文将和声搜索算法应用于多目标优化问题的求解,提0.15,最大迭代次数为1000.为了消除实验中的随机性,并进出了一种新的基于拥挤度的多目标和声搜索算法 MOSAHS。行算法性能指标评价,对每个测试函数均重复计算10次。表3、该算法利用单个解与解之间的距离以及单个解与整体解之间表4中 NSGA-II,SPEA2, MOPSO, MOSADE的数据,来源于文的距离,删除种群中的个体,并利用序来更新和声记忆库。数献[161。对丁本文提出的多目标和声搜素算法 MOSAHS,和值实验数据表明,提出的算法在逼近性和多样性两方面都有声保留概率的上下界分别为095085,音调调节概率的上下界很好的表现是一种有效的多目标和声搜索算法。然而,和声分别为0.2、0.15,和声记忆库的规模为10,外部种群的规模为搜索算法和其他群智能算法一样,收敛性的理论证明很困难100,最大迭代次数为10000,算法运行10次。有待进一步的深入研究。表1中上行表示算法收敛度指标GD的平均值,下行表示GiD的标准方差;表2中上行表示分散度指标SP的平均值,下参考文献:行表示SP的标准方差;表3中上行表示算法收敛度指标GD的 Schaffer J D Multiple objective optimization with vector evaluat-平均值,下行表示GD的标准方差;表4中上行表示多样性指ed genetic algorithms[C]//Proceedings of the lst IEEE International Conference on Genetic Algorithms. Lawrence Erlbaum标Δ的平均值,下行表示多样性指标△的标准方差。1985:93-100从表1、表2可以看出本文提出的算法 MOSAHS在收敛(2]HomJ, Nafpliotis N, Goldberg D E A niched Pareto genetic al度和分散度上均优于 IMOHS;从表3、表4可以看出,与NSgorithm for multi-objective optimization[C],Proceedings of thGA- SPEA2、 MOPSO、 MOSADE算法相比,本文提出算法Ist IEEE Conference on Evolutionary Computation, PiscatawMOSAHS的收敛性优于前面四种算法,在多样性方面,与NS994.1:82-87GA- I SPEA2算法相当,此 MOPSO、 MOSADE算法稍差。[3] Srinivas N, Deb KMulti-objective function optimization using图1~图5是本文提出的算法( MOSAHS)对ZDT1,ZDT2non-dominated sorting genetic algorithms[J]. Evolutionary CompuZDT3,ZDT4,ZDT6的函数图像。tation,l994,2(3):221-248[4] Deb K, Pratap A, Agarwal S, et al. A fast and elitist multi-objective genetic algorithm: NSGA-IIJ.IEEE Transactions on Evolu0.8tionary Computation, 2002, 6(2): 182-1970.7[5] Zitzlcr E, Thiclc L Multi-objcctivc evolutionary algorithms: a0.6comparative case study and the strength parel approach0.5IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 1999, 3(4)0.40.2[6 Zitzler E, Thiele L SPEA2: improving the strength pareto evolu-0.1ionary algorithm for multi-objcctivc optimization[R].Rcscarch00.10.20.3040.50.60.7080.91.0JrL,2001[7 Knowles J, Corne D The pareto archived evolutionary strategy图4ZDT4A new baseline algorithm for multi-objective optimization[C]//1.0Proceedings of the Conference on Evolutionary Computation Pis-0.9ltaway, NJ: IEEE Press, 1999: 98-10508[8] Tsai S J, Sun T Y, Liu CC, et al. An improved multi-objparticle swarm optimizer for multi-objective problems[J]. ExpertSystems with Applications, 2010, 18(2): 1-150.4[9 Geem Z W, Kim J H, Loganathan G V.A new heuristic optimi-0.zation algorithm: Harmony scarch[J]. Simulation, 2001, 76(2): 60-80[10] Mahdavi M, Fesanghary M, DaInangir E An improved harmony0.20.30.40.50.60.70.80.91.0search algorithm for solving optimization problem] AppliedfMathematics and Computation, 2007, 188(2): 1567-1597图5ZDT6(下转174页o1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net1742011,47(31)Computer Engineering and Applications计算机工程与应用插值算法对(a)放大3×3倍后的效果图;图6〔g)是采用本文中个像素需24位。在实现本文算法时,需在读取位图文件信息的插值算法对(a)放大3×3倍后的效果图,其中(a-b-1/6,头时进行判断是属哪类图像(灰度/24真彩色),对于灰色图像1=2=15°)。图7(a)是256×256的原始图像,(b)为原图经只需对图像进行逐像素(也即逐字节)的处理即可。而对于24降采样生成的128×128的缩小图像;(c)、(d为分别采用最邻位彩色图像则分别对每一像素中的3个分量分别处理即可,所近插值、双线性插值算法对(b)放大2×2倍后的效果图。(e)是得到的结果与灰度图是一致的,如图8所示。(b)用 Prewitt算子检测到的图像边缘效果图,(f)是采用本文提出的插值算法对(b)放大2×2倍后的效果图,其中(a=b=1/4,q1=92=15°)。从灰度值显示及图像效果可以看出本文所提出的算法在一定程度上突出了边缘,并修复了部分断裂的边缘,图6(d)中的像素灰度值显示当放大倍数为2×2时,修复边缘的效果更加显著。(a)原图(b)双线性插(c)本文算法(2×2)值(2×2)(a=b=16,1=2=15°)图8采用不同插值算法放大的图像效果图5结论基于图像边缘信息的双线性插值算法充分利用了图像的(a)原图(b)原图降采样(c)最邻近插边缘信息对放大图像边缘上的插值点及边缘邻接点做了较好值法(2×2)的插值处理,这种处理方式使放大后的图像在很大程度上保护了图像的细节,较其他插值算法简单且效果明显,更优于传统双线性插值算法。(d)双线性(e)用 Prewitt算(f)本文算法(2×2)参考文献:插值(2×2)子检测到的边缘(a=b=14,91=中2=15[] Castleman K R数字图象处理[M]北京:清华大学出版社,202图7采用不同插值算法放大的图像效果图117-119[2]孙成叶,桑农图像双线性插值无级放大及其运算量分析[计算上述实验采用的是8位的灰度图像,其实本文所提出的算机工程,2005,31(9:167-169法同样适用于彩色图像,尤其是24位的真彩色图像。灰度图[3]谢美华,王正明基于图像梯度信息的插值方法中国图象图形像的存储文件带有图像颜色表,此颜色表共有256项,图像颜学报,2005,10(7):856-861色表中每一项由红、绿、蓝颜色分量组成,且红、绿、蓝的颜色4Liⅹi, Orchard M T New edge-direcled inlerpolalionJJIEEE分量值都相等。而且,灰度图像的每个像素由8位组成,其值Transactions on Image Processing, 2001, 10(10): 1521-1527范围从0到25,表示256种不同的灰度级,每个像素的像素值5岁立摩,杨勋年基于细分的图像抽值算法门计算机轴助设计与是图像颜色表的表项入∏地址。对于彩色图像而言,若是伪图形学学报,2006,18(9):1311316.彩色图像,则其与灰度图像相似,其存储文件中也带有图像颜孟晋字,华思基于形状的二维灰度图象插值门中国图象图形色表,整幅图像也仅有256种颜色,每个像素由8位组成,但在学报,2003,3(3):312-316图像颜色表中的红、绿、蓝颜色分量不全相等,此时,每个像素I] Yang Xunnian Normal based subdivision scheme for curve design[J]. Computer Aided Geometric Design, 2006, 23(3): 243-260的像素值不是出每个基色分量的数值决定,而是把像素值当s]杨淑莹vC+图像处理程序设计M2版北京:清华大学出版社做图像颜色表的表项入口地址。而24位的真彩色图像的存储2005:130-132文件中则不带有图像颜色表,图像中每一像素是由RGB三个19G0 nzalez r o. Woods e数字图像处理M2版北京:电子1分量组成,每个分量各占8位,每个分量的取值是0到255,每业出版社,2009:463-471上接111页)[15 van Veldhuizen D A, Lamont G B Evolutionary computation[11] Kang S L, Geen Z W.A new structural optimization methodand convergence to a Pareto front[C]/Koza J R Late Breakbased on the harmony search algorithm[J]. Comput Struct, 2004ing Papers at the genetic Programming Conference, Stanford82(9/10):781-798University, California, Stanford Bookstore, 1998: 221-228[12] Geem Z W. Optimal cost design of water distribution networks[l6]刘思远,刘景青.一种新的多目标改进和声搜索优化算法门计算using harmony search[J].Eng Optimiz, 2006, 38(3): 259-280机工程与应用,2010,46(34):27-30[131 Deb K Multi-objective optimization using evolutionary algorithm(M. [17] Wang Yaonan, Wu Lianghong, Yuan Xiaofang. Multi-objectiveChichester: lohn Wiley&Sons, 2001self-adaptive differential evolution with elitist archive and[14]陈莹珍,高岳林混沌自适应和声搜索算法太原理工大学学crowding entropy-based diversity measure[J]. Soft Compute报,2011,42(2):141-1442010:193-209o1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
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