基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的演化硬件(Evolvable Hardware,EHW)为实现高效的自适应系统和自修复系统提供了新的解决方案。其中,EHW电路的实现方案主要是基于虚拟重构电路(Virtual Reconfigurable Circuit,VRC)和基于实际重构电路(Native Reconfigurable Circuit,NRC)。但是这两种方案都有不足之处,VRC资源开销和电路延时较大,NRC电路配置速率较慢且电路灵活性较低。因此,本文整合这两种方案设计快速、灵活的自适应数字系统架构,并以自适应图像滤波器与自修复直流电机控制系统的FPGA实现为例,对该架构进行验证。本文主要研究内容如下:(1)分析了EHW技术的相关研究概况和现有的FPGA重构方法的优缺点,通过比较选择基于NRC和VRC混合的EHW方案设计自适应系统。介绍了硬件实现平台Xilinx Virtex-6 FPGA开发板ML605,及相应的FPGA资源结构和软件开发工具ISE Design Suit,并分析了作为搜索引擎的遗传算法(Genetic Algorithm,GA)的基本原理和实现方法。(2)提出了基于快速混合重构的自适应数字系统的整体结构;详细给出了系统的硬件设计方法,包括可进化模块的设计、自适应IP核设计、硬件平台的搭建、存储位流的IP核的设计以及位流重定位的设计;简要说明了系统的软件设计方法,包括GA中染色体编码、适应度评估、遗传算子的设计,差异配置的原理及设计实现和自适应演化的通用流程。(3)在Xilinx Virtex-6 FPGA开发板ML605上,以Microblaze作为自适应控制器,以图像滤波为例,对设计的快速混合重构自适应系统架构进行实验验证。给出了自适应滤波的实验结果,并从硬件资源消耗和时序分析、位流存储空间消耗以及演化时间等方面评估了系统的性能。(4)以Microblaze作为自修复控制器,以自修复直流电机控制系统的FPGA实现为例,对设计的快速混合重构的架构进行实验验证。分析了无刷直流电机系统的基本原理和实现方法,给出了系统总体结构和各模块功能;给出了自修复IP核的设计、电路评估方案、故障注入方案和系统修复流程。通过模拟故障注入实验,分析了不同故障资源情况下,系统的修复结果;并对系统的可靠性、资源代价进行了分析。