Стохастическое вычислительное устройство
СТОХАСТИЧЕСКОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее первый блок ключей, группа входов которого является входами устройства, первый счетчик, группа входов которого соединена с группой выходов первого блока ключей, преобразователь коя вероятность, первая группа входов которого соединена с группой выходов первого счетчика, генератор случайных чисел, группа выходов которого соединена с второй группой входов преобразователя код - вероятность, второй счетчик, счетный вход которог го соединен с выходом преобразователя код - вероятность, второй блок ключей, группа входов которого соединена с группой выходов второго счетчика, а группа выходов является выходами устройства, третий счетчик, выход которого соединен с управляюшу1гл входом второго блока ключей, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом генератора случайных чисел, синхрониз.атор, первый выход которого соединен с входом генератора тактовых импульсов а второй выход соединен с управляющим входом первого блока ключей, триггер, элемент И, элемент ИЛИ, группа входов которого соединена с группой выходов первого блока клю (Л чей, а выход соединен с единичным входом триггера, нулевой выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с входом третьего счетчика, а выход - со счетным входом первого счетчика, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности о 7 оно содержит четвертый счетчик, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход ND подключен к второму входу элемента И, выход третьего счетчика подключен к входу синхронизатора. О О
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
OUH
РЕСПУБЛИК
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
H ABTOPGMOMV СВИДЕТЕЛЬСТВЪГ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3492937/18-24 (22) 27.09.82 (46) 23.12.83. Вюл. Р 47 (72) В.В.Яковлев, P.Ô.Ôåäoðîâ и О.С.Мальченкова (71) Ленинградский ордена Ленина институт инженеров железнодорожного транспорта им. акад. В.Н.Образцова (53) 681.3(088.8) (56) 1. Яковлев В.В., Федоров Р.Ф.
Стохастические вычислительные машины. Л., Машиностроение, 1974, рис, 42, 43, с.148. . 2. Авторское свидетельство СССР
9 982004, кл. G 06 Е 7/70, 1981 (прототип} . (54)(57) СТОХАСТИЧЕСКОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее первый блок ключей, группа входов которого является входами устройства, первый счетчик, группа входов которого соединена с группой выходов первого блока ключей, преобразователь кодвероятность, первая группа входов которого соединена с группой выходов первого счетчика, генератор случайных чисел, группа выходов которого соединена с второй группой входов преобразователя код — вероятность„ второй счетчик, счетный вход которо-. го соединен с выходом преобразователя код — вероятность, второй блок ключей, группа входов которого соединена с группой выходов второго счетчика, а группа выходов является выходами устройства, третий счетчик, выход которого соединен с управляющим входом второго блока ключей, ге" нератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом генератора случайных чисел, синхронизатор, первый выход которого соединен с входом генератора тактовых импульсов, а второй выход соединен с управляющим входом первого блока ключей, триггер, элемент И, элемент ИЛИ, группа входов которого соединена с ц, C группой выходов первого блока ключей, а выход соединен с единичным входом триггера, нулевой выход которого соединен с дернем входом элемента И, второй вход которого соединен с входом третьего счетчика, а р выход — со счетным входом первого счетчика, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности оно содержит четвертый счетчик, вход которого соединен с выходом генера тора тактовых импульсов, а выход подключен к второму входу элемента
И, выход третьего счетчика подключен к входу синхронизатора.
1062700
Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для вычисления интеграла по невременному параметру, Известно вероятностное устройство, выполняющее операции функциональ- 5 ного преобразования, содержащее регистры, логический преобразователь, генератор случайных чисел и счетчики (1) .
Недостатком такого устройства яв- 10 ляется невысокая точность, связанная с высоким уровнем дисперсии выходного процесса.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является стохасти-15 ческий функциональный преобразователь, выполняющий операцию интегрирования по невременному аргументу, содержащий последовательно соединенные первый блок ключей, первый счетчик, ло- g0 гический преобразователь число — ве-. роятность, другие входы которого сое динены с выходами генератора случайных чисел, а выход — с входом второго счетчика, выходы которого соединены с входами второго блока ключей, управляющий вход которого подключен к выходу третьего счетчика, вход которого соединен с вторым входом элемента И, выход которого подключен к входу первого счетчика, а первый вход соединен с инверсным выходом триггера, единичный вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ, входы которого соединены с выходами первого блока ключей, управляющий вход которого подключен к первому-выходу блока управления, второй вход которого соединен с управляющим входом генератора тактовых импульсов, выход которого подключен к входу генерато- 40 ра случайных чисел j2) .
Недостатком устройства является невысокая точность результата интегрирования в режиме интегрирования по невременному аргументу. 45
Цель изобретения — повышение точности вычислений за счет уменьшения дисперсии.
С этой целью в стохастическое вы- 50 числительное устройство, содержащее первый блок ключей, группа входов которого является входами устройства, первый счетчик, группа входов которого соединена с группой выходов первого блока ключей, преобразователь код — вероятность, первая группа входов которого соединена с группой выходов перво о счетчика, генератор случайных чисел, группа выходов которого соединена с второй 60 группой входоФ преобразователя код— вероятность, второй счетчик, счетный вход которого соединен с выходом преобразователя код — вероятность, второй блок ключей, группа входов 65 которого соединена с группой выходов второго счетчика, а группа выходов является выходами устройства, третий счетчик, выход которого соединен с управляющим входом второго блока ключей, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входами генератора случайных чисел, 1синхрониэатор, первый выход которого соединен с входом генератора тактовых импульсов, а второй выход сое- динен с управляющим входом первого блока ключей, триггер, элемент И, элемент ИЛИ, группа входов которого соединена с группой выходов первого блока ключей, а выход соединен с единичным входом триггера, нулевой выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с входом третьего счетчика, а выход — со счетным входом первого счетчика, введен четвертый счетчик, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход подключен к второму входу элемента И, выход третьего счетчика подключен к входу синхронизатора, На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.. 2 — функциональная схема преобразователя код — вероятность; на фиг. 3 — функциональная схема синхронизатора.
Стохастическое вычислительное устройство содержит генератор 1 такто вых импульсов, элемент ИЛИ 2, триггер 3, элемент И 4, первый блок 5 ключей, первый счетчик 6, преобразователь 7 код — вероятность, генератор 8 случайных чисел, третий счетчик 9, синхронизатор 10, второй счетчик 11, второй блок 12 ключей, дополнительный счетчик 13.
Преобразователь 7 (фиг. 2) содержит дешифратор 14, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 15, регистр 16, схема 17 сравнения, входы 18 дешифратора, входы 19 и выход
20 схемы сравнения, Синхронизатор 10 (фиг. 3) содержит 0 -триггер 21 и RG -триггер 22.
Выходы блока 5 ключей соединены с входами первого счетчика 6 и входами элемента ИЛИ 2, выход которого подключен к единичному входу триггера 3, инверсный выход которого соединен с первым входом элемента И 4, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика 6, выходы которого соединены с входами.преобразователя 7, вторые входы которого соединены с выходами генератора 8 случайных чисел, а выход - со счетным входом второго счетчика 11, выходы которого подключены к входам второго блока 12 ключей, управляющий вход
1062700 которого соединен с входом синхронизатора 10 и с выходом третьего счетчика 9, вход которого подключен к второму входу И 4 и выходу четвертого счетчика 13, счетный вход которого соединен с управляющим входом генератора 8 случайных чисел и выходом генератора 1 тактовых импульсов, вход которого соединен с первым. выхо. дом синхронизатора 10, второй выход которого подключен к управляющему 10 входу первого блока 5 ключей.
Перед началом работы все счетчики устройства и триггер сигналом от .синхронизатора 10 устанавливают в нулевое состояние (цепи гашения на 15 чертеже не указаны), Сигнал Пуск является внешним по отношению к устройству и обеспечивает установку в 0 всех счетчиков и триггера 3 устройства. 20
ВыходЭ -триггера 21 синхронизатора 10 является первым его выходом и соединен с входом установки единицы К5 -триггера 22, вход установки нуля которого является входом синхро-g5 . низатора 10, а единичный выход — вторым выходом. синхронизатора 10.
D -триггер 21 обеспечивает эадерж ку сигнала Пуск на время А, не-, обходимое для прохождения сигнала по цепям гашения, после чего данный импульс с выхода D -триггера 21 пЕредается на управляющий вход первого блока 5 ключей, разрешая передачу информации в первый счетчик б, а также устанавливает в единицу К5 -триггер 22. Единичный потенциал на выходе R5 -триггера 22 является разрешающим сигналом для генератора 1 тактовых импульсов. По окончании работы устройства импульс переполнения 40 третьего счетчика 9 устанавливает
R5-триггер 22 в нулевое состояние,что является сигналом запрета для генератора 1.
Работа устройства в первом режи- 45 ме, когда через первый блок 5 ключей в первый счетик б передается число х Ô О, идентична работе известного устройства в первом режиме.
Перед началом работы все счетчикИ устройства и триггер 3 устанавливаются в нулевое состояние, а затем через первый блок 5 ключей в первый счетчик 6 передается двоичный код числа Х. В каждом t -м рабочем такте этот код поступает на вход преобразователя 7, на выходе которого образуется последовательность двоичных символов Yt с вероятностью появления единичного символа Р(,Yt) т
= Q (X) где (у(Х). - заданная нелиней- 60 ная функция.
=/àðô с (>) q(>) Преобразователь 7 представляет собой устройство, реализующее зависимость типа Р(Yg) = 9(X) где Q (Х)- 65 некоторая нелинейная функция, Х— аргумент функции (двоичное число), Vt — бинарный символ на выходе преобразователя, появляющийся в1 -м такте его работы, .P.() — вероятность появления символа,.
На входы 18 дешифратора 14 поступает двоичное число иэ первого счетчика 6. При этом возбуждается одна иэ выходных шин дешифратора 18, подключенных к входам ПЗУ 15. Таким образом, реализация заданной функциональной зависимости сводится к выбору из ПЗУ 15 соответствующего двоичного кода и занесению его в регистр
16. Схема 17 сравнения, на первые входы которой поступает двоичное число q(X) из регистра 16, а на вторые входы 19 — случайное двоичное число L, от генератора 8 случайных чисел осуществляет линейное преобра)зование число — вероятность. Двоичный символ Ч на выходе схемы 17 сравнения формируется по закону 1, если 7, y (Х)
< 0, если Li > q (Х)
Так как двоичные числа на выходе генератора 8 случайных чисел являются равномерно распределенными, то математическое ожидание Yt определяется так м1(1= ч г; 1= Р P;4Y =() =
Таким образом, P() - м()
=-((х) .
Если в счетчик 6 передано число
x f О, то Yg - стационарный случай" ный процесс, и второй счетчик 11, выполняющий роль стохастического интегратора, производит оценку бинарной последовательности f Y (1)3 по математическому ожиданию
Если число Х, переданное в начале работы устройства в первый счетчик б, равно нулю, то в каждом такте в младший разряд счетчика поступает импульс от генератора 1 тактовых импульсов, увеличивая тем самым значение аргумента Х на 2 (1 — разрядность первого счетчика). Таким образом, на вход преобразователя 7 поступает линейно изменяющееся во времени значение Х„ а второй счетчик 11 производит оценку по математическому ожиданию нестационарной случайной последовательности fYg) с вероятностью появления импульса в каждом такте, равной P(Y<) = < (М, ) .
10б2700
При этом
М(См 1 g =2. Q(<)
26
М(СЧЯt=g Е С (Х;1, е TOM
M(C t1 = X q(x i l т. е. устройство воспроизводит операцию интегрирования: в первом режиме по временному аргументу, в соответствии с (<), во втором - по временному аргументу х, линейно изменяющемуся в нормированном интервале O„l„ в соответствии с (2). Процесс йнтегрирования ограничен временем переполС нения третьего счетчика 9 (я - 2 тактов, выражения (1) и (2) при этом имеют вид
20 где и (cr )> и ltd (cl )11 - соответствен ио математическое ожидание содержиМого второго счетчика ll для первого и второго режимов работы.
При этом дисперсия интегрирования >5 определяется выражением
3,=2 (у(хф-(р(х)11! Е =2 q(x)$(-Ù(×)
-Я . l -Е
Для второго режима работы в„= "е (ч1 и-чР"4
Если x О, состояние триггера 3 остается неизменным, и через логический элемент И 4,в младший разряд первого счетчика б поступают единичные импульсы, обеспечивая, как и в известном устройстве, линейное изменение аргументу х Однако эти импульсы являются импульсами переполнения ,дополнительного К-разрядного счетчи- 45 ка 13. Следовательно, в течение 2 и тактов значение аргумента Х; остается неизменным. TBK как от генератора 8 случайных чисел в каждом 4 -м такте работы устройства на входы 50 преобразователя 7 передаются случайные равномерно распределенные двоич" ные числа, то в течение этих 2 так-тов на выходе преобразователя 7 формируется стационарная случайная бинарная последовательность символов )Yt) с вероятностью появления единичного символа P(Yt) л щ (Х;) °
Тогда математическое ожидание содержимого второго счетчика определяется, как к 2.2"
В(СХ1 Е YtP(Yt)=Е Р(т.,1 1 „Yt Р(Yt)yÄ.=
С < t=< ф, *Я " <
Я ((х1 +Я щ(хД1 се Ф =Я Е Q(xi) Время окончания интегрирования определяется временем переполнения, третьего счетчика. и тогда
2Р Y,lJ „„:дю „., 1= 2
Таким образом, предлагаемое устройство, как и известное, осуществляет операцию интегрирования.по аргументу х.
Однако при этом дисперсия результата имеет вид
2к э,,= i ",(L qt !>t<-((х,t)$ (1
-g(k4 $)
D =2 2 3. g(x;)(<-((éÈ = е
Г Е2 .2 2 » q(x;5(<-q(x>3)
<=t
Дисперсия результата интегрирования в предлагаемом устройстве в 2 раз меньше по сравнению с дисперсией известного устройства. Следовательно, и точность результата, определяемая в стохастических вычислительных устройствах уровнем дисперсии, в предлагаемом устройстве в
2" раэ выше.
Таким образом, технико-экономический эффект предлагаемого устройства по сравнению с известным заключается в значительном повышении
его точности (в 2" раз, к - разрядность четвертого счетчика).
1062700
1062700
Составитель. Э. Сечина
Техред A.À÷
Редактор Т.Кугрышева
Корректор В, Бутяга
Заказ 1P219/50
Тирам 706 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5
Филиал ППП Патент, r.Óìãîðîä, ул.Проектная, 4
