Оптический цифровой страничный делитель с плавающей точкой

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в различных вычислительных: .устройствах при обработке информации в разнообразных радиолокационных, радионавигационных и вычислительных системах. Техническим результатом является повышение надежности устройства и расширение его функциональных возможностей за счет определения знаков частных при делении страниц операндов. Для этого оптический цифровой страничный делитель с плавающей точкой содержит входные оптические регистры, оптический инвертор, оптический сумматор порядков, оптический блок формирования знаков частного, оптический цифровой делитель мантисс, оптический нормализатор и выходной оптический регистр. 1 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в различных вычислительных устройствах при обработке информации в разнообразных радиолокационных, радионавигационных и вычислительных системах как наземного, так и бортового базирования.

Наиболее близким к предлагаемому является оптический страничный делительный блок для запоминающего устройства [1], содержащий первый и второй входные оптические регистры, входы которых являются соответственно первым и вторым входами оптического цифрового страничного делителя, оптический цифровой сумматор порядков, оптический цифровой делитель мантисс, оптический нормализатор и выходной оптический регистр, выход которого является выходом оптического цифрового страничного делителя. Основным недостатком данного устройства является относительно невысокая надежность и невозможность выполнения операций с учетом знаков операндов.

Техническим результатом является повышение надежности устройства и расширениe его функциональных возможностей за счет определения знаков частных при делении страниц операндов с любым сочетанием знаков.

Это достигается тем, что в оптический цифровой страничный делитель с плавающей точкой, содержащий первый и второй входные оптические регистры, входы которых являются соответственно первым и вторым входами оптического цифрового страничного делителя с плавающей точкой, оптический цифровой сумматор порядков, оптический цифровой делитель мантисс, оптический нормализатор и выходной оптический регистр, выход которого является выходом оптического цифрового страничного делителя с плавающей точкой, введены оптический инвертор и оптический блок формирования знака частного, причем выходы мантисс первого и второго входных оптических регистров оптически связаны соответственно с первым и вторым входами оптического цифрового делителя мантисс, выход которого оптически связан с входом мантисс оптического нормализатора, вход порядков которого оптически связан с выходом оптического цифрового сумматора порядков, первый вход которого оптически связан с выходом порядков первого входного оптического регистра, второй вход оптического цифрового сумматора порядков через оптический инвертор оптически связан с выходом порядков второго входного оптического регистра, знаковые выходы первого и второго входных оптических регистров оптически связаны соответственно с первым и вторым входами оптического блока формирования знака частного, выход которого оптически связан со знаковым входом выходного оптического регистра, входы порядков и мантисс которого оптически связаны соответственного с выходами порядков и мантисс оптического нормализатора.

Данная совокупность существенных признаков и связей между ними позволяет получить устройство, обладающее повышенной надежностью, и расширить его функциональные возможности за счет определения знаков частных при любом сочетании знаков операндов.

Сущность изобретения заключается в том, что на основе оригинального оптического алгоритма вычисления частных от деления страниц операндов с плавающей точкой и применения в оптическом цифровом страничном делителе с плавающей точкой оптического блока формирования знака частных и оптического инвертора построен оптических цифровой страничный делитель с плавающей точкой, обладающий вышеуказанными достоинствами.

Таким образом, предложенный делитель обладает свойствами, не присущими известным устройствам. Это объясняется новой совокупностью существенных признаков и новыми связями, изложенными выше.

Сравнение предлагаемого устройства с известными свидетельствует о соответствии его критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков предлагаемого устройства - о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена схема оптического цифрового страничного делителя с плавающей точкой.

Оптический цифровой страничный делитель с плавающей точкой содержит входные оптические регистры 1, 2, имеющие выходы порядков 1-1, 2-1, знаковые выходы 1-2, 2-1, выходы мантисс 1-3, 2-3; оптический инвертор 3; оптический сумматор порядков 4, имеющий входы 4-1 и 4-2; оптический блок формирования знаков частного 5, имеющий входы 5-1, 5-2; оптический цифровой делитель мантисс 6, имеющий входы 6-1, 6-2; оптический нормализатор 7, имеющий входы мантисс 7-1 и порядков 7-2 и выходы порядков 7-3 и мантисс 7-4; выходной оптический регистр 8, имеющий входы порядков 8-1, знаков 8-2 и мантисс 8-3.

Входные оптические регистры 1, 2 предназначены для ввода в делитель страниц соответственно делимого и делителя в виде оптических парафазных сигналов, в том числе с преобразованием их из электрических. При электрическом вводе страниц операндов регистры могут состоять из связанных между собой электронной памяти, например на регистрах, и матрицы лазерных диодов, а при оптическом вводе на входе регистров дополнительно располагается матрица фотоприемников.

Оптический инвертор 3 предназначен для преобразования прямого кода операнда в обратный и представляет собой жгут световода, имеющий нерегулярную укладку, при которой каждые два световода, передающие один парафазный знак, на выходе жгута меняются местами.

Оптический цифровой сумматор порядков 4 может быть выполнен, например, на основе световодной техники, как это описано, например, в патенте N 2079872 (Россия) Оптический сумматор, 1997, Бюл. N 14, МКИ G 06 E 1/04.

Оптический блок формирования знаков частного 5 предназначен для формирования из знаковых разрядов операндов знакового разряда частного и может быть выполнен в виде логической схемы сумматора по модулю 2, как это описано, например, в патентах N 2015578, 2015579, 2015580 (Россия) и авт. свид. N 1394982, 1396827 (СССР).

Оптический цифровой делитель мантисс 6 может быть выполнен, например, на основе световодной техники, как это описано, например, в патенте N 2115950, Оптический цифровой многоканальный делитель, Бюл. N 20, 1998.

Оптический нормализатор 7 предназначен для нормализации результата вычисления и может быть выполнен, как это описано, например, в авт. свид. N 1277802 (СССР).

Выходной оптический регистр 8 предназначен для формирования, хранения и выдачи результата и может быть выполнен, например, из последовательно соединенных матрицы фотоприемников, электронных регистров при электрическом выходе или на выходе может располагаться матрица лазерных диодов при оптическом выходе.

Представление чисел с плавающей точкой. Представление числа с плавающей точкой в общем случае имеет вид X = S^pq; |q| < 1, где q - мантисса числа X; S^p - характеристика числа X; p - порядок; S - основание характеристики (обычно целая степень числа 2) Мантисса (правильная дробь со знаком) и порядок (целое число со знаком) представляются в системе счисления с основанием, равном S (в соответствующей двоично-кодированной форме). Знак числа со знаком мантиссы.

Порядок p, который может быть положительным или отрицательным целым числом, определяет положение точки (запятой) в числе X.

Арифметические действия над числами с плавающей точкой требуют выполнения помимо операций над мантиссами определенных операций над порядками. Для упрощения операций над порядками их сводят к действиям над целыми положительными числами (без знаков), применяя представление чисел с плавающей точкой со смещенным порядком.

В случае представления числа с плавающей точкой со смещенным порядком к его порядку p прибавляется целое число - смещение N=2^k, где k - число двоичных разрядов, используемых для модуля порядка.

Смещенный порядок p_см = p + N всегда положителен. Для его представления необходимо такое же число разрядов, как и для модуля и знака порядка p. Важная особенность смещенных порядков состоит в том, что если для порядков p' и p'', представляющих собой целые числа со знаками, выполняется соотношение p' ≥ p'', то и для положительных целых чисел соответствующих смещенных порядков p'_см и p''_см всегда p'_см ≥ p''_см.

При фиксированном числе порядков мантиссы любая величина представляется в суперкомпьютере с наибольшей возможной точностью нормализованным числом. Число называется нормализованным, если мантисса q удовлетворяет условию
1 > |q| ≥ 1/s,
т.е. старший разряд мантиссы отличен от нуля.

В процессе вычислений может получаться ненормализованное число. В этом случае суперкомпьютер автоматически нормализует его. При этом, если r старших разрядов мантиссы равны 0, то нормализация заключается в сдвиге мантиссы на r разрядов влево и уменьшении порядка на r единиц, а в младшие r разрядов мантиссы записываются нули.

Диапазон чисел, которые могут быть представлены в суперкомпьютере с плавающей точкой, т.е. отношение максимального из представляемых чисел к минимальному нормализованному числу, равно

где n₁ и n₂ - соответственно разряды порядка и мантиссы регистра суперкомпьютера.

При заданном диапазоне количество разрядов порядка может быть вычислено по формуле
n₁ = log₂(log₂D)-log₂p-1.

Для сравнения укажем, что множество чисел с фиксированной точкой, которые могут быть представлены на n - разрядном регистре, равно 2n. При этом любое число в этом диапазоне может быть изображено на регистре с абсолютной погрешностью, не превышающей половины младшего разряда. Относительная погрешность зависит от абсолютной величины числа и может меняться в широких пределах.

В случае представления чисел с плавающей точкой абсолютная точность представления чисел с разными порядками различна. Относительная же точность представления числа равняется отношению веса младшего разряда мантиссы к абсолютной величине мантиссы. Так как мантисса нормализованных чисел изменяется в узких пределах, то и относительная погрешность нормализованных чисел, начиная от самых малых и кончая самыми большими, изменяется в узких пределах.

Таким образом, в суперкомпьютере с плавающей точкой при том же количестве разрядов, отводимых для записи кода, диапазон чисел значительно шире, чем в компьютерах с фиксированной точкой. Благодаря широкому диапазону чисел переполнение разрядной сетки в процессе вычислений практически исключается, а относительная точность представления чисел на всем диапазоне их изменения остается постоянной.

Алгоритм алгебраического деления с плавающей точкой. Алгебраическое деление чисел с плавающей точкой выполняется в соответствии с формулой
Z = S^p q_x/S^p q_y = S^(p-p) q_x/q_y = S^p q_z.

В оптическом цифровом делителе с плавающей точкой алгебраическое деление двух страниц операндов выполняется по следующему алгоритму.

При делении мантисса частного равна частному от деления мантиссы делимого на мантиссу делителя, а порядок частного - разности порядков делимого и делителя. Частное нормализуется, и ему присваивается знак плюс, если делимое и делитель имеют одинаковые знаки, и знак минус, если разные.

При делении нормализованных чисел с плавающей точкой может оказаться, что мантисса делимого больше мантиссы делителя, и мантисса частного образуется с переполнением. Для устранения этого явления перед делением нарушают нормализацию делителя сдвигом на разряд влево или делимого на один разряд вправо. Тогда нарушения нормализации частного влево не возникает, т.к. частное от деления при этом оказывается меньше единицы, но не меньше, чем 0,01, а нарушение нормализации мантиссы вправо может быть не более чем на один разряд. Поэтому порядок нормализованного частного может оказаться равным или на единицу большим разности порядков делимого и делителя.

Деление мантисс выполняется методом без восстановления остатка аналогично делению чисел с фиксированной точкой. В этом случае независимо от знаков модуль частного определяется обычным способом, а знак частного определяется как сумма знаков обоих операндов по модулю 2. Если оба операнда имеют одинаковые знаки, то сумма знаков по модулю 2 будет равна 01 (01 = 01 + 01 (mod 2), 01 = 10 + 10 (mod 2)), что означает, что частное положительно. Если оба сомножителя имеют разные знаки, то сумма знаков равна 10 (01 + 10 = 10 + 01 = 10), что частное отрицательно.

Для упрощения операций над порядками их сводят к действиям над целыми положительными числами (целыми числами без знаков), применяя представление чисел с плавающей точкой со "смещенным порядком".

Принцип работы делителя. Оптический цифровой делитель с плавающей точкой работает следующим образом.

Входные страницы операндов поступают по входам 1 и 2 соответственно на входные оптические регистры 1 и 2. Оптические сигналы порядков слов с выходов 1-1 и 2-1 поступают соответственно на вход 4-1 и через оптический инвертор 3 на вход 4-2 оптического цифрового сумматора порядков 4, который производит их сложение и передачу суммы на вход 7-3 оптического нормализатора 7.

Оптические сигналы знаковых разрядов регистров 1 и 2 с их выходов 1-2 и 2-2 поступают на соответствующие входы 5-1 и 5-2 оптического блока анализа знаков, который формирует знак результата и передает его на вход 8-2 выходного оптического регистра 8.

Оптические сигналы страниц мантисс слов с выходов 1-3 и 2-3 регистров 1 и 2 поступают соответственно на входы 6-1 и 6-2 оптического цифрового делителя, который выполняет операцию деления мантисс и передает результат на оптический нормализатор 7. С выходов 7-3, 7-4 нормализатора коды порядков и мантисс поступают соответственно на входы 8-1 и 8-3 выходного оптического регистра 8, который формирует и хранит результат вычисления и при необходимости передает его на внешние устройства.

Использование изобретения позволит реализовать оптическими методами операцию деления страниц операндов с плавающей точкой в различных вычислительных устройствах, увеличивая в 10-100 раз их точность и надежность вычислений. Такие устройства могут широко применяться в разнообразных радиолокационных, радионавигационных и вычислительных системах как наземного так и бортового базирования.

Формула изобретения

Оптический цифровой страничный делитель с плавающей точкой, содержащий первый и второй входные оптические регистры, входы которых являются соответственно первым и вторым входами оптического цифрового страничного делителя с плавающей точкой, оптический цифровой сумматор порядков, оптический цифровой делитель мантисс, оптический нормализатор и выходной оптический регистр, выход которого является выходом оптического цифрового страничного делителя с плавающей точкой, отличающийся тем, что введены оптический инвертор и оптический блок формирования знака частного, причем выходы мантисс первого и второго входных оптических регистров оптически связаны соответственно с первым и вторым входами оптического цифрового делителя мантисс, выход которого оптически связан со входом мантисс оптического нормализатора, вход порядков которого оптически связан с выходом оптического цифрового сумматора порядков, первый вход которого оптически связан с выходом порядков первого входного оптического регистра, второй вход оптического цифрового сумматора порядков через оптический инвертор оптически связан с выходом порядков второго входного оптического регистра, знаковые выходы первого и второго входных оптических регистров оптически связаны соответственно с первым и вторым входами оптического блока формирования знака частного, выход которого оптически связан со знаковым входом выходного оптического регистра, входы порядков и мантисс которого оптически связаны соответственно с выходами порядков и мантисс оптического нормализатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1