Вычислительная однородная структура

 

ОПИСА

ИЗОБРЕТ

К АВТОРСКОМУ СВИД (61) Дополнительное к аат. с (22) Заявлено 03.1175 (21) 21 с присоедииеиием заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 2505.79. Б

Дата опубликования опи

Союз Сееетскии

Социалистических

Республик

7УОО

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий. 327

8.8) {72) Авторы изобретения

Ю.Н. Корнев и С.В. Пискунов

{71) Заявитель институт математики сибирского отделения Ан сссР (54) ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ОДНОРОДН,АЯ СТРУКТУРА

4

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники

;и предназначено для построения вы числительных и управляющих устройств на основе однородных вычислительных структур (памяти с логикой, вычислительных сред) .

Известны элементы вычислительных устройств с однородной структурой, содержащие соединенные между собой функциональный преобразователь (например, устройство сравнения), элемент памяти, коммутирующий элемент и элемент настройки (1j.

Наиболее близким по технической сущности решением является вычислительная однородная структура, содер" жащая идентичные ячейки, каждая as которых содержит элемент памяти, вход которого соединен с первым выходом коммутатора, другие выходы которого соединены со входами элементов йамяти соседних ячеек, выход элемента памяти соединен с одним из входов первой группы входов схемы сравнения, 5 остальные входы .первой группы подключены к выходам соответствующих элементов памяти соседних ячеек (2), Недостатком обоих устройств является низ.сое быстродействие. 30

Цель изобретения — повьааение быстродействия структуры.

Цель изобретения достигается тем, что в каждой ячейке схема сравнения содержит блок настройки фильтров, блок электрически перестраиваемых оптических фильтров и блок детектирования, выходы которого подключены к группе входов коммутатора, информационные входы структуры подключены к оптимическим входам блока электрически перестраиваемых оптических фильтров, оптические выходы которого подключены к оптическим входам блока детектирования, вторая группа входов блока перестраиваевых фильтров подключена к выхот(ам блока настройки, первая группа входов которого подключена к группе управляющих шин, вторая группа входов — к первой группе входов схемы сравнения, и тем, что блок детектирования содержит поперечный фоторезистор, электроды которого являются выходами блока, -етектирования, оптические входы фоторезистора являются оптическими входами блока детектиров 1ни я.

На фиг. 1 представлена блок-схема ячейки вычислительной однородной структуры; на фиг. 2 представлен пример вычислительной однородной структуры; на фиг. 3 представлены слои отдельной ячейки однсродной вычислительной структуры, изображенной на фиг. 2; на фиг. 4, 5 представлены примеры функций мсчуляции символов алфавита в правых частях команд подстановок; на фиг. 6 представлен пример образа алгоритма (поля излучения) и указано расположение электрода одного из фильтров; на фиг. 7, 8 представлены примеры функций модуля- 10 ции правых частей команд подстановок! на фиг. 9 представлен вариант коррекции строки поля излучения. Ячейка состоит из блока перестраиваемых фильтров 1, устройства детек- }8 тирования 2 и блока настройки фильтров 3, образующих устройство сравнения 4, коммутатора 5, элемента памяти б. Управляющие входы блока 1 соединены шинами настройки 7 с выходамн блока 3, входы 8 блока 1 соединены с источником сигнала, несущегс образ алго1 итма, выходы блока фильтров 1 шинами 9 соединены со входами устройства детектирования 2, выходы устройства детектирования 2 шинами

10 соединены со входами коммутатора

5, выходы которого соединены с соответствующими входами ll элементов памяти б своего и соседних ячеек, выходы элементов памяти 6 своего и соседних ячеек присоединены к соответствующим входам 12 блока настройки 3, шинами 13 блок настройки соединен с внешними для структуры источниками управляющих сигналов. 35

Команды, выполняемые предлагаемой ячейкой, являются командами подстановок. Каждая команда подстановок некоторого алгоритма эквивалентна нескольким строкам таблицы переходов as- 40 томата — ячейки сети, реализующей этот алгоритм. Так как в однородной структуре, построенной из предлага- . емых ячеек, одновременно выполни.,ы все команды алгоритма, то можно гово- 48 рить об адеквантном моделировании однородной структурой работы сети, состоящей из автоматов высокой сложности. Можно также отметить, что язык команд подстановок является достаточно эффективным средством записи произвольных алгоритмов.

Рассмотрим работу ячейки. ПреждЕ всего определим образ алгоритма. Каждой команде подстановки ставится в соответствие некоторый сигнал, параметры которого (частота, амплитуда, пространственное расположение и т.п.) кодируют номер подстановки в алгоритме, символы левой и правой части подстановки и их взаимное расположение. бО

Совокупность таких сигналов, представл тющую весь алгоритм, будем называть образом алгоритма.

Работа ячейки состоит в том, что з всего множества команд, представ664168 ленных образом алгоритма, устройство сравнения 4 ячейки пропускает только одну команду (если она есть), код левой части которой совпадает с кодом настройки блока фильтров 1, являющимся функцией :остояний элементов памяти ячейки, ее соседей и управляющих входов 13.

Функция модуляции сигнала, представляющего эту команду, несет ин, формацию о коде правой части этой команды. Элементы этого кода через коммутатор 5 записываются в некоторые из ячеек однородной структуры.

Рассмотрим пример реализации ячейки в оптическом диапазоне сигналов.

После излучения, несущее образ алгоритма, двумерно и состоит из элементарных участков, образующих столбцы и строки. Спектральный состав и распределение интенсивности поля в этих участках представляют команды под« становок алгоритма. Осуществляется это следующим образом. Алгоритм разбивается на ряд блоков, команды подстановок внутри блоков нумеруются.

Все команды из различных блоков, но с одним и тем же номером представляет одна и та же строка элементарных участков поля излучения. В каждом элементе строки число составляющих в спектре поля равно числу представляемых этой строкой команд. Каждая составляющая спектра некоторого

i-го элемента строки является суммой двух частотг частоты (Я ), кодирующей номер j-го блока, и (астоты(, ), кодирующей имя cL i-ro символа в левой части со .тветствующей команды подстановки из этого блока. Все составля-..

«ющие спектра поля строки, кодирующие левую часть некоторой команды подстановки, модулируются по интенсивности по одному и тому же закону, характеризующему правую часть команды °

Пусть, для определенности, ячейки объединены в двумерную однородную структуру, изображенную на фиг. 2.

Алфавит команд подстановок, выполняемых этой структурой, содержит два символа (0,1), им соответствуют в поле излучения параметры w, w

Алгоритмы подстановок могут быть разбиты на два блока, в поле излуче-, ния это разбиение. характеризуют параметры Я,, Я, а в самой однородной структуре разбиение определяют управляющие сигналы U U поступающие по входам 13.

Спектр поля излучения имеет четыре составляющих: S =чю + И о. e

82 we 2 з

В блоке настройки йм соответствуют четыре напряжения Ч„=U > 0 где U представляет в элементе памяти 6 символ алфавита О, U — сим вол алфавита 1. Соответствие означа66416 ет, что если на некий фильтр подано управляющее напряжение Ч, то он пропускает сигнал с частотой S„è только этот сигнал. Для кодировки символа 0 в правой части команды вводится функция модуляции A (t), для кодировки 1 — функция А (t). Эти функции на некотором интервале чремени

Ч, изображены на Фиг. 4, 5 соответственно.

Каждая ячейка 14 имеет восемь соседей. Состояния заштрихованных ячеек сопоставляются контексту команд подстановок. Сама команда записывается. так: первым записан символ, соотносимый состоянию элемента памяти б ячейки 14, вторым — ячейки 15, третьим — ячейки 16, четвертымячейки 17, пятым — ячейки 18, в контексте первым записан символ, соотносимый состоянию элемента памяти 6 ячейки 19, вторым ячейки 20, третьим — ячейки 21, четвертым ячейки 22; запись символов в правой части команды соответствует записи s левой части, l0

Однородная вычислительная структура (фиг. 2) в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа, имеет три слоя. Эти слои для отдельной ячейки представлены на фиг. 3. Стрел- 30 ками на этой Фигуре показано направление падения на блок фильтров 1 поля излучения. Блок 1 представляет собой пластину сегнетоэлектрика 23 с напыленными н нее электродами 24 (перестраиваемый фильтр фабри-Перо), число пар электродов равно девяти (максимальной длине левой части команды подстановки, реализуемой ячейкой) .

Блок детектирования 2 — это поперечный фоторезистор 25 с электродами 26.

Третий слой образует управляющую плату 27, на которой для каждого элемента размещены коммутатор 5, элемент памяти б, блок настройки 3, например, Все в микроэлектронном транзисторном 45 исполнении . Блок настройки 3 представляет собой совокупность сумматоров, складывающих два уровня напряжения: с выходов элементов памяти 6 и от внешнего управляющего входа 13. 50

Элемент памяти б представляет собой один разряд регистра сдвиг, содержащий два триггера: буферный и основной. В третьем слое проведены все соединения, обеспечивающие связь 55 ячейки с соседями и внешними источниками управляющих сигналов.

Оптический образ алгоритма формируется в некотором блоке излучения (в принципе, одном для всей однородной структуры) при помощи источников света, имеющих необходимый набор частот, и электрически управляемых транспарантов, задающих двумерную структуру поля и соответствующую модуляцию. На каждый элемент образ ал8 горитма поступает из блока излучения например, через мультипликатор.

Рассмотрим выбор и выполнение команды ячейкой однородной структуры.

Эта процедура выполняется в два такта.

В поле излучения (фиг. 6), представляющем некоторый. алгоритм, выделим j-ю строку. Строки поля излучения разделены зонами, в которых поле излучения отсутствует. Расположение одного из электродов 24 блока 1 относительно .эгементов поля излучения показано на фиг. б заштрихованным прямоугольником. Сигналы с частота" ми, записанными в элементах 3-й стро ки первыми, модулированы по закону, представленному на фиг. 7, вторыми— по закону, представленному на фиг. 8

Ясно, что эта строка несет образы двух подстановок: j-й подстановки

01011 «1010 «10100 первого блока и

j-й подстановки 10101 м 0101 01100 второго блока алгоритма.

Первый такт. Пусть исходное состояние однородной структуры таково, что элемент памяти 6 ячейки 14 находится в состоянии 0 (на выходе элемента памяти потенциал U<), ячейки 15 — в состоянии 1 (Uq),ячейки 16 в состоянии 0 (U,), ячейки 17 — в состоянии 1 (U ), ячейки 18 — в состоянии 1 (U<), ячейки 19 — в состоянии 1 (U,), ячейки 20 — в состоянии ( (Ц,), ячейки 21 — в состоянии 1 (U,), ячейки 22 — B cocToRHHH 0 (U+ ) H IIo входам 13 подан управляющий сигнал

U . Эти сигналы поступают в блок настройки 3 ячейки 14. С выходов блока настройки по шинам 7 в блок фильтров поступают: V на первую пару электродов 24, V, — на вторую V на третью, V, — на четвертую, на пятую, Ч, — на шестую, V, — на седьмую, Ч, — на восьмую, Ч, — на девятую. В соответствии с этими потенциалами первый участок фильтра (расположен между первой парой электродов) пропускает сигнал с частотой

S,, второй — S,, третий — S, четвертый — S пятый — S, шестой

Я,, седьмой — S„, восьмой — S девятый — S . Элементы поля с такими частотами, пройдя фильтр, проектируются на поперечный фоторезистор, образуя освещенные участки, причем проекция j-й строки поля излучения на поверхности фотореэистсра образует сплошную освещенную полосу, соединяющую оба электрода фотореэистора.

Эта черта будет единственной, так как в блоке алгоритма не существует двух подстановок с одинаковыми левыми и различными правыми частями (по правилам построения алгоритмов обобщен .ых подстановок) .Это означает, что код, образованный состоянием элемента памяти ячейки 14 и em окрестности, совпал с кодом левой части j-и подстановки первого блока ал664168 горитма. Интенсивность освещенности этой полосы изменяется по закону, приведенному на фнг. 7. Эти изменения приводят к соответствующим изменениям напряжения в цепи нагрузки фоторезистора, поступающим на вход коммутатора 5. Коммутатор по входу

11 осуществляет запись сигнала первого интервала Г в буферный триггер элемента памяти б ячейки 14 (этот триггер устанавливается в единицу (U, ), так как A (t) является изобра- 10

« жением единицы в парафазном представлении), второго интервала — в буферный триггер ячейки 15 (Uo), третьего интервала — в буферный триггер ячейки 16 (U ), четвертого интервала — в 15 буферный триггер ячейки 17 (U ), пя" того интервала — в буферный триггер ячейки 18 (U ) .

Второй такт. Состояния буферных триггеров переписываются в основные, 20 и вновь записанные сигналы с выходов элементов памяти ««o входам 12 поступают н блоки настройки. Команда под" станонки выполнена.

Сделаем несколько замечаний. В примере были рассмотрены устройство и работа ячейки однородной структуры выполняющей алгоритмы, записанные в алфавите {0,1j и разбиваемые не более чем на два блока, число подстановок в блоке выбиралось таким, чтобы сост-0 нетстнующие этим подстановкам строки поля излучения уменьшались вдоль фильтров (фиг. 6) .

Обобщение класса выполняемых алгоритмов можно пронодить по следующим н аправлени ям:

1) увепичение числа символов в ал)авите;

2) увеличение числа блоков, на когорые разбивается алгоритм; 40

3) увеличение числа подстанонок в блоке;

4) нарьирование числом символов н

1евой части команды подстановки;

° 5) варьиронание списка именукпцих 45 ункций, определяющего для каждого лемента его соседей.

Выполнение по первому и второму

«аправлениям приводит к росту числа

:оставляющих в спектре поля излуче«ия, а следовательно требует улучше"

«ия качественных показателей фильтров и фоторезисторон (полосы про«ускани я, отношени е сигнал-шум, и ..и.) . Выполнение по третьему нап«равлению (рост числа строк поля из"

«учения) приводит к росту геом"три«еских размеров фильтра и фоторезис.ора. В памяти ячейки и в блоке на:тройки первое и второе выполнение

«риводит к необходимости использова- 60 ия многоустойчивых элементов памяи с тем, чтобы число управляющих ровней напряжения росло без услож.ения этих блоков. Ясно также, что одстановка с большой длиной левой части и произвольными именующими

Функциями всегда может быть заменена несколькими подстановками с меньшей длиной леной части и какими-то стандартными, принятыми для всего алгоритма, имен ющими функциями, быть может за счет некоторого расширения алфавита. Другими словами четвертое и пятое направления сводятся к выполнению по первым трем направлениям.

Таким образом, по сравнению с ячейкой, приведенной н примере, ячейка однородной вычислительной структуры, выполняющей более общий класс алгоритмов, должна иметь достаточные геометрические размеры и обладать более высокими физическими характеристиками, но небольшой структурной сложностью.

И последнее. В случае, если возникнут разрывы в прохождении сигналон поля излучения и промежутках между электродами Фильтра, тогда структура поля излучения (фиг. 6) может быть откорректирована, например, так, как это показано на фиг. 9. Заштрихованы новые элементы поля излучения, кало-«енные на пары соседних элементов, и несущие сигнал с таким спектральным составом, что этот сигнал проходит через пластину фильтра независимо от состояния электродов фильтра.

Формула изобретения

1. Вычислительная однородная структура, содержащая идентичные ячейки, каждая из которых содержит элемент памяти, вход которого соединен с первым выходом коммутатора, другие выходы которого соединены со входами элементов памяти соседних ячеек, ныход элемента памяти соединен с одним из входов первой группы входов схемы сравнения, остальные входы первой группы подключены к выходам соответствующих элементов паМяти соседних ячеек, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения быстродействия структуры, в каждой ячейке схема сравнения содержит блок настройки фильтров, блок электрически перестраиваемых оптических фильтров и блок детектирования, выходы которого подключены к группе входов коммутатора, информационные входы структуры подключены к оптическим входам блока электрически перестраиваемых оптических фильтрон, оптические выходы которого подключены к оптическим входам блока детектирования, вторая группа входов блока перестраиваемых фильтров подключена к выходам блока настройки, первая группа входов которого

)подключен - к группе управляющих шин, 6641

Р IJ !

° ° °

° ° °

° ° 9

° ° е

° ° °

23 вторая группа входов — к первой группе входов схем сравнени я.

2, Вычислительная однородная структура, отличающаяся тем, что блок детектирования содержит поперечный фотореэистор, электроды которого являются выходами блока детектирования, оптические входы фоторезистора являются входами блока детектирования.

68

И<.точники информации, принятые во внимание при экспертиэе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 353242, кл . G 06 F 1/00, 29.06.70.

2. Корнев Ю.Н., Пискунов С.В. и

Сергеев С.Н. Алгоритмы обобщенных подстанонок и их интерпретация сетями автоматов и однородными машинами.

П., Известия АН СССР, Техническая кибернетика, 9 6, 1971.

664 Ь8

Составитель Ю. Корнев

Редактор Б. ГерцЕн Техред H. Андрейчук Корректор А, Гриценко

Эаказ 3001/46

Тираж 779 Подписное

ЦИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул . Проектная, 4