ОПТИЧЕСКИЙ ЦИФРОВОЙ СТРАНИЧНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ С ФИКСИРОВАННОЙ ТОЧКОЙ Российский патент 1999 года по МПК G06E1/04 

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.

Известен оптический страничный преобразователь для оптоэлектронного запоминающего устройства [1], содержащий светообъединители, коллимирующие объективы, оптически управляемый транспарант, фокусирующие блоки, сдвигающий блок, формирователь пучков, поляризационный светоделитель, формирователь кода нулей, призменный отражатель, управляемый светопереключатель, блоки оптической связи, блок формирования кода единиц, управляемые светообъединители, оптический сумматор, блок памяти, блок формирования пучков, управляемый поликубический мультипликатор, блок обратной связи, корректирующий объектив, фотоприемный блок и блок управления. Основными недостатками данного устройства являются относительно невысокая надежность, сложность и громоздкость, а также невозможность выполнения операций с учетом знаков операндов.

Наиболее близким к предлагаемому является оптический умножитель [2], содержащий оптический регистр множимого, вход которого является входом страницы множимых в оптическом цифровом страничном умножителе с фиксированной точкой и оптический цифровой сумматор. Основными недостатками данного устройства являются относительно невысокая надежность и сложность, а также невозможность выполнения операций с учетом знаков операндов.

Техническим результатом является повышение надежности и упрощения устройства, а также расширение его функциональных возможностей за счет выполнения операций в алгебраической форме.

Это достигается тем, что в оптический цифровой страничный умножитель с фиксированной точкой, содержащий оптический регистр множимого, вход которого является входом страницы множимых в оптическом цифровом страничном умножителе с фиксированной точкой и оптический цифровой сумматор введены оптический сдвиговый регистр множителя, блок оптических вентилей, оптический блок дополнительного единичного разряда, управляемый оптический переключатель, разрядный оптический вентиль, оптический блок определения знака произведения, выходной оптический регистр, узлы оптической связи с первого по девятый, причем выход оптического регистра множимого через первый узел оптической связи оптически связан с оптическим входом блока оптических вентилей, оптический выход которого через второй узел оптической связи оптически связан со входом основных разрядов первого входа оптического цифрового сумматора, вход дополнительного разряда первого входа которого оптически связан с выходом оптического блока дополнительного единичного разряда, выход оптического цифрового сумматора через третий узел оптической связи оптически связан с оптическим входом управляемого оптического переключателя, первый выход которого через четвертый узел оптической связи оптически связан со вторым входом оптического цифрового сумматора, второй выход управляемого оптического переключателя через пятый узел оптической связи оптически связан со входом основных разрядов выходного оптического регистра, вход знаковых разрядов которого через шестой узел оптической связи оптически связан с выходом оптического блока определения знака произведения, первый вход которого через седьмой узел оптической связи оптически связан с выходом знаковых разрядов оптического регистра множимого, второй вход оптического блока определения знака произведения через восьмой узел оптической связи оптически связан со входом знаковых разрядов оптического сдвигового регистра множителя, вход которого является входом страницы множителей в оптическом цифровом страничном умножителе с фиксированной точкой, выход младшего разряда оптического сдвигового регистра множителя через последовательно расположенные и оптически связанные разрядный оптический вентиль и девятый узел оптической связи оптически связан с управляемым входом блока оптических вентилей, выход выходного оптического регистра является выходом страницы произведений оптического цифрового страничного умножителя с фиксированной точкой.

А так же тем, что оптический сдвиговый регистр множителя содержит оптический регистр, оптический объединитель, десятый и одиннадцатый узлы оптической связи, причем первый вход оптического объединителя является входом оптического сдвигового регистра множителя, выход оптического объединителя через десятый узел оптической связи оптически связан со входом оптического регистра, выход которого через одиннадцатый узел оптической связи оптически связан со вторым входом оптического объединителя.

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

Сущность изобретения заключается в том, что на основе оригинального оптического алгоритма вычисления алгебраического произведения страниц чисел с фиксированной точкой и применения в оптическом умножителе оригинальных способов и схем связи и передачи страниц операндов, оригинальных оптических схем: сдвигового регистра, схемы сдвига операндов в цифровом сумматоре и схемы блока определения знаков произведений, предложена структура оптического цифрового страничного умножителя с фиксированной точкой, обладающего вышеуказанными достоинствами.

Таким образом, предложенный оптический цифровой страничный умножитель с фиксированной точкой 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 фиг. 1 приведена схема оптического цифрового страничного умножителя с фиксированной точкой, на фиг. 2 - схема оптического сдвигового регистра множителя.

Оптический цифровой страничный умножитель с фиксированной точкой содержит входной оптический регистр множимого 1, имеющий знаковые разряды 1-1 и основные разряды 1-2; узел оптической связи 2; оптический блок определения знака произведения 3; узлы оптической связи 4, 5, 6; блок оптических вентилей 7; узел оптической связи 8; оптический цифровой сумматор 9, имеющий основные и знаковые разряды 9-1 и дополнительный разряд 9-2; оптический блок дополнительного единичного разряда 10; узел оптической связи 11; управляемый оптический переключатель 12; узел оптической связи 13; оптический сдвиговый регистр множителя 14, имеющий знаковые 14-1 и основные 14-2 разряды; разрядный оптический вентиль 15; узлы оптической связи 16, 17; выходной оптический регистр 18, имеющий знаковые и основные разряды 18-1 и 18-2 соответственно.

Входной оптический регистр множителя 1 предназначен для ввода в вычислитель страниц множимых в виде оптических парафазных сигналов, в том числе с преобразованием их из электрических. При электрическом вводе страниц операндов регистр может состоять из связанных между собой электронной памяти, например, на регистрах и матрицы лазерных диодов, а при оптическом вводе на входе электронной памяти дополнительно расположена матрица фотоприемников.

Узел оптической связи 2 предназначен для передачи оптических сигналов из знаковых разрядов 1-1 оптического регистра 1 на первый вход оптического блока определения знака произведения 3 и может быть выполнен, например, в виде световодной (волоконной или интегральной) матрицы.

Оптический блок определения знака произведения 3 предназначен для определения знаков произведений для формирования выходной страницы при любом сочетании знаков сомножителей. В качестве такого блока 3 может быть использован, например, оптический сумматор по модулю 2, который может быть выполнен на основе как световодной, так и классической оптики.

Узел оптической связи предназначен для передачи оптических сигналов из знаковых разрядов 14-1 сдвигового регистра 14 на второй вход оптического блока определения знака произведения 3 и может быть выполнен аналогично узлу оптической связи 2.

Узел оптической связи 5 предназначен для передачи оптических сигналов с выхода оптического блока определения знака произведения 3 в знаковые разряды 18-1 выходного оптического регистра 18 и может быть выполнен аналогично узлу оптической связи 2.

Узел оптической связи 6 предназначен для передачи оптических сигналов с выхода оптического регистра множимого 1 на первый вход блока оптических вентилей 7 и может быть выполнен аналогично узлу оптической связи 2.

Блок оптических вентилей 7 служит для пропускания или блокирования оптических сигналов страницы множимых, поступающих на его оптический вход с оптического регистра 1, в зависимости от значения управляющих сигналов, поступающих на его управляемый вход из младшего n-го разряда оптического сдвигового регистра множителя 14 и может быть выполнен на основе световодной или классической оптики.

Узел оптической связи 8 предназначен для передачи оптических сигналов с выхода блока оптических инверторов 7 на входы знаковых и основных разрядов 9-1 оптического цифрового сумматора 9 и может быть выполнен аналогично узлу оптической связи 2.

Оптический цифровой сумматор 9 служит для получения как промежуточных результатов, так и страницы полных произведений и может быть выполнен, как описано в пат. N 2079872 (Россия).

Оптический блок дополнительного единичного разряда 10 служит для округления результата произведения и может быть выполнен из последовательно расположенных и оптически связанных парафазной линейки лазерных диодов, фокона и маски (например, фототрафарета) линейки (столбца) парафазных единиц.

Узел оптической связи 11 предназначен для передачи оптических сигналов с выхода оптического цифрового сумматора 9 на вход управляемого оптического переключателя 12 и может быть выполнен аналогично узлу оптической связи 2.

Управляемый оптический переключатель 12 служит для переключения работы оптического цифрового сумматора 9 из режима сдвига его информационного содержимого в режим передачи результата произведения на выход оптического цифрового страничного умножителя с фиксированной точкой.

Узел оптической связи 13 предназначен для передачи оптических сигналов с первого выхода управляемого оптического переключателя 12 на второй вход (9-1 и 9-2) оптического цифрового сумматора 9.

Оптический сдвиговый регистр множителя 14 предназначен для хранения страницы множителей и сдвига их вправо в каждом цикле выполнения операции на один разряд. Оптический сдвиговый регистр множителя 14 может содержать (фиг. 2): оптический регистр 19, имеющий знаковые 19-1 и основные 19-2 разряды соответственно; узел оптической связи 20; оптический объединитель 21; узел оптической связи 22. Оптический регистр 19 может быть выполнен так же, как, например, оптический регистр множимого 1; выполнение узлов оптической связи аналогично выполнению узла оптической связи 2; оптический объединитель 21 может быть выполнен на основе световодной или классической оптики.

Разрядный оптический вентиль 15 предназначен для разрешения или запрета подачи оптических сигналов из младшего n-го разряда оптического сдвигового регистра множителя, используемых в качестве управляющих, на управляемые входы вентилей блока оптических вентилей 7 и может быть выполнен на основе световодной или классической оптики.

Узлы оптической связи 16, 17 служат для передачи оптических сигналов с выхода оптического блока управления 15 на управляемый вход блока оптических вентилей 7 и со второго выхода управляемого оптического переключателя 12 на вход основных разрядов 19-2 выходного оптического регистра 19 соответственно и могут быть выполнены аналогично узлу оптической связи 2.

Выходной оптический регистр 19 предназначен для формирования, хранения и выдачи результата и может быть выполнен, например, из последовательно соединенных матрицы фотоприемников и электронных регистров при электрическом выходе или на выходе может располагаться матрица лазерных диодов при оптическом выходе.

Алгоритм оптического цифрового умножения. Исходные данные для умножения - страница множимого A = [a_ij] и страница множителя B = [b_ij] - вводятся на оптические регистры множимого и множителя. Страница произведения C = [c_ij], вычисляемая путем ряда сложений промежуточных результатов, образуется на оптическом сумматоре.

Если развернуть множитель в виде

где b_(i(-1), b_i(-2), ..., b_i(-j), ..., b_i(-(n-1)),b_i(-n) - цифры парафазного двоичного кода множителя, равные 01 или 10,
тогда произведение C можно записать в виде
C_i = A_ib_i(-1)2^-1 + A_ib_i(-2)2^-2 + ... + A_ib_i(-j)2^-j + ... A_ib_i(-(n-1))2^-(n-1) + A_ib_i(-n)2^-n (1)
где A_i - i-я строка страницы A.

Умножение может быть реализовано путем выполнения в арифметическом устройстве некоторого циклического процесса. В соответствии с этим процессом формулу (1) можно представить в циклической форме. Так, если записать формулу (1) в виде
C_i = ((...((0 + A_ib_i(-n))2^-1 + A_ib_i(-(n-1)))2^-1 + ... A_ib_i(-i))2^-1 + ... + A_ib_i(-2))2^-1 + A_ib_i(-1))2^-1, (2)
то процесс нахождения результирующей i-й строки страницы произведений по формуле (2) может быть сведен к n-кратному выполнению цикла:
C_i(j+1) = (C_ij + A_ib_i(-(n-j)))2^-1 (3)
при начальных значениях: j = 0, C₀ = 0 (4)
Согласно выражениям (3) и (4) в каждом (т.е. в j-м) цикле i-е множимое из страницы множимых A либо передается в оптический сумматор, если b_-(n-j) = 1, либо не передается, если b_(-n-j) = 0 , после чего содержимое оптического сумматора умножается на 2^-1, т.е. сдвигается вправо на один разряд. После окончания n-го цикла в оптическом сумматоре образуется страница произведений C, т.е.

C_n = C = A • B.

Очередную цифру множителя b_i(-(n-j)), определяющую, нужно или не нужно передавать множимое в сумматор, легче всего снимать с младшего разряда оптического регистра множителя, который в каждом цикле сдвигается на один разряд вправо.

Реализация умножения таким методом требует сдвига вправо в оптическом регистре множителя и в оптическом сумматоре. Для округления произведения достаточно удлинить оптический сумматор всего на один дополнительный разряд с тем, чтобы после вычисления произведения прибавить к дополнительному разряду единицу и вывести из оптического сумматора страницу произведений без дополнительного разряда. Если дополнительный разряд i-го произведения страницы произведений C был равен 0, то это i-е произведение с основных разрядов снимается с недостатком. Если дополнительный разряд i-го произведения был равен 1, то при прибавлении к нему 1 возникает перенос 1 в младший основной разряд и это произведение выводится с избытком. Таким образом, максимальное по абсолютной величине значение ошибки произведения снижается до половины младшего разряда.

Принцип работы оптического цифрового умножителя. Перед началом выполнения операции умножения страницы множимого и множителя поступают по входам 1 и 2 соответственно на оптический регистр множимого 1 и оптический сдвиговый регистр множителя 14.

Знаковые разряды с этих регистров через узлы оптической связи 2 и 4 передаются на оптический блок определения знака произведения 3, в котором складываются, и результат через узел оптической связи 5 поступает в знаковые разряды 18-1 выходного оптического регистра 18 и представляют в нем знак произведения.

В первом такте вычисления произведения если в младшем n-м разряде i-й строки оптического сдвигового регистра множителя 14 находится единица, то соответствующий вентиль в блоке оптических вентилей 7 открыт и разряды соответствующего множимого из ячеек оптического регистра множимого 1 узел оптической связи 6, блок оптических вентилей 7 и узел оптической связи 8 передаются в разряды 9-1 оптического цифрового сумматора 9.

Во втором такте осуществляется сдвиг информационного содержимого оптического цифрового сумматора 9 и оптического сдвигового регистра множителя 14 вправо на один разряд. Для этого оптические сигналы, отображающие страницу промежуточных результатов, поступают с выхода разрядов 9-1 оптического сумматора 9 через узел оптической связи 11, управляемый оптический переключатель 12 и узел оптической связи 13 на второй вход оптического цифрового сумматора 9 таким образом, чтобы младший разряд страницы промежуточных результатов поступил в дополнительный разряд 9-2 оптического сумматора 9.

Сдвиг страницы множителя вправо в оптическом сдвиговом регистре множителя 14 осуществляется за счет передачи его информационного содержимого с выхода оптического регистра 19 через узел оптической связи 20, объединитель 21, узел оптической связи 22 на вход оптического регистра 19 таким образом, чтобы (n-1)-й разряд страницы множителя поступил в его n-й разряд. Информационное содержимое n-го разряда оптического сдвигового регистра множителя 14 пропускается через разрядный оптический вентиль 15, узел оптической связи 16 и подается на блок оптических вентилей 7 в качестве управляющих сигналов. Единичные управляющие сигналы открывают соответствующие линейки оптических вентилей блока оптических вентилей 7 и пропускают соответствующие множимые из оптического регистра множимого 1 на оптический цифровой сумматор 9, который складывает их со своим информационным содержимым, образуя промежуточные произведения. Нулевые управляющие сигналы поддерживают соответствующие линейки оптических вентилей блока оптических вентилей 7 в закрытом состоянии, поэтому они блокируют оптические сигналы соответствующих множимых оптического регистра множимого 1.

В n-м цикле на оптическом цифровом сумматоре 9 образуется полное произведение, которое в (n + 1)-м цикле округляется за счет передачи в дополнительный разряд 9-2 оптического цифрового сумматора 9 единичного разряда из оптического блока дополнительного единичного разряда 10 и их сложения. Окончательный результат операции передается с выхода оптического цифрового сумматора через узел оптической связи 11, управляемый оптический переключатель 12, узел оптической связи 17 на выходной оптический регистр 18 (его основные ячейки 18-2). С оптического регистра 18 при необходимости производится считывание результата операции - страницы произведения.

Использование изобретения позволит реализовать оптическими методами операцию алгебраического перемножения страниц сомножителей в различных вычислительных устройствах, увеличив при этом в 10 - 100 раз надежность, точность, производительность вычислений, а также позволит расширить их функциональные возможности и повысить компактность устройств.

Такие устройства могут широко применяться в разнообразных радиолокационных, радионавигационных и вычислительных системах как наземного, так и бортового базирования.

ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство СССР N 1169022, МКИ G 11 C 11/42, 1985.

2. Патент N 2076548 (Россия), МКИ G 06 E 1/02, 1997.

Изобретение относится к радиоэлектронике. Техническим результатом является повышение надежности и упрощение устройства, а также расширение его функциональных возможностей за счет выполнения операций в алгебраической форме. Такие результаты достигаются на основе использования оригинального оптического алгоритма алгебраического перемножения страниц чисел с фиксированной точкой и применения в умножителе оригинальных способов и схем связи и передачи страниц операндов, оригинальных оптических схем, сдвигового регистра, схемы сдвига операндов в цифровом сумматоре и схемы блока определения знаков произведений. Оптический цифровой страничный умножитель с фиксированной точкой содержит входной оптический регистр множимого, имеющий знаковые разряды и основные разряды, узел оптической связи, оптический блок определения знака произведения, узлы оптической связи, блок оптических вентилей, узел оптической связи, оптический цифровой сумматор, имеющий основные и знаковые разряды и дополнительный разряд, оптический блок дополнительного единичного разряда, узел оптической связи, управляемый оптический переключатель, узел оптической связи, оптический сдвиговый регистр множителя, имеющий знаковые и основные разряды, разрядный оптический вентиль, узлы оптической связи, выходной оптический регистр, имеющий знаковые и основные разряды соответственно. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Оптический цифровой страничный умножитель с фиксированной точкой, содержащий оптический регистр множимого, вход которого является входом страницы множимых в оптическом цифровом страничном умножителе с фиксированной точкой, и оптический цифровой сумматор, отличающийся тем, что в него введены оптический сдвиговый регистр множителя, блок оптических вентилей, оптический блок дополнительного единичного разряда, управляемый оптический переключатель, разрядный оптический вентиль, оптический блок определения знака произведения, выходной оптический регистр, узлы оптической связи с первого по девятый, причем выход оптического регистра множимого через первый узел оптической связи оптически связан с оптическим входом блока оптических вентилей, оптический выход которого через второй узел оптической связи оптически связан со входом основных разрядов первого входа оптического цифрового сумматора, вход дополнительного разряда первого входа которого оптически связан с выходом оптического блока дополнительного единичного разряда, выход оптического цифрового сумматора через третий узел оптической связи оптически связан с оптическим входом управляемого оптического переключателя, первый выход которого через четвертый узел оптической связи оптически связан со вторым входом оптического цифрового сумматора, второй выход управляемого оптического переключателя через пятый узел оптической связи оптически связан со входом основных разрядов выходного оптического регистра, вход знаковых разрядов которого через шестой узел оптической связи оптически связан с выходом оптического блока определения знака произведения, первый вход которого через седьмой узел оптической связи оптически связан с выходом знаковых разрядов оптического регистра множимого, второй вход оптического блока определения знака произведения через восьмой узел оптической связи оптически связан со входом знаковых разрядов оптического сдвигового регистра множителя, вход которого является входом страницы множителей в оптическом цифровом страничном умножителе с фиксированной точкой, выход младшего разряда оптического сдвигового регистра множителя через последовательно расположенные и оптически связанные разрядный оптический вентиль и девятый узел оптической связи оптически связан с управляемым входом блока оптических вентилей, выход выходного оптического регистра является выходом страницы произведения оптического цифрового страничного умножителя с фиксированной точкой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический сдвиговый регистр множителя содержит оптический регистр, оптический объединитель, десятый и одиннадцатый узлы оптической связи, причем первый вход оптического объединителя является входом оптического сдвигового регистра множителя, выход оптического объединителя через десятый узел оптической связи оптически связан со входом оптического регистра, выход которого через одиннадцатый узел оптической связи оптически связан со вторым входом оптического объединителя.