Изобретение относится к цифровой обработке сигналов, компьютерным, связным и информационным технологиям различного класса и может быть использовано для создания для этих и других областей разнообразной оптоэлектронной аппаратуры, в том числе военной, ракетно-космической, экологической и бытовой. Цифровые сигнальные процессоры могут использоваться, например, для: сжатия данных в реальном времени; эхоподавления; мультиплексирования сигналов («вложения» нескольких сигналов с узким спектром в сигнал с более широким спектром); фильтрования сигналов; спектрального анализа; сотовых телефонов и оборудования базовых станций; эхолокации (радаров, сонаров); модемов.
Известен процессор общего назначения [1], содержащий блок управления внешней памятью, местную память, блок микропрограммного управления, блок управляющей памяти. Основным недостатком данной структуры является недостаточно высокое быстродействие процессоров из-за относительно невысокой скорости передачи сигналов между блоками процессора, сложность, а также отсутствие специализированных функций цифровой обработки сигналов.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является цифровой сигнальный процессор [2], содержащий генераторы адреса, управление программой, память, управление выключением питания, программируемый ввод/вывод и флаги, арифметические устройства, последовательные порты, шины адресов и данных, внешние шины, контроллер прямого доступа. Основным недостатком данной структуры является недостаточно высокое быстродействие процессора из-за относительно невысокой скорости передачи сигналов между его блоками, а также наличие только одной специализированной функций цифровой обработки сигналов.
Техническим результатом является повышение производительности, помехозащищенности, надежности процессора, а также расширение его функциональных возможностей за счет выполнения множества специализированных функций цифровой обработки сигналов.
Это достигается тем, что в оптический цифровой сигнальный процессор «ВЕРБ-3» Александра ВЕРБОВЕЦКОГО, содержащий блок модификации адреса, блок управления выполнением программы, блок местной памяти, содержащий узел памяти программ и узел памяти данных, блок управления вводом/выводом и флагами, блок внешнего ввода/вывода, содержащий внешнюю шину адреса, внешнюю шину данных, контроллер прямого доступа, блок оптических портов, содержащий узлы оптических портов, блок синхронизации, операционный блок, содержащий арифметико-логический узел, узел умножителей, узел сдвига, введены оптическая общая системная шина, оптическая общая шина местной памяти, оптическая общая шина блока внешнего ввода/вывода, оптическая общая операционная шина, оптическая общая портовая шина, местные шины ввода/вывода, оптические блоки ввода/вывода, оптические шины ввода/вывода, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов, местные шины связи с общей системной шиной, блок оптических портов, узел делителей, узел вычисления корней, корреляционный узел, векторный узел, матричный узел, причем входы/выходы каждого блока модификатора адреса, блока управления выполнением программы, блока местной памяти, блока управления вводом/выводом и флагами, блока внешнего ввода/вывода, операционного блока, блока оптических портов, блока синхронизации через соответствующие последовательно расположенные и связанные между собой местную шину ввода/вывода, оптический блок ввода/вывода, оптическую шину ввода/вывода, оптический блок дешифраторов входных/выходных сигналов, местную шину связи с общей системной шиной оптически связаны с оптической общей системной шиной, в блоке местной памяти местные шины ввода/вывода через оптическую общую шину местной памяти связаны соответственно с узлами памяти программ и узлами памяти данных, в блоке внешнего ввода/вывода местные шины ввода/вывода через оптическую общую шину блока внешнего ввода/вывода связаны соответственно с внешней шиной адреса и внешней шиной данных, в операционном блоке местные шины ввода/вывода через оптическую общую операционную шину связаны соответственно с арифметико-логическим узлом, узлом умножителей, узлом делителей, узлом вычисления корней, корреляционным узлом, узлом сдвига, векторным узлом, матричным узлом, в блоке оптических портов местные шины ввода/вывода через оптическую общую портовую шину связаны с соответствующими узлами оптических портов.
А также тем, что оптическая общая системная шина оптического цифрового сигнального процессора «ВЕРБ-3» Александра Вербовецкого по п.1, содержит одну единственную оптическую магистраль.
А также тем, что оптическая общая системная шина оптического цифрового сигнального процессора «ВЕРБ-3» Александра Вербовецкого по п.1 содержит оптические магистрали адресов и оптические магистрали данных.
А также тем, что в оптическом цифровом сигнальном процессоре «ВЕРБ-3» Александра Вербовецкого по п.1, узлы операционного блока, узлы блока местной памяти, узлы блока оптических портов, внешние шины адреса и данных и контроллер прямого доступа блока внешнего ввода/вывода имеют оптоэлектронное или оптическое выполнение.
Данная совокупность существенных признаков и связей между ними позволяет получить устройство, обладающее более чем в 1000 раз большей производительностью, помехозащищенностью и надежностью и более широкими функциональными возможностями за счет увеличения сигнальных функций.
Сущность изобретения заключается в том, что на основе использования оптических методов передачи сигналов и создания оптоэлектронной аппаратуры, использующей системы оптических шин, оригинальных схем оптического ввода/вывода сигналов, оригинальной структуры процессора, использования в нем множества элементарных операционных блоков, создана архитектура оптического цифрового сигнального процессора «ВЕРБ-3» Александра ВЕРБОВЕЦКОГО, позволяющая существенно повысить производительность, помехозащищенность, надежность процессора и различной аппаратуры, построенной на его основе, а также расширить его функциональные возможности за счет возможности выполнения множества сигнальных функций.
Таким образом, предложенный оптический цифровой сигнальный процессор «ВЕРБ-3» Александра ВЕРБОВЕЦКОГО 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 функциональная схема оптического цифрового сигнального процессора «ВЕРБ-3» Александра ВЕРБОВЕЦКОГО.
Оптический цифровой сигнальный процессор «ВЕРБ-3» Александра ВЕРБОВЕЦКОГО содержит: блок модификатора адреса 1, имеющий местные шины ввода/вывода 1-1, оптические блоки ввода/вывода 1-2, оптические шины ввода/вывода 1-3, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 1-4, местные шины связи с общей системной шиной 1-5; блок управления выполнением программы 2, имеющий местные шины ввода/вывода 2-1, оптические блоки ввода/вывода 2-2, оптические шины ввода/вывода 2-3, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 2-4, местные шины связи с общей системной шиной 2-5; блок местной памяти 3, содержащий узел памяти программ 3-П, узел памяти данных 3-Д, и оптическую общую шину местной памяти 3-Ш, имеющий местные шины ввода/вывода 3-1, оптические блоки ввода/вывода 3-2, оптические шины ввода/вывода 3-3, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 3-4, местные шины связи с общей системной шиной 3-5; блок управления вводом/выводом и флагами 4, имеющий местные шины ввода/вывода 4-1, оптические блоки ввода/вывода 4-2, оптические шины ввода/вывода 4-3, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 4-4, местные шины связи с общей системной шиной 4-5; блок внешнего ввода/вывода 5, содержащий внешнюю шину адреса 5-А, внешнюю шину данных 5-Д, контроллер прямого доступа 5-К, оптическую общую шину блока внешнего ввода/вывода 5-Ш, имеющий местные шины ввода/вывода 5-1, оптические блоки ввода/вывода 5-2, оптические шины ввода/вывода 5-3, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 5-4, местные шины связи с общей системной шиной 5-5; операционный блок 6, содержащий арифметико-логический узел 6-А, узел умножителей 6-У, узел делителей 6-Д, узел вычисления корней 6-ВК, корреляционный узел 6-К, узел сдвига 6-С, векторный узел 6-В, матричный узел 6-М, оптическую общую операционную шину 6-Ш, имеющий местные шины ввода/вывода 6-1, имеющий оптические блоки ввода/вывода 6-2, оптические шины ввода/вывода 6-3, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 6-4, местные шины связи с общей системной шиной 6-5; блок оптических портов 7, содержащий узлы оптических портов 7-Х и 7-У, имеющий внутреннюю оптическую магистраль ввода/вывода сигналов процессора 7-1, оптические блоки ввода/вывода в процессор 7-2, оптические шины ввода/вывода 7-3, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 7-4, местные шины связи с общей системной шиной 7-5; блок синхронизации 8, имеющий местные шины ввода/вывода 8-1, оптические блоки ввода/вывода 8-2, оптические шины ввода/вывода 8-3, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 8-4, местные шины связи с общей системной шиной 8-5; оптическую общую системную шину 9, содержащую оптические шины адресов узла памяти программ и узла памяти данных 9-1 и оптические шины данных узла памяти программ и узла памяти данных 9-2.
Блок модификатора адреса 1 служит для вычисления нового адреса после считывания ячейки памяти, то есть обеспечивает в процессоре косвенную адресацию, и может состоять, например, из двух модификаторов адресов, которые производят одновременное обращение к памяти программ и памяти данных. После считывания ячейки памяти каждый модификатор может автоматически модифицировать их адреса. Модификаторы адресов могут выполнять модульную адресную арифметику, для чего могут содержать три группы регистров: регистры модификации, служащие для постинкремента адреса; регистра индекса, предназначенные для косвенной адресации, и регистры длины буфера, при нулевом значении которых используются обычные линейные буфера, а при не нулевом значении этих регистров будет осуществляться циклическая адресация. Например, при кольцевой адресации, при которой по достижении конца буфера адрес автоматически устанавливается на начало, легко обеспечивается организация списков вида: первый пришел - первый вышел или последний пришел - первый вышел, которые значительно облегчают организацию ввода/вывода. Блок модификатора адреса 1 может иметь электронное, оптоэлектронное и оптическое выполнение.
Местные шины ввода/вывода 1-1 служат для передачи электрических или оптических сигналов, могут содержать магистрали адресов, данных и управления, имеющие в зависимости от варианта передаваемых сигналов, в качестве проводящей среды, например, металлические проводники, один, несколько или матрицу световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.
Оптические блоки ввода/вывода 1-2, служат для согласования и, в случае необходимости, преобразования входных/выходных электронных или оптических сигналов в оптические или электрические в соответствии с типом выполнения блока 1. Для преобразования входных электронных сигналов в оптические эти блоки могут быть выполнены, например, в виде линеек или матриц лазерных диодов, каждый из которых излучает, например, на своей длине волны λi, где i=1, 2, 3...р, при этом р - максимальное число сигналов, передаваемых параллельным кодом, а при передаче сигналов последовательно-параллельным кодом последовательные оптические сигналы передаются, например, каждым лазерным диодом на различных длинах волн λj (где j=1, 2, 3...s, s - максимальное число сигналов, передаваемых последовательным кодом), отличных от длин волн оптических сигналов, которые передаются параллельным кодом. Если на входы блока 1-2 поступают оптические сигналы; то на их входах дополнительно могут располагаться линейки или матрицы фотоприемников.
Оптические шины ввода/вывода 1-3 служат для передачи оптических сигналов и могут содержать магистрали адресов, данных и магистрали управления, имеющие в качестве передающей среды, например, один, несколько или матрицы световодов (волоконные и/или интегральные) или свободное пространство.
Оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 1-4 служат для выделения определенной группы спектральных оптических сигналов из множества групп спектральных оптических сигналов, распространяющихся по оптической общей системной шине 9, которые соответствуют блоку 1. Блок 1-4 может быть выполнен, например, на основе световодной (волоконной и/или интегральной) оптики с использованием дифракционных решеток или спектральных фильтров, мультиплексоров, демультиплексоров.
Местная шина связи с оптической общей системной шиной 1-5 служит для передачи оптических сигналов в/из оптической системной шины 9 от/к блоку 1 и может состоять из одной магистрали или содержать магистрали адресов, данных и управления. Магистрали могут быть выполнены в виде одного, нескольких или матриц световодов (волоконных и/или интегральных) или свободного пространства.
Блок управления выполнением программы 2 организует поток адресов инструкций и позволяет гибко управлять выполнением программы. Он позволяет последовательно выполнять инструкции, организовывать циклы, осуществлять сложный контроль прерываний, производить переходы и вызовы подпрограмм (как условные, так и безусловные). Блок 2 может осуществлять выбор адреса команды, например, из: счетчика команд (в случае последовательного выполнения программы или по завершении цикла), стека команд (при возврате из подпрограммы или из обработчика прерывания, а также при возврате в начало цикла); регистра инструкций (при выполнении прямого перехода - адрес перехода закодирован в теле инструкции); контроллера прерываний (при обслуживании прерывания - переход на соответствующий обработчик); блок модификации адресов (при косвенной адресации). Блок управления выполнением программы 2 управляет работой блоков процессора и некоторыми процедурами каналов ввода/вывода, формируя микропрограммы, которые хранятся в управляющей памяти. При этом согласно микрокоманде он выдает управляющие сигналы в соответствующие блоки процессора, формирует адрес следующей микрокоманды и обрабатывает прерывание микропрограмм. При прерывании микропрограммы в блоке запоминается адрес следующей подлежащей выполнению микрокоманды. Блок 2 может иметь электронное, оптоэлектронное или оптическое выполнение.
Шины 2-1, 2-3, 2-5 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.
Блоки 2-2, 2-4 имеют тоже назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.
Блок местной памяти 3 процессора содержит узел памяти программ 3-П и узел памяти данных 3-Д и предназначен, например, для хранения операндов и результатов операций, значения базовых адресов и индексов, данных блока восстановления и диагностики, управляющих слов активных подканалов. Блок местной памяти 3 осуществляет кэширование команд и данных и обеспечивает согласование пропускных способностей внешней к процессору памяти и операционного блока (для реализации в процессоре производительности равной производительности его операционных блоков) и может состоять из нескольких модулей кэш-памяти. Блок 3 может иметь, например, электронное, оптоэлектронное или оптическое выполнение.
Шины 3-1, 3-3, 3-5 имеют тоже назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.
Блоки 3-2, 3-4 имеют тоже назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.
Блок управления вводом/выводом и флагами 4 предназначен для осуществления динамического обмена данными между процессором и внешней по отношению к процессору памятью, в состав блока могут входить памяти ключей защиты, сверхоперативная память, память многоабонентного доступа, блок динамического преобразования адресов при реализации виртуальной памяти. Блок 4 может быть выполнен из электронных, оптоэлектронных и оптических компонент.
Шины 4-1, 4-3, 4-5 имеют тоже назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.
Блоки 4-2, 4-4 имеют тоже назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.
Блок внешнего ввода/вывода 5, содержащий внешнюю шину адреса 5-А, внешнюю шину данных 5-Д, контроллер прямого доступа 5-К, общую шину блока внешнего ввода/вывода 5-Ш, служит для передачи электрических или оптических сигналов из внешних по отношению к процессору устройств в/из процессора. В зависимости от передаваемых по шинам сигналов в качестве их передающей среды могут использоваться либо металлические проводники, либо один, несколько или матрицы световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.
Шины 5-1, 5-3, 5-5 имеют тоже назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.
Блоки 5-2, 5-4 имеют тоже назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.
Операционный блок 6, содержащий арифметико-логический узел 6-А, узел умножителей 6-У, узел делителей 6-Д, узел вычисления корней 6-ВК, корреляционный узел 6-К, узел сдвига 6-С, векторный узел 6-В, матричный узел 6-М, служит для выполнения математических и поисковых операций. Блок 6 может иметь электронное, оптоэлектронное и оптическое выполнение. Оптическое выполнение операционных узлов блока 6 описано в [3, 4].
Блок оптических портов 7, содержащий узлы оптических портов 7-Х и 7-У, предназначен для ввода и вывода данных и результатов обработки в виде оптических сигналов и может быть выполнен в виде оптических разъемов.
Внутренняя оптическая магистраль ввода/вывода сигналов процессора 7-1 служат для передачи оптических сигналов из внешних по отношению к процессору устройств в оптическую матричную общую системную шину процессора и может содержать одну магистраль или магистрали адресов, данных и управления, имеющие в качестве передающей среды, например, один несколько или матрицы световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.
Оптический блок ввода/вывода сигналов в процессор 7-2 служит для согласования внешних по отношению к процессору сигналов с оптическими сигналами передаваемыми по оптической общей системной шине процессора и может иметь выполнение аналогичное блоку 1-2.
Оптические шины ввода/вывода 7-3, 7-5 имеют тоже выполнение, что и 1-3, 1-5.
Оптический блок дешифраторов входных/выходных сигналов 7-4, имеют тоже назначение и выполнение, что и блок 1-4.
Блок синхронизации 8 предназначен для синхронизации работы блоков и узлов процессора и может иметь электронное, оптоэлектронное и оптическое выполнение.
Шины ввода/вывода 8-1, 8-3, 5-5 имеют тоже назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.
Блоки ввода/вывода 8-2, 8-4, имеют тоже назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.
Оптический цифровой сигнальный процессор «ВЕРБ-3» Александра ВЕРБОВЕЦКОГО работает следующим образом.
Входная/выходная для процессора ВЕРБ-3 информация и управляющие сигналы в оптическом или электрическом виде передаются из/во внешних(е) устройств(а) через блок внешнего ввода/вывода 5, местные шины ввода/вывода 5-1, оптические блоки ввода/вывода 5-2, оптические шины ввода/вывода 5-3, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 5-4, местные шины связи с общей системной шиной 5-5 в/из оптическую(ой) общую(ей) системную(ой) шину(ы) 9 оптическими сигналами со спектральным или временным уплотнением.
Каждый из передающих информацию: блоков 1-8 процессора, передает ее в виде электронных или оптических сигналов, которые через соответствующие шины 1-1, 1-3, 1-5...8-1, 8-3, 8-5 и блоки 1-2, 1-4... 8-2, 8-4 поступают в оптическую общую системную шину 9 в виде спектральных оптических сигналов со спектральным или временным уплотнением.
Спектральные оптические сигналы от всех передающих блоков 1-8 одновременно со спектральным уплотнением распространяются по оптической общей системной шине 9 и поступают во все входные местные оптические шины 1-5...8-5.
В каждом из принимающих информацию блоков 1-8, оптические блоки дешифраторов 1-4...8-4 настраиваются управляющими сигналами на пропускание групп спектральных оптических сигналов, передаваемых от соответствующих передающих информацию блоков, с которыми они производят сеанс связи. Затем выделенные этими блоками дешифрации оптические сигналы в данном принимающем канале преобразуются и поступают на обработку в соответствующие блоки 1-8.
Следует отметить, что передача информации по всем шинам системы может производиться сигналами, как только со спектральным уплотнением, так и одновременно со спектральным и временным уплотнением, а сеансы связи всех блоков системы могут осуществляться как одновременно, так и группами с разделением во времени.
Использование изобретения позволит увеличить более чем в 1000 раз производительность сигнального процессора, помехозащищенность и надежность, а также позволит расширить его функциональные возможности за счет выполнения множества сигнальных функций.
Такие оптические процессоры ВЕРБ-3 Александра ВЕРБОВЕЦКОГО могут широко применяться в разнообразной радиоэлектронной аппаратуре военного, ракетно-космического, экологического и бытового назначения как наземного, так и бортового базирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вербовецкий А.А. Основы компьютерных технологий & персональные ПК, Москва, АЛЕКС, 2003 г., с.314 (с.128).
2. Чугунов Н. Такие незаметные и незаменимые. CHIP+CD, 08.2001 г., с.52-57 (с.55).
3. Вербовецкий А.А. Современные методы создания оптической цифровой вычислительной техники. Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, -1999, №6, с.12-51.
4. Вербовецкий А.А. Оптические цифровые ассоциативные информационные технологии. Книга 2, - Москва.: АЛЕКС, 2003 г., 100 с.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ОПТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР ВЕРБ-1 АЛЕКСАНДРА ВЕРБОВЕЦКОГО | 2003 |
|
RU2263945C2 |
ОПТИЧЕСКИЙ АССОЦИАТИВНЫЙ ПОИСКОВЫЙ ПРОЦЕССОР "ВЕРБ-2" АЛЕКСАНДРА ВЕРБОВЕЦКОГО | 2003 |
|
RU2263946C2 |
ОПТИЧЕСКИЙ ЦИФРОВОЙ КОМПЬЮТЕР "АЛЕКС-ВЕРБ" АЛЕКСАНДРА ВЕРБОВЕЦКОГО | 2004 |
|
RU2284050C2 |
ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМНАЯ ПЛАТА ДЛЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА | 2001 |
|
RU2205443C2 |
ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ОБЩЕЙ СИСТЕМНОЙ ШИНОЙ | 1999 |
|
RU2144206C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОПРЯЖЕНИЯ ЭВМ С ТЕЛЕФОННЫМИ ЛИНИЯМИ СВЯЗИ | 1992 |
|
RU2006927C1 |
УПРАВЛЯЮЩАЯ ЭВМ | 2005 |
|
RU2316807C2 |
ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА | 1999 |
|
RU2155367C1 |
Аналого-цифровая вычислительная система и аналоговая вычислительная машина (ее варианты) | 1983 |
|
SU1259300A1 |
ОПТИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕЙСНАЯ СЕТЬ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПЕРИФЕРИИ | 2001 |
|
RU2206117C2 |
Изобретение относится к компьютерной технике. Техническим результатом является повышение производительности процессора, помехозащищенности и отказоустойчивости, а также расширение функциональных возможностей устройства. Процессор содержит системы оптических шин, блоки ввода/вывода, оптические блоки дешифрации входных/выходных сигналов, операционный блок, блок местной памяти, блок управления вводом/выводом, блок внешнего ввода/вывода, блок оптических портов, блок синхронизации, блок модификации адреса, блок управления выполнением программы. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ОБЩЕЙ СИСТЕМНОЙ ШИНОЙ | 1999 |
|
RU2144206C1 |
ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА | 1999 |
|
RU2155367C1 |
ОПТИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕЙСНАЯ СЕТЬ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПЕРИФЕРИИ | 2001 |
|
RU2206117C2 |
JP 3164816 А, 16.07.1991 | |||
US 4888722 А, 19.12.1989 | |||
ВЕРБОВЕЦКИЙ А.А | |||
Основы компьютерных технологий & современные ПК, Москва, Алекс, 2002, с.110-112. |
Авторы
Даты
2005-10-27—Публикация
2003-10-20—Подача