ОПТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР ВЕРБ-1 АЛЕКСАНДРА ВЕРБОВЕЦКОГО Российский патент 2005 года по МПК G06E1/00 G06F15/76 G06F13/36 

Изобретение относится к вычислительной и информационной технике и может быть использовано для создания разнообразной аппаратуры компьютерных и информационных технологий, в том числе военной, ракетно-космической, экологической и бытовой сферах.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является процессор [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.

Техническим результатом является повышение производительности, помехозащищенности и надежности процессоров, используемых в разнообразной аппаратуре компьютерных и информационных технологий.

Это достигается тем, что в оптический процессор, содержащий блок управления внешней памятью, блок местной памяти, блок микропрограммного управления, блок управляющей памяти, введены оптическая общая системная шина, блоки кэш памятей, блоки арифметико-логических операций с фиксированной точкой, блоки арифметико-логических операций с плавающей точкой, блоки конвейерных операций, блок управления процессора, оптический блок ввода/вывода сигналов процессора, внешняя магистраль ввода/вывода сигналов процессора, внутренняя оптическая магистраль ввода/вывода сигналов процессора, местные шины ввода/вывода, оптические блоки ввода/вывода, оптические шины ввода/вывода, оптические блоки дешифрации входных/выходных сигналов, местные шины связи с общей системной шиной, причем входы/выходы каждого блока управления внешней памятью, блока местной памяти, блока микропрограммного управления, блока управляющей памяти, блока кэш памятей, блоков арифметико-логических операций с фиксированной точкой, блоков арифметико-логических операций с плавающей точкой, блоков конвейерных операций, блока управления процессора, 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, входы/выходы которой через последовательно расположенные и оптически связанные внутреннюю оптическую магистраль ввода/вывода сигналов процессора, оптический блок ввода/вывода сигналов в процессор связаны с внешней магистралью ввода/вывода сигналов в процессор, вход/выход которой является входом/выходом оптического процессора.

А также тем, что оптическая общая системная шина содержит одну единственную оптическую магистраль.

А также тем, что оптическая общая системная шина содержит оптическую магистраль адресов, оптическую магистраль данных, оптическую магистраль управления.

Данная совокупность существенных признаков и связей между ними позволяет получить устройство, обладающее более чем в 1000 раз большей производительностью, помехозащищенностью и надежностью.

Сущность изобретения заключается в том, что на основе использования оптических методов передачи сигналов, применения оптической общей системной шины, использующей в качестве передающей среды свободное пространство и/или световоды (волоконные и/или интегральные), оригинальных схем оптического ввода/вывода сигналов из блоков процессора, оригинальной структуры процессора создана архитектура оптического процессора ВЕРБ-1 Александра ВЕРБОВЕЦКОГО, позволяющая существенно повысить производительность, помехозащищенность и надежность процессоров и различной аппаратуры, построенной на их основе.

Таким образом, предложенный оптический процессор ВЕРБ-1 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 процессора ВЕРБ-1 Александра ВЕРБОВЕЦКОГО.

Оптический процессор ВЕРБ-1 Александра ВЕРБОВЕЦКОГО содержит:

блок управления внешней памятью 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 микропрограммного управления 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, 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 кэш памятей 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 арифметико-логических операций с фиксированной точкой 5, 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; блок арифметико-логических операций с плавающей точкой 6, имеющий местные шины ввода/вывода 6-1, 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; блоки конвейерных операций 7, имеющие местные шины ввода/вывода 7-1, оптические блоки ввода/вывода 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 управляющей памяти 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; блок управления процессором 9, имеющий местные шины ввода/вывода 9-1, оптические блоки ввода/вывода 9-2, оптические шины ввода/вывода 9-3, оптические блоки дешифраторов входных/выходных сигналов 9-4, местные шины связи с общей системной шиной 9-5; оптическую общую системную шину 10; внутреннюю оптическую магистраль ввода/вывода сигналов процессора 11; оптический блок ввода/вывода сигналов в процессор 12; внешняя магистраль ввода/вывода сигналов в процессор 13.

Блок управления внешней памятью 1 предназначен для осуществления динамического обмена данными между процессором и внешней по отношению к процессору памятью, в состав блока могут входить памяти ключей защиты, сверх оперативная память, память многоабонентного доступа, блок динамического преобразования адресов при реализации виртуальной памяти. Блок 1 может быть выполнен на электронных, оптоэлектронных и оптических компонентах.

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 или несколько 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 λ_i, 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 λ_j (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 или несколько 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 10, 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 10 от/к блоку 1 и может состоять из одной магистрали или содержать магистрали адресов, данных и управления. Магистрали могут быть выполнены в виде одного или нескольких световодов (волоконных и/или интегральных) или свободного пространства.

Блок микропрограммного управления 2 осуществляет в режиме разделения времени или спектрального уплотнения управление работой блоками процессора и некоторыми процедурами каналов ввода/вывода, используя для этого микропрограммы, хранящиеся в управляющей памяти. При этом он выдает предписание микрокомандой 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 то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.

Блок местной памяти 3 процессора может служить для хранения операндов и результатов операций, значения базовых адресов и индексов, данных блока восстановления и диагностики, управляющих слов активных подканалов. Блок 3 может иметь, например, электронное, оптоэлектронное или оптическое выполнение.

Шины 3-1, 3-3, 3-5 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.

Блоки 3-2, 3-4 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.

Блок кэш памятей 4 служит для согласования пропускных способностей внешней к процессору памяти и процессора для реализации в процессоре производительности, равной производительности его операционных блоков, и может состоять из нескольких модулей кэш-памяти. Блок 4 может быть выполнен на электронных, оптоэлектронных и оптических элементах.

Шины 4-1, 4-3, 4-5 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.

Блоки 4-2, 4-4 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.

Блок арифметико-логических операций с фиксированной точкой 5 служит для выполнения арифметических операций с двоичными числами с фиксированной точкой, шестнадцатеричными (двоично-кодированными) числами с плавающей точкой, десятичными (двоично-кодированными) числами переменной длины, логические операции над логическими кодами фиксированной и переменной длины, операции над алфавитно-цифровыми полями, операции формирования исполнительных адресов операндов. Блок 5 может быть выполнен на электронных, оптоэлектронных и оптических элементах.

Шины 5-1, 5-3, 5-5 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.

Блоки 5-2, 5-4 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.

Блок арифметико-логических операций с плавающей точкой 6 служит для выполнения арифметических и логических операций над кодами слов, представленными числами с плавающей точкой. Блок 6 может быть выполнен на электронных, оптоэлектронных и оптических элементах.

Шины 5-1, 5-3, 5-5 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.

Блоки 5-2, 5-4 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.

Шины 6-1, 6-3, 6-5 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.

Блоки 6-2, 6-4 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.

Блоки конвейерных операций 7 служат для выполнения операций при обработке информации на конвейерном принципе, например при выполнении матричных операций. Блок 7 может быть выполнен на электронных, оптоэлектронных и оптических элементах.

Шины 7-1, 7-3, 7-5 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.

Блоки 7-2, 7-4 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.

Блок управляющей памяти 8 предназначен для хранения микропрограмм управления и является полностью перезагружаемой. Блок 8 может быть выполнен на электронных, оптоэлектронных и оптических элементах.

Шины 8-1, 8-3, 8-5 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.

Блоки 8-2, 8-4 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.

Блок управления процессором 9 предназначен для управления работой процессора и основан на смешанном аппаратно-микропрограммном принципе. Блок 8 может быть выполнен на электронных, оптоэлектронных и оптических элементах.

Шины 9-1, 9-3, 9-5 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные шины 1-1, 1-3, 1-5.

Блоки 9-2, 9-4 имеют то же назначение и выполнение, что и аналогичные блоки 1-2, 1-4.

Оптическая общая системная шина 10 служит для передачи оптических сигналов между различными блоками оптического процессора и может содержать одну единственную оптическую магистраль в виде одного световода (волоконного и/или интегрального) или свободного пространства, или может содержать магистраль адресов, магистраль данных и магистраль управления. Каждая магистраль может иметь в качестве передающей оптической среды, один или несколько световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.

Внутренняя оптическая магистраль ввода/вывода сигналов процессора 11 служит для передачи оптических сигналов из внешних по отношению к процессору устройств в оптическую общую системную шину процессора и может содержать одну магистраль или магистрали адресов, данных и управления, имеющие в качестве передающей среды, например, один или несколько световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.

Оптический блок ввода/вывода сигналов в процессор 12 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.

Внешняя магистраль ввода/вывода сигналов в процессор 13 служит для передачи электрических или оптических сигналов из внешних по отношению к процессору устройств в или из процессора и может содержать одну магистраль или магистрали адресов, данных и управления. В зависимости от передаваемых по магистралям сигналов, в качестве их передающей среды могут использоваться либо металлические проводники, либо один или несколько световодов (волоконных и/или интегральных) или свободное пространство.

Оптический процессор ВЕРБ-1 Александра ВЕРБОВЕЦКОГО работает следующим образом.

Каждый из передающих информацию: блоков 1-9 процессора, передает ее в виде электронных или оптических сигналов, которые через соответствующие шины 1-1, 1-3, 1-5...9-1, 9-3, 9-5 и блоки 1-2, 1-4...9-2, 9-4 поступают в оптическую общую системную шину 10 в виде спектральных оптических сигналов со спектральным или временным уплотнением.

Спектральные оптические сигналы от всех передающих блоков 1-9 одновременно со спектральным уплотнением распространяются по общей системной шине 10 и поступают во все входные местные оптические шины 1-5...9-5.

В каждом из принимающих информацию блоков 1-9 оптические блоки дешифраторов 1-4...9-4 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 1-9.

Следует отметить, что передача информации по всем шинам системы может производиться сигналами как только со спектральным уплотнением, так и одновременно со спектральным и временным уплотнениями, а сеансы связи всех блоков системы могут осуществляться как одновременно, так и группами с разделением во времени.

Использование изобретения позволит реализовать оптическими методами связь между блоками процессора по оптической общей системной шине, увеличив более чем в 1000 раз его производительность, помехозащищенность и надежность. Такие оптические процессоры ВЕРБ-1 Александра ВЕРБОВЕЦКОГО могут широко применяться в разнообразной радиоэлектронной аппаратуре военного, ракетно-космического, экологического и бытового назначения как наземного, так и бортового базирования.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.А.Вербовецкий «Основы компьютерных технологий & персональные ПК», Москва, АЛЕКС, 2003 г., с.314 (с.128).

Изобретение относится к компьютерной и информационной технике, а именно к вычислительным устройствам, выполненным на оптоэлектронной элементной базе. Техническим результатом является повышение производительности, помехозащищенности и отказоустойчивости заявленного устройства в условиях воздействия мощных электромагнитных полей на аппаратуру как наземного, так и бортового базирования, используемую в разнообразных компьютерных и информационных технологиях. Для этого процессор содержит блок управления внешней памятью, блок местной памяти, блок микропрограммного управления, блок управляющей памяти, оптическую общую системную шину, блоки кэш памятей, блоки арифметико-логических операций с плавающей точкой, блоки арифметико-логических операций с фиксированной точкой, блоки конвейерных операций, блок управления процессора, оптический блок ввода/вывода сигналов процессора, внутренняя оптическая магистраль ввода/вывода сигналов процессора, местные шины ввода/вывода, оптические блоки ввода/вывода, оптические шины ввода/вывода, оптические блоки дешифрации входных/выходных сигналов, местные шины связи с общей системной шиной. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптический процессор, содержащий блок управления внешней памятью, блок местной памяти, блок микропрограммного управления, блок управляющей памяти, отличающийся тем, что в процессор введены оптическая общая системная шина, блоки кэш памятей, блоки арифметико-логических операций с фиксированной точкой, блоки арифметико-логических операций с плавающей точкой, блоки конвейерных операций, блок управления процессора, оптический блок ввода/вывода сигналов процессора, внешняя магистраль ввода/вывода сигналов процессора, внутренняя оптическая магистраль ввода/вывода сигналов процессора, местные шины ввода/вывода, оптические блоки ввода/вывода, оптические шины ввода/вывода, оптические блоки дешифрации входных/выходных сигналов, местные шины связи с общей системной шиной, причем входы/выходы каждого блока управления внешней памятью, блока местной памяти, блока микропрограммного управления, блока управляющей памяти, блока кэш памятей, блоков арифметико-логических операций с фиксированной точкой, блоков арифметико-логических операций с плавающей точкой, блоков конвейерных операций, блока управления процессора 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, входы/выходы которой через последовательно расположенные и оптически связанные внутреннюю оптическую магистраль ввода/вывода сигналов процессора, оптический блок ввода/вывода сигналов в процессор связаны с внешней магистралью ввода/вывода сигналов в процессор, вход/выход которой является входом/выходом оптического процессора.2. Оптический процессор по п.1, отличающийся тем, что оптическая общая системная шина содержит одну единственную оптическую магистраль.3. Оптический процессор по п.1, отличающийся тем, что оптическая общая системная шина содержит оптическую магистраль адресов, оптическую магистраль данных, оптическую магистраль управления.