ОПТИЧЕСКАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА, А ТАКЖЕ ОПТИЧЕСКИЙ ПОДБЛОК ПОЛИХРОМАТИЧЕСКИХ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ И ОПТИЧЕСКИЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ТАКТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ НЕЕ Российский патент 2007 года по МПК G06E3/00 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации.

Известна вычислительная машина, построенная по схеме Неймана [К.Фрике. "Мир электроники". Вводный курс цифровой электроники, - М.: Техносфера, 2003 г., стр.356, рис.15.2], содержащая арифметико-логическое устройство, устройство управления, мультиплексоры, оперативную память, устройство ввода-вывода, тактовый генератор.

Недостатком вышеописанной вычислительной машины является низкое быстродействие, отсутствие устойчивости к электромагнитным воздействиям и большой расход потребляемой энергии.

Известна оптическая вычислительная машина, принятая за прототип [патент RU №2178580], содержащая оптический объединитель, оптический ответвитель, оптический усилитель и оптический бистабильный элемент.

Недостатком вышеописанной оптической вычислительной машины является невозможность реализации функций вычислительной машины, построенной по схеме Неймана.

Известен оптический цифроаналоговый (функциональный) преобразователь [А.С.Семенов и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Радио и связь, с.190], содержащий неуправляемые направленные ответвители (оптические волноводы) и электрооптические модуляторы, недостатком которого является низкое быстродействие.

Известен оптический цифроаналоговый (функциональный) преобразователь, принятый за прототип [патент RU №2020550], содержащий последовательно соединенные неуправляемые направленные Y-разветвители (оптические волноводы).

Недостатком данного оптического цифроаналогового (функционального) преобразователя является отсутствие возможности одновременного преобразования группы входных монохроматических параллельных двоичных кодов.

Известен оптический тактовый генератор (мультивибратор) [А.С.Семенов и др. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации. - М.: Радио и связь, с.190], содержащий управляемые волноводные переключатели (оптические бистабильные элементы).

Недостатком вышеописанного оптического тактового генератора является низкое быстродействие.

Известен оптический мультивибратор (тактовый генератор), принятый за прототип [патент RU №2050017], содержащий источник постоянного оптического сигнала, оптический бистабильный элемент и четыре неуправляемых направленных ответвителя (оптических волновода). Источник постоянного оптического сигнала оптически связан с входным ответвителем, который в свою очередь соединен с выходом второго ответвителя, выход входного ответвителя объединен с входом второго ответвителя и выходом третьего ответвителя, выход которого соединен с входом оптического бистабильного элемента, оптически связанного по отраженному потоку с входом второго ответвителя, а выход оптического бистабильного элемента соединен с входом четвертого ответвителя, выход которого является выходом мультивибратора.

Недостатком вышеописанного оптического мультивибратора (тактового генератора) является отсутствие возможности регулировки периода и длительности формируемых им оптических тактовых импульсов входными задающими сигналами.

Задачей изобретения является создание оптической вычислительной машины, а также оптического подблока полихроматических цифроаналоговых преобразований и оптического управляемого тактового генератора для нее, позволяющих повысить производительность вычислительного процесса до 10¹¹-10¹² операций в секунду при одновременном обеспечении его защищенности от электромагнитных воздействий и резком снижении потребляемой энергии.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей, повышение быстродействия и устойчивости к электромагнитным воздействиям, снижение энергопотребления.

Поставленная задача решается при помощи изобретения: оптической вычислительной машины, а также оптического подблока полихроматических цифроаналоговых преобразований и оптического управляемого тактового генератора для нее, представляющих собой единый изобретательский замысел.

Оптическая вычислительная машина состоит из оптического процессора (ОП), оптического устройства ввода-вывода (ОУВВ), оптической оперативной памяти (ООП), оптического управляемого тактового генератора (ОУТГ). Причем оптический процессор (ОП) содержит оптическое арифметико-логическое устройство (ОАЛУ), оптическое устройство управления (ОУУ), первый и второй оптические мультиплексоры (ОМ), оптический блок ускоренных цифровых вычислений (ОБУЦВ), состоящий из группы оптических цифровых умножителей (ОЦУ) и группы оптических кодовых компараторов (ОКК), оптический блок полихроматических цифроаналоговых преобразований (ОБПЦАП), состоящий из управляющего оптического цифроаналогового преобразователя (ОЦАП) и группы одинаковых оптических подблоков полихроматических цифроаналоговых преобразований (ППЦАП), оптический блок ускоренных матричных и нелинейных преобразований (ОБУМНП), состоящий из оптического умножителя матриц (ОУМ) и оптического блока нелинейных функциональных преобразований (ОБНФП), оптический блок решения дифференциальных уравнений (ОБРДУ), состоящий из оптического многофункционального блока решения уравнений (ОМБРУ), оптического блока решения системы дифференциальных уравнений (ОБРСДУ) и оптического блока решения дифференциальных уравнений в частных производных (ОБРДУЧП), оптический блок статистического анализа (ОБСА), состоящий из оптического блока вычисления характеристических функций (ОБВХФ), оптического блока формирования вариационных рядов (ОБФВР), оптического блока проверки гипотез (ОБПГ), оптического генератора псевдослучайных последовательностей (ОГПСП) и оптического генератора хаотических последовательностей (ОГХП), матричный оптический аналого-цифровой преобразователь (МОАЦП). Оптическое устройство ввода-вывода (ОУВВ) содержит третий оптический мультиплексор (ОМ), оптический блок управления интерфейсом (ОБУИ), оптический аналого-цифровой преобразователь (ОАЦП) и группу оптических буферных регистров (ОБР); управляющие входы третьего оптического мультиплексора (ОМ) в ОУВВ соединены с выходами ОБУИ, а информационные входы третьего оптического мультиплексора (ОМ) являются аналоговым входом оптической вычислительной машины (ОВМ), выходы же третьего ОМ подключены к управляющим входам оптического дефлектора и оптического управляемого транспаранта в ОУТГ, а также ко входам ОАЦП, ОБНФП, ОБВХФ, ОБФВР, ОБПГ. Выход ОАЦП подключен ко входам соответствующего оптического регистра группы оптических буферных регистров ОБР, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами ОБУИ. Остальные выходы ОБУИ подключены к соответствующим входам ОУУ. Синхронизирующий вход ОБУИ соединен с выходом ОУТГ, подключенным также к синхронизирующим входам ООП, ОУУ, ОАЛУ. Выходы тех оптических регистров группы ОБР, входы которых соединены с выходами оптических регистров ОАЛУ, являются цифровым выходом ОВМ, а входы тех оптических регистров группы оптических буферных регистров ОБР, выходы которых подключены ко входам оптических регистров ОАЛУ, являются цифровым входом ОВМ. Выходы ОАЛУ подключены к информационным входам первого ОМ в ОП, ко входам ООП и ОУУ. Выходы ООП соответственно подключены к соответствующим входам ОАЛУ и ОУУ, выходы ОУУ подключены ко входам ОБУИ, ООП, ОАЛУ, управляющего ОЦАП, к управляющим входам первого ОМ, второго ОМ, матричного ОАЦП, а выходы первого ОМ подключены ко входам ОЦУ и ОКК в ОБУЦВ, а также к информационным входам всех оптических подблоков полихроматических цифроаналоговых преобразований ОБПЦАП, управляющие входы которых соединены с выходом управляющего ОЦАП. Выходы ОЦУ и ОКК в ОБУЦВ подключены ко входам ОАЛУ. Выходы ОБПЦАП - к информационным входам второго ОМ, а выходы второго ОМ подключены ко входам ОУМ и ОБНФП в ОБУМНП, ко входам ОМБРУ, ко входам ОБРСДУ и ОБРДУЧП в ОБРДУ, ко входам ОБВХФ, ко входам ОБФВР и ОБПГ в ОБСА. Выход ОГПСП в ОБСА подключен к соответствующему входу ОАЛУ. Выходы ОУМ и ОБНФП в ОБУМНП, ОМБРУ, ОБРСДУ и ОБРДУЧП в ОБРДУ, ОБВХФ, ОБФВР, ОБПГ и ОГХП в ОБСА подключены к соответствующим входам матричного ОАЦП, выходы которого подключены к соответствующим входам ОАЛУ.

Оптический подблок полихроматических цифроаналоговых преобразований создан для оптического блока полихроматических цифроаналоговых преобразований (ОБПЦАП), входящего в оптический процессор (ОП) заявляемой оптической вычислительной машины, и призван обеспечить реализацию возможности одновременного цифроаналогового преобразования группы входных параллельных двоичных кодов, представленных в данном устройстве в виде монохроматических оптических сигналов. Подобная операция позволяет существенно повысить быстродействие ОВМ. Оптический подблок полихроматических цифроаналоговых преобразований включает последовательно включенные преобразователь частоты, группу диспергирующих элементов (ДЭ), группу оптических волноводов различной длины, объединенных по выходу по одноименным оптическим волноводам, а также ОЦАП и выходной диспергирующий элемент. Выходы диспергирующего элемента являются выходами подблока, а информационный и управляющий входы преобразователя частоты являются соответствующими входами подблока. Оптический управляемый тактовый генератор создан также для оптической вычислительной машины и позволяет обеспечить управляемый по частоте расчет процессов, протекающих с различной скоростью, в реальном масштабе времени. Предложенный оптический управляемый тактовый генератор (ОУТГ) содержит пять оптических волноводов различной длины, источник постоянного оптического сигнала, оптический бистабильный элемент (ОБЭ). Выход оптического бистабильного элемента (ОБЭ) через выходной первый оптический волновод подключен к выходу генератора. Выход источника постоянного оптического сигнала подключен через входной второй оптический волновод к информационному входу оптического управляемого транспаранта (ОУТ), выход которого через третий оптический волновод, объединенный по выходу с четвертым оптическим волноводом, подключен ко входу оптического бистабильного элемента (ОБЭ). Инверсный выход оптического бистабильного элемента (ОБЭ) через пятый оптический волновод подключен к информационному входу оптического дефлектора (ОД), выход которого подключен ко входу четвертого оптического волновода. Управляющие входы оптического дефлектора (ОД) и оптического управляемого транспаранта (ОУТ) соединены с соответствующими выходами третьего оптического мультиплексора (ОМ) в оптическом устройстве ввода-вывода (ОУВВ).

На фиг.1 представлена функциональная схема оптической вычислительной машины, на фиг.2 представлена функциональная схема оптического подблока полихроматических цифроаналоговых преобразований оптического блока полихроматических цифроаналоговых преобразований, на фиг.3 представлена функциональная схема оптического управляемого тактового генератора.

Оптическая вычислительная машина, представленная на фиг.1, состоит из оптического процессора (ОП) 1, оптического устройства ввода-вывода (ОУВВ) 2, оптической оперативной памяти (ООП) 3, оптического управляемого тактового генератора (ОУТГ) 4. Причем оптический процессор (ОП) 1 содержит оптическое арифметико-логическое устройство (ОАЛУ) 1₁, оптическое устройство управления (ОУУ) 1₂, первый и второй оптические мультиплексоры (ОМ) 1₃₁, 1₃₂,оптический блок ускоренных цифровых вычислений (ОБУЦВ) 1₄, состоящий из группы оптических цифровых умножителей (ОЦУ) 1₄₁ и группы оптических кодовых компараторов (ОКК) 1₄₂; оптический блок полихроматических цифроаналоговых преобразований (ОБПЦАП) 1₅, состоящий из управляющего оптического цифроаналогового преобразователя (ОЦАП) 1₅₁ и группы одинаковых оптических подблоков полихроматических цифроаналоговых преобразований (ППЦАП) 1₅₂ (внутренняя структура данного блока подробно представлена на фиг.2); оптический блок ускоренных матричных и нелинейных преобразований (ОБУМНП) 1₆, состоящий из оптического умножителя матриц (ОУМ) 1₆₁ и оптического блока нелинейных функциональных преобразований (ОБНФП) 1₆₂, оптический блок решения дифференциальных уравнений (ОБРДУ) 1₇, состоящий из оптического многофункционального блока решения уравнений (ОМБРУ) 1₇₁, оптического блока решения системы дифференциальных уравнений (ОБРСДУ) 1₇₂ и оптического блока решения дифференциальных уравнений в частных производных (ОБРДУЧП) 1₇₃; оптический блок статистического анализа (ОБСА) 1₈, состоящий из оптического блока вычисления характеристических функций (ОБВХФ) 1₈₁, оптического блока формирования вариационных рядов (ОБФВР) 1₈₂, оптического блока проверки гипотез (ОБПГ) 1₈₃, оптического генератора псевдослучайных последовательностей (ОГПСП) 1₈₄ и оптического генератора хаотических последовательностей (ОГХП) 1₈₅; матричный оптический аналого-цифровой преобразователь (МОАЦП) 1₉. Оптическое устройство ввода-вывода (ОУВВ) 2 содержит третий оптический мультиплексор (ОМ) 2₁, оптический блок управления интерфейсом (ОБУИ) 2₂, оптический аналого-цифровой преобразователь (ОАЦП) 2₃ и группу оптических буферных регистров (ОБР) 2₄; управляющие входы третьего оптического мультиплексора (ОМ) 2₁ в ОУВВ 2 соединены с выходами ОБУИ 2₂, a информационные входы третьего оптического мультиплексора (ОМ) 2₁ являются аналоговым входом оптической вычислительной машины, выходы же третьего ОМ 2₁ подключены к управляющим входам оптического дефлектора 4₉ и оптического управляемого транспаранта 4₈ в ОУТГ 4 (внутренняя структура данного блока подробно представлена на фиг.3), а также ко входам ОАЦП 2₃, ОБНФП 1₆₂, ОБВХФ 1₈₁, ОБФВР 1₈₂, ОБПГ 1₈₃. Выход ОАЦП 2₃ подключен ко входам соответствующего оптического регистра группы оптических буферных регистров ОБР 2₄, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами ОБУИ 2₂, остальные выходы ОБУИ 2₂ подключены к соответствующим входам ОУУ 1₂. Синхронизирующий вход ОБУИ 2₂ соединен с выходом ОУТГ 4, подключенным также к синхронизирующим входам ООП 3, ОУУ 1₂, ОАЛУ 1₁. Выходы тех оптических регистров группы ОБР 2₄, входы которых соединены с выходами оптических регистров ОАЛУ 1₁, являются цифровым выходом ОВМ, а входы тех оптических регистров группы оптических буферных регистров ОБР 2₄, выходы которых подключены ко входам оптических регистров ОАЛУ 1₁, являются цифровым входом ОВМ. Выходы ОАЛУ 1₁ подключены к информационным входам первого ОМ 1₃₁ в ОП 1, ко входам ООП 3 и ОУУ 1₂. Выходы ООП 3 соответственно подключены к соответствующим входам ОАЛУ 1₁ и ОУУ 1₂. Выходы ОУУ 1₂ подключены ко входам ОБУИ 2₂, ООП 3, ОАЛУ 1₁, управляющего ОЦАП 1₅₁, к управляющим входам первого ОМ 1₃₁, второго ОМ 1₃₂, матричного ОАЦП 1₉, a выходы первого ОМ 1₃₁ подключены ко входам ОЦУ 1₄₁ и ОКК 1₄₂ в ОБУЦВ 1₄, а также к информационным входам всех оптических подблоков полихроматических цифроаналоговых преобразований 1₅₂ ОБПЦАП 1₅, управляющие входы которых соединены с выходом управляющего ОЦАП 1₅₁. Выходы ОЦУ 1₄₁ и ОКК 1₄₂ в ОБУЦВ 1₄ подключены ко входам ОАЛУ 1₁. Выходы ОБПЦАП 1₅ - к информационным входам второго ОМ 1₃₂, а выходы второго ОМ 1₃₂ подключены ко входам ОУМ 1₆₁ и ОБНФП 1₆₂ в ОБУМНП 1₆, ОМБРУ 1₇₁, ОБРСДУ 1₇₂ и ОБРДУЧП 1₇₃ в ОБРДУ 1₇, ОБВХФ 1₈₁, ОБФВР 1₈₂ и ОБПГ 1₈₃ в ОБСА 1₈. Выход ОГПСП 1₈₄ в ОБСА 1₈ подключен к соответствующему входу ОАЛУ 1₁. Выходы ОУМ 1₆₁ и ОБНФП 1₆₂ в ОБУМНП 1₆, ОМБРУ 1₇₁, ОБРСДУ 1₇₂ и ОБРДУЧП 1₇₃ в ОБРДУ 1₇, ОБВХФ 1₈₁, ОБФВР 1₈₂, ОБПГ 1₈₃ и ОГХП 1₈₅ в ОБСА 1₈ подключены к соответствующим входам матричного ОАЦП 1₉, выходы которого подключены к соответствующим входам ОАЛУ 1₁.

Оптическое арифметико-логическое устройство (ОАЛУ) 1₁ содержит оптические логические элементы, оптические регистры и оптические сумматоры - его функциональная схема может быть, например, выполнена в соответствии со схемой устройства АЛУ, описанного в книге Б.М.Кагана "Электронные вычислительные машины и системы", 3-е издание, - М: Энергоатомиздат, 1991 г., стр.199-201.

Оптическое устройство управления (ОУУ) 1₂ содержит оптические логические элементы, оптические регистры и оптические счетчики - его функциональная схема может быть, например, выполнена в соответствии со схемой устройства управления, описанного в книге К.Фрике "Мир электроники". Вводный курс цифровой электроники, - М.: Техносфера, 2003 г., стр.359, рис.15.4.

Оптический блок ускоренных цифровых вычислений (ОБУЦВ) 1₄ предназначен для скоростного выполнения наиболее затратных по времени операций с двоичными кодами - их умножения и сравнения.

ОБУЦВ 1₄ состоит из группы оптических цифровых умножителей (ОЦУ) 1₄₁, которые могут быть, например, выполнены в соответствии со схемой устройства, описанного в патенте RU №2022328, и группы оптических кодовых компараторов (ОКК) 1₄₂, которые могут быть, например, выполнены в соответствии со схемой устройства, описанного в патенте RU №2106064.

Оптический блок полихроматических цифроаналоговых преобразований (ОБПЦАП) 1₅ состоит из управляющего оптического цифроаналогового преобразователя (ОЦАП) 1₅₁, который может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в патенте RU №2020550, и группы одинаковых оптических подблоков полихроматических цифроаналоговых преобразований 1₅₂, описанных ниже.

Оптический блок ускоренных матричных и нелинейных преобразований (ОБУМНП) 1₆ предназначен для скоростного выполнения наиболее затратных по времени аналоговых операций - умножения матриц и вычисления заданных нелинейных функциональных преобразований.

ОБУМНП 1₆ состоит из оптического умножителя матриц (ОУМ) 1₆₁, который может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в патенте RU №2018919, и оптического блока нелинейных функциональных преобразований (ОБНФП) 1₆₂, представляющего собой группу одинаковых оптических нелинейных функциональных преобразователей (НФП), которые могут быть, например, выполнены в соответствии со схемой устройства, описанного в А.С. СССР №1711141.

Оптический блок решения дифференциальных уравнений (ОБРДУ) 1₇ предназначен для решения в реальном масштабе времени системы однородных и неоднородных обыкновенных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений в частных производных и интегральных уравнений.

ОБРДУ 1₇ состоит из оптического многофункционального блока решения уравнений (ОМБРУ) 1₇₁, который может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в а.с. СССР №1705814, оптического блока решения системы дифференциальных уравнений (ОБРСДУ) 1₇₂, который может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в патенте RU №2053543, и оптического блока решения дифференциальных уравнений в частных производных (ОБРДУЧП) 1₇₃, который может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в а.с. СССР №1830526.

Оптический блок статистического анализа (ОБСА) 1₈ предназначен для решения в реальном масштабе времени наиболее затратных по времени операций статистического анализа случайных последовательностей - вычисления их характеристических функций и формирования вариационных рядов, проверки гипотез об их распределении, а также для скоростного выполнения операций формирования псевдослучайных и хаотических последовательностей.

ОБСА 1₈ состоит из оптического блока вычисления характеристических функций (ОБВХФ) 1₈₁, который может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в а.с. СССР №1575769, оптического блока формирования вариационных рядов (ОБФВР) 1₈₂, который может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в а.с. СССР №1539757, оптического блока проверки гипотез (ОБПГ) 1₈₃, который может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в патенте RU №2018917, оптического генератора псевдослучайных последовательностей (ОГПСП) 1₈₄, который может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в патенте RU №2178580, и оптического генератора хаотических последовательностей (ОГХП) 1₈₅, который может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в патенте RU №2190872.

Матричный оптический аналогово-цифровой преобразователь (МОАЦП) 1₉ состоит из группы - матрицы оптических аналогово-цифровых преобразователей (ОАЦП), каждый из которых может быть, например, выполнен в соответствии со схемой устройства, описанного в патенте RU №2177165.

Оптический блок управления интерфейсом (ОБУИ) 2₂ содержит оптические логические элементы, оптические регистры, оптические сумматоры и оптические счетчики - его функциональная схема может быть, например, выполнена, как описано в книге Авдеева В.А., Гузика В.Ф. "Компьютеры: шины, контроллеры, периферийные устройства", - М: Радио и связь, 2001 г., стр.149-151, рис.6.38, 6.39, 6.40.

Оптические регистры группы оптических буферных регистров ОБР 2₄ могут быть, например, выполнены в соответствии со схемой устройства, описанного в Бюллетене изобретений РФ №2, 1999 г., заявка на изобретение №96104892.

Оптическая оперативная память (ООП) 3 содержит оптические логические элементы, оптические регистры и оптические счетчики - ее функциональная схема может быть, например, выполнена, как описано в книге К.Фрике "Мир электроники", Вводный курс цифровой электроники, - М.: Техносфера, 2003 г., стр.301-302.

Оптические сумматоры могут быть, например, выполнены в соответствии со схемой устройства, описанного в патенте RU №2022327.

Оптические счетчики могут быть, например, выполнены в соответствии со схемой устройства, описанного в Бюллетене изобретений РФ №17, 1998 г., заявка на изобретение №96104894.

Оптический подблок полихроматических цифроаналоговых преобразований 1₅₂ ОБПЦАП 1₅, представленный на фиг.2, включает последовательно включенные преобразователь частоты 1^пч ₅₂, группу диспергирующих элементов (ДЭ) 1^дэ ₅₂, группу оптических волноводов различной длины 1^ов ₅₂, объединенных по выходу по одноименным оптическим волноводам, а также ОЦАП 1^цап ₅₂ и выходной диспергирующий элемент 1^вдэ ₅₂, выходы которого являются выходами подблока 1₅₂, a информационный и управляющий входы преобразователя частоты 1^пч ₅₂ являются соответствующими входами подблока 1₅₂.

Оптический управляемый тактовый генератор (ОУТГ) 4, представленный на фиг.3, содержит пять оптических волноводов 4₁, 4₂, 4₃, 4₄, 4₅, источник постоянного оптического сигнала 4₆, оптический бистабильный элемент (ОБЭ) 4₇. Выход оптического бистабильного элемента (ОБЭ) 4₇ через выходной первый оптический волновод 4₁ подключен к выходу генератора 4. Выход источника постоянного оптического сигнала 4₆ подключен через входной второй оптический волновод 4₂ к информационному входу оптического управляемого транспаранта (ОУТ) 4₈, выход которого через третий оптический волновод 4₃, объединенный по выходу с четвертым оптическим волноводом 4₄, подключен ко входу оптического бистабильного элемента (ОБЭ) 4₇. Инверсный выход оптического бистабильного элемента (ОБЭ) 4₇ через пятый оптический волновод 4₅ подключен к информационному входу оптического дефлектора (ОД) 4₉, выход которого подключен ко входу четвертого оптического волновода 4₄. Управляющие входы оптического дефлектора (ОД) 4₉ и оптического управляемого транспаранта (ОУТ) 4₉ соединены с соответствующими выходами третьего оптического мультиплексора (ОМ) 2₁ в оптическом устройстве ввода-вывода (ОУВВ) 2.

Рассмотрим работу оптической вычислительной машины, а также работу оптического подблока полихроматических цифроаналоговых преобразований и оптического управляемого тактового генератора для нее.

Взаимодействие всех функциональных узлов оптической вычислительной машины (ОВМ) организовано следующим образом.

ОУТГ4 формирует оптические тактовые импульсы, период и длительность которых регулируются внешними входными задающими сигналами, поступающими со входа ОВМ через третий ОМ 2₁ (в ОУВВ 2), управляемый сигналами с выхода ОБУИ 2₂. Входные задающие сигналы поступают на входы оптического управляемого транспаранта 4₈ (регулирующего интенсивность оптического потока с выхода источника постоянного оптического сигнала 4₆) и оптического дефлектора 4₉ (регулирующего длину пути оптического сигнала с инверсного выхода ОБЭ 4₇ на его вход).

С выхода источника постоянного оптического сигнала 4₆ постоянный оптический поток через входной второй оптический волновод 4₂ поступает на информационный вход оптического управляемого транспаранта (ОУТ) 4₈, выходной сигнал которого через третий оптический волновод 4₃, объединенный по выходу с четвертым оптическим волноводом 4₄, поступает далее на вход оптического бистабильного элемента (ОБЭ) 4₇. С инверсного выхода оптического бистабильного элемента (ОБЭ) 4₇ оптический сигнал через пятый оптический волновод 4₅ поступает на информационный вход оптического дефлектора (ОД) 4₉, выходной сигнал которого поступает на вход четвертого оптического волновода 4₄ и далее на вход оптического бистабильного элемента (ОБЭ) 4₇.

Оптические тактовые импульсы с выхода ОТГ 4 (т.е. с выхода ОБЭ 4₇) через первый оптический волновод 4₁ поступают на синхронизирующие входы ОБУИ 2₂ в ОУВВ2, ООП 3, ОАЛУ 1₁ и ОУУ 1₂ в ОП1.

Работа ОБУИ 2₂ описана в книге Авдеева В.А., Гузика В.Ф. "Компьютеры: шины, контроллеры, периферийные устройства". - М: Радио и связь, 2001 г., стр.149-151, работа ООП 3 организована в соответствии с описанным в книге К.Фрике "Мир электроники", Вводный курс цифровой электроники, - М.: Техносфера, 2003 г., стр.301-302, работа ОАЛУ 1₁ организована в соответствии с описанным в книге Б.М.Кагана "Электронные вычислительные машины и системы", 3-е издание, - М: Энергоатомиздат, 1991 г., стр.199-201, работа ОУУ 1₂ организована в соответствии с описанным в книге К.Фрике "Мир электроники". Вводный курс цифровой электроники, - М.: Техносфера, 2003 г., стр.359.

С оптических регистров (на фиг.1 не показаны) ОАЛУ 1₁ информация в двоичном коде поступает на информационные входы первого ОМ 1₃₁, на управляющие входы которого поступают оптические сигналы управления с выходов ОУУ 1₂. С выходов первого ОМ 1₃₁ информация в двоичном коде поступает на входы ОБУЦВ 1₄ - входы группы оптических цифровых умножителей (ОЦУ) 1₄₁ и группы оптических кодовых компараторов (ОКК) 1₄₂, работа которых организована в соответствии с описанным в патенте RU №2022328, патенте RU №2106064. С выходов групп ОЦУ 1₄₁ и ОКК 1₄₂ информационные сигналы поступают на входы оптических регистров ОАЛУ 1₁. Также с выходов первого ОМ 1₃₁ информация в двоичном коде поступает на входы ОБПЦАП 1₅, где происходит следующее. Двоичный код с выхода соответствующего оптического регистра ОАЛУ 1₁ поступает на вход соответствующего подблока 1₅₂ ОБПЦАП 1₅,_{т.е. на информационный вход его преобразователя частоты 1^пч 52, на управляющий вход которого поступает аналоговый сигнал управления изменением частоты - с цифрового выхода ОУУ 12 через управляющий ОЦАП 151. По мере поступления оптических двоичных кодов на вход преобразователя частоты 1^пч 52 с его выхода снимаются те же двоичные коды, но разной пространственной частоты. Проходя через группу диспергирующих элементов (ДЭ) 1^ДЭ 52, данные коды за счет пространственного разделения частот поступают на различные входы соответствующих групп оптических волноводов различной длины 1^ов 52. Различные длины оптических волноводов соответствующих групп обеспечивают разное время прохождения сигнала от диспергирующих элементов 1^дэ 52 до ОЦАП 1^цап 52, отличающееся для каждой группы на Δt от предыдущей. Т.к. коды поступают на соответствующие входы групп оптических волноводов различной длины 1^ов 52 последовательно, также с интервалом Δt, то на выходах последних, объединенных по одноименным оптическим волноводам, т.е. на входах ОЦАП 1^цап 52, все поступившие на вход подблока 15 ОБПЦАП 15 двоичные коды различной пространственной частоты появляются одновременно. На выходе ОЦАП 1^цап 52 (работа которого описана в патенте RU №2020550) соответствующего подблока 152 ОБПЦАП 15 формируется совокупность аналоговых сигналов разной пространственной частоты, соответствующих поступившим на вход подблока 152 ОБПЦАП 15 кодам, поступающая далее через выходной диспергирующий элемент 1^вдэ 52, обеспечивающий их пространственное разделение, на выход подблока 152 ОБПЦАП 15. Т.о. на всех выходах блока ОБПЦАП 15 формируется матрица аналоговых оптических сигналов разной пространственной частоты, поступающая по оптическим волноводам на информационные входы второго ОМ 132, на управляющие входы которого поступают сигналы с выходов ОУУ 12. По управляющим сигналам с выходов ОУУ 12 второй ОМ 132 обеспечивает прохождение всей матрицы аналоговых оптических сигналов разной пространственной частоты в ОУМ 161, расположенный в ОБУМНП 16, - работа ОУМ 161 описана в патенте RU №2018919. На входы ОБНФП 162, представляющего собой группу одинаковых нелинейных функциональных преобразователей (НФП), работа которых описана в а.с. СССР №1711141, и также расположенного в ОБУМНП 16, второй ОМ 132 обеспечивает прохождение сигналов только одной заданной строки матрицы аналоговых оптических сигналов, имеющих одну пространственную частоту (соответствующую рабочей пространственной частоте ОНФП). Аналогично второй ОМ 132 обеспечивает прохождение сигналов одной заданной строки матрицы с одной пространственной частотой (соответствующей рабочей пространственной частоте нижеупомянутых функциональных блоков) на входы:}

- оптического многофункционального блока решения уравнений (ОМБРУ) 1₇₁, расположенного в ОБРДУ 1₇, - работа ОМБРУ 1₇₁ описана в а.с. СССР №1705814,

- оптического блока решения системы дифференциальных уравнений (ОБРСДУ) 1₇₂, расположенного в ОБРДУ 1₇, - работа ОБРСДУ 1₇₂ описана в патенте RU №2053543,

- оптического блока решения дифференциальных уравнений в частных производных (ОБРДУЧП) 1₇₃, расположенного в ОБРДУ 1₇, - работа ОБРДУЧП 1₇₃ описана в а.с. СССР №1830526,

- оптического блока вычисления характеристических функций (ОБВХФ) 1₈₁, расположенного в ОБСА 1₈, - работа ОБВХФ 1₈₁ описана в а.с. СССР №1575769,

- оптического блока формирования вариационных рядов (ОБФВР) 1₈₂, расположенного в ОБСА 1₈,- работа ОБФВР 1₈₂ описана в а.с. СССР №1539757.

- оптического блока проверки гипотез (ОБПГ) 1₈, расположенного в ОБСА 1₈₃, - работа ОБПГ 1₈₃ описана в патенте RU №2018917.

В том случае, когда рабочие пространственные частоты вышеупомянутых функциональных блоков различны (что легко обеспечить технологически ввиду их небольшого числа), функционирование данных блоков осуществляется параллельно, что является одной из отличительных преимущественных особенностей предложенной ОВМ.

В состав ОБСА 1₈ входят также ОГПСП 1₈₄ и ОГХП 1₈₅. Аналоговая оптическая случайная последовательность с выхода ОГХП 1₈₅, работа которого описана в патенте RU №2190872, поступает на соответствующий вход матричного ОАЦП 1₉; псевдослучайный последовательный оптический код с выхода ОГПСП 1₈₄, работа которого описана в патенте RU №2178580, поступает непосредственно на соответствующий вход ОАЛУ 1₁.

Следует отметить, что работа ОВМ предусматривает прямой ввод внешней аналоговой информации (через информационные входы ОМ 2₁, на управляющие входы которого поступают сигналы с выходов ОБУИ 2₂) непосредственно в ОБНФП 1₆₂, ОБВХФ 1₈₁, ОБФВР 1₈₂, ОБПГ 1₈₃ с целью обработки экспериментальной информации в реальном масштабе времени.

Оптические сигналы с выходов ОУМ 1₆₁, ОБНФП 1₆₂, ОМБРУ 1₇₁, ОБРСДУ 1₇₂, ОБРДУЧП 1₇₃, ОБВХФ 1₈₁, ОБФВР 1₈₂, ОБПГ 1₈₃ поступают на соответствующие входы матричного ОАЦП 1₉, сихронизируемого сигналами управления с выходов ОУУ 1₂. При этом необходимо отметить, что все входы матричного ОАЦП 1₉ используются только при работе ОУМ 1₆₁ - выходные оптические сигналы остальных вышеперечисленных блоков поступают на им соответствующие "строки" матрицы оптических АЦП (работа ОАЦП описана в патенте RU №2177165). Параллельные оптические двоичные коды с выходов матричного ОАЦП 1₉ поступают на входы ОАЛУ 1₁.

Вывод-ввод цифровой информации осуществляется через ОАЛУ 1₁ и группу ОБР 2₄, расположенных в ОУВВ 2, по сигналам управления ОБУИ 2₂ и ОУУ 1₂; ввод аналоговой информации осуществляется через третий ОМ 2₁, ОАЦП 2₃, ОБР 2₄ и ОАЛУ 1₁ по сигналам управления ОБУИ 2₂ и ОУУ 1₂.

Таким образом, предложенная конструкция оптической вычислительной машины, а также предназначенные для нее оптический подблок полихроматических цифроаналоговых преобразований и оптический управляемый тактовый генератор позволяют обеспечить расширение функциональных возможностей ОВМ, повышение ее быстродействия и устойчивости к электромагнитным воздействиям, а также снижение энергопотребления за счет использования оптических носителей информации вместо электронных.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей, повышение быстродействия и устойчивости к электромагнитным воздействиям, снижение энергопотребления. Оптическая вычислительная машина содержит оптический процессор, состоящий из оптического АЛУ, оптического устройства управления, оптических мультиплексоров, оптического блока ускоренных цифровых вычислений, оптического блока полихроматических цифроаналоговых преобразований, оптического блока ускоренных матричных и нелинейных преобразований, оптического блока решения дифференциальных уравнений, оптического блока статистического анализа и матричного оптического аналого-цифрового преобразователя, оптическое устройство ввода-вывода, оптическую оперативную память, оптический управляемый тактовый генератор. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптическая вычислительная машина, состоящая из оптического процессора, оптического устройства ввода-вывода, оптической оперативной памяти, оптического управляемого тактового генератора, причем оптический процессор содержит оптическое арифметико-логическое устройство, оптическое устройство управления, первый и второй оптические мультиплексоры, оптический блок ускоренных цифровых вычислений, состоящий из группы оптических цифровых умножителей и группы оптических кодовых компараторов, оптический блок полихроматических цифроаналоговых преобразований, состоящий из управляющего оптического цифроаналогового преобразователя и группы одинаковых оптических подблоков полихроматических цифроаналоговых преобразований, оптический блок ускоренных матричных и нелинейных преобразований, состоящий из оптического умножителя матриц и оптического блока нелинейных функциональных преобразований, оптический блок решения дифференциальных уравнений, состоящий из оптического многофункционального блока решения уравнений, оптического блока решения системы дифференциальных уравнений и оптического блока решения дифференциальных уравнений в частных производных, оптический блок статистического анализа, состоящий из оптического блока вычисления характеристических функций, оптического блока формирования вариационных рядов, оптического блока проверки гипотез, оптического генератора псевдослучайных последовательностей и оптического генератора хаотических последовательностей, матричный оптический аналого-цифровой преобразователь, а оптическое устройство ввода-вывода содержит третий оптический мультиплексор, оптический блок управления интерфейсом, оптический аналого-цифровой преобразователь и группу оптических буферных регистров, причем управляющие входы третьего оптического мультиплексора в оптическом устройстве ввода-вывода соединены с выходами оптического блока управления интерфейсом, а информационные входы являются аналоговым входом оптической вычислительной машины, выходы же третьего оптического мультиплексора подключены к управляющим входам оптического дефлектора и оптического управляемого транспаранта в оптическом управляемом тактовом генераторе, а также ко входам оптического аналого-цифрового преобразователя, оптического блока нелинейных функциональных преобразований, оптического блока вычисления характеристических функций, оптического блока формирования вариационных рядов, оптического блока проверки гипотез; выход оптического аналого-цифрового преобразователя подключен ко входам соответствующего оптического регистра группы оптических буферных регистров, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами оптического блока управления интерфейсом, остальные выходы оптического блока управления интерфейсом подключены к соответствующим входам оптического устройства управления, синхронизирующий вход оптического блока управления интерфейсом соединен с выходом оптического управляемого тактового генератора, подключенным также к синхронизирующим входам оптической оперативной памяти, оптического устройства управления, оптического арифметико-логического устройства; выходы тех оптических регистров группы оптических буферных регистров, входы которых соединены с выходами оптических регистров оптического арифметико-логического устройства, являются цифровым выходом оптической вычислительной машины, а входы тех оптических регистров группы оптических буферных регистров, выходы которых подключены ко входам оптических регистров оптического арифметико-логического устройства, являются цифровым входом оптической вычислительной машины; выходы оптического арифметико-логического устройства подключены к информационным входам первого оптического мультиплексора в оптическом процессоре, ко входам оптической оперативной памяти и оптического устройства управления, а выходы оптической оперативной памяти, соответственно, подключены к соответствующим входам оптического арифметико-логического устройства и оптического устройства управления, выходы оптического устройства управления подключены ко входам оптического блока управления интерфейсом, оптической оперативной памяти, оптического арифметико-логического устройства, управляющего оптического цифроаналогового преобразователя, к управляющим входам первого оптического мультиплексора, второго оптического мультиплексора, матричного оптического аналого-цифрового преобразователя, а выходы первого оптического мультиплексора подключены ко входам оптических цифровых умножителей и оптических кодовых компараторов в оптическом блоке ускоренных цифровых вычислений, а также к информационным входам всех оптических подблоков полихроматических цифроаналоговых преобразований оптического блока полихроматических цифроаналоговых преобразований, управляющие входы которых соединены с выходом управляющего оптического цифроаналогового преобразователя, выходы оптических цифровых умножителей и оптических кодовых компараторов в оптическом блоке ускоренных цифровых вычислений подключены ко входам оптического арифметико-логического устройства, выходы оптического блока полихроматических цифроаналоговых преобразований - к информационным входам второго оптического мультиплексора, а выходы второго оптического мультиплексора подключены ко входам оптического умножителя матриц и оптического блока нелинейных функциональных преобразований в оптическом блоке ускоренных матричных и нелинейных преобразований, а также ко входам оптического многофункционального блока решения уравнений, оптического блока решения системы дифференциальных уравнений и оптического блока решения дифференциальных уравнений в частных производных в оптическом блоке решения дифференциальных уравнений, ко входам оптического блока вычисления характеристических функций, ко входам оптического блока формирования вариационных рядов и ко входам оптического блока проверки гипотез в оптическом блоке статистического анализа; выход оптического генератора псевдослучайных последовательностей в оптическом блоке статистического анализа подключен к соответствующему входу оптического арифметико-логического устройства; выходы оптического умножителя матриц и оптического блока нелинейных функциональных преобразований в оптическом блоке ускоренных матричных и нелинейных преобразований, выходы оптического многофункционального блока решения уравнений, выходы оптического блока решения системы дифференциальных уравнений и оптического блока решения дифференциальных уравнений в частных производных в оптическом блоке решения дифференциальных уравнений, выходы оптического блока вычисления характеристических функций, выходы оптического блока формирования вариационных рядов, выходы оптического блока проверки гипотез и выходы оптического генератора хаотических последовательностей в оптическом блоке статистического анализа подключены к соответствующим входам матричного оптического аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к соответствующим входам оптического арифметико-логического устройства.2. Оптический подблок полихроматических цифроаналоговых преобразований оптического блока полихроматических цифроаналоговых преобразований, включающий последовательно включенные преобразователь частоты, группу диспергирующих элементов, группу оптических волноводов различной длины, объединенных по выходу по одноименным оптическим волноводам, а также оптический цифроаналоговый преобразователь и выходной диспергирующий элемент, выходы которого являются выходами подблока, а информационный и управляющий входы преобразователя частоты являются соответствующими входами подблока.3. Оптический управляемый тактовый генератор, содержащий источник постоянного оптического сигнала, четыре оптических волновода, оптический бистабильный элемент, выход которого через выходной первый оптический волновод подключен к выходу генератора, отличающийся тем, что в него дополнительно введен пятый оптический волновод, оптический дефлектор с информационным и управляющим входами и оптический управляемый транспарант с информационным и управляющим входами, выход источника постоянного оптического сигнала подключен через входной второй оптический волновод к информационному входу оптического управляемого транспаранта, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом третьего оптического мультиплексора в оптическом устройстве ввода-вывода, а выход оптического управляемого транспаранта через третий оптический волновод, объединенный по выходу с четвертым оптическим волноводом, подключен ко входу оптического бистабильного элемента, инверсный выход которого через пятый оптический волновод подключен к информационному входу оптического дефлектора, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом третьего оптического мультиплексора в оптическом устройстве ввода-вывода, а выход оптического дефлектора подключен ко входу четвертого оптического волновода.