Стохастическое вычислительное устройство Советский патент 1983 года по МПК G06F7/70 

Изобретение относится к выч1 слительной технике и может быть исполь8оаан6 для вычисления интеграла по невременному параметру. Известно вероятностное устройство, выполняющее операции функциональ ного преобразования, содержащее реги стры, логический преобразователь, генератор случайных чисел и счетчики ij . Недостатком такого устройства является невысокая точность, связанная с высоким уровнем дисперсии выходного процесса. Наиболее близким техническим реше нием к изобретению является стохасти ческий функциональный преобразовател выполняющий операцию интегрирования по невременному аргументу, содержащий последовате;1ьно соединенные блок ключей, первый счетчик, логический преобразователь число - вероятность, другие входы которого сое динены с выходами генератора случайных чисел, а выход - с входом второго счетчика, выходаа которого соедийены с входами второго блока ключей, управляющий вход которого подключен к выходу третьего счетчика, вход которого соединен с входом элемента И, выход которого подключен к входу первого счетчика, а первый вход соединен с инверсным выходом триггера, единичный вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ, вхо ды которого соединены с выходами пер вого блока ключей, управляющий вход которого подключен к первому- выходу блока управления, второй вход которого соединен с управляющим входом генератора тактовых импульсов, выход которого подключен к входу генератора случайных чисел 2 . Недостатком устройства является невысокая точность результата интегрирования в режиме интегрирования по невременному аргументу. .Цель изобретения - повышение точнрсти вычислений за счет уменьшения дисперсии, С этой целью в стохастическое вычислительное устройство, содержащее первый блок кдночей, группа входов которого является входами устройства, первый счетчик, группа входов которого соединена с группой выходов первого блока ключей, преобразователь код - вероятность, первая группа входов которого соединена с группой выходов первого счетчика, генератор случайных чисел, группа выходов которого соединена с второй группой входой преобразователя код вероятность, второй счетчик, счет- ный вход которого соединен с выходом преобразователя код - вероятность, второй блок ключей, группа входов которого соединена с группой выходов второго счетчика, а группа выходов является выходами устройства, третий счетчик, выход которого соединен с управляющим входом второго блока ключей, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входами генератора случайных чисел, синхронизатор, первый выход которого соединен с входом генератора так товых импульсов, а второй выход динен с управляющим входом первого блока ключей, триггер, элемент И, элемент ИЛИ, группа входов которого соединена с группой выходов первого блока ключей, а выход соединен с единичным вхо,дом триггера, нулевой выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с входом третьего счетчика, а выход - со счетным входом первого счетчика, введен четвертый счетчик, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход подключен к второму входу элемента И, выход третьего счетчика подключен к входу синхронизатора. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.. 2 - функциональная схема преобразователя код - вероятность; на фиг, 3 - функциональная схема синхрониз атора, Стохастическое вычислительное устройство содержит генератор 1 такто вых импульсов, элемент ИЛИ 2, триггер 3, элемент И 4, первый блок 5 ключей, первый счетчик 6, преобразователь 7 код - вероятность, генератор 8 случайных чисел, третий счетчик 9, синхронизатор 10, второй счетчик 11, второй блок 12 ключей, дополнительный счетчик 13. Преобразователь 7 (фиг. 2) содержит дешифратор 14, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 15, регистр 16, схема 17 сравнения, входы 18 дешифратора, входы 19 и выход 20 схемы сравнения. Синхронизатор 10 (фиг. 3) содержит D -триггер 21 и R5 -триггер 22. Выходы блока 5 ключей соединены с входами первого счетчика 6 и входами элемента ИЛИ 2, выход которого подключен к единичному входу триггера 3, инверсный выход которого соединен с первым входом элемента И 4, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика 6, выходы которого соединены с входами.преобразователя 7, вторые входы которого соединены с выходами генератора 8 случай«ых чисел, а выход - со счетным входом второго счетчика И, выходы которого подключены к входам второго блока 12 ключей, управляющий вход

которого соединен с входом синхронизатора 10 и с выходом третьего счетчика 9, вход которого подключен к второму входу И 4 и выходу четвертого счетчика 13, счетный вход которого соединен с управляющим входом генератора 8 случайных чисел и выходом генератора 1 тактовых импульсов, вход которого соединен с первым, выходом синхронизатора 10, второй выход которого подключен к управляющему входу первого блока 5 ключей.

Перед началом работы все счетчи и устройства и триггер сигналом от синхронизатора 10 устанавливают в нулевое состояние (цепи гашения на чертеже не указаны). Сигнал Пуск является внешним по отношению к устройству и обеспечивает установку в . О всех счетчиков и триггера 3 устройства.

Выход)-триггера 21 синхронизатора 10 является первым его выходом и соединен с входом установки единицы RS -триггера 22, вход установки нуля которого является входом синхро низатора 10, а единичный выход - вторым выходом-синхронизатора 10,

D -триггер 21 обеспечивает задёрж ку сигнала Пуск на время t/i , необходимое для прохождения сигнала по цепям гашения, после чего данный импульс с выходаD-триггера 21 передается на управляющий вход первого блока 5 ключей, разрешая передачу информации в первый счетчик б, а также устанавливает в единицу R5 -триггер 22. Единичный потенциал на выходе R5 -триггера 22 является разрешающим сигналом для генератора 1 тактовых импульсов. По окончании работы устройства импульс переполнения третьего .а 9 устанавливает RS-триггер 22 в нулевое состояние,чт является сигналом запрета для генератора 1.

Работа устройства в первом режиме, когда через первый блок 5 ключей в первый счетик 6 передается число х О, идентична работе известного устройства в первом режиме.

Перед началом работы все счетчики устройства и триггер 3 устанавливаются в нулевое состояние, а затем через первый блок 5 ключей в первый счетчик 6 передается двоичный код числа X, В каждом t-м рабочем такте этот код поступает на вход преобразователя 7, на выходе которого образуется последовательность двоичных символов Yt с вероятностью появления единичного символа (р(Х), где f(X) - заданная нелинеймая функция.

Преобразователь 7 представляет собой устройство, реализующее зависимость типа P(Vt) ч(Х), (X)некоторая нелинейная функция, X аргумент функции (двоичное число), Xt - бинарный символ на выходе преобразователя, появляющийся в -м такте его работы, .Р( ) - вероятность появления символа,

На входы 18 дешифратора 14 поступает двоичное число из первого счетчика 6, При зтом возбуждается одна из выходных шин дешифратора 18, подключенных к вхбдам ПЗУ 15. Таким образом, реализация заданной функциональной зависимости сводится к выбору из ПЗУ 15 соответствующего двоичного кода и занесению его в регистр 16. Схема 17 сравнения, на первые входы которой поступает двоичное число Ц)(Х) из регистра 16, а на вторые входы 19 - случайное двоичное число Z1 , от генератора 8 случайных чисел осуществляет линейное преобразование число - вероятность. Двоичный символ 4t на выходе схемы 17 сравнения формируется по закону Г1, если Z i (f (X)

, если I, t (X)

Так как двоичные числа на выходе генератора 8 случайных чисел являются равномерно распределенными, то математическое ожидание V определяется так

)

IpU;44 W 4Ul

Таким образом, Р(У+) М(У.) s ::Cf(X),

Если в счетчик 6 передано число Xjt о, то Yt - стационарный случайный процесс, и второй счетчик 11, выполняющий роль стохастического интегратора, производит оценку бинарной последовательности {Ч (t)J по математическому ожиданию

VtP(

Д-г

Если число X, переданное в начале работы устройства в первый счетчик 6, равно нулю, то в каждом такт в младший разряд счетчика посту тает импульс От генератора 1 тактовых импульсов, увеличивая тем самым значение аргумента X на 2 ( - разрядность первого счетчика). Таким образом, на вход преобразователя 7 поступает линейно изменяющееся во времени значение X,- а второй счетчик 11 производит оценку по математическому ожиданию нестационарной случайной последовательности fYt с вероятностью появления импульса в каждом такте, равной Р(У.) tp ( Х}) . При этом W(C4t.i 4 Il т.е. устройство воспроизводит операцию интегрирования: в первом режиме по временному аргументу, в соответствии с (Of во втором - по временно му аргументу х. линейнр изменяющемуся в нормированном интервале 0,1, в соответствии с (2), Процесс йнтегрирования ограничен временем переполнения третьего счетчика 9 - 2 тактов, выражения (1) и (2) при этом имеют вид . . ..ze,UiЬ где М (Сг )j и М (Сп )ц - соответствен НО математическое ожидание содержимого второго счетчика 11 для первого и второго режимов работы. При этом дисперсия интегрирования определяется выражением Dj 2 %Wb-c Cx) -2%(x)D-i(x) Для второго режима работы Р Dji--2 t {cfU lD- fUiV Если X О, состояние триггера 3 остается неизменным, и через логический элемент И 4 ,в младший разряд первого счетчика б поступают единичные импульсы, обеспечивая, как и в известном устройстве, линейное изменение аргументу х Однако эти импуль сы являются импульсами переполнения допс лнительного К-разрядного счетчика 13. Следовательно, в течение 2 тактов значение аргумента Х,- остается неизменным. Так как от генератора 8 случайных чисел в каждом i-M такте работы устройства на входы преобразователя 7 передаются случайные равномерно распределенные двоичныв числа, то в течение этих 2 так- тов на выходе преобразователя 7 формируется стационарная случайная бинарная последовательность символов fYtl вероятностью появления единичного символа Р(Ч) у if (Х{ ) . Тогда математическое ожидание содержимого второго счетчика определяется, как fA(C4bL XtPtYtV-|/tP(4l{4C - (yU,U2 ((Х2,.. + L ч UO Время окончания интегрирования определяется временем переполнения, третьего счетчика, и тогда . Таким образом, предчагаемое устройство, как и известное, осуществляет операцию интегрирования по аргументу X. Однако при этом дисперсия результата имеет вид , D,,-a- ц(( или с учетом (3) и (5) 2-2lw.e,2w|.... wf -о 1 -Ч 1 I ) - Дисперсия результата интегрирования в предлагаемом устройстве в 2 раз меньше по сравнению с дисперсией известного устройства. Следовательно, и точность результата,, определяемая в стохастических вычислительных устройствах уровнем дисперсии, в предлагаемом устройстве в 2 раз выше. Таким образом, технико-экономический эффект предлагаемого устройства по сравнению с известным заключается в значительном повышении его точности (в раз, к - разрядность четвертого счетчика).

1 i

СТОХАСТИЧЕСКОЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее первый блок ключей, группа входов которого является входами устройства, первый счетчик, группа входов которого соединена с группой выходов первого блока ключей, преобразователь коя вероятность, первая группа входов которого соединена с группой выходов первого счетчика, генератор случайных чисел, группа выходов которого соединена с второй группой входов преобразователя код - вероятность, второй счетчик, счетный вход которог го соединен с выходом преобразователя код - вероятность, второй блок ключей, группа входов которого соединена с группой выходов второго счетчика, а группа выходов является выходами устройства, третий счетчик, выход которого соединен с управляюшу1гл входом второго блока ключей, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с входом генератора случайных чисел, синхрониз.атор, первый выход которого соединен с входом генератора тактовых импульсов а второй выход соединен с управляющим входом первого блока ключей, триггер, элемент И, элемент ИЛИ, группа входов которого соединена с группой выходов первого блока клю(Л чей, а выход соединен с единичным входом триггера, нулевой выход которого соединен с первым входом элемента И, второй вход которого соединен с входом третьего счетчика, а выход - со счетным входом первого счетчика, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности о 7 оно содержит четвертый счетчик, вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход ND подключен к второму входу элемента И, выход третьего счетчика подключен к входу синхронизатора. О О

Фиг.2.

фие.З .