ОПТИЧЕСКИЙ СТРАНИЧНЫЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ КВАДРАТНОГО КОРНЯ Советский патент 1995 года по МПК G11C11/42 G06F7/552 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптоэлектронных запоминающих устройствах большой емкости для выполнения операции извлечения квадратного корня из страниц информации.

Цель изобретения повышение точности вычислений.

На фиг. 1 показана функциональная структурная схема оптического страничного преобразователя; на фиг. 2 конструкция первого оптического сдвигового регистра.

Оптический страничный вычислитель квадратного корня содержит первый оптический сдвиговый регистр 1, блоки 2 и 3 оптической связи, оптический сумматор 4, блок 5 оптической связи, оптический инвертор 6, светоделитель 7, оптический инвертор 8, управляемый светопереключатель 9, блок 10 оптической связи, второй оптический сдвиговый регистр 11 и блок 12 управления.

Оптический сдвиговый регистр 1 предназначен для приема от оптоэлектронного запоминающего устройства страницы подкоренных выражений (страницы входных операндов), формирования начальных данных В_о, преобразования величин В_i и передачи их на оптический сумматор 4. Оптический сдвиговый регистр 1 содержит, например, входной оптический регистр 13, лазерный излучатель 14, телескоп 15, страничную маску 16 парафазных "1", телескоп 17, светообъединитель 18, поворотную призму 19, телескоп 20, страничную маску 21 парафазных "0", телескоп 22, лазерный излучатель 23, управляемый переключатель поляризации 24, светообъединитель 25, управляемый переключатель поляризации 26, объектив 27, светообъединитель 28, объектив 29, лазерный излучатель 30, управляемый переключатель поляризации 31, оптически управляемый транспарант 32. В страничный преобразователь 1 входит также регистр 33 обратной связи, который содержит управляемый переключатель поляризации 34, оптически управляемый транспарант 35, объектив 36, светообъединитель 37, объектив 38, лазерный излучатель 39, светоделитель 40, узлы 41 и 42 формирования пучков. Выходной оптический регистр 43 содержит лазерный излучатель 44, объектив 45, светообъединитель 46, объектив 47 и оптически управляемый транспарант 48.

Блок 2 оптической связи может состоять, например, из последовательно расположенных первого линзового растра, в передней фокальной плоскости которого расположен первый коллективный объектив, жгута волоконных световодов, второго линзового растра, в задней фокальной плоскости которого расположен второй коллективный объектив, и двух объективов, имеющих общую главную плоскость, расположенную в задней фокальной плоскости второго коллективного объектива.

Блок 3 оптической связи может состоять, например, из последовательно расположенных жгута волоконных световодов, линзового растра, в задней фокальной плоскости которого расположен коллективный объектив, и двух объективов, имеющих общую главную плоскость, расположенную в задней фокальной плоскости коллективного объектива.

Оптический сумматор 4 имеет, например, два знаковых разряда и (n + 1) основных разрядов и может быть выполнен, например, как в устройстве-прототипе.

Блок 5 оптической связи может быть выполнен, например, в виде жгута волоконных световодов.

Оптический инвертор 6 предназначен для инвертирования оптических сигналов знаковых разрядов сумматора 4 и передачи их на сдвиговый регистр 11. Инвертор 6 может состоять, например, из последовательно расположенных жгута волоконных световодов, линзового растра, в задней фокальной плоскости которого расположен коллективный объектив, и двух объективов, имеющих общую главную плоскость, расположенную в задней фокальной плоскости коллективного объектива. Жгут имеет, например, нерегулярную укладку такую, чтобы на выходе жгута каждый парафазный двоичный знак инвертировался (например, волокна, передающие оптические сигналы единиц и нулей в каждом парафазном знаке, на выходе жгута меняются местами).

Светоделитель 7 может быть выполнен, например, в виде жгута волоконных разветвителей, первый выход которого является первым выходом светоделителя, а на втором установлен растр цилиндрических линз, выход которого является вторым выходом светоделителя 7. Управляемый светопереключатель 9 может состоять, например, из светоделительного поляризационного куба, на входе которого установлен управляемый переключатель поляризации. Переключатель поляризации может быть выполнен, например, на основе жидких кристаллов.

Блок 10 оптической связи может состоять, например, из последовательно расположенных жгута волоконных световодов, линзового растра, в задней фокальной плоскости которого расположен коллективный объектив, и двух объективов, имеющих общую главную плоскость, расположенную в задней фокальной плоскости коллективного объектива.

Оптический сдвиговый регистр 11 предназначен для формирования начальных данных С_о, промежуточных значений С_i и получения окончательного результата вычислений. Оптический сдвиговый регистр 11 аналогичен регистру 1 с той лишь разницей, что его входной оптический регистр 13 и соответственно страничная маска 16 (фиг. 2) содержит, например, всего (n + 1) разрядов. При это регистр имеет только одну левую страничную маску парафазных "0", соответствующую знаковому и n основным разрядам регистра 13, входом которого является вход n -го основного разряда.

Блок 12 управления обеспечивает работу оптического страничного преобразователя. Блок 12 может состоять, например, из генератора синхроимпульсов и формирователей управляющих сигналов.

Входной оптический регистр 13 предназначен для формирования начальных данных В_о и хранения промежуточных значений В_i. Первый вход первого светообъединителя 25 через управляемый переключатель поляризации 24 связан с выходом светообъединителя 18, первый вход которого является первыми входами регистра 13 и сдвигового регистра 1, а второй вход через последовательно расположенные телескоп 17, страничную маску 16 парафазных "1" (например, фототрафарет), отображающую, например, знаковый разряд и (n + 1), где n число основных разрядов входной страницы операндов, старших основных разрядов В_о, и телескоп 15 связан с выходом излучателя 14. Второй вход первого светообъединителя 25 является вторым входом регистра 13 и вторым входом сдвигового регистра 1. Третий вход первого светообъединителя 25 через последовательно расположенные поворотную призму 19, телескоп 20, страничную маску 21 парафазных "0" и телескоп 22 связан с выходом лазерного излучателя 23.

Четвертый вход первого светообъединителя 25 через последовательно расположенные управляемый переключатель поляризации 26 и объектив 27 связан с выходом светообъединителя 28, первый вход которого является третьим входом регистра 13, а второй вход второго светообъединителя 28 через объектив 29 связан с выходом лазерного излучателя 30.

На выходе первого светообъединителя 25 последовательно установлены управляемый переключатель поляризации 31 и оптически управляемый транспарант 32, выход которого является выходом регистра 13. Информация на транспаранте 32 может отображаться, например, с кратковременным запоминанием. Транспарант 32 регистра 13 имеет (n + 1) парафазных ячеек для отображения каждого слова страницы В_i. Транспарант может быть выполнен, например, на основе жидких кристаллов или ПРОМ-структуры, а управляемые переключатели поляризации на основе жидких кристаллов или кристаллов КДР.

Светоделитель 40 может быть выполнен, например, в виде светоделительного прямоугольного параллелепипеда, по геометрии аналогичного первому светообъединителю 25 регистра 13.

Узел 41 формирования пучка может быть выполнен, например, в виде объектива.

Регистр 33 обратной связи предназначен для перезаписи сдвигаемой информации в регистр 13. Регистр 33 может состоять, например, из светообъединителя 37, первый вход которого является входом регистра 33, а второй вход через объектив 38 связан с выходом лазерного излучателя 39. На выходе светообъединителя 37 последовательно установлены объектив 36, оптически управляемый транспарант 35 и управляемый переключатель поляризации 34, выход которого является выходом регистра 33. Информация на транспаранте 35 может отображаться, например, с кратковременным запоминанием. Транспарант 35 регистра 33, например, отображает 2n младших парафазных разрядов страницы В_i. Транспарант может быть выполнен, например, на основе жидких кристаллов или ПРОМ-структуры, а управляемый переключатель поляризации на основе жидких кристаллов или кристаллов КДР.

Узел 42 формирования пучка может быть выполнен, например, в виде объектива.

Выходной оптический регистр 43 предназначен для хранения сдвинутого значения В_i и передачи его на сумматор 4. Регистр 43 содержит светообъединитель 46, первый вход которого является входом регистра 43, а второй вход через объектив 45 связан с выходом лазерного излучателя 44. На выходе светообъединителя 46 последовательно установлены объектив 47 и оптически управляемый транспарант 48, выход которого является выходом регистра 43. Транспарант 48 отображает два знаковых разряда и (n + 1) старших (левых) разрядов страницы В_i, для чего он содержит (n + 2) старших (левых) разрядов управляемых ячеек и один (n + 3)-й младший (правый) разряд неуправляемых ячеек для постоянного отображения парафазных единиц. Управляемая часть транспаранта может быть выполнена, например, на основе жидких кристаллов или ПРОМ-структуры, а неуправляемая в виде фототрафарета.

Данное устройство вычисляет квадратный корень из чисел с фиксированной запятой, поэтому подкоренное выражение "а" должно быть положительным и меньше единицы. Приближенное значение Х , вычисленное с точностью до i-го разряда после запятой, можно записать в виде
Х_i 1, X_-1, X_-2, X_-i, (1) где Х_-1, Х_-2, Х_-i равны либо ( обозначает цифру, равную 1). В знаковом разряде стоит "1", так как нас интересует положительное значение квадратного корня. Будем считать, что перед началом цикла, в котором определяется i + 1-й после запятой разряд квадратного корня, нам известны в качестве исходных данных приближенное значение квадратного корня Х_i и величина В_i и С_i, удовлетворяющие условию
-С_i + 2^-n-1 ≅B_i < C_i + 2^-n-1, (2) где В_i (a X_i²)2^-n-1+2,
C_i X_i 2^-n+i (3)
Тогда полное математическое описание одного цикла определения цифры квадратного корня представляется выражениями
SigX_-(i+1) SignBi, (4)
C_i+1 2C_i + X_-(i+1)²ⁿ (5)
В_i+1 2²B_i + 2^-(n+1) C_i+1X_-(i+1) (6)
Начальные значения В_о и С_о при i 0 определяются в соответствии с принятыми обозначениями (1), (2) и (3)
Х_о 1, (7)
В_о (а 1)1^-(n+1) (8)
С_о 2^-n (9)
Так как подкоренное выражение а < 1 есть правильная дробь, содержащая n разрядов, то В_о (8) есть отрицательное число, содержащее (2n + 1) разрядов. Дополнительный код В_о имеет вид
(В_о)_доп 2 + В_о (2 2^-(n+1) ) + а˙2^-(n-1) (10)
Подкоренное выражение а < 1 есть правильная дробь, содержащая n разрядов, поэтому вычисление квадратного корня осуществляется за n циклов. После завершения n-го цикла С_i обращается в С_n X_n, т.е. в округленное значение квадратного корня. Для преобразования Х_n в двоичную форму, выраженную через 0 и 1, достаточно сдвинуть его на один разряд влево с вытеснением старшей единицы за разрядную сетку, заменить все цифры на 0 и записать в младший разряд 1. Отметим, что в данном вычислителе числа представлены в парафазном коде.

Оптический страничный вычислитель квадратного корня работает следующим образом.

Для того, чтобы в вычислитель ввести начальное значение В_о (10), необходимо в знаковые и b (n + 1) старшие основные разряды регистра 13 записать парафазные единицы, в основные разряды с (n + 2)-го по (2n + 1)-й записать подкоренное выражение (входную страницу операндов), а в основные разряды с 2 (n + 1)-го по (3n + 1)-й записать парафазные нули. Для этого по команде блока 12 включаются лазерные излучатели 14, 23 и подаются напряжения на управляемый переключатель поляризации 24 и оптически управляемый транспарант 32 входного регистра 13 сдвигового регистра 1. Световые пучки от этих лазеров проходят через телескопы 15 и 22, модулируются соответствующими страничными масками 16 и 21 и информация с них через узлы 17, 18, 24 и 20, 19, 25, 31 переносится на транспарант 32. При этом в ячейках знаковых разрядов и в ячейках (n + 1)-x старших основных разрядов транспаранта отображаются парафазные единицы, а в ячейках основных разрядов с 2 (n + 1)-го по (3n + 1)-й парафазные нули. Световые пучки, переносящие страницу входных операндов, с выхода оптоэлектронного запоминающего устройства поступают на вход оптического сдвигового регистра 1 и эта страница (кроме знаковых разрядов) отображается в ячейках транспаранта 32 регистра 13 с (n + 2)-й по (2n + 1)-ю. После этого лазерные излучатели 14 и 23 регистра 13 и оптоэлектронное запоминающее устройство отключаются, а напряжение с управляемого переключателя поляризации 24 снимается.

Начальное значение С_о (9) формируется в сдвиговом регистре 11. При этом изображение страничной маски "0" регистра 13 сдвигового регистра 11 переносится на его оптически управляемый транспарант так же, как в сдвиговом регистре 1.

После ввода начальных данных можно приступить к циклической программе определения отдельных цифр квадратного корня с одновременным преобразованием их в двоичную форму, выраженную через парафазные цифры "0" и "1". Из (5) следует, что для перехода от С_i к C_i+1 нужно сдвинуть код С_i влево на один разряд, а в n-й основной разряд регистра 11 записать очередную цифру, равную в зависимости от знака В_i 1 или . Так как для преобразования С_i в двоичную форму с цифрами "0" или "1" нужно заменить все на 0, сдвинуть результат на один разряд влево, отбросить единицу в старшем разряде и в младший разряд записать единицу, то очередную цифру преобразованного С_i (0 или 1) можно сразу записать не в n-й, а в (n 1)-й разряд регистра 11, а в n-м разряде регистра 11 иметь жестко записанную единицу. Отбрасывание единицы в старшем разряде преобразованного С_i производится в первом же цикле вычисления цифры квадратного корня. Для этого достаточно не производить сдвига из n-го разряда регистра 11 в (n 1)-й разряд, т.е. выполнить сдвиг влево в регистре 11 только в старших (n 1) разрядах. Эти операции жестко заложены в конструкцию оптического регистра 11.

Так как В_о (8) отрицательно при а < 1, то в первом цикле в (n 1)-й разряд регистра 11 всегда записывается нуль. После завершения всей операции извлечения квадратного корня в результате n сдвигов этот нуль попадает в знаковый разряд, что и должно быть при вычислении положительного значения квадратного корня. Это также заложено в конструкцию оптического сдвигового регистра 11.

Содержание преобразований, выполняемых в каждом цикле определения цифры квадратного корня, непосредственно вытекает из формул (4), (5) и (6). В каждом цикле код в сдвиговом регистре 1 сдвигается на два разряда влево (2^n.B_i), а код в регистре 11 (за исключением n-го основного разряда) на один разряд влево (2˙ C_i). В (n 1)-й основной разряд регистра 11 записывается инвертированный знак сумматора (т. е. "1" в случае, если знак В_i 0). Для этого по команде блока 12 световой пучок от лазерного излучателя 30 регистра 13, входящего в состав сдвигового регистра 1, освещает оптически управляемый транспарант 32 и модулируется им. Промодулированный световой пучок расщепляется светоделителем 40 на два пучка, которые через формирующие узлы 41 и 42 поступают соответственно на входы регистров 33 и 43. При этом оптически управляемый транспарант 48 регистра 43 установлен так (например, сдвинут вправо относительно оси входного пуска), чтобы отображаемая на нем информация была сдвинута на два разряда влево.

После записи информации в регистры 43 и 33 по командам блока 12 информация в регистре 13 стирается, а световой пучок от лазерного излучателя 39 регистра 33 переносит информацию с его транспаранта 35 на транспарант 32 (на управляемые переключатели поляризации 26 и 31 регистра 13 и переключатель 34 регистра 33, например, подаются напряжения). При этом светообъединитель 28 регистра 13 установлен так (например, сдвинут вдоль отражаемого пучка), чтобы отображаемая на транспаранте 32 регистра 13 информация была сдвинута на два разряда влево.

Одновременно по команде блока 12 световой пучок от лазерного излучателя 44 регистра 43 переносит страницу информации с выхода сдвигового регистра 1 через блок 3 оптической связи на оптический сумматор 4.

Сдвиг информации в регистре 11 на один разряд влево осуществляется аналогично регистру 1. При этом предварительно в n-й разряд регистра 13, входящего в состав сдвигового регистра 11, из знакового разряда оптического сумматора 4 через блок 5 оптической связи, светоделитель 7, оптический инвертор 6 записывается инвертированный столбец знаков слов сумматора 4. В первом цикле n-й разряд регистра 13 формируется страничной маской "0", находящейся внутри регистра 13. Затем по команде блока 12 световые пучки, отображающие слова страницы С_i+1, со сдвигового регистра 11 поступают через блок 10 оптической связи, управляемый светопереключатель 9, оптический инвертор 8 на сумматор 4. При этом в зависимости от управляющих сигналов, поступающих на инвертор 8, эти слова отображаются либо в прямом, либо в инверсном коде. Управление выбором типа передачи осуществляется знаковыми разрядами сумматора 4. Для осуществления этого на управляемый вход инвертора 8 через блок 5 оптической связи и светоделитель 7 поступают световые пучки, отображающие знаковые разряды слов сумматора 4. Если в знаковых разрядах слов сумматора 4 стоят нули, то соответствующие слова С_i+1 инвертируются, в противном случае слова С_i+1 передаются прямым кодом.

По команде блока 12 оптический сумматор 4 производит сложение страниц, поступивших в него, и передает результат через блок 2 оптической связи на сдвиговый регистр 1. После завершения n-го цикла на сдвиговом регистре 11 получается вычисленное значение страницы квадратных корней. По команде блока 12 управляемый светопереключатель 9 направляет световой пучок, отображающий страницу квадратных корней, на выход вычислителя.

Изобретение относится к вычислительной технике. Оптический страничный вычислитель квадратного корня (ОСВКВ) решает задачу выполнения операции извлечения квадратного корня из страниц информации оптоэлектронного запоминающего устройства в цифровой форме оптическими методами. ОСВКВ позволяет расширить функциональные возможности оптоэлектронных запоминающих устройств, повысить точность и производительность вычислений. ОСВКВ содержит первый оптический сдвиговый регистр 1 для приема страницы подкоренных выражений, формирования начальных и промежуточных данных и передачи их на оптический сумматор 4, второй оптический сдвиговый регистр 11 для формирования начальных данных, промежуточных значений корня и передачи их на оптический сумматор, а также получения и хранения окончательного результата вычислений, первый оптический инвертор 8 для ввода знакового разряда сумматора 4 во второй сдвиговый регистр 11 и второй оптический инвертор 6, управляемый знаковыми разрядами сумматора 4, для передачи содержимого второго регистра 11 в сумматор 4, светоделитель 7 для размножения сигналов знакового разряда сумматора, управляемый светопереключатель 9, четыре блока оптической связи и блок управления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ОПТИЧЕСКИЙ СТРАНИЧНЫЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬ КВАДРАТНОГО КОРНЯ, содержащий оптический сумматор и блок управления, первый выход которого подключен к управляющему входу оптического сумматора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности вычислений, он содержит первый и второй оптические сдвиговые регистры, оптический сумматор, первый и второй оптические инверторы, блоки оптической связи с первого по четвертый, управляемый оптический светопереключатель, светоделитель и блок управления, причем первый информационный вход первого оптического сдвигового регистра является информационным входом вычислителя, выход первого оптического сдвигового регистра через первый блок оптической связи оптически связан с первым информационным входом оптического сумматора, первый информационный выход которого через второй блок оптической связи оптически связан с вторым информационным входом первого оптического сдвигового регистра, второй информационный вход оптического сумматора оптически связан с выходом первого оптического инвертора, первый информационный вход которого оптически связан с первым оптическим выходом управляемого светопереключателя, второй оптический выход управляемого светопереключателя является информационным выходом вычислителя, оптический вход управляемого светопереключателя через третий блок оптической связи оптически связан с информационным выходом второго оптического сдвигового регистра, информационный вход которого оптически связан с выходом второго оптического инвертора, вход которого оптически связан с первым выходом светоделителя, второй выход которого оптически связан с первым управляющим входом первого оптического инвертора, вход светоделителя через четвертый блок оптической связи оптически связан с вторым информационным выходом оптического сумматора, выходы блока управления с второго по четвертый подключены к управляющим входам соответственно первого и второго оптических сдвиговых регистров и оптического инвертора. 2. Вычислитель по п.1, отличающийся тем, что первый оптический сдвиговый регистр содержит лазерные излучатели с первого по пятый, телескопы с первого по четвертый, светообъединители с первого по пятый, поворотную призму, первую и вторую страничные маски, управляемые переключатели поляризации с первого по четвертый, оптически управляемые транспаранты с первого по третий, светоделитель, первый и второй узлы формирования пучков, объективы с первого по шестой, причем первый вход первого светообъединителя является первым оптическим входом первого оптического сдвигового регистра, второй вход первого светообъединителя через первый управляемый переключатель поляризации связан с выходом второго светообъединителя, первый вход которого является вторым входом первого оптического сдвигового регистра, второй вход второго светообъединителя через последовательно расположенные первый телескоп, первую страничную маску и второй телескоп оптически связан с выходом первого лазерного излучателя, третий вход первого светообъединителя через последовательно расположенные поворотную призму, третий телескоп, вторую страничную маску и четвертый телескоп оптически связан с выходом второго лазерного излучателя, четвертый вход первого светообъединителя через последовательно расположенные второй управляемый переключатель поляризации и первый объектив оптически связан с выходом третьего светообъединителя, первый вход которого через второй объектив оптически связан с выходом третьего лазерного излучателя, второй вход третьего светообъединителя через последовательно расположенные третий управляемый переключатель поляризации, первый оптически управляемый транспарант и третий объектив оптически связан с выходом четвертого светообъединителя, первый вход которого через четвертый объектив оптически связан с выходом четвертого лазерного излучателя, второй вход четвертого светообъединителя через первый узел формирования пучка оптически связан с первым выходом светоделителя, вход которого через оптически управляемый транспарант и четвертый управляемый переключатель поляризации оптически связан с выходом первого светообъединителя, второй выход светоделителя через второй узел формирования пучка оптически связан с первым входом пятого светообъединителя, второй вход которого через пятый объектив оптически связан с выходом пятого лазерного излучателя, выход пятого светообъединителя через шестой объектив оптически связан с третьим оптически управляемым транспарантом, выход которого является информационным выходом первого оптического сдвигового регистра, управляемые входы лазеров, управляемых переключателей и оптически управляемых транспарантов являются управляемыми входами первого оптического сдвигового регистра.