Оптический модуль для сложения и вычитания Советский патент 1992 года по МПК G06F1/04 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при изготовлении цифровых оптических процессоров, использующих знакоцифровую ариф- метику при импульсно-позиционном представлении операндов.

Известна работа (Signed-diglt Number Representation for Fast Parallel Arithmetics, A.Avizienis, IRE Transactions on Electronic Computers, V.EC-10, N 3, September, 1961, p. 389), описывающая выполнение операций в знаковоцифровой арифметике и содержащая блок-схему двухступенчатого сумматора.

Знакоцифровое число представляется n+m+1 цифрами г (,. ,-1,0,1m) и имеет алгебраическое значение

m

z- 2

(D

где значения г и г таковы, что удовлетворяются следующие требования

основание г - положительное целое;

алгебраическое значение имеет уникальное представление;

существуют трансформации между обычным представлением и знакоцифро- вым представлением для каждого алгебраического значения Z внутри определенного диапазона;

полностью параллельное сложение и вычитание возможны для всех цифр в соответствующих позициях двух представлений.

Арифметические операции полностью параллельного сложения и вычитания двух цифр zi и yi из соответствующих i-x позиций представлений чисел Z и Y определяются как следующие:

Сложение цифр zi и yi полностью параллельно, если выполняются следующие два условия:

цифра суммы (1-я цифра суммы S yi) есть функция только цифры первого слагаемого zi. второго слагаемого yi и цифры преобразования ti из (i+1) позиции справа х, f (zt. у., ti);

LO С

VI

сл XJ

Ч)

цифра преобразования ti-1 (1-1)-й позиции слева есть функция только цифры первого слагаемого г и цифры второго слагаемого yi:ti-i f (г, yi).

Сложение двух цифр выполняется за два шага. Во-первых, формируется выходящая цифра преобразования ti-1 и цифра внутренней суммы У|

zi + yi r ti-1 + (Л(2)

Затем формируется цифра суммы S:

а од + ti.(3)

Цифра преобразования ti-1 может принимать три значения:

, если Wmin Zi +yi ОДпах)

, ecnnzi + yi O)maxr (4)

,есЛИ Zi + yi WminJ

Значения (, йЛпах- определяются выбором основания счисления г. Пример для .

од: 5,4,3,2,1,0,1,2,3 А5;

3, yi, г 6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6; Отрицательные значения обозначаются с помощью черты над цифрой.

Вычитание выполняются с помощью сложения с аддитивной обратной величиной, т.к. для любого существует , такое, что а + (-а)0.

В указанной работе приведена блок- схема параллельного сумматора, в котором каждый i-й каскад знакоцифрового представления выполняет вычисления за два шага. На первом шаге в соответствии с (2) определяются значения внутренней суммы at и значение цифры преобразования т.ы для соседнего каскада. На втором шаге определяется знакоцифровое значение суммы а в соответствии с (3).

Кроме блок-схемы в знакоцифровом представлении в указанной работе не содержится более детализированного технического решения сумматора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является оптический модуль для сложения и вычитания в системе остаточных классов. Модуль для сложения и вычитания в СОК содержит матрицу оптических коммутаторов из М столбцов и (М-1) строк (М - значение модуля) и фотоприемники, входы разрядов первого операнда модуля соединены с оптическими входами оптических коммутаторов первой строки матрицы, первый оптический выход К-го оптического коммутатора (...М) Р-й строки матрицы (..,М-2) соединен с оптическим входом К-ro оптического коммутатора (Р-И)-й строки матрицы, оптические выходы оптических коммутаторов (М-1)-й строки матрицы являются выходами разрядов результата модуля, входы значащих

разрядов второго операнда модуля соединены с управляющими электрическими входами оптических коммутаторов соответствующих строк матрицы. Также модуль содержит (М-1) групп по М оптических коммутаторов в каждой и группу из 2 (М-1) оптических каналов, причем второй оптический выход К-го оптического коммутатора а-й (...М-1) строки матрицы соединен с

0 оптическим входом К-го оптического коммутатора а-й группы, управляющие электрические входы оптических коммутаторов групп объединены и соединены с входом задания вида операции модуля, выход сиг5 нала переполнения которого соединен с электрическим выходом фотоприемника, первый оптический выход В-го, где В (Р+1),..М, оптического коммутатора Р-й группы соединен с оптическим входом (В0 Р)-го оптического коммутатора (Р+1) строки матрицы, второй оптический выход (В-Р)-го оптического коммутатора Р-й группы соединен с оптическим входом В-ro оптического коммутатора (Р+2)-ой строки матрицы, пер5 вый оптический выход М-го и второй оптический выход первого оптических коммутаторов (М-1)-й группы являются соответственно выходами первого и М-го разрядов результата модуля, первый

0 оптический выход С-го (...а) оптического коммутатора а-й группы соединен через (а- С+1)-й оптический канал группы с входом фотоприемника и является выходом (М- а+С)-го разряда результата модуля, второй

5 оптический выход (М-С+1)-го оптического коммутатора а-й группы соединен через (М+а-с)-й оптический канал группы с входом фотоприемника и является выходом (а-с+1)- го разряда результата модуля.

0 Недостатком известного технического решения является невозможность прямо использовать его для вычислений в знако- цифровой системе счисления, где сумматор- вычитатель можно построить из

5 совершенно идентичных конструктивно каскадов, в то время как несколько модулей для сложения и вычитания в СОК не составляют еще сумматора-вычитателя в общем случае (не контролируется переполнение

0 системы, не отслеживается диапазон, в котором находится результат), кроме того, модули СОК, несмотря на однородную топологию, количественно различны для выбранной СОК.

5 Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно, обеспечение возможности построения сумматора-вычитателя в знакоцифровом представлении из конструктивно одинаковых каскадов. Кроме того, в знакоцифровом представлении легче реализуется режим с плавающей запятой.

Поставленная цель достигается тем, что в оптический модуль для сложения и вычитания, содержащий матрицу коммутаторов из 2(М-1) строк и М столбцов (М-нечетная разрядность информации), первый фотоприемник, причем входы-разрядов первого операнда модуля соединены с оптическими информационными входами соответствующих коммутаторов первой строки матрицы, вход К-ro (К 1:-М-1) разряда входа второго операнда модуля соединен с электрическими управляющими входами коммутаторов (2К-1)-й строки матрицы, вход задания сложения модуля соединен с электрическими управляющими входами коммутаторов 2d-u (d 1-M-1) строки матрицы, электрические управляющие входы коммутаторов 2(M-d)-x строк матрицы объединены, первые оптические выходы коммутаторов (2К-1)-й строки матрицы соединены с оптическими информационными входами соответствующих коммутаторов (2К+1)-й строки матрицы, вторые оптические выходы коммутаторов (2К- 1)-й строки матрицы соединены с оптическими информационными входами соответствующих коммутаторов 2К-й строки матрицы, выход первого фотоприемника является выходом отрицательного переполнения модуля, введены второй фотоприемник, группа элементов задержки, первая и вторая группы коммутаторов, причем первый оптический выход P-ro (p 1-rM-d) коммутатора 2 (-d + 1)-й строки матрицы

соединен с оптическим информационным входом (d + р)-того коммутатора 2 (--- +

+d) +1-й строки матрицы, вход задания вычитания модуля соединен с электрическим управляющим входом первого коммутатора 2 (М-1)-й строки матрицы, первые оптические выходы (М-С+1)-х коммутаторов (

), 2 (

М-1

-d + 1) и 2 (М- 1

d) строк

) - V о

матрицы соединены с (d-C+1)-M входом второго фотоприемника и с первым оптическим

выходом (--- + d-c+ 1)-го коммутатора

(2М-3)-й строки матрицы, выход второго фотоприемника является выходом положительного переполнения модуля, вторые оптические выходы 1-х ( + 1тМ)-тых коммутаторов 2 (

М- 1

-d + 1)-й и 2 (

М - 1

+ dj-й

.

строк матрицы соединены с оптическими информационными входами (i-d)-x коммутаторов соответственно (2(-d+ 1)+ 1)-й и

(2(

М- 1

d)+ 1)-й строк матрицы, вторые

оптические выходы (с-х) коммутаторов 2

..М - 1 , л . „ ,М - 1 , - (-d+ 1)-и и 2 (-- + d) -и

строк матрицы соединены с (d- С+1)-м входом первого фотоприемникэ и с

М - 1 первым оптическим выходом (---+ 1-d+

+с)-го коммутатора (2М-3)-й строки матрицы, первый оптический выход j-ro(

f + 1) и второй оптический выход

15

(

М

+ j)-ro коммутаторов 2(М-1)-й строки

матрицы соединены с первыми оптическиМ - 1 ми выходами соответственно (j+ ---)-го и

j-ro коммутаторов (2М-3)-й строки матрицы, первый оптический выход первого коммутатора (2М-3)-й строки матрицы соединен с

(

М- 1

+ 1)-м входом первого фотоприемни

ка

и с первым оптическим выходом (---)-го коммутатора (2М-3)-й строки матрицы, первый оптический выход М-го коммутатора 2(М-3)-й строки матрицы

(--- + 1)-м входом второго

соединен с

фотоприемника и с первым оптическим вы- ходом (---)-го коммутатора (2М-3)-й

строки матрицы, вход а-го элемента задер35 жки группы (а 1-гМ-2) соединен с первым оптическим выходом (а+1)-го коммутатора (2М-3)-й строки, выход а-го элемента задержки группы соединен с оптическим информационным входом а-го коммутатора

40 первой группы, первый оптический выход а-го коммутатора первой группы соединен с оптическим информационным входом а-го коммутатора второй группы, второй оптический выход первого коммутатора первой

45 группы является выходом первого разряда выхода результата модуля, первый оптический выход а-го коммутатора второй группы является выходом {а+1)-го разряда выхода результата модуля, оптический информэци50 онный вход у-го (у- 1т-М-3) коммутатора второй группы соединен со вторым оптическим выходом (у + 1)-го коммутатора первой группы, второй оптический выход а-го коммутатора второй группы является выхо55 дом (а+2)-го разряда выхода результата модуля, электрические управляющие входы, коммутаторов первой и второй групп соединены соответственно со входами сигналов отрицательного и положительного переполнения модуля.

Указанные отличия являются существенными, т.к. они в совокупности позволяют построить каскад знакоцифрового оптического сумматора-вычитателя. Рассмотрим конкретный каскад сумматора-вычитателя для основания . Тогда допустимые значения операндов zi,yi и цифры суммы S следующие, 2,1,0,Т,2,3; цифры внутренней суммы могут принимать значения 2,1,0,1,2,

На фиг.1 представлена схема предлагаемого каскада знакоцифрового сумматора- вычитателя для основания .

Каскад содержит матрицу оптических коммутаторов 1 и 2. Электрические входы коммутаторов 1 объединены построчно и соединены со входами разрядов второго операнда 10. Электрические входы коммутаторов 2 второй, четвертой и шестой строки объединены и связаны со входом задания вида операции сложение 4 (для случая конкретной реализации оптических коммутаторов на связанных волноводах). Электрические входы коммутаторов 2 восьмой, десятой и двенадцатой строк объединены и связаны со входом задания вида операции вычитание 3.

Первый (правый) выход коммутатора 1 всех нечетных строк (кроме одиннадцатой) связан со входом коммутатора 1 той же вертикальной позиции нижележащей нечетной строки.

Второй (левый) выход коммутатора 1 каждой нечетной строки (кроме одиннадцатой) связан со входом коммутатора 2 следующей четной (на фиг.1 - нижележащей) строки, той же вертикальной позиции,

Первый (правый) выход коммутатора 2 t-й позиции каждой четной строки (кроме двенадцатой) связан со входом коммутатора следующей (нижележащей) строки - нечетной, при этом позиция этого коммутатора нечетной строки определяется по правилу: t плюс абсолютная величина присвоенного значения разряда, вход которого связан со входами коммутаторов 1 предыдущей нечетной строки. Если же величина t плюс абсолютная величина присвоенного значения разряда превышает число столбцов матрицы, то первый (правый) выход коммутатора 2 связан с вертикальным каналом соответствующей позиции второй группы 15. Так, в частности, как показано на фиг.1, электрические входы коммутаторов 1 первой строки объединены и связаны со входом разряда 3 второго операнда, а первый выход каждого коммутатора 2 второй строки соединен со смещением на три вертикальных позиции вправо, либо со входом коммутатора 1 третьей строки, либо с одним

из каналов второй группы 15, имеющими условные обозначения (4). (5). (6).

. Подобным же образом, второй (левый) выход коммутатора 2 t-й позиции каждой

четной строки (кроме двенадцатой) связан со смещением влево на число вертикальных позиций, равное абсолютной величине присвоенного значения разряда, вход которого соединен с электрическими входами комму0 таторов 1 предыдущей строки, либо со входом коммутатора нижележащей нечетной строки, либо с одним из каналов первой группы 15, имеющими условные обозначения (4), (5). (6).

5 Первые (правые) выходы коммутаторов

1одиннадцатой строки (электрические входы которых объединены и связаны со входом разряда 3 второго операнда)позиций со 2 по 6 (т.е. с присвоенными значениями

0 от 2 до 2) связаны со входами пяти элементов задержки 12.

Первые (правые) выходы коммутаторов

2двенадцатой строки связаны со смещением вправо на три вертикальных позиции ли5 бо с первыми выходами коммутаторов 1 одиннадцатой строки позиций со 2 по 6, либо с соответствующим оптическим каналом второй группы 15.

Вторые (левые) выходы коммутаторов 2

0 двенадцатой строки связаны со смещением влево на три вертикальных позиции либо с первыми выходами коммутаторов 1 одиннадцатой строки позиций со 2 по 6, либо с соответствующим каналом первой группы

5 15.

Первый выход первого коммутатора одиннадцатой строки является оптическим каналом первой группы с условным обозначением 3.

0 Первый выход седьмого коммутатора одиннадцатой строки является оптическим каналом второй группы с условным обозначением 3.

Оптические каналы первой группы сое5 динены каждый с первым фотоприемником 5 и с первым выходом одного из коммутаторов 1 одиннадцатой строки по правилу: условное обозначение канала плюс основание системы счисления, равное четырем.

0 Оптические каналы второй группы соединены со вторым фотоприемником бис первым выходом одного из коммутаторов 1 одиннадцатой строки по правилу: условное обозначение канала минус четыре.

5 С электрического выхода 7 фотоприемника 5 снимается сигнал отрицательного пе- реполнения данного 1-го каскада и предназначается для (i-1)-ro каскада сумматора-вычитателя. Аналогично, с электрического выхода 8 фотоприемника б снимается

сигнал положительного переполнения и э,° ресуется в (i-1) и каскад

Пять элементов задержки 12 предназ начены для синхронизации сумматора-вы- читателя в целом. Они должны задерживать распространение оптического сигнала на время, необходимое для срабатывания фотоприемника в соседнем каскаде и для включения строк коммутаторов 13 и 14 в данном каскаде

Элементы задержки 12 могут быть выполнены одним из известных способов: как протяженный оптический канал или как пара фотоприемник-излучатель.

Выходы элементов задержки 12 соединены со входами оптических коммутаторов 13. Электрические входы коммутаторов 13 объединены и связаны с выходом сигнала отрицательного переполнения от (i+1)-ro каскада-16.

Первый выход коммутатора 13 связан со входом коммутатора 14 той же позиции.

Второй выход первого коммутатора 13 соединен с .первым выходом каскада. Второй выхода-го коммутатора 13(а соединен со входом (а-1)-го коммутатора 14,

Электрические входы коммутаторов 14 объединены и связаны с выходом сигнала положительного переполнения (i+1)-ro каскада - 17.

Первый выход а-го коммутатора 14 (правый) является (а+1)-м выходом каскада. Второй (левый) выход коммутатора 14 соединен с (а+2)-м выходом каскада.

Условно каскад можно разбить на две части: первая часть ограничивается выходами элементов задержки 12, вторая часть содержит строки коммутаторов 13 и 14. На выходе первой части заканчивается формирование внутренней суммы ад в соответствии с формулой (2), фотоприемники вырабатывают цифру преобразования (или переноса) ti-1. Во второй части формируется результат сложения или вычитания в данном i-м каскаде.

На фиг.2 представлен фрагмент знако- цифрового сумматора-вычитателя из (i+1)- ro, i-ro и (Ы)-го каскадов -18. Показаны выходы 7 и 8 положительного и отрицательного переполнения каскада, соответственно, Входы 16 и 17 служат для приема сигналов отрицательного и положительного переполнения. Для определения старшинства каскадов следует руководствоваться формулой (1), где сложение идет от -п до +гл, а показатель степени у основания системы - отрицательный.

Каскад работает следующим образом. Оптический импульс поступает на один из

-ходов оптических каналов входа 9 каскада

дновременно на коммутаторы 2 второй,

четвертой, шестой строк или коммутаторы 2

восьмой, десятой, двенадцатой строк подается (или убирается) электрический сигнал

формирования знака

На коммутаторы 1 одной из строк, связанных со входом 10 второго операнда, подается переключающий сигнал.

0 Оптический сигнал проходит через незадействованные коммутаторы 1 и выходит с их первого (правого) выхода. Когда оптический импульс доходит до задействованного коммутатора 1. он с левого (второго) выхода

5 этого коммутатора 1 попадает на коммутатор 2, который адресует его на следующую строку, смещая на число позиций столбцов, равное номеру позиции включенной строки коммутаторов 1. Если оптический сигнал по0 падает на столбец позиций со 2 по 6 (т.е. с присоединенными значениями от 2 до 2). то он проходит без переключения до соответствующего элемента задержки 12. Если же оптический сигнал выходит на один

5 из оптических каналов 15 первой группы (в число которых входит первый выход первого коммутатора 1 одиннадцатой строки - значения 3), то он частично считывается на фотоприемник 5, в частично попадает на

0 вход одного из элементов задержки 12. Аналогично, если оптический сигнал выходит на один из оптических каналов 15 второй группы (в число которых входит первый выход седьмого коммутатора 1 одиннадцатой

5 строки-значения 3), то он частично считывается на фотоприемник 6, а частично попадает на вход одного из элементов задержки 12.

Элементы задержки замедляют поступ0 ление оптического сигнала на вход одного из коммутаторов 13 до переключения строки этих коммутаторов 13 (если на них поступит сигнал отрицательного переполнения от(1+1)-го каскада). Если сигнал отрицатель5 ного переполнения поступил, то оптический сигнал выходит со второго (левого) выхода соответствующего коммутатора 13. Если это первый коммутатор 13, то сигнал поступает на первый выход каскада (значения 3). Ес0 ли это коммутатор 13 не первый, то с его второго (левого) выхода сигнал поступает на вход одного из коммутаторов 14 со смещением на позицию влево и проходит с первого (правого) выхода коммутатора 14, не

5 переключаясь (т.к. строки коммутаторов 13 и 14 не могут быть задействованы одновременно) на один из выходных позиций каскада 11.

Если от (i+1)-ro каскада пришел сигнал положительного, а не отрицательного переполнения, то оптический сигнал, не переключаясь, проходит через коммутатор 13. выходит с его первого (правого) выхода и поступает на один из коммутаторов 14 и выходит с его второго (левого) выхода со смещением на позицию вправо йа один из выходов каскада 11.

Также, может иметь место ситуация, когда не приходит сигнала ни положительного, ни отрицательного переполнения от (i+1)-ro каскада, тогда оптический сигнал проходит, не переключаясь, через коммутаторы 13 и 14 до одного из выходов каскада 11.

Формула изобретения

Оптический модуль для сложения и вычитания, содержащий матрицу коммутаторов из 2(М-1) строк и М столбцов (М-нечетное, разрядность информации), первый фотоприемник, причем входы раз- рядов входа первого операнда модуля соединены с оптическими информационными входами соответствующих коммутаторов первой строки матрицы, вход К-го(..,М- 1) разряда входа второго операнда модуля соединен с электрическими управляющими входами коммутаторов (2К-1)-й строки матрицы, вход задания сложения модуля соединен с электрическими управляющими

входами коммутаторов 2с1-й (d 1 ...

М

1)

соединен с оптическим информационным входом (d+ р)-го коммутатора 2 (--- + d)

+1-й строки матрицы, вход задания вычитания модуля соединен с электрическим управляющим входом первого коммутатора 2(М-1)-й строки матрицы, первые оптические выходы (М-С+ 1)-х коммутаторов (с

1...d) 2 (- -d+ 1)-й и 2 (- + d}й строк матрицы соединены с (d-c+1)-M входом второго фотоприемника и с первым

оптическим выходом (

М- 1

+ d-c + 1)-го

коммутатора (2М-3)-й строки матрицы, выход второго фотоприемника является выходом положительного переполнения модуля, вторые оптические выходы t-x ( 1... М)

коммутаторов 2 (М 1 -d+ 1)-й и 2 (М 1 +

+ d)-u строк матрицы соединены с оптическими информационными входами (l-d)-x

20 25

30

М- 1

-d+

коммутаторов соответственно 2(

Ј

М - 1 +1) + 1-й и 2(--- + d)+ 1-й строк матрицы,

вторые оптические выходы с- х коммутаторов 2(- -d +1H и 2 (- +d)-fl строк

матрицы соединены с (d-c+1)-M входом первого фотоприемника и с первым оптическим

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при изготовлении цифровых оптических процессоров, использующих знакоцифровую ариф- метику при импульсно-лозиционном представлении операндов. Целью изобретения является расширение области применения за счет выполнения сложения и вычитания в знакоцифровом представлении. Оптический модуль для сложения и вычитания содержит матрицу коммутаторов 1 и 2, первой и второй фотоприемники 5 и 6, группу элементов 12 задержки, первую и вторую группы коммутаторов 13 и 14 со связями. 2 ил.

(

М- 1

- d + 1) строки матрицы соединен с

строки матрицы, электрические управляющие входы коммутаторов 2(M-d)-x строк матрицы объединены, первые оптические выходы коммутаторов (2к-1)-й строки мат- рицы соединены с оптическими информаци- онными входами соответствующих коммутаторов (2к+1)-й строки матрицы, вторые оптические выходы коммутаторов (2к- 1)-й строки матрицы соединены с оптическими информационными входами соответствующих коммутаторов 2к-й строки матрицы, выход первого фотоприемника является выходом отрицательного переполнения модуля, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет выполнения сложения и вычитания в знакоцифровом представлении, он содержит второй фотоприемник, группу элементов задержки, первую и вторую группы коммутаторов, причем первый оптический выход р-го (...M-d) коммутатора 2

оптическим информационным входом (d + 55 р)-го коммутатора 2 ( -d+ 1) + 1-й строки матрицы, первый оптический выход р-го

коммутатора 2 (

М- 1

+ d) -и Строки матрицы (

выходом (М-1

+ 1-d + с)-го коммутатора

(2М-3)-й строки матрицы, первый оптический выход j-го (j 1... ,М-1

М- 1

+ 1) и второй

оптический выход (-г- + j)-ro коммутатора

2(М-1)-й строки матрицы соединены с первыми оптическими выходами соответственно (J Н-у-) го и j-ro коммутаторов

(2М-3)-й строки матрицы, первый оптический выход первого коммутатора (2М-3)-й

строки матрицы соединен с (

М- 1

+ 1)-м

входом первого фотоприемника и с первым оптическим выходом (---)-го коммутатора (2М-3)-й строки матрицы, первый оптический выход М-го коммутатора (2М-3)-й

строки матрицы соединен с (М-1

+

входом второго фотоприемника и с первым оптическим выходом (- -}-го коммутатора (2М-3)-й строки матрицы, вход а-ro элемента задержки группы (...M-2) соединен с первым оптическим выходом (а+1)-го коммутатора (2М-3)-й строки матрицы, выход а-го элемента задержки группы соединен с оптическим информационным входом а-го коммутатора первой группы, первый оптический выход а-го коммутатора первой группы соединен с оптическим ин формационным входом а-го коммутатора второй группы, второй оптический выход первого коммутатора первой группы является выходом первого разряда выхода результата модуля, первый оптический выход а-го коммутатора второй группы является выходом (а+1)-го разряда выхода результата мо-

15

/) fj

(риг / //

дуля, оптический информационный вход у- го ( ... М-3) коммутатора второй группы соединен с вторым оптическим выходом (у + 1)-го коммутатора первой группы, второй 5 оптический выход а-го коммутатора второй группы является выходом (а+2)-го разряда выхода результата модуля, электрические управляющие входы коммутаторов первой и второй групп соединены соответственно со 10 входами сигналов отрицательного и положительного переполнения модуля.

Редактор

Составитель Л.Титова Техред М.Моргентал

(Dt/t,2

Корректор И.Шмакова