Вычислительная однородная структура Советский патент 1979 года по МПК G06F7/00 

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники ;и предназначено для построения вычислительных и управляющих устройств на основе однородных вычислительных структур (памяти с логикой, вычислительных сред). Известны элементы вычислительных устройств с однородной структурой, содержащие соединенные между собой функциональный преобразователь (например, устройство сравнения), элемент памяти, коммутирующий элемент и элемент настройки 1. Наиболее близким по технической сущности решением является вычислительная однородная структура, содержащая идентичные ячейки, каждая из которых содержит элемент памяти, вход которого соединен с первым выходом коммутатора, другие выходы кот рого соединены со входами элементов памяти соседних ячеек, выход элемен та памяти соединен с одним из -вхо/ о первой группы входов схемы сравнени остальные входа -первой группы подключены к выходам соответствующих элементов памяти соседних ячеек 2} Недостатком обоих устройств явля ется низчое быстродействие. Цель изобретения - повышение быстродействия структуры. Цель изобретения достигается тем, что в каждой ячейке схема сравнения содержит блок настройки фильтров, блок электрически перестраиваемых оптических фильтров и блок детектирования, выходы которого подключены к группе входов коммутатора, информационные входы структуры подключены к оп1Ч1ческим входам блока электрически перестраиваемых оптических фильтров, оптические выходы которого подключены к оптическим входам блока детектирования, вторая группа входов блока перёстраиваелаах фильтров подключена К выходам блока настройки, первая группа входов которого подключена к группе управляющих шин, вторая группа входов - к первой группе входов схемы сравнения, и тем, что блок детектирования содержит поперечный фоторезистор, электроды которого являются выходами блока детектирования, оптические входы фоторезиртора являются оптическими входами блока детектиров дния. На фиг. 1 представлена блок-схема ячейки вычислительной однородной структуры; на фиг. 2 представлен пример вычислительной однородной структуры; на фиг. 3 п эедставлены слои отдельной ячейки однородной вычислитепьной структуры,.изображенной на фиг. 2 на фиг. 4, 5 представлены примеры функций мстуляции символов алфавита в правых частях команд подстановок; на фиг, 6 представлен пример образа алгоритма (поля излучения) и указано расположение электрода одного из фильтров; на фиг. 7, 8 представлены примеры функций модуляции правых частей команд подстановок; на фиг. 9 представлен вариант кЬррекции строки поля излучения.

Ячейка состоит из блока перестраиваемых фильтров 1, устройства детектирования 2 и блока настройки фильтров 3, образующих устройство сравнения 4, коммутатора 5, элемента памяти 6. Управляющие входы блока 1 соединены шинами настройки 7 с выходами блока 3, входы 8 блока 1 соединены с источником сигнала, несущего образ алгоритма, выходы блока фильтов 1 шинами 9 соединены со входами устройства детектирования 2, выходы устройства детектирования 2 шинами 10 соединены со входами коммутатора 5, выходы которого соединены с соответствующими входами 11 элементов памяти 6 своего и соседних ячеек, выходы элементов памяти 6 своего и соседних ячеек присоединены к соответствующим входам 12 блока настройки 3, шинами 13 блок настройки соединен с внешними для структуры источниками управляющих сигналов.

Команды, выполняемые предлагаемой ячейкой, являются командами подстановок. Каждая команда подстановок некоторого алгоритма эквивалентна нескольким строкам таблищл nepexoJDtoB автомата - ячейки сети, реализующей этот алгоритм. Так как в однородной структуре, построенной из предлага- . емых ячеек, одновременно выполни..1Ы ее вгоманды алгоритма, то можно говорить об адеквантном моделировании однородной структурой работы сети, состоящей из автоматов высокой сложности. Можно также отметить, что язык команд подстановок является достаточно эффективным средством записи произвольных алгоритмов.

Рассмотрим работу ячейки. Прежде всего определим образ алгоритма. Кажой команде подстановки ставится в соответствие некоторый сигнал, параметры которого (частота, амплитуда, пространственное расположение и т.п.) кодируют номер подстановки в алгорите, символы левой и правой части подстановки и их взаимное расположение. Совокупность таких сигналов, предтавл тющую весь, алгоритм, будем называть образом алгоритма.

Работа ячейки состоит в том, что i3 всего множества команд, представленных образом алгоритма, устройство сравнения 4 ячейки пропускает только одну команду (если она есть), код левой части которой совпадает с кодом настройки блока фильтров 1, являющимся функцией состояний элементов памяти ячейки, ее соседей и управляющих входов 13.

Функция модуляции сигнлла, представляющего эту команду, несет информацию о коде правой части этой команды. Элементы этого кода через коммутатор 5 записываются в некоторые из ячеек однородной структуры.

Рассмотрим пример реализации ячейки в оптическом диапазоне сигналов. После излучения, несущее образ алгоритма, двумерно и состоит из элементарных участков, образующих столбцы и строки. Спектральный состав и распределение интенсивности поля в этих участках представляют команды подстановок алгоритма. Осуществляется это следующим образом. Алгоритм разбивается на ряд блоков, команды подстановок внутри блоков нумеруются. Все команды из различных блоков, но с одним и тем же номером представляет одна и та же строка элементарных участков поля излучения. В каждом элементе строки число составляющих в спектре поля равно числу представляемых этой строкой команд. Каждая Составляющая спектра некоторого i-ro элемента строки является суммой двух частот: частоты { Q:), кодирующей номер j-ro блока, и частоты(w ) кодирующей имя с, i-ro символа в лево части соответствующей команды подстановки из этого блока. Все составля-. «эщие спектра поля строки, кодирующие левую часть некоторой команды подстановки, модулируются по интенсивности по одному и тому же закону, характеризующему правую часть команды.

Пусть, для определенности, ячейки объединены в двумерную однородную структуру, изображенную на фиг. 2. Алфавит команд подстановок, выполняемых этой структурой, содержит два символа {0,l}, им соответствуют в поле излучения параметры , w, .

Алгоритмы подстановок могут быть разбиты на два блока, в поле излучения это разбиение; характеризуют параметры 52, , а в самой однородной структуре разбиение определяют управляющие сигналы и , и,, , поступающие по входам 13.

Спектр поля излучения имеет четыре составляющих: SQ WP .+ 51,

Wo - ffij ,

s w, «,.

S, W, + 52, , Sj,...

В блоке настройки им соответствуют четыре напряжения: V и„ U,, V, Uj V, , Vj, Uo - Vj , Vj U, t V , где Ц, представляет в элементепамяти 6 символ алфавита О, и, - сим|вол алфавита 1. Соответствие означает, что если на некий фильтр подано управляющее напряжение V , то он пропускает сигнал с частотой s и только этот сигнал. Для кодировки символа О в правой части команды вводится функция модуляции Ag(t), для кодировки J - функция AJ(t). Эти функции на некотором интервале времени t изображены на фиг. 4, ь соотвётственно.

Каждая гчейка 14 имеет восемь соседей. Состояния заштрихованных ячеек сопоставляются контексту команд подстановок. Сама команда записывается- так; первым записан символ, соотносимый состоянию элемента памяти б ячейки 14, вторым - ячейки 15, третьим - ячейки 16, четвертым ячейки 17, пятым - ячейки 18, в контексте первым записан символ, соотносикий состоянию элемента памяти б ячейки 19, вторым ячейки 20, третьим - ячейки 21, четвертым.-ячейки 22; запись символов в правой части команды соответствует записи в левой части.

Однородная вычислительная структура (фиг. 2) в направлении , перпендикулярном плоскости чертежа, имеет три слоя. Эти слои для отдельной ячейки представлены на фиг. 3. Стрелками на этой фигуре показано направлние падения на блок фильтров 1 поля излучения. Блок 1 представляет собой пластину сегнетоэлектрика 23 с напыленными ня нее электродами 24 (перестраиваемый фильтр Фабри-Перо), числ пар электродов равно девяти (максимальной длине левой части команды подстановки, реализуемой ячейкой). Блок детектирования 2 - это поперечный фотореэистор 25 с электродами 26 Третий слой образует управляющую плату 27, на которой для каждого элемента размещены коммутатор 5, элемент памяти б, блок настройки 3, например все в микроэлектронном транзисторном исполнении. Блок настройки 3 представляет собой.совокупность сумматоров, складывающих два уровня напряжения: с выходов элементов памяти 6 и от внйанего управляюиего входа 13. Элемент П 1мяти б представляет соб.ой один разряд регистра сдвигя, содержащий два триггера: буферный и основной. В третьем слое проведены все соединения, обеспечивающие связь ячейки с соседями и внйиними источниками управляющих сигналов.

Оптический образ алгоритма формируется в некотором блоке излучения (в принципе, одном для всей однородной .структуры) при помощи источников света, имеющих необходимый набор частот, и электрически управляемых транспарантов, задающих двумерную структуру поля и соответствующую модуляцию. На элемент образ ёшгоритма поступает из блока излучения например, через мультипликатор.

Рассмотрим выбор и выполнение команды ячейкой однородной структуры. Эта процедура выполняется в два такта.

5 В поле излучения (фиг. 6), представляющем некоторый., алгоритм, выделим j-ю строку. Строки ПОЛЯ излучения разделены зонами, в которых поле излучения отсутствует. Расположение

0 одного из электродов 24 блока 1 относительно .эгементов поля излучения показано на фиг. б заштрихованным прямоугольником. Сигналы с частотами, записанными в элементах j-й стро

5 ки первыми, модулированы по закону, представленному на фиг. 7, вторыми - по закону, представленному на фиг. 8 Ясно, что эта строка несет образы двух подстановок:, j-й подстановки 01011 « 1010-10100 первого блока и

0 j-й подстановки 10101 0101- 01100 второго блока алгоритма.

Первый такт. Пусть исходное состояние однородной структуры таково, что элемент памяти 6 ячейки 14 находится в состоянии О (на выходе

элемента памяти потенциал U, ), ячейки 15 - в состоянии 1 (Uf),ячейки 16 в состоянии О (Up), ячейки 17 - в состоянии 1 (и ), ячейки 18 - в состоянии 1 (Uj), ячейки 19 - в состоянии 1 (Uj), ячейки 20 - в состоянии ( (UQ), ячейки 21 в состоянии 1 (и) ячейки 22 - в состоянии О (U) и по входам 13 подан управляющий сигнал

5 Uj . Эти сигналы поступают в блок

настройки 3 ячейки 14. С выходов блока настройки по шинам 7 в блок фильтров поступают: V, на первую пару электродов 24, V - на вторую, v -

Q на третью, Ц - на четвертую, V, на пятую, V, - на шестую, V - на седьмую, Vj - на восьмую, V - на девятую. В соответствии с этими потенциалами первый участок фильтра (расположен между первой парой электродов) пропускает сигнал с частотой S(j , Чз торой - S, , третий - S,,, четвертый - S, , пятый - БО , шестой - Sj , седьмой - Sg , восьмой - Sj , девятый - Sp. Элементы поля с такими

частотами, пройдя фильтр, проектируются на поперечный фоторезистор, образуя освещенные участки, причем проекция j-й строки поля излучения на поверхности фоторезистсра образует сплошную освещенную полосу, соединяющую оба электрода фоторезистора. Эта черта будет единственной, так как в блоке алгоритма не существует двух подстановок с одинаковыми левыми и различными правыми частями (по правилам построения алгоритмов обобщен :ых подстановок) .Это означает, что код, образованный состоянием элемента памяти ячейки 14 и его окрестности, совпал с кодом левой час5

ти j-й подстановки первого блока алгоритма. Интенсивность освещенности этой полосы изменяется по закону, приведенному на фиг. 7. Эти изменения приводят к соответствуюгдим изменениям напряжения в цепи нагрузки фоторезистора, поступающим на вход коммутатора 5. Коммутатор по входу 11 осуществляет запись сигнала первого интервала Г в буферный триггер элемента памяти б ячейки 14 (этот триггер устанавливается в единицу (Uj ), так как А (t) является иэображением единицы в парафазном представлении) , второго интервала - в буферный триггер ячейки 15 (U,,), третьего интервала - в буферный триггер ячейки 16 (и, ), четвертого интервала - в буферный триггер ячейки 17 (Ug), пятого интервала - в буферный триггер ячейки 18 (Uj,) .

Второй такт. Состояния буферных триггеров переписываются в основные, и вновь записанные сигналы с выходов элементов памяти Yio входам 12 поступают в блоки настройки. Команда подстановки выполнена.

Сделаем несколько замечаний. В примере были рассмотрены устройство и работа ячейки однородной структуры выполняющей алгоритьш, записанные в алфавите (0,l| и разбиваег ие не боле чем на два блока, число подстановок

. в блоке выбиралось таким, чтобы соот вегствующие этим подстановкам строки поля излучения уменьшались вдоль фильтров (фиг. 6) .

Обобщение класса выполняемых алгоритмов можно проводить по следующим направлениям:

1)увепичение числа символов в алфавите;

2)увеличение числа блоков,,на которые разбивается алгоритм;

3)увеличение числа подстановок в 5локе;

4)варьирование числом символов в тевой части команды подстановки;

«5) варьирование списка именующих 1)ункций, определяющего для каждого элемента его соседей.

Выполнение по первому и второму 1аправлениям приводит к росту числа доставляющих в спектре поля иэлуче1ИЯ, а следовательно требует улучше1ИЯ качественных показателей фильтэов и фоторезисторов (полосы протускания, отноление сигнал-шум, и т.п.). Выполнение по третьему найтравлению (рост числа строк поля из1учения) приводит к росту геом трисеских размеров фильтра и фоторезис:ора. В памяти ячейки и в блоке на;тройки первое и второе выполнение фиводит к необходимости использова1ИЯ многоустойчивых элементов памяи с тем, чтобы число управляющих ровней напряжения росло без услож;ения этих блоков. Ясно также, что юдстановка с большой длиной левой

частя и произвольными именующими функциями всегда может быть заменена несколькими подстановками с меньшей длиной левоЯ части и какими-то стандартными, принятыми для всего алгоритма, именующими функциями, быть может за счет некоторого расширения алфавита. Другими словами четвертое и пятое направленная сводятся к выполнению по первым трем направлениям.

Таким образом, по сравнению с ячейкой, приведенной в примере, ячейка однородной вычислительной структуры, выполняющей более общий класс алгоритмов, должна иметь достаточные геометрические размеры и обладать более высокими физическими характеристиками, но небольшой структурной сложностью.

и последнее. В случае, если возникнут разрывы в прохождении сигнало поля излучения в промежутках между электродами фильтра, тогда структура поля излучения (фиг. 6) может быть откорректирована, например, так, как это показано на фиг. 9. Заштрихованы новые элементы поля излучения, нало- енные на пары соседних элементов, и несущие сигнал с таким спектральным составом, что этот сигнал проходит через пластину фильтра независимо от состояния электродов фильтра.

Формула изобретения

1. Вычислительная однородная структура, содержащая идентичные ячейки, каждая из которых содержит элемент памяти, вход которого соединен с первым выходом коммутатора, другие выходы которого соединены со входами элементов памяти соседних ячеек, выход элемента памяти соеди;нен с одним из входов первой группы входов схемы сравнения, остальные входы первой группы подключены к выходам соответствующих элементов паМяти соседних ячеек, отличаю|щ а я с я тем, что, с целью повышения быстродействия структуры, в :каждой ячейкеСхема сравнения содержит блок настройки фильтров, блок электрически перестраиваелих опти:ческих фильтров и блок детектирования, выходы которого подключены к ;группе входов коммутатора, информационные входы структуры подключены к оптическим входам блока электрически перестраиваемых оптических фильтров, оптические выходы которого подключены к оптическим входам блока детектирования, вторая группа входов блока перестраиваемых фильтров подключена к выходам блока настройки, первая группа входов которого I подключен к группе управляющих шин. вторая группа входов - к первой груп пе вхолов cxeNtj сравнения. 2, Вычислительная однородная структура, отличающаяся тем, что блок детектирования содержит поперечный фотореэистор, электро ды которого являются выходами блока детектирования, оптические входы фоторезистора являются входами блока детектирования. 8 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 353242, кл. G Об F 1/00, 29.06.70. 2,Корнев Ю.Н., Пискунов С.В. и Сергеев С.Н. Алгоритг ы обобщенных подстановок и их интерпретация сетями автоматов и однородными машинами. II., Изаестия АН СССР, Техническая кибернетика , 6, 1971.

fui. I

3

t м I I I J

.. 1

р

т -ЛГГТ I

664гРВ

Jl

full

Я-лишл.

fliLJL