Датчик случайных чисел Советский патент 1980 года по МПК G06F1/02 G07C15/00 

Изобретение относится к вычисли- тельной технике и может быть использовано при моделировании случайных процессов.. Известен датчик случайных чисел, который содержит блок генераторов преобразуемых импульсных потоков, блок задания длительности испытаний блок схемы совпадения, блок регистрации исходов и прерывания случайных испытаний, блок преобразования ргюпределения. Принцип работы этого устройства основан на выделении импульса одного из преобразуемых потоков , пришедшего первым посл пуск датчика l.. Этот датчик является весьма сложным по устройству из-за наличия большого числа генераторов преобразуемы} импульсных потоков. Кроме того, для реализации высокого быстр действия требуется применять разнопородную элементную базу, что приводит к дополнительному усложнению устройства и сужает егофункциональ ные возможности. Известен также датчик случайных чисел, содержащий блок генераторов преобразуемых импульсных потоков, блок памяти в виде сменного наборно поля, генератор тактирующих- импульсов, блок адресации на базе циклического регистра сдвига и блоки логических элементов И и ИЛИ 2. Устройство сравнительно сложно из-за Нсшичия бохйлаего числа генераторов преобразуемых импульсных потоков. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является датчик, случайных чисел, содержаший гейератор импульсов, блок памяти с ад ресным регистром, генератор случайных импульсов и управляемый вероятностный элемент, включанедий неперенастраиваемый вероятностный (1,N)полюсник, -блок логических элементов И и элемент ИЛИ, при этом генератор случайных импульсов подключен через управляекшй вероятностный элемент к выходу датчика и к первому входу адресного регистра, второй вход которого подключен к вьЬсоду генератора импульсов, а выход - ко входу блока памяти, выход которого соединен с вторым входом управляемого вероятностного элемента 3. Недостатком датчика является зиачительное усложнение устройства и увеличение аппаратурных затрат при

использовании блоков памяти большого объема с организацией генерирования случайных чисел, распйвделенных по одному из законов, введенных в блок памят, .Это сужает функциональные возможности датчика случайных чисел.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей датчика случайных чисел за счет формирования потоков случайных чисел с произвольными законами распределения.

Цель достигается тем, что датчик случайных чисел, содержащий генератор импульсов и блок памяти, выходы которых подключены к входам управляющего вероятностного элемента, для достижения поставленной цели снабжен дополнительнь 1 блоком нормал зации случайных.чисел, N блоками выбора адреса и N равноверонтностными элементами,входы которых подключены к выходу генератора импульсов , а выходы N равновероятностных элементов подключены к первым входам соответствующих блоков выбора адреса вторые и третьи входы которых соединены соответственно с первой и второй группами входов датчика случайны чисел, а выход каждого блока выбора адреса подключён к соответствующим входам блока памяти и перво группе входов блока нормализации слу чайных чисел, выход которого подключен к выходу датчика случайных чисел вторая группа входов блока нормализации случайных чисел подключена ко втрым входам соответствующих блоков выбора адреса, вход блока нормализации случайных чисел подключен к выходу управляемого вероятностного элемента. При этом каждый блок выбора адреса содержит два-элемента И,элемент ИЛИ, входы которого подключены к выходам элементов И, выход элемента ИЛИ является выходом выбора адреса, первый вход которого соединен с прямым входом первого элемента И, .инверсный вход которого подключен к первому входу второго элемента И и второму входу блока выбора адреса, третий вход которого соединен со вторым входом второго элемента И.

На чертеже изображена структурная схема датчика случайных чисел..

Датчик содержит генератор 1 импульсов, блок 2 памяти, управляемый вероятностный элемент 3, блок 4 нормализации случайных чисел, блоки 5 выбора адреса и равновероятностные . элементы 6.

Генератор. 1 импульсов и блок 2 памяти подключены к входам управляемого вероятностного элемента 3, выход которого подключен к дополнительному входу блока 4 нормализации случайных чисел, выход которого подключен к выходу датчика случайных чисел, первая (от 1 до IN) группа

входов - к выходам соответствующих блоков 5 и входам блока 2 памяти|, а вторая (от 2 до 2, ) группа входов - к первой (от 1 до 1ц) группе входов датчика случайных чисел и вторым входам соответствующих блоков 5 выбора адресаJ третьи входы которых соединены с второй (от 2 до 2) группой входов датчика случайных чисел, а первые входы - с выходами равновероятностных элементов 6. входы которых подключены к выходу генератора импульсов..

Блок 5 выбора адреса содержит первый элемент 7 И, второй элемент

8И и элемент 9 ИЛИ.

, Первый вход блока 5 выбора адреса соединен с прямым входом первого элемента 7 И, инверсный вход которо подключен к первому входу второго элемента 8 И и второму входу блока 5 выбора адреса, третий.вход которого соединен со вторьм входом вторго элемента 8 И, при этом выходы первого и второго элементов И 7 и 8 подключены к входам элемента

9ИЛИ, выход которого подключен к выходу блока 5 выбора адреса.

Генератор 1 импульсов вырабатывает поток тактирующих импульсов усройства..

Блок 2 памяти предназначен для хранения и выдачи пО за- . просам от блоков 5 информации в виде кодированных сигналов , управляющих вероятностью прохождения импульсов от генератора 1 импульсов через управляемый вероятностный элемент 3. Управляемый вероятностный элемен 3 с заданной вероятностью пропускае либо не пропускает, импульс е выход генератора 1 импульсов.на дополнительный вход блока 4 нормализации случайных чисел.

Блок 4 нормализации случайных чисел служит для обеспечения определенного расположения разрядов случайного числа и заданной разрядной сетке и выдачи случайного числа на выход датчика.

Блоки 5 предназначены для организации управления выборкой требуемых адресов блока 2 памяти.

Равновероятностные элементы 6 формируют на выходе с .равной вероятностью сигналы 1 либо О.

Первый 7 и второй 8 элементы И служат как для организации выбора адресов блока 2 памяти, так и для формирования очередного случайного числа.

Элемейт 9 ИЛИ служит для логического объединения сигналов с выходов элементов И.

В общем виде процесс функционирования датчика включает два этапа: равноверотную выборку адреса кода вероятности Р-1 (J ) в зоне памяти. задаваемой кодом с управляющих вхоДОН датчика, и формирование случайного числа и реализацию случайного испытания с помощью управляемого вероятностного элемента 3, положительный исход; которого заключается в прохождении с вероятностью Р (j) задаваемой кодом вероятности, выбра ным с i-ro адреса, импульсного сигн&ла с выхода генератора 1 через J управляемый вероятностный элемент 3 (при появлении сигналов на выходе, элемента 3 блок 4 нормализации выдает сформированное случайное число на выход устройства). Для реализации первого этапа используются блоки 1, 5, 6. Импульс вырабатываемый генератором 1 импуль сов , поступает на вход управляемого вероятностного элемента 3 и входы равновероятностных элементов 6; на выходе последних случайным образ устанавливаются потенциалы 1 и О подаваемые на прямые входы первых элементов 7 И. Предположим, что первая и йторая группы входов датчика содержат по три входа. С помощью входов первой группы управляющих входов датчика задается зона памяти/ из которой будет производиться выборка кодов вероятностей. С помощью входов второй группы, при условии блокирования передачи сигналов с выходов равновероятностных элементов б, можно управлять выборкой требуемых адресов из зоны памяти, задаваемой сигналами с управляющих входов датчика. Если на каждый из входов первой группы подается 1., то это приводит к запиранию первых элементов 7 И и блокированию передачи сигналов с выходов равновероятностных,элементов 6 на адресные входы блоков 2 памяти. Тогда с помощью входов второй группы можно задавать значейие сигнгшов на выходах блоков 5 (т.е. если на один из входов второй группы подается 1, на выходе соответствующего блока 5 появляется 1) Если на каждый из входов первой группы подается О, это приводит к , запиранию вторых элементов 8 И и отпиранию первых элементов 7 И. В этом случае значения выходных сигналов блоков 5 будут определяться значениями случайных выходных сигналов равновероятностных элементов 6. Следовательно, после задания зоны памяти с помощью входов первой группы - управляющих кодов - можно осуществить выборку адресов внутри зоны случайными (с помощью первых элемен.тов И 7) и детерминированными сигналс1ми (с помощью вторых элементов И 8). в блоке 2 Пс1мяти хранятся нормированные коды вероятностей появления случайных .чисел на выходе устройства. В зависимости от комбинации вход.ных сигналов датчика количество воспроизводимых законов распределеН1 я изменяется. Характер этой зависимости можно уяснить из таблицы..

000

100

о - Знаками (-) отмечены разряды, задаваемых с выходов равновероятностных элементов 6.

1закон на 8 квантилей

2закона на 4 кван- тиля случайными сигналгили

Второй этап процесса функционирования датчика заключается в следую-: щем.

При опросе блока 2 памяти на вы, ходах его появляется совокупность

сигналов , которые задают , вероятности P,j (j) прохождения импульса через управляемый вероятностный йлемент 4 и блок 4 нормещизации случайных чисел , куда подается через первую группу входов блока . нормализации случайное число с выхо- дов блоков 5.

В блоке. 4 нормализации случайных чисел формируемое число нормализуется посредством сдвига на некоторое число разрядов. Количество так- ,15 тов сдвига может определяться по . количеству единиц в наборе сигналов, подаваекнлх на первую группу входов датчика случайных чисел.

При условии пвох;ождения импульса 20 через управля ий вероятностный элемент 3 случайное число после нормализации поступает на выход датчика, В случае, когда импульс не проходит через управляемый вероятностный 25 элемент 3, случайное число на выходе устройства не появляется.

Технико-эконс 1Йческая эффективность датчика случайных чисел определяется следующими его характеристиками:. . , широкими функциональными возможностя- ™ ми, состоящими в обеспечении воспроизведения по запросу случайного числа, распределенного по одному из совокупности заданных законов, к аждый из которых может иметь различ- ное число интервалов квантования кратное степени 2j простотой констру кции,полностьювыполненной на базе цифровых .элементов с возможностью непосредственного использования 40 без каких-либо дополнительных изменений типовых блоков памяти; высокой точностью и стабильностью работы, благодаря отсутствию аналоговых генераторов случайных сигналов; по- двьшением среднего быстродействия особенно для сложных полимодальных законов распределения} простотой программирования и настройки датчика, а также смены отдельных зако- ,нов распределения ввиду использования модульного принципа размещения кодов-законов распределения в блоке памяти и возможности ввода-вывода любого модуля независимо от других, .

Формула изобретения

к выходу генератора импульсов, а выходы N равновероятностных элементов подключены к первым входам соответствукяцих блоков выбора адреса, вторые и третьи входы которых соединены соответственно с первой и второй группами входов датчика случайных чисел,: а выход каждого блока адреса подключен к соответствующим входам блока памяти и к nep вой группе входов блока нормализации случайных чисел, выход которого подключен к выходу датчика случайных чисел, вторая группа входов блока нормализации случайных чисел подключена к вторым входам соответствующих блоков выбора адреса, вход блока нормгшизации случайных чисел подключей к выходу управляемого вероятност ного элемента.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

и Костюк С.Ф. Программно управляемые вероятностные преобразователи Автоматика и вычислительная техника, Минск, 1975, вып. 5, с. 159, рис. 3 (прототип).