Оптикоэлектронное устройство для вычисления двоичных логических функций многих переменных Советский патент 1985 года по МПК G06F7/56 

.Изобретение относится к области электроники и вычислительной техник и может быть использовано для созда ния обучающихся, кибернетических сис тем.. . Известны оптоэлектронные устройс ва для вычисления двоичных логическ функций. Одним из таких устройств является вычислитель, принцип дейст ВИЯ которого основан на эффекте опт ческой поляризации PJ . Информация вводится и регистрируется на транспарантах в виде небольших поляризо- ваннь1х или неполяризованных элементов поверхности. Поляризованные эле менты делятся на две группы в зависимости от направления поляризации. Конфигурация поляризованных или неполяризованных областей может изменяться по заданной программе, образуя тем самым запоминающий блок уст ройства. Для вычислений используетс как поляризованный, так и неполяри зованный свет от соответствующих источников. Известно оптоэлектронное устройство для вычисления логических функ ций многих переменных, содержащее источник света, вьгкод которого связан с входом оптического дискретног двоичного дефлектора, соединенного управляющими электрическими входами с соответствующими выходами фотопри емной м.атрицы, П входов которойсвя заны с оптическими входами устройства, и блок выработки управляющих команд C2j . Недостатками указанных устройств является невозможность перестройки выходных оптических свя.зей и невозможность параллельного вычисления нескольких логических функций, что снижает их производительность. Наиболее- близким техническим реше нием к изобретению является оптоэлектронное устройство дпя вычисления двоичных логических функций многих переменных, содержащее источник света, выход которого связан с входом оптического дискретного дво ичного дефлектора, соединенного i управляющими электрическими входами с соответствующими выходами фотоприемной матрицы, -строчный накопитель ный транспарант состояний,т-строчную матрицу линейных фотоприемников блок строчных оптических затворов, источник однородного света, w-строч5 .2 ный накопительный транспарант связей, выходы к(рторого являются выходами устройства, часть которых оптически связана с соответствующими входами блока выработки команд, первая и вторая группа выходов которогр оптически связана с управляющими входами соответственной-строчного накопительного транспаранта состояний и т-строчного накопительного транспаранта связей C3J . Характерной особенностью данного устройства является возможность легкой перестройки транспарантов состояний и связей, что дает возможность йЬ1Числять разные логические функции и связывать данное устройство с разными группами других устройств.. Недостатком этого известного устройства является невозможность подачи на его вход большого числаtv-разрядных входных слов, что бывает/необходимым при обработке больших массивов информации. Кроме того, при работе системы, состоящей из многих таких элементов, необходимо, чтобы информация в системе.передавалась в виде слов одинаковой разрядности, . т.е. при приходе на вход информации в виде и-разрядного слова с выхода данного устройства на входы других, связанных с ранным, информация передавалась в видел-разрядных слов. Целью изобретения является увеличение производительности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в известное, оптоэлектронное устройство для вычисления двоичных логических функций многих переменных, содержаще.е лазер, линейку фотоприемников, п выходов которой соединены с соответствующими управляющими входами дифракционного двоичного дефлектора, оптический вход которого связан с выходом лазера, а выход .- через оптическую систему с входом 2м-строчного накопительного транспаранта состояний, две группы выходов которого оптически связаны с соответствующими группами входов 2 (.1) строчной матрицы фотоприемников, электрические выходы которой соединены с соответствующими входами . 2 ()-строчной матрицы оптических затворов, оптический вход которой связан с выходом источника однороднот го света, а оптические выходы - с входами 2(m+n-l)-строчного накопительного транспаранта связей, выходы которого являются выходами устройства и оптически связаны с входами блока выработки синхрокоманд, первая и вторая группы выходов которого опти чески связаны с управляющими входами соответственно 2т-строчного накопительного транспаранта состояний и 2(1п+ц-1)-строчного накопительного транспаранта связей, введены п доподг нительных лазеров, 2 п входных фо.топриемных матриц и п взвешивающих, дискретных дефлекторов, оптический вход каждого из которых связан с выходом соответствующего лазера, оптические выхода - связаны с соответствующими п входами линейки фотоприемников и с 2(11-1) входами 2(m + n-i)строчной матрицы фотоприемников, а электрические управляющие входы каждого взвешивающего дискретного дефлектора соединены с выходами соответствующей пары входных фотоприемных матриц.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства., .

Устройство содержит лазер 1, дифракционный двоичный дефлектор 2, дополнительные лазеры 3 . . .3,J .. .3 линейку фотоприемников 4, оптический .транспарант состояний 5, 2(т+ц-1)строчная матрица фотоприемников 6, 2 (wi+n-1)-строчная матрица оптический затворов 7, 2()-строчной накопительный транспарант связей 8, блок 9 выработки синхрокоманд, взвешивающие дискретные дефлекторы 10|... 10... Юо, входные фотоприемные матриць 11 . .. 11 . . . 11«, и 11| .. . 1l(,...1li, световоды, 12,12,13, 13, 14i 15, 15 , 16, 17, 17, 18, 18, 19, 19, 20, 20, электрические входы 21 взвешивающих дефлекторов 10, электрические связи 22 строчной матриф фотоприемников 6 и олтических затворов 7, оптическая система 23,источник однородного света 24-светодиод. Конструкция дифракционного двоичного дефлектора 2, транспарантов состояний 5 и связей 8 и матрицьГоптйческих затворов 7 аналогичны прототипу. Конструкция взвешивающих дефлекторов 10 гораздо проще конструкции фракционного двоичного дефлектора 2. .Пилообразные электроды взвешивакмцих дефлекторов 10, имеющие все одинаковый период пилы образуют две системы вложенных друг в друга пил,

которые будем называть прямыми (1-S) и обратными d-S) электродами. Если на один из прямых или обратных электродов 21 приходит электрический сигнал, возникщий при приходе входного оптического.сигнала на соответствующий элемент входных фотоприемных матриц 11, 11 , луч, прошедший через взвешивающий дефлектор 10, отклонится на определенный угол в одну или другую сторону независимо от того, на какой из 5 прямых или обратных электродов пришел сигнал. При одновременном приходе сигналов на один из прямых и один из обратных электродов луч проходит без отклонения. Световоды 17, 17 расположены так, что при отклонении луча в одну сторону он попадает на элемент линейки фотоприемников 4 а при прямом прохождении, либо отклонении в другу сторону не попадает, при этом наличие электрического сигнала на соответствующем разряде двоичного дефлектора 2 будет .зависеть от соотношения числа сигналов, прищедщих от входных фотоприемных матриц 11, 1l на прямы и обратные входы взвешивающего дефлетора 10. .

Устройство работает следующим образом.

Дифракционный дискретный дефлектор 2, управляемый электрическими сигналами, преобразует IJI -разрядное двоичное слово, поступающее на его электрические входы в двоичную реакцию. При работе оптоэлектронного устройства на его входы по световодам 19, 19 одновременно приходит несколько { 25)п-разрядных двоичных входных слов, поэтому п-разрядное двоичное слово, подаваемое на дискретный дефлектор 2, формируется с помощью блока, состоящего из И , взвешивающих дискретных дефлекторов 10, двух входных фотоприемных матриц 11, 11 лазеров 3 и линейки фотоприемников 4. Каждай из и взвешивающих дефлекторов 10 имеет 2 5 электрических входов,.каждый из которых соединен с соответствующим эле1ментом входных фотоприемных матриц 11, 11, при этом все входные оптические сигналы соответствующие ,1-м разрядам входных сло.в (), (Попадают на входы л -х входных фото|приемных матриц 11, 11 и взвешива отся 4 -м взвешивающим дефлектором 10, а реакция /-го взвешивающего дефлектора проявляющаяся в том, что отклоненный луч лазера 3 попада ет или не попадает на -и элемент фотоприемной линейки 4, электрическ соединенный с входом дискретного дефлектора 2., становится 1 -м разря1дом слова, приходящего на дефлектор .одновременно часть прошедшего через в-й (1«л-1) взвешивающий дефлектор 10 света направляется либо по световоду 17 на соответствующие эле менты строчной матрицы фотоприемников 6, если свет попадает на - -и элемент линейки фо.топриемников 4, либо посветоводу 17 на другие элементы строчной матрицы фотоприемников 6, если свет не попадает на -и элемент линейки фoтoпpиeмн пcoв 4. Чирло позиций отклоняемого диfфракционным дефлектором 2 луча равно 2. Отклоненный дефлектором 2 лу через световоды 12 и 12 попадает н транспарант состояний 5, который представляет собой континуальную среду, обладающую реверсивной оптической памятью. ПлоЩадь транспаранта и разрешающая способность таковы, что он состоит из 2 т строк в каждой из которых размещается 2 п элементов настройки. При включе нии сигналов настройки в виде свето вых лучей, распространяющихся по световодам 15, 15 с выходов блока выработки синхрокоманд 9, выбранные элементы в каждой из строк просветляются (в первоначальном состоянии транспарант 5 непрозрачен), причем нижняя половина транспаранта 5, настраиваемая по световоду 15, является негативной по отношению . к его верхней части, настраиваемой по световоду 15. Таким образом, если какие -либо элементы 1,2... т строк просветлены, то соответствующие элементы . .. 2т строк транспаранта затемнены, и наоборот Картина просветленных элементов .запоминается. В устройстве предусмотрен также другой оптический транспарант связей В. Реализация транспаранта свя зей аналогична реализации транспар та 5 . В транспаранте связей 2 (w+n строк, равное сумме числа строк транспаранта состояний удвоенного уменьщенного на единицы числа разрядности входных слов. Число элементов в строке транспаранта связей (число столбцов) выбирается произвольно, исходя из желаемой связности описываемых устройств в большой системе и количестве.обратных связей, например К . Транспарант связей настраивается сигналами, распространяющимися по световоду 16 второй группы выходов блока 9 выработки команд, которые просветляют выбранные злементы каждой из строк таким образом,, что одновременно просветляются П(йгные столбцы транспаранта 8. Транспаранты 5 и 8 связаны между собой следующим образом. Рабочий луч, прошедший через просветленные элементы транспаранта 5, включает соответствующие строки матрицы фотоприемников 6, электрические сигналы которой, в свою очередь, включают соответствующие строки матрицы оптических затворов 7, которая освещается излучением светодиода 24. Свет, прошедший через включенные строки матрицы 7, по световоду 14 попадает на транспарант связей 8 и, проходя через просветле.нные элементы этого транспаранта, формируетчасть выходных оптических лучей устройства. Параллельно на оставшиеся 2(1-1) строки матрицы фотоприемников 6 падает свет, прошедший по световодам 17, 17 и несущий информацию о (п-1) разрядах слова, поступаемого на электрические входы дискретного двоичного дефлектора 2. Благодаря этому свету включаются строки матриц фотоприемников 6 и оптических затворов 7, соответствукицие оптическим сигналам, пришедшим по световодам 17, 17. Излучение све1одиода 24, проходя через включенные таким образом элементы матрицы оптических затворов 7 и просветленные элементы транспаранта связей 8, также формирует выходные оптические лучи 20, 20 устройства. В частном варианте устройства вместо матрицы оптических затворов 7, однородно освещаемых излучением светодиода 24, можно использовать матрицу светодиодов, входы которой соединены с выхо-. дами матрицц фотоприемников 6. В этом случае сигнал от строки матрицы фотоприемников 6 включает соответствующую строку матрицы светодиодов. Работа устройства состоит иэ гп стадий..Первая состоит в настройке транспаранта состояний 5 на параллельное вычисление двух заданных логических функций и транспаранта связей 8 на определенную комбинацию входных и обратных связей. Вторая стадия - стадия,вычисления. Для это го , при включенных дополнительных ла зерах 3 и светодиоде 24 на входные фотоприемные матрицы 11, 11, соеди ненные с электрическими входами взве шивающих дефлекторов 10, подается 2Sn-разрядных входных слов, преобразующихся в одноЛ,-разрядное двоичное слово, KoVopoe подается на входы ди кретного дефлектора 2 и определяет одно из 2П положений ленточного луча Если в этом положении луч перекрывает просветленные злемен.ты в одной или нескольких строчках транспаранта 5, то через них проходят решающие лучи, что и соответствует вычислению логических функций. Нижняя половина транспаранта 5, являясь jieгатйвной по отношению к верхней, пропускает лучи в тех местах, которы затемнены в верхней части транспаран та 5. Прошедшие через транспаранты 5 решающие лучи попадают на матрицу фотоприемников 6, которая включает соответствующие строки матрицы оптических затворов 7, через которые проходит излучение светодиода 24. Эти лучи, проходя далее через просветленные элементы транспаранта свя зей 8, являются реакцией устройства на пришедшие на его вход г -разрядные двоичные входные слова. Параллельно с решающими лучами, идущими по световодам 13, 13, на матрицу фотоприемников 6 по световодам 17, 17 приходят оптические сигналы, несущие информацию о результатах взвешивания (n-D взвешивающими дефлекторами .10 входной информации, |которые также, с помощью матриц 6 и 7 га)О1 1Ируют выходные оптические лучи |на выходе транцпаранта связей 8. В результате работы устррйства на выходе каждого включенного (просветленного) столбца транспаранта связей мы имеем: для верхней половины (полное количество (nrm-l) строк) Р() лучей, соответствующих вычисленным логическим функциям, и г(Гбп-1) лучей, характеризующих промежуточный результат работы устройст 158 на (взвешиванш) и показывающих, на какие входы дискретного дефлектора 2 были поданы сигналы, приведшие к вычислению решенных функций: для нижней половины - (т-р) лучей, соответствующих вычисленным функциям, которые являлись обратными по отношению к функциям, вычисленным верхней половиной транспаранта .5, и (И-1-г) лучей, показывающих, на какие входы дискретного дефлектора 2 не приходят сигналы. Выходные оптические лучи устройства по световодам 20 (от верхней половины транспаранта связей) и 20 (от нижней половины) поступают вновь на собственный вход устройства (обратная связь) и входы других устройств системы, которые соединены с данным устройством, причем на вход каждого устройства подается от данного п-разрядное двоичное слово, пёрвьй разряд которого определяется лучом, характеризующим реакцш) устройства при решении одной из in логических функций, а оставшиеся (п-1) раз рядов определяются лучами, характеризующими (n-l) разряд разрядного слова, поступившего на входы дефлектора 2, которое привело к данной реакции системы. Выходные оптические сигналы, сформированные верхней половиной транспаранта 8, поступают на входные фотоприемные,матрии ы 11 других устройств, соед1шенные с прямыми злектродами взвешиванщих дефлекторов 10, в то время как сигналы, сформированные нижней половиной транс- паранта 8, поступают на входные фотоприемные матрицы 11, соединенные с обратными электродами. Кроме того, оптические лучи с выхода устройства по световодам 18, 18 поступают в блок выработки синхрокоманд 9 и участвуют в настройке транспарантов 5 и 8 как данного устройства, так и других устройств. Разработанное устройство позволяет одновременно вычислять «т любых логических функций из полного набора 2 функций и изменять оптические входные связи в системе, состояей из рассмотренных устройств. редпола:гается, что устррйство этоо типа будет работать в системах, остоящих из большого числа подобых устройств, В этом случае для

увеличения быстродействия системы и объема обрабатываемой информации необходимо, чтобы данное устройство в системе было соединено связями с большим количеством подобных устройств, т.е. должна быть предусмотрена возможность подачи на его вход множе.ства (25)« -разрядных двоичных входных слов. Кроме того, при работе системы желательно, чтобы результат обработки каждым устройством :; входных п-разрядных слов подавался

80581510

на входы других устройств, с которыми оно связано, также в видеи)-разрядного слова, т.е. во всей системе информации обрабатывается и передаS ется в виде п-разрядных слов. Быстродействие подобных систем увеличивается, если, в устройстве имеется возможность передачи на выход, наряДУ с реакцией устройства, промежуточ10ных результатов его работы - результат взвешивания.

ОПТИКОЭЛЕ1<!ТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ДВОИЧНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ МНОГИХ ЛЕ:РЕМЕННЫХ, содержащее лазер,линейку фотоприемникрв,п выходов которой соединены с соответствующими управляющими входами дифракционного двоичного дефлектора, .оптический вход которого связан с выходом лазера, а вьпсод - через оптическую систему с входом 2^-строчного накопительного транспаранта состояний,' группы выходов которого оптически , связаны с соответствующими группами входов 2 (m+n-1)строчной-матрицы фотоприемников, электрические вьрсодыкоторой соединены с соответствующими входами 2(пг1-ь1-1) строчной'матрицы^ оптических затворов^ оптический вход которой связан, с выходом источника однородного света, а оптические выходы - с входами 2 ('''^л-1) строчного накопительного транспаранта связей, выходы которого являются выходами устройства и оптически связаны с входами блока выработки синхрокоманд, первая и вторая группы выходов кото- рого оптически связаны с управляющими входами соответственно 2*»^строч- ного накопительного транспаранта состояний и 2 (m+n-l)-строчного накопительного транспаранта связей, • отличающееся тем, .что, с целью увеличения производительности устройства, в него введены и дополнительных лазеров, 2п входных фотоприемных матриц и п взвешивающих дискретных дефлекторов, оптический вход каждого из которых связан с выходом соответствующего лазера, оптические выходы - с соответствующими входами линейки фотоприемников и с 2(>&1-1) входами 2 (m^-^7-1)-строчной матриг1?>&1 .фотоприемников, а электри- ; ческие управляющие входа каждого .взвешивающего дискретного дефлектора 'соединены с выходами соответствующей пары входных фотоприемных матриц.(ОСХ)о сд00 ел