Оптоэлектронный десятичный сумматор Советский патент 1981 года по МПК G06F7/56 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в цифровых вычислительных уст ройствах в качестве элемента процессора . Известна схема сложения и вычитания чисел, представленных в двоичнодесятичном коде, которая содержит сумматор, схему переноса, схему коррекции для прибавления константы 6 к одному из слагаемых в случае опера ции сложения и схему коррекции Для прибавления константы 10, как в случае сложения, так и вычитания, к результату, когда схема переноса /содержит двоичный нуль Недостатком известной схемы явля ется то что операции сложения-вычитания над числами выполняются на дво ичном сумматоре с необходимой последующей корректировкой результатов вычислений. Кроме того, для получения результатов вычислений в десятич ном коде необходимо преобразование чисел из двоично-десятичного кода в десятичный. Известен также корректирующий сум матор последовательного типа для чисел, заданных в двоично-десятичном коде, который выполняет операции ело жения и вычитания. Первое устройство коррекции вырабатывает бит .го переноса, если на .выходе сумматора во время сложениястараих бит первого и второго байтов не образовался бит переноса, но результат сложения превышает десятичное число 10. второе устройство вырабатывает корректирующий сигнал прч наличии бита текущего переноса во время суммирования в режиме сложения. В режщле вычитания корректирукнций сигнал выдается в отсутствии бита переноса при суммировании старшего разр5ша уменьшаемого и cTapiiiero разряда вычитаемого байта, представленного в форме дополнения до .2. Логические схемы, .связанные с сумматором и устройств€1ми коррекции, в присутствии сигнеи1а коррекции генерируют одновременно с генерацией байта переноса от первого корректирующего устройства; байт, эквивалентный десятичному числу 6 в дополнительном коде. В режиме вычитания логические схемы генерируют байт, эквивалентный десятичному числу 10 С2 . Недостатком известного суг атора является то, что он выполняет операции сложения-вычитания над битами , двух операндов, что приводит к необ ходимости использования схем коррекции, в процессе выполнения операций н числами, а также для получения результатов В десятичном коде необходи перевод из двоично-десятичного кода в десятичный. Наиболее близким по технический сущности к предлагаемому является оп тоэлектронный десятичный сумматор па раллельного действия, содержащий бло ввода, источник питания, и в каждом развяде светоизлучатель, фотоприемник, модулятор, формирователь импуль са переноса, элемент задержки, усилитель мощности запускающих электрических сигналов, которые поступают на светаизлучатели старших разрядов и оптоэлектронный модуль, оптический вход которого связан с первым выходо светоизлучателя, а оптический выход с входом фотоприемникй) соответственно, первый электрический вход подключен к выходу модулятора, второй - к общей шине питания, выход фотоприемника подключен .к входу формирователя импульсов переноса, элемент задержки включен между формирователем импульса переноса и усилителем мощности, выход которого соединен со вторым входом светоизлучателя соседнего старшего разряда вход модулятора оптически связан со вторым выходом светоизлучателя, а первый вход светоизлучателя подключен к соответствующему выходу блока ввода, который представляет собой оперативную память на оптоэлектронных модулях зЗ. Недостатком этого сумматора является то, что устройство выполняет только арифметическое суммирование операндов, что исключает его использование для, сложения положительных и отрицательных-чисел. Известный сумматор не может выполнять операции вычитан-ия кодов, а также является не достаточно быстродействующим вследствие последовательной организации переноса сигналов единиц переполнения. Время задержки единиц переполнения в каждом разряде известного сумматора должно быть не менее бФ , где Т - время представления единицы равное времени срабатывания элемента оптоэлектронного модуля, так как в противном случае возможно нало жение единиц переполнения с какоголибо ;разряда с поступающим на вход соседнего старшего разряда кодом десятичной цифры, что приводит к потере информации. Кроме того, время суммирования в каждом разряде не зависит от значнрсти цифр в разрядах и определяется лишь цифрой наибольшей значности (цифрой 9 в десятичной системе счисления, что предусмотрено цепью передачи единиц переполнения, содержащий элемент сигнала на 81 ), Это обстоятельство при сложении цифр меньшей значности ведет к дополнительным непроизводительным затратам времени на суммирование. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет способности вычитания кодов и повышение быстродействия оптоэлектронного десятичного сумматора. Поставленная иель достигается тем, что оптоэлектронный десятичный сумматор, содержащий блок ввода слагаемых, выходы которого подключены к первым входам слагаемых разрядных ячеекк, каждая из которых содержит первый светоизлучатель, первый модулятор и первый оптоэлектронный квантующий модуль, первый .электрический вход которого подключен к выходу первого модулятора, второй электрический вход соединен с общей шиной пигания сумг 1атора, а первый оптич,еский вход связан с первым выходом первого светоизлучателя, второй выход которого оптически связан с первым входом первого модулятора, а электрический вход - с nepBfcjM входом слагаемого разрядной ячейки, введен дополнительный блок ввода слагаемых, выходы которого подключены к вторым входам слагаемых разрядных ячеек, в каждую из которых дополнительно введены два блока памяти, второй светоизлучатель, второй модулятор и второй оптоэлектронный квантующий модуль, первый оптический вход которого связан с первым выходом второ го светоизлучателя, первый электри|ческий вход - подключен к выходу второго модулятора, второй электричес-кий вход -К общей шине питания сумматора, а третий электрический вход второго оптоэлектронного квантующего модуля - к шине установки сумматора в начальное состояние, второй выход второго излучателя оптически связан с первым входом второго модулятора, а электрический вход второго светоизлучателя соединен с вторым входом слагаемого разрядной ячейки, первый выход .первого блока памяти оптически связан с вторым входом второго модулятора и входом установки в единичное состояние второго®оптоэлектронного квантующего модуля, первый выход второго блока памяти оптически связан с вторым входом первого модулятора и входом установки в единичное- состояние первого оптоэлектронного квантующего модуля, нулевые входы которого соответственно с младшего по старший разряд оптически связаны с единичными выходами соответственно со старшего по младший разряд второго оптоэлектронного квантующего модуля, а нулевые входы второго оптоэлектронного квантующего модуля, соответственно с младшего по старший разряд оптически связаны с единичными выходами соответственно со старшего по младший разряд первого оптоэлектронного квантующего модуля, оптический выход которого связан с первый входом первого блока памяти, вч:орой вход которого является -первым оптическим входом разрядной ячейки, оптический выход второго оптоэлектро ного квантующего модуля связан с первым входом второго блока памяти, второй вход котороЕО является вторым оптическим входом разрядной ячейки, третий выход первого светоизлучателя является первым оптическим выходом ячейки а третий выход второго светоизлучателя - вторым оптическим выходом ячейки, причем первый и второй оптические входы младшей разрядной ячейки сумматора связаны соответственно с первым и вторым оптическими выходами старшей разрядной ячейки сумматора, второй выход блока памяти является третьим оптическим выходом разрядной ячейки, а второй выход второго блока памяти является четвертым оптическим выходом разрядной ячейки, третий оптический вход первого модулятора и второй оптический вход первого оптоэлектронного квантующего модуля образуют третий оптичёский вход разрядной ячейки, который связан с третьим оптическим выходом младшей разрядной ячейки сумматора, третий оптический вход второго модулятора и второй оптический вход второго оптоэлектронного квантующего модуля образуют четвертый оптический вход разрядной ячейки, который связан с четвертым опти еским выходом младшей разр5адной ячейки, причем четвертый оптический выход старшей разрядной ячейки сумматора связан с четвертым оптическим входом самой младшей разрядной ячейки сум-, матора, а третий оптический выход самой старшей разрядной ячейки является выходом суйматора.

Кроме того, в оптоэлектронном десятичном сумматоре оптоэлектронный квантующий модуль выполнен в виде последовательно оптически связанных регенеративных бистабильных оптронов, единичные входы и выходы которых являются соответственно входшт и выходами модуля.

На фиг. 1 представлена блок-схема трех разрядов оптоэлектронного сумматора; на фиг. 2 - блок-схема соединения пары оптоэлектронных квантующих модулей одного разряда.

Оптоэлектронный десятичный сумматор включает два млгщших разряда . 1 и 2 и старший разряд 3, каждый из которых содержит оптоэлектронные .квантующие модули 4 и 5. Оптоэлектронный модуль 4 разряда 2 оптически связан с выходом бчпервого светоиэлучателя 7 .входом 8 первого блока 9 памяти, выходом 10 второго блока 1 памяти, выходом 12 второго блока 9

памяти соседнего младшего разряда 1, выходом 13 оптоэлектронного квантующего модуля 5, кроме того, он электрически подключен к выходу 14 первого модулятора 15, по входу 16 - к шине 17 питания, первый вход слагаемого 18 первого светоизлучателя 7 подключен к соответствующему выходу блока 19 ввода слагаемых, оптический выход 20 первого светоизлучателя 7 связан с входом первого блока 9

0 15 20 25 30

памяти соседнего младшего разряда 1, а оптический выход 21 - с входом первого модулятора 15, который по одному из входов оптически связан с выходом 10 второго блока 11 памяти, по другому - с выходом 12 первого блока 9 памяти соседнего младшего разряда 1. Аналогично, оптоэлек ронный квантующий модуль 5 оптически связан с выходом 22 второго светоизлучателя 23, входом 24 BTopipro блока 11 памяти, выходом 25 первого блока 9 памяти, выходом 26 второго блока 11 памяти соседнего младшего, разряди 1, выходом 27 оптоэлектронного модуля 4, а также он электрически подключен к выходу 28 второго модулятора 29, а по входу 30 - к шине 17 питания сумматора, кроме того, по входу 31 - к шине 32 установки в начальное состояние вход 33

второго светоизлучателя 23 является BTopfcjM -входом слагаемого дополнительного блока 34 ввода слагаемых, оптический выход 35 второго светоизлучателя 23 связан с входом второго

-блока 11 памяти соседнего ; 1ладшего разряда 1, а оптический выход 36 с входом втррого модулятора 29, который по одному из входов оптически связан с выходом 25 первого блока

0 45 50 55

9 памяти, по другому - с выходом 26 второго блока 11 памяти соседнего младшего разряда 1. Выход 26 второго блока 11 памяти самого старшего разряда 3 оптически связан с входом Оптоэлектронного модуля 5 и входом второго модулятора 29 разряда 1, а выход 35 .второго светоизлучателя 23 разряда 1-е входом второго блока 11 памяти разряда 3.

Оптоэлектронные модули 4 и 5 (фиг. 2) соответственно содержат оптические единичные входы 37 и 38, нулевые входы 39 и 40, и единичные выходы 27 и 13.

Под позицией 41- (фиг. 2) обозначены девять регенеративных бистабильны: оптронов двух оптоэлектронных модулей 4 и 5. Оптоэлектронный модуль 4 содержит электрические входы 16 и 14, а оптоэлектронный модуль 5 0 65 28, 30, 31. Нулевые входы 39 всех Оптронов 41 оптоэлектронного модуля 4 попарно оптически связаны с единичными выходами.13 оптронов оптоэлектронного модуля 5, а входы всех оптронов электрически подключены

к выходу 14 модулятора. Аналогично, нулевые входы 40 всех оптронов 41 оптоэлектронного модуля 5 попарно оптически связаны с единичными выходами 27 оптронов оптоэлектронного модуля 4, входы 31 оптронов электрически подключены к шине 32 установки в начальное состояние, а входы 28 - к выходу соответствующего модулятора. Электрические входы 16 30 всех оптронов 41 подключены к общей шине 17 питания. Кроме того, разряд содержит шины 10 и 25 установки в единичное состояние соответственно оптоэлектронного модуля 4 и 5. Оптроны 41 оптоэлектронных модулей 4 и 5 одного разряда последовательно оптически связаны по единичным входам 37 и 38. Первый вход 37 первого оптрона 41 оптоэлек ронного модуля 4 оптически связан с выходами б и 12 соответственно первого светоизлучателя 7 и первого блока 9 памяти младшего разряда, а вход 38 первого оптрона 41 оптоэлектронного модуля 5 - с выходами 22 и 26 соответственно второго све- тоизлучателя 23- и второго блока 11 памяти младшего разряда. Каждый регенеративный бистабильный оптрон 41 снабжен световой индикацией возбужденного состояния.

Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени на вход 31 оптоэлектронного модуля 5 всех разрядов через шину 32 установки в начальное состояние подается импульс, который устанавливает все элементы многофункционального оптоэлектронного модуля 5 в единичное состояние, а посредством оптических связей по выходам 13 все оптроны оптоэлектронного модуля 4 ус-« танавливаются в нулевое состояние.

Информация при суммировании подается параллельно по разрядам с блока 19 ввода слагае1 1ых на вход 18 светоизлучателя 7, который одновременно воздействует оптически через выход б на вход оптоэлектронного модуля 4 и через выход 21 на вход модулятора 15. Запись информации осуществляется после появления разрешающего сигнала с выхода 14 модулятора 15 на оптоэлектронный модуль 4. При этом его элементы будут -переходить в единичное состояние, а соответствующие им оптронн оптоэлектРОННСЙ7О модуля 5 - в нулевое, за счет оптической связи по выходу 27.

Таким образом, количество возбужденных отпронов оптоэлектронного модуля 4 соответствует времени нахождения в возбужденном состоянии светоизлучателя 7. Через промежуток времени, который соответствует времени записи самой старшей десятичной цифры (время записи единицы равно времени срабатывания одного

оптрона оптоэлектронного модуля), аналогично осуществляется, параллельная подача второго операнда с блока 19 ввода. При записи второго слагаемого срабатывают остальные, ранее не возбужденные оптроны оптоэлектронного модуля 4. При возникновении единицы переполнения при суммировании, например, в разряде 2 происходит ее запоминание в блоке 9 памяти на время, пока существует оптическая связь с выхода 20 светоизлучателя 7 соседнего старшего разряда 3, прекращение которой свидетельствует об окончании записи кода цифры второго слагаемого в разряд 3 и о возможности передачи в этот разряд единицы переполнения с выхода 12 блока 9 памяти разряда 2. Одновременно с появлением единицы переполнения в блоке 9 памяти с выхода 25 на вход модулятора 29 подается сигнал, в результате чего модулятор 29 выдает разрешающий сигнал с выхода 28 на вход оптозлектронного модуля 5 на. установку его в единичное состояние по оптическому сигналу с выхода 25 блока 9 памяти, а оптоэлектронный модуль 4, соответственно, обнуляется посредством оптической связи 13. Установка в нуль производится за время, равное времени записи единицы. Прерванный в связи с переполнением в разряде 2 процесс записи второго слагаемого продолжается в обнуленный модуль 4,

Так осуществляется процесс сложения по всем разрядам. Результат суммирования считывается с оптоэлектронных модулей 4 визуально за счет ответвления части светового потока от каждого оптрона оптозлектронного модуля 4. Наличие сигнала на выходе 12 блока 9 памяти старшего разряда 3 оптоэлектронного сумг атора свидетельствует о переполнении при суммировании.

Вычитание осуществляется подачей второго операнда с выхода блока 34 ввода слагаемых на вход 33 светоизлучателя .23, воздействующегоодновременно с выхода 22 на вход оптоэлектронного модуля 5 а с выхода 36 на вход модулятора 29, который сигналом с выхода 28 разрешает запись информации. Таким образом производится суммирование на оптоэлектронных модулях 5 второго операнда в прямом коде с обратным кодом ранее записанного через блок 19 ввода первого операнда. В случае возникновения единицы заема при выполнении вычитания процесс ее запоминания и передачи с-выхода 26 блока 11 памяти на входы оптоэлектронного модуля 5 и модулятора 29 соседнего старшего разряда 3 осуществляется аналогично, как при суммировании, с той лишь разницей, что при появлении единицы

заема в блоке 11 памяти с его выход 10 на входы оптоэлектронного модуля 4 и модулятора 15 подается сигнал, в результате чего оптоэлектроннУй модуль 4 устанавливается в единичное состояние, а оптоэлектронный модуль 5, следовательно, обнуляется посредством оптической связи с выхода 27 оптоэлектронного модуля 4.

При вЕлчитании большего числа из меньшего возникает единица заема в старшем разряде 3. Единица заема потупает с выхода 26 блока 11 памяти на входы оптоэлектронного модуля 5 и модулятора 29 младшего разряда 1 после прекращения действия оптического сигнала с выхода 35 светоизлучателя 23 разряда 1, свидетельствующего об окончании записи .кода циры .второго операнда в оптоэлектронный модуль 5 разряда 1. Одновременно, наличие единицы заема в старшем разряде 3 свидетельствует о том,

1ЧТО результат вычитания является отрицательным и его следует считывать с оптоэлектронных модулей 5. В противном случае знак разности положительный и результат вычитания считывается с оптоэлектронных модулей 4.

Пара оптоэлектронных модулей 4 и 5 (фиг. 2) одного разряда работает следующим образом. Положительным импульсом по шине 32 по входам 31 элементы оптоэлектронного модуля 5 устанавливаются в единичное состояние, а оптроны 41 оптоэлектронного модуля 4 - в нулевое, это начальное состояние разряда. При поступлении на единичный вход 37 первого оптрона ойтоэлектронного модуля 4 оптического сигнала при наличии электрического сигнала на входах с шины 14 происходит установка оптрона в единичное состояние и посредством оптической связи с единичного выхода 27 элемента на нулевой вход 40 девятого оптрона 41 оптоэлектронного модуля 5 происходит установка в нулевое состояние последнего. Если после срабатывания первого элемента на входах 37 и 14 продолжается воздействие входных сигналов, то последовательно возбуждаются оптроны 41 оптоэлектронного модуля 4 за счет внутренних оптических связей и обнуляются спаренные с ними оптроны 41 оптоэлектронного модуля 5 пока действие сигналов не прекратится. Длительность воздействия сигналов на входе определяет количество возбужденных оптронов оптоэлектронного модуля 4 и обнуленных - оптоэлект.ронного модуля 5. Например, для записи цифры 7 длительность воздейсвия сигналЬв должна быть рав-на 7С .

Этот процесс протекает в любой паре взаимосвязанных оптронов 41 двух оптоэлектронных-модулей 4 и 5.

Использование в каждом разряде двух светоизлучателей, модуляторов, блоков памяти и взаимосвязанных оптоэлектронных модулей- дает возможность , выполнять не только суммирование в десятичной системе счисления, но

5 и вычитание в параллельном представлении разрядов слагаемых вычитаемых кодов. Осуществить это позволяет оптическая связь между оптоэлектронными модулями, всле 1ствие которой на

0 inepBOM оптоэлектронном модуле 4 IB каждом разряде цифры первого опе;ранда записываются в прямом коде, а на втором - в обратном коде. Если теперь на вторые оптоэлектронные

5 модули 5 подать второй операнд в прямом коде, то в результате можно получить разность заданных операндов .

Использование блока памяти в це:пи переноса единицы переполнения и

0 ;заема приводит к тому, что значительно увеличивается быстродействие оптоэлектронного сумматора вследствие самоуправления процессами сложения-вычитания. Способность блока

5 памяти запоминать единицу переполнения или заема и связь между светоизлучателем соседнего старшего разряда и блоком памяти данного разряда дают возможность осуществлять перенос еди0ницы переполнения или заема сразу же в соответствукмций оптоэлектронный модуль соседнего старшего разряда, как только с выхода светоизлучателя на вход блока памяти прекратится

5 действие оптического сигнала, что свидетельствует об окончании записи информации в одтоэлектронный модуль.

Если принять время срабатывания f одного элемента оптоэлектронного модуля и блока памяти равным 10 не,

0 то в самом неблагопр 1ятном случае, когда к максимальному десятичному девятиразрядному числу 999...9 прибавляется единица, процесс суммирования на предлагаемом оптоэлек.трон5ном десятичном сумматоре будет длиться Т 9t + 2 9 27г 270 не 27-10 с. Этот же случай, рассмотренный на известном оптоэлектронном десятичном сумматоре, занимает вре0мя, равное Т 9С + 8 Blf 810 НС 81-10 с, поскольку на запись каждого операнда.здесь отводится строго определенное время, а именно ЭУ , и время задержки едини5цы переполнения в каждом разряде равно 8 Ф . Таким образом, предлагаемый оптоэлектронный десятичный сумматор дает выигрыш в быстродействии в три раза.

60

Формула изобретения

1. Оптоэлектронный десятичный сумматор, содержащий блок ввода ела6

гаемых, выходы которого подключены к первым входам слагаемых разрядных ячеек, каждая из которых содержит первый светоизлучатель, первый модулятор и первый оптоэлектронный квантующий модуль, первый электрический вход которого подключен к выходу первого модулятора, второй электрический вход соединен с общей шиной питания cyiviMaTopa, а первый оптический вход связан о первым выходом первого светоизлучателя, второй выход которого оптически связан с первым входом первого модулятора, а электрический вход - с первым входом слагаемого разрядной ячейки, отлй-чающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет способности вычитания кодов и повышения быстродействия сумматора, в него введен дополнительный- блок ввода слагаемых, выходы которого подключены ко вторым входам слагаемых разрядных ячеек, в каждую из которых дополнительно введены два блока памяти, второй светоизлучатель, второй модулятор и второй оптоэлектронный квантующий модуль, первый оптический вход которого связан с первым выходом второго светоизлучателя, первый электрический вход - подключен к выходу второго модулятора, второй электрический вход - к общей шине питания сумматора, а третий электрический вход второго оптоэлектронного квантующе го модуля - к шине установки сумматора в начальное состояние, второй выход второго, излучателя оптически связан с первым входом второго модулятора, а электрический вход второго светоизлучателя соединен со вторым входом слагаемого разрядной ячейки, первый выход первого блока памяти оптически связан со вторым входом второго модулятора и входом установки в единичное состояние второго оптоэлектронного квантующего модуля, .первый выход второго блока памяти опт ически связан со вторым входом первого модулятора и входом установки в единичное состойние первого оптоэлектронного квантующего модуля, нулевые входы которого соответственно с младшего по старший, разряд оптически связаны с единичными :выходами соответственно со старшего |по младший разряд второго оптоэлектроннфго квантующего модуля, а нулевые входы второго оптоэлектронного квантующего модуля, соответственно с младшего по старший разряд оптически связаны с единичными выходами соответственно со старшего по младший разряд первого оптоэлектронного квантующего модуля, оптический выход

которого связан с первым входом первого блока памяти, второй вход которого является первым оптическим входом разрядной ячейки, оптический выход второго оптоэлектронного квантующего модуля связан с первым входом второго блока памяти, второй вход которого является вторым оптическим входом разрядной ячейки, третий выход первого светоизлучателя является первым оптическим выходом ячейки, а третий выход втйрого светоизлучателя - вторым оптическим выходом ячейки, причем первый и второй оптические входы младшей разрядной ячейки сумматора связаны соответственно с первым и вторым оптическими выходами старшей разрядной ячейки сумматора, второй выход первого блока памяти является третьим оптическим выходом разрядной ячейки, а второй выход второго блока памятиявляется четвертым оптическим выходом разрядной ячейки, третий оптический вход первого модулятора и второй оптический вход первого оптоэлектронного квантующего модуля образуют третий оптический вход разрядной ячейки,, который связан с третьим-оптическим выходом младшей разрядной ячейки сумматора, третий оптический вход второго модулятора и второй оптический вход второго оптоэлактронного квантующего модуля образуют четвертый оптический вход разрядной ячейки, который связан с четвертым оптическим выходом младшей разрядной ячейки, причем четвертый оптический выход старшей разрядной ячейки сумматора связан с четвертым оптическим входом самой младшей разрядной ячейки сумматора, а третий оптический выход самой старшей разрядной ячейки является выходом сумматора.

2. Сумматор по п. 1, отлича ю щ и и с я тем, что в нём оптоэлектронный квантующий модуль выполиен в виде последовательно оптически связанных регенеративных бистабильных оптронов, единичные входы и выходы которых являются соответственно входами и выходами модуля.

Источники информации, принятые во вкГимание при экспертизе

1. Заявка Франции № 2295481, кл, G Об F 7/385, 1976.

2. Патент США № 4001567,

235-175, 1977.

КЛ. 3. Майоров С.А,, Кожемяке В. П., Меськин И,В. и Натрошвили О.Г. Узлы вычислительной техники на новых базисных оптоэлектронных модулях. Сб. Вычислительная техника, Вып. 6, Пенза, 1976, с. 87-89.