Вычислительная однородная структура

ИСА БРЕТ Своз СоветскииСоциалистическихРеслубее ВТОРСКОМУ С(22) Заявлено 0 3.1175 (21)с присоединением заявки йо осударственный комите СССР по делам изобретений и открытий. 327 8.8) убликоваио 25,05,79 та опубликования оли 2) Авторы изобретения Ю.Н. Корнев и С.В. Пискунов 1) Заявител и Сибирского отд ститут матема АН ССС(54 СЛИТЕЛЬНАЯ ОДНОРОДНАЯ СТРУКТУРА Изобретение относится к областиавтоматики и вычислительной техники;и предназначено для построения вычислительных и управляющих устройствна основе однородных вычислительныхструктур (памяти с логикой, вычислительных сред),Известны элементы вычислительныхустройств с однородной структурой,содержащие соединенные между собойфункциональный преобразователь (например, устройство сравнения), элемент памяти, коммутирующий элементи элемент настройки 13Наиболее близким по технической 15сущности решением является вычислительная однородная структура, содер"жащая идентичные ячейки, каждая изкоторых содержит элемент памяти,вход которого соединен с первым выходом коммутатора, другие выходы которого соединены со входами элементовйамяти соседних ячеек, выход элемента памяти соединен с одним иэ входовпервой группы входов схемы сравнения,25остальные входы;первой группы подключены к выходам соответствующихэлементов памяти соседних ячеек 2),Недостатком обоих устройств является низ кое быстродействие. 30 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 огЯюческим входамблока электрически перестраиваемых оптических фильтров, оптические выходы которого подключены к оптическим входам блока детектирования, вторая группа входов блока перестраиваеьых 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 фоторезичтора являются оптическими входами блока детектиров 1 ни я.На фиг. 1 представлена блок-схема ячейки вычислительной однородной структуры; на фиг. 2 представлен пример вычислительной однородной структуры; на Фиг. 3 представлены слои отдельной ячейки однсродной вычислительной структуры, изображенной на Фиг. 2; на Фиг. 4, 5 представлены примеры Функций мсчуляции символов алфавита в правых частях команд подстановок 1 на Фиг. б представлен пример образа алгоритма (поля излучения) и указано расположение электрода одного из Фильтров 1 на фиг. 7, 8 представлены примеры функция модуля" 1 О ции правых частей команд подстановок на фиг. 9 представлен вариант коррекции строки поля излучения.Ячейка состоит из блока перестраиваемых Фильтров 1, устройства детек тирования 2 и блока настройки фильтров 3, образующих устройство сравнения 4, коммутатора 5, элемента памяти б. управляющие входы блока 1 соединены шинами настройки 7 с выходамн блока 3, входы 8 блока 1 соединены с источником сигнала, несущегс образ алго 1 итма, выходы блока фильтров 1 шинами 9 соединены со входами устройства детектирования 2, выходы устройства детектирования 2 шинами 10 соединены со входами коммутатора 5, выходы которого соединены с со" ответствующими входами 11 элементов памяти б своего и соседних ячеек, выходы элементов памяти 6 своего и ф соседних ячеек присоединены к соответствующимвходам 12 блока настройки 3, шинами 13 блок настройки соединен с внешними для структуры источниками управляющих сигналов, 35Команды, выполняемые предлагаемой ячейкой, являются командами подстановок. Каждая команда подстановок некоторого алгоритма эквивалентна нескольким строкам таблицы переходов ав томата - ячейки сети, реализующей этот алгоритм, Так как в однородной структуре, построенной из предлага- . емых ячеек, одновременно выполниы все команды алгоритма, то можно гово рить 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 алго ритмов.Рассмотрим работу ячейки, ПреждЕ всего определим образ алгоритма. Каждой команде подстановки ставится в соответствие некоторый сигнал, параметры которого (частота, амплитуда, пространственное расположение и т.п.) кодируют номер подстановки в алгоритме, символы левой и правой части под. становки и их взаимное расположение. бО Совокупность таких сигналов, представл пощую весь алгоритм, будем называть образом алгоритма.Работа ячейки состоит в том, что з всего множества команд, представ 664168ленных образом алгоритма, устройствосравнения 4 ячейки пропускает тольКоодну команду (если она есть), код левой части которой совпадает с кодомнастройки блока фильтров 1, являющимся функцией :остояний элементовпамяти ячейки, ее соседей и управляющих входов 13,Функция модуляции сигнлла, представляющего эту команду, несет ин, Формацию о коде правой части этой команды, Элементы этого кода через коммутатор 5 записываются в некоторыеиз ячеек однородной структуры.Рассмотрим пример реализации ячейки в оптическом диапазоне сигналов.После излучения, несущее образ алгоритма, двумерно и состоит из элементарных участков, образующих столбцыи строки. Спектральный состав и распределение интенсивности поля в этихучастках представляют команды подстановок алгоритма. Осуществляетсяэто 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 некоторого1-го элемента строки является суммойдвух частот: частоты ( Я ), кодирующей номер 3-го блока, и частоты(ф ),кодирующей имя с 4. 1-го символа в левойчасти соответствующей команды подстановки из этого блока. Все составля-ющие спектра поля строки, кодирующие левую часть некоторой командыподстановки, модулируются по интенсивности по одному и тому же закону,характеризующему правую часть команды.Пусть, для определенности, ячейкиобъединены в двумерную однороднуюструктуру, изображенную на фиг. 2.Алфавит команд подстановок, выполняемых этой структурой, содержит двасимвола 0,1), им соответствуют в поле излучения параметры щ , е,Алгоритмы подстановок могут бытьразбиты на два блока, в попе излуче-,ния это разбиение:характеризуют параметры Я Я , а в самой однороднойструктуре разбиение определяют управляющие сигналы ц 0 , поступающие по входам 13.РСпектр поля излучения имеет четыре составляющих: 3 =чю + Ио. о2 фо 2зВ блоке настройки йм соответствуютчетыре напряжения Ч =ОО,где ц представляет в элементе памяти б символ алфавита О, О, - символ алфавкга 1. Соответствие означа66416 ет, что если на некий фильтр поданоуправляющее напряжение Ч, то он пропускает сигнал с частотой Яи только этот сигнал, Для кодировки символа 0 в правой части команды вводится Функция модуляции А , для кодировки 1 - Функция А,(1). Эти Функции на некотором интервале чремениЧ. изображены на Фиг. 4, 5 соответственно. Каждая ячейка 14 имеет восемь соседей. Состояния заштрихованных ячеек сопоставляются контексту командподстановок. Сама команда записывается так: первым записан символ,соотносимый состоянию элемента памя"ти б ячейки 14, вторым - ячейки 15,третьим - ячейки 16, четвертым -ячейки 17, пятым - ячейки 18, в кон"тексте первым записан символ, соот"носимый состоянию элемента памяти 6ячейки 19, вторым ячейки 20, третьим - ячейки 21, четвертым ячейки 22;запись символов в правой части команды соответствует записи в левойчасти,0 15 Однородная вычислительная структура (фиг. 2) в направлении; перпендикулярном плоскости чертежа, имеет три слоя. Эти слои для отдельной ячейки представлены на фиг. 3. Стрел ками на этой Фигуре показано направление падения на блок фильтров 1 поля излучения. Блок 1 представляет собой пластину сегнетоэлектрика 23 с напыленными н нее электродами 24 (перестраиваемцй фильтр фабри-Перо), число пар электродов равно девяти (максимальной длине левой части команды подстановки, реализуемой ячейкой) .Блок детектирования 2 - это поперечный Фоторезистор 25 с электродами 26.40 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 45 исполнении, Блок настройки 3 представляет собой совокупность сумматоров, складывающих два уровня напряжения: с выходов элементов памяти 6 и от внешнего управляющего входа 13, 50 Элемент памяти б представляет собой один разряд регистра сдвиг, содержащий дватриггера: буферный и основной, В третьем слое проведены все соединения, обеспечивающие связь 55 ячейки с соседями и внешними источниками управлякицих 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, задзющих двумерную структуру поля и соответствующую модуляцию. На каждый элемент образ алв6горитма поступает из блока излучениян апример, через мультипликатор .Рассмотрим выбор и выполнение команды ячейкой однородной структуры.Эта процедура выполняется в два такта,В поле излучения (Фиг. 6), представляющем некоторый. алгоритм, выделим 3"ю строку. Строки поля излучения разделены зовами, в которых полеизлучения отсутствует. Расположениеодного из электродов 24 блока 1 относительно .эгементов поля излученияпоказано на Фиг. б заштрихованнымпрямоугольником. Сигналы с частота"ми, записанными в элементах 3-й строки первыми, модулированы по закону,представленному на Фиг, 7, вторыми -по закону, представленному на Фиг, 8Ясно, что эта строка несет образыдвух подстановок: 3-й подстановки010111010- 10100 первого блока и3-й подстановки 10101 м 0101 - 01100второго блока алгоритма.Первый такт. Пусть исходное состояние однородной структуры таково,что элемент памяти б ячейки 14 находится в состоянии 0 (на выходеэлемента памяти потенциал 1, ячейки 15 - в состоянии 1 (1,ячейки 16в состоянии О й,), ячейки 17 - всостоянии 1 (1), ), ячейки 18 - в состоянии 1 (1)1), ячейки 19 - в состоя.нии 1 (П,), ячейки 20 - в состоянии ((Ц,), ячейки 21 - в состоянии 1 (1),),ячейки 22 - в сОстОЯнии О (1) ) и пОвходам 13 подан управляющий сигнал11 Эти сигналы поступают в блокнастройки 3 ячейки 14. С выходов блока настройки по шинам 7 в блок фильтров поступают: Ч на первую паруэлектродов 24, Ч, - на вторую, Чна третью, Ч, - на четвертую,на пятую, Ч, - на шестую, Ч, - наседьмую, Ч, - на восьмую, Ч, - надевятую. В соответствии с эими потенциалами первый участок Фильтра(расположен между первой парой электродов) пропускает сигнал с частотойЯ , фвторой - Я третий - Я, четвертый - Я пятый - Я , шестойЯ , седьмой - Я, восьмой - Я девятый - Я . Элементы поля с такимичастотами, пройдя Фильтр, проектируются на поперечный фоторезистор,образуя освещенные участки, причемпроекция З-й строки поля излученияна поверхности фотореэистсра образует сплошную Освещенную полосу, соединяющую оба электрода фотореэистора.Эта черта будет единственной, таккак в блоке алгоритма не существуетдвух подстановок с Одннаковыми левыми и различными правыми частями(по правилам построения алгоритмовобобщен .ых подстановок) .Это означает,что код, образованный состояниемэлемента памяти ячейки 14 и его Окрестности, совпал с кодом левой части 3-и подстановки первого блока алгоритма. Интенсивность освещенностиэтой полосы изменяется по закону,приведенному на фнг. 7. Эти изменения приводят к соответствующим изменениям напряжения в цепи нагрузкиФоторезистора, поступающим на входкоммутатора 5. Коммутатор по входу11 осуществляет запись сигнала первого интервала Г в буферный триггерэлемента памяти б ячейки 14 (этоттриггер устанавливается в единицу(1), ), так как Аявляется изобра- Южением единицы в парафазном представ.лении), второго интервала - в буФерный триггер ячейки 15 (0), третьегоинтервала - в буферный триггер ячей"ки 16 (У ), четвертого интервала - в 15буферный триггер ячейки 17 (Б ), пя"того интервала - в буферный триггерячейки 18 (13 ) .Второй такт. Состояния буферныхтриггеров переписываются в основные, 2 Ои вновь записанные сигналы с выходовэлементов памяти по входам 12 поступают в блоки настройки. Команда под"становки выполнена.Сделаем несколько замечаний. Впримере были рассмотрены устройствои работа ячейки однородной структуры,выполняющей алгоритмы, записанные валфавите 0,1 и разбиваемые не болеечем на два блока, число подстановокв блоке выбиралось таким, чтобы сост-Оветствующие этим подстановкам строкиполя излучения уменьшались вдольфильтров (фиг. 6) .Обобщение класса выполняемых алгоритмов можно проводить по следующим а 5направлениям:1) увепичение числа символов в алФавите;2) увеличение числа блоков,.на когорые разбивается алгоритм; 403) увеличение числа подстановок вволоке;4) варьирование числом символов в1 евой части команды подстановки;5) варьирование списка именукпцих 45ункций, определяющего для каждоголемента его соседей,Выполнение по первому и второмунаправлениям приводит к росту числа:оставляющих в спектре поля излучеия, а следовательно требует улучше"ия качественных показателей фильтов и фоторезисторов (полосыпроускания, отношение сигнал-шум, ии.) . Выполнение по третьему направлению (рост числа строк поля из"учения) приводит к росту геом"триеских размеров фильтра и фоторезис.ора. В памяти ячейки и в блоке на:тройки первое и второе выполнениериводит к необходимости использоваия многоустойчивых элементов памяи с тем, чтобы число управляющихровней напряжения росло без усложения этих блоков. Ясно также, чтоодстановка с большой длиной левой части и произвольными именующими Функциями всегда может быть заменена несколькими подстановками с меньшей длиной левой части и какими-то стандартными, принятыми для всего алгоритма, имен ющими функциями, быть может за счет некоторого расширения алфавита. Другими словами четвертое и пятое направления 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 сигналов поля излучения в промежутках между электродами Фильтра, тогда структура поля излучения (фиг, б) может быть откорректирована, например, так, как это показано на фиг. 9, Заштрихованы новые элементы поля излучения, наложенные на пары соседних элементов, и несущие сигнал с таким спектральным составом, что этот сигнал проходит через пластину Фильтра независимо от состояния электродов фильтра.Формула изобретения1. 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 соединен с одним из входов первой группывходов схемы сравнения, остальныевходы первой группы подключены к выходам соответствующих элементов памяти соседних ячеек, о т л и ч а ю -щ а я с я тем, что, с целью повышения быстродействия структуры, в каждой ячейке схема сравнения содер" жит блок настройки фильтров, блок электрически перестраиваемых оптических 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 входамблока детектирования, вторая группа входов блока перестраиваемых фильтров подключена к выходам блока настройки, первая группа входов которого6641вторая группа входов - к первой группе входов схем сравнения,2, Вычислительная однородная структура, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что блок детектирования содержит поперечный фотореэистор, электроды которого являются выходами блока детектирования, оптические входы фоторезистора являются входами блока детектирования. 6810Источники информации, принятые во внимание при экспертиэе1, Авторское свидетельство СССР Р 353242, кл . С 06 Г 1/00, 29.06.70.2. Корнев Ю.Н., Пискунов С.В. и Сергеев С.Н, Алгоритм обобщенных подстанонок и их интерпретация сетями автоматов и однородными машинами. П., Известия АН СССР, Техническая кибернетика, 9 6, 1971.664 Ь 8,Рис. Эаказ 3001/46 Тираж 779 Подписное ЦИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5