Устройство для моделирования нейрона

( 9) 5 о 5 60 РЕТЕНИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Научно-исследовательский институтмногопроцессорных вычислительных систем при Таганрогском радиотехническоминституте им. В.Д.Калмыкова(73) Научно-исследовательский институтмногопроцессорных вычислительных систем при Таганрогском радиотехническоминституте им, В,Д.Калмыкова(56) Авторское свидетельство СССРМ 1425731, кл. 0 06 6 7/60, 1988.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯНЕЙРОНА(57) Использование: изобретение относитсяк бионике, может использоваться при построении нейронных сетей в системахразпознавания образов. Сущность: в устройство, .содержащее блоки синаптическихвесов, введены блок управления, узел суммы произведений, содержащий группуэлементов И., группу трехвходовых сумматоров, два двухразрядных, трехразрядных ичетырехразрядный сумматоры, регистр разрядной суммы, элементы И, ИЛИ, тригге),блок суммирования синапсов, выходы которого соединены с одними входами группы.элементов И, вторые входы которых соединены с входами устройства. Выходы группыэлементов И соединены с входами первойгруппы трехвходовых сумматоров, выходыкоторых соединены с одноименными входами первого и второго двухразрядных сумматоров, выходы которых соединены с одноименными входами первой группы четырехразрядного сумматора, выходы которого соединены со сдвигом вправо на один разряд с входами регистра разрядной суммы, группа выходов которого соединена с второй группой входов четырехразрядного сумматора. Один выход регистра разрядной суммы соединен со старшим разрядом четырехвходового счмматооа и чеоез инвеотпп г. одним входом элемента И, выход элемента И соединен с входом синхронизации триггера, выход которого является выходом устройства, В каждый блок синапсов введены трехвходовой сумматордва регистра, логические элементы И, ИЛИ, И-ИЛИ, два триггера. При этом один вход трехвходового сумматора соединен с выходом одного триггера, один вход которого соединен с выходом переноса сумматора, второй вход сумматора соединен с выходом первого элемента И, один вход которого соединен с выходом устройства. Третий вход сумматора соединен с выходам элемента И - ИЛИ, один вход которого соединен с выходом первого регистра, группа информационных входов которого соединена с группой выходов второго регистра, один вход которого соединен через элемент И с выходом трехвходового сумматора, Один вход второго регистра соединен с вторым входом элемента И-ИЛИ, третий и четвертый входы которого соединены с единичным и нулевым выходами триггера, один вход которого соединен с первым выходом блока управления, второй соединен с выходом элемента ИЛИ, входы которого соединены с входами устройства, Один управляющий вход первого регистра соединен с выходом второго элемента И, один вход которого соединен с выходом устройства, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, 1 з,п.флы,4 ил.Изобретение относится к бионике,может использоваться при построении нейронных сетей в системах распознавания образов,Цель изобретения - повышение достоверности моделирования путем биоритмической организации коррекции весов синапсов.Работа предлагаемого устройства для моделирования нейрона описывается следующими выражениями:й у -+ ЬуЬ, если ФМПи Уи; временное запоминание сигналов длительностью 1:цикловМ У: У -+ Ьуь если ФМПиУ 11; постоянное запоминание сигналов длительностью до следующего М у 1-1, если Ф=1 или ФМП=1 и У 1-1=0.1, если,), Ху 1 -00; 39 п( Х Я . - ффО, если , Х у - 00, Учитывая, что В=о.аа 2 аз.а 1 а= д а 1211= ) 0 РоР 1 )12)1,)Ь Щ 21=1Тогда (1 запишется после преобразования как;%-в 1 ал( ХуЧ.а)2, где а 1, 1 - двоичные цифры 1-разрядов позиционных кодов Ои у соответственно, 1=0,л; 1=1,й; У - значение выходного сигнала; Х - значение входного сигнала; у 1 - синантические веса; Ьу - приращение синаптических весов;О- порог срабатывания нейрона;Ф - распределенные импульсы во времени для выделения приращения синаптических весов;М - сигнал мотивации длится . цикловсо сдвигом до П, обеспечивающий коррекцию синаптических весов; П - сигнал подкрепления - конец мотивации, по которому запоминаются скорректированные синаптические веса.На фиг.1 изображено устройство для 5 моделирования нейрона; на фиг.2-узел вычисления суммы произведений; на фиг,З - временная диаграмма работы нейрона; на фиг.4 - блок управления.Устройство содержит: 11-115 - входы 10 приема значений входных сигналов Х; 21215 - входы приема скорректированных синаптических весов ус 2 и - вход приема отрицательного значения порога в дополнительном коде О, 221-22,15 - входы приема 15 синаптических весов 9; 2 и,б - входыприема приращений синаптических весов Луи 31 - вход приема импульсов выделения приращений синаптических весов (Ф): 32 - вход приема внешнего сигнала модуляции 20 (М);Зз - вход приема внешнего сигнала подкрепления (П); 34 - вход приема сигнала выделения знакового разряда результата;35 - вход приема тактовых импульсов; 36 - вход приема сигнала установки в "0"; 4 - 25 45 - блоки синаптических весов; 5 - элемент ИЛИ; 61, й, 9 з - элементы И; 7 - регистр с параллельно-последовательной записью информации; 8 - сдвиговый регистр; 91, 102 - О-триггера; Ж - элемент 30 И-ИЛИ; 101 - трехвходовой сумматор; 11 -узел суммирования синапсов; 121 - выход выдачи результата в виде бинарного кода;122 - выход выдачи младшими разрядами вперед суммы произведений;35 узел вычисления суммы произведенийсодержит элементы 131-13 ы - элементы И, 141 - 144 - трехвходовые сумматоры; 151, 152 - двухразрядные сумматоры; 16 - трех- разрядный сумматор; 17 - четырехразряд ный сумматор; 18 - регистр разряднойсуммы; 19 - элемент И; 20 - О-триггер.Блок управления содержит 211 - элементы И, 212; 26 - элементы И-НЕ; 22, 25 - сдвиговые резисторы; 23, 27 - инверторы;45 24 - счетчик..При этом входы 11-115 (фиг,1) соединены с одними входами элементов И 131-1315, вход 1 ц подключен к логической "1". Входы 211-2 убсоединены со входами регистров 7, 50 а входы 221-22 Л - со входами элементов И61 в каждом из блоков синаптических весов 41-.4 ю. Вход 216 соединен с выходом регистра хранения. порога 416. Выходы блоков синаптических весов 41-4 в соединены с 55 вторыми входами элементов И 13-1315.В каждом из блоков синаптических весов 41-45 (фиг.1) один вход сумматор 101 соединен с О-выходом триггера 102, О-вход которого соединен с выходом переноса сум1831715 5 10 20 30 35 40 эом 50 55 матора 101. Вход синхронизации триггера 102 подключен к входу приема тактовых импульсов 35. Второй вход сумматора 101 соединен с выходом элемента И 61, один вход которого соединен с выходом устройства 12. Второй-четвертый входы элемента И 61 соединены с входами устройства 31, 32 и 221 соответственно, Третий вход сумматора 101 соединен с выходом элемента И-ИЛИ 92, один вход которого соединен с выходом регистра 7, группа информационных входов которого соединена с группой выходов регистра 8, один вход которого соединен через элемент И 9 з с выходом сумматора 101, один вход регистра 8 соединен со вторым входом элемента И - ИЛИ 92, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с единичным и нулевым О-выходами триггера 91.В узле суммирования произведений (фиг,2) выходы элементов И 131-13 з, 131 о соединены с входами переносов многоразрядных сумматоров 17, 16, 151, 152 выходы элементов И 134 - 13 ц, 13 а - 1316 соединены со входами трехвходовых сумматоров 141- 144 соответственно. Выходы сумматоров 141-144 соединены с одноименными входами сумматоров 151, 152, выходы которых соединены с одноименными входами сумматора 16, выходы которого соединены с одноименными входами первой группы сумматора 16, Выходы четырехразрядного сумматора 16 соединены со сдвигом вправо на один разряд со входами регистра 18, группа выходов (старшие разряды) которого соединена со второй группой входов четырехразрядного сумматора 17. Один вход знакового разряда регистра разрядной суммы 18 соединен со старшим разрядом четырехвходового сумматора (знаковым разрядом) и через инвертор с одним входом элемента И 19, второй вход которого соединен с одним выходом 34 блока управления, выход элемента И 19 соединен с входом синхронизации триггера 20, единичный выход которого является выходом устройства 121,Устройство работает следующим обраПредварительно триггеры 91, 20 и регистры 8, 18 сбрасываются в нуль сигналом, поступающим по входу 36. Затем записываются в регистры 7 в каждом из блоков 41-415 значения синаптических весов у по входам 211 - 215, В регистр 416 значение порога по входу 2 з, В процессе обучения. модели нейрона поступают от внешних источников на входы 11-115 сигналы Х в виде бинарного кода, а на входы 221-22,1 - приращения синапсов в виде единичных весовых разрядов 2, г"О.п. В основу устройства положена биоритмическая организация коррекции синаптических весов в процессе обучения по сигналам мотивации (сигнал длитсяМ циклов со сдвигом до сигнала подкрепления, где М 4), поступающему от внешних источников по входу 3 и по распределенным импульсам выделения приращений синаптических весов, поступающих по входам 31 от внешних источников (на фиг,З показан только один импульс 31 из серии распреде-. леннйх импульсов, т.к, рассматриваетея один нейрон из нейронной сети),При этом, если выходной сигнал нейрона отличен от нуля, то в каждом из блоков 41-415 элементами И 61 выдается приращение синапсов Лу по сигналам мотивации и импульсу выделения приращения, а если выходной сигнал нейрона равен нулю, то приращения не выдаютсу, т.к. блокируются элементы И 61 выходным сигналом нейрона, В течение длительности импульсы выделяются элементом И 61 в целом из блоков 41-4 ю й приращений синапсов. В первом цикле в каждом из блоков 41-415 сумматорами 101 осуществляется поразрядное суммирование приращений Ь) со значениями синаптических весов, поступающих из регистров 7 через открытые элементы И-ИЛИ 92 сигналом с нулевого выхода триггера 91, Результаты сумматора 101 записываются поразрядно через открытые элементы И 9 з в регистры 8 в каждом из блоков 4 - 415, В конце цикла триггер 91 устанавливается в единичное состояние импульсом записи знакового разряда, поступающем по входу 34. Во всех последующих (-1) циклах в сумматорах 10 ьблоков 41-415 осуществляется поразрядное пословное суммирование приращений синапсов Ьсо значением синаптических весов, поступающих из регистра 8 через открытые элементы И-ИЛИ 92 сигна лом единичного выхода триггера 91. Результатыу - 1 + Р Ьу сумматоров 101 каждого блока 4-415 поступают на входы 21 - 215 элементов И 31 - 1315 узла, суммирования произведений 11 и через открытые схемы И 9 з результаты записываются в регистры 8, В момент поступления сигнала подкрепления на вход Зз формируется элементами И 62 в каждом из блоков 41-415 сигнал параллельной записи информации в оегистры 7, при этом скорректированные синаптические веса перезаписываются из регисгров 8 в регистры 7, а затем стираетсяинформация поразрядно, начиная с млад-.ших разрядов в регистрах 8, т,к, блокируются схемы И 9 з сигналом подкрепления.Сформированные элементами И 131- 1315 равновесовые разрядные произведения входных сигналов Х 1 и синаптических весов у параллельно-поразрядно суммируются в сумматорах 141-144, 151, 152, 16, 17 (фиг.2) со значением порога и записываются в регистр 18 в виде разрядных сумм. Так в первом такте на выходе сумматора 17 имеМем(Хуь- ао)2+0, где О- начальное значение регистра 18. Вычисленная разрядная сумма записывается параллельным кодом со сдвигом в сторону младших разрядов в регистр 18.Во втором такте в сумматорах 141-144, 151, 152, 16 формируется вторая разрядная сумма, которая суммируется в сумматоре 17 со значением разрядной суммы регистра 18, в результате имеем;й М(Х 1 зе- а 11+(Хь а 02В )-такте на выходе сумматора 17 имеемсумму синаптических весовПри достижении суммы синаптических весов порогового уровня йХ И )аз происходит изменение =1=1знака триггера (старшего разряда регистра 18) с отрицательного на положительный и по импульсу выделения знакового разряда, поступающего с входа 34 через открытую схему И 19 (положительным знаковым разрядом) устанавливается триггер 20 в единичное состояние и выдается на вход 121 сигнал %1 и наоборот, если, Х 1 у 12 , а 121, то на выход 121выдается сигнал %=0.В устройстве предусмотрен дополнительный выход 12 выдачи суммы произведений для расширения. функциональных возможностей за счет увеличения числа входов. Предлагаемое устройство позволяет увеличить точность моделирования путем биоритмической организации коррекции синапсов.Формула изобретения 1. Устройство для моделирования нейрона, содержащее блоки синаптических весов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности моделирования путем биоритмической организации коррекции весов синапсов, введены блок уп равления, узел суммы произведений,содержащий группу элементов И, группу трехвходовых сумматоров, два двухразрядных, трехразрядных и четырехразрядный сумматоры, регистр разрядной суммы, эле менты И, триггер, блок суммирования синапсов, выходы которого соединены с одними входами группы элементов И, вторые входы которых соединены с входами устройства, выходы группы элементов И со единены с входами переносов двух, трех ичетырехразрядных сумматоров и с входами первой группы трехвходовых сумматоров, выходы которых соединены с одноименными входами первого и второго двухразряд ных сумматоров, выход которых соединен содноименными входами трехразрядного сумматора, выходы которого соединены с одноименными входами первой группы четырехрэзрядного сумматора, выходы кото рого соединены с сдвигом вправо на одинразряд с входами регистра разрядной суммы, группа выходов которого соединена с второй группой входов четырехразрядного сумматора, один выход регистра разрядной 30 суммы соединен со старшим разрядом четырехвходоваго сумматора и. через инвертор с одним входом элемента И, второй вход которого соединен с одним выходом блока управления, выход элемента И соединен с 35 одним входом синхронизации триггера,единичный выход триггера является выходам устройства.2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что в каждый блок синаптических 40 весов введены трехвходовой сумматор, дварегистра, логические элементы И, ИЛИ, ИИЛИ, два триггера, при этом вход тревходоваго сумматора соединен с выходом одного триггера, один вход которого соединен с 45 выходом переноса трехвхадового сумматора, второй вход сумматора соединен с выходом первого элемента И, один вход которого соединен с выходам устройства, остальные входы первого элемента И соединены с вхо дами устройства, третий вход трехвхадавого сумматора соединен с выходом элемента И-ИЛИодин вход которого соединен с выходом первого регистра, группа информационных входов которого соединена с 55 группой. выходов второго регистра, одинвход которого соединен через элемент И с выходам трехвхадового сумматора, один выход второго регистра соединен с вторым входом элемента И-.ИЛИ, третий и четвертый входы которого соединены с единичными нулевым выходом триггера, один вход которого соединен с первым выходом блока управления, второй соединен с выходом элемента ИЛИ, входы котооого соединены с входами устройства, один управляющий 5 вход первого регистра соединен с выходом второго элемента И, один вход которого соединен с выходом устройства, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления,1831715 СРрГ едактор Т.Горяч л.Гагарина, 10 изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужго Заказ 2552 ВНИИПИ Госу Составитель В.ТаранухаТехред М.Моргентал Корректор М.Керецман Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/В