RU1775719C - Оптический модуль дл сложени и вычитани - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к вычислительной технике и может быть использовано при изготовлении цифровых оптических процессоров , использующих знакоцифровую ариф- метику при импульсно-лозиционном представлении операндов. Целью изобретени   вл етс  расширение области применени  за счет выполнени  сложени  и вычитани  в знакоцифровом представлении . Оптический модуль дл  сложени  и вычитани  содержит матрицу коммутаторов 1 и 2, первой и второй фотоприемники 5 и 6, группу элементов 12 задержки, первую и вторую группы коммутаторов 13 и 14 со св з ми . 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к вычислительной технике и может быть использовано при изготовлении цифровых оптических процессоров , использующих знакоцифровую ариф- метику при импульсно-позиционном представлении операндов.

Известна работа (Signed-diglt Number Representation for Fast Parallel Arithmetics, A.Avizienis, IRE Transactions on Electronic Computers, V.EC-10, N 3, September, 1961, p. 389), описывающа  выполнение операций в знаковоцифровой арифметике и содержаща  блок-схему двухступенчатого сумматора .

Знакоцифровое число представл етс  n+m+1 цифрами г (,. ,-1,0,1m) и имеет алгебраическое значение

m

z- 2

(D

где значени  г и г таковы, что удовлетвор ютс  следующие требовани 

основание г - положительное целое;

алгебраическое значение имеет уникальное представление;

существуют трансформации между обычным представлением и знакоцифро- вым представлением дл  каждого алгебраического значени  Z внутри определенного диапазона;

полностью параллельное сложение и вычитание возможны дл  всех цифр в соответствующих позици х двух представлений.

Арифметические операции полностью параллельного сложени  и вычитани  двух цифр zi и yi из соответствующих i-x позиций представлений чисел Z и Y определ ютс  как следующие:

Сложение цифр zi и yi полностью параллельно , если выполн ютс  следующие два услови :

цифра суммы (1-  цифра суммы S yi) есть функци  только цифры первого слагаемого zi. второго слагаемого yi и цифры преобразовани  ti из (i+1) позиции справа х, f (zt. у., ti);

LO С

VI

сл XJ

Ч)

цифра преобразовани  ti-1 (1-1)-й позиции слева есть функци  только цифры первого слагаемого г и цифры второго слагаемого yi:ti-i f (г, yi).

Сложение двух цифр выполн етс  за два шага. Во-первых, формируетс  выход ща  цифра преобразовани  ti-1 и цифра внутренней суммы У|

zi + yi r ti-1 + (Л(2)

Затем формируетс  цифра суммы S:

а од + ti.(3)

Цифра преобразовани  ti-1 может принимать три значени :

, если Wmin Zi +yi ОДпах)

, ecnnzi + yi O)maxr (4)

,есЛИ Zi + yi WminJ

Значени  (, йЛпах- определ ютс  выбором основани  счислени  г. Пример дл  .

од: 5,4,3,2,1,0,1,2,3 А5;

3, yi, г 6,5,4,3,2,1,0,1,2,3,4,5,6; Отрицательные значени  обозначаютс  с помощью черты над цифрой.

Вычитание выполн ютс  с помощью сложени  с аддитивной обратной величиной , т.к. дл  любого существует , такое, что а + (-а)0.

В указанной работе приведена блок- схема параллельного сумматора, в котором каждый i-й каскад знакоцифрового представлени  выполн ет вычислени  за два шага . На первом шаге в соответствии с (2) определ ютс  значени  внутренней суммы at и значение цифры преобразовани  т.ы дл  соседнего каскада. На втором шаге определ етс  знакоцифровое значение суммы а в соответствии с (3).

Кроме блок-схемы в знакоцифровом представлении в указанной работе не содержитс  более детализированного технического решени  сумматора.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению  вл етс  оптический модуль дл  сложени  и вычитани  в системе остаточных классов. Модуль дл  сложени  и вычитани  в СОК содержит матрицу оптических коммутаторов из М столбцов и (М-1) строк (М - значение модул ) и фотоприемники, входы разр дов первого операнда модул  соединены с оптическими входами оптических коммутаторов первой строки матрицы, первый оптический выход К-го оптического коммутатора (...М) Р-й строки матрицы (..,М-2) соединен с оптическим входом К-ro оптического коммутатора (Р-И)-й строки матрицы, оптические выходы оптических коммутаторов (М-1)-й строки матрицы  вл ютс  выходами разр дов результата модул , входы значащих

разр дов второго операнда модул  соединены с управл ющими электрическими входами оптических коммутаторов соответствующих строк матрицы. Также модуль содержит (М-1) групп по М оптических коммутаторов в каждой и группу из 2 (М-1) оптических каналов, причем второй оптический выход К-го оптического коммутатора а-й (...М-1) строки матрицы соединен с

0 оптическим входом К-го оптического коммутатора а-й группы, управл ющие электрические входы оптических коммутаторов групп объединены и соединены с входом задани  вида операции модул , выход сиг5 нала переполнени  которого соединен с электрическим выходом фотоприемника, первый оптический выход В-го, где В (Р+1),..М, оптического коммутатора Р-й группы соединен с оптическим входом (В0 Р)-го оптического коммутатора (Р+1) строки матрицы, второй оптический выход (В-Р)-го оптического коммутатора Р-й группы соединен с оптическим входом В-ro оптического коммутатора (Р+2)-ой строки матрицы, пер5 вый оптический выход М-го и второй оптический выход первого оптических коммутаторов (М-1)-й группы  вл ютс  соответственно выходами первого и М-го разр дов результата модул , первый

0 оптический выход С-го (...а) оптического коммутатора а-й группы соединен через (а- С+1)-й оптический канал группы с входом фотоприемника и  вл етс  выходом (М- а+С)-го разр да результата модул , второй

5 оптический выход (М-С+1)-го оптического коммутатора а-й группы соединен через (М+а-с)-й оптический канал группы с входом фотоприемника и  вл етс  выходом (а-с+1)- го разр да результата модул .

0 Недостатком известного технического решени   вл етс  невозможность пр мо использовать его дл  вычислений в знако- цифровой системе счислени , где сумматор- вычитатель можно построить из

5 совершенно идентичных конструктивно каскадов , в то врем  как несколько модулей дл  сложени  и вычитани  в СОК не составл ют еще сумматора-вычитател  в общем случае (не контролируетс  переполнение

0 системы, не отслеживаетс  диапазон, в котором находитс  результат), кроме того, модули СОК, несмотр  на однородную топологию, количественно различны дл  выбранной СОК.

5 Целью изобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей устройства , а именно, обеспечение возможности построени  сумматора-вычитател  в знакоцифровом представлении из конструктивно одинаковых каскадов. Кроме того, в знакоцифровом представлении легче реализуетс  режим с плавающей зап той.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в оптический модуль дл  сложени  и вычитани , содержащий матрицу коммутаторов из 2(М-1) строк и М столбцов (М-нечетна  разр дность информации), первый фотоприемник , причем входы-разр дов первого операнда модул  соединены с оптическими информационными входами соответствующих коммутаторов первой строки матрицы, вход К-ro (К 1:-М-1) разр да входа второго операнда модул  соединен с электрическими управл ющими входами коммутаторов (2К-1)-й строки матрицы, вход задани  сложени  модул  соединен с электрическими управл ющими входами коммутаторов 2d-u (d 1-M-1) строки матрицы, электрические управл ющие входы коммутаторов 2(M-d)-x строк матрицы объединены, первые оптические выходы коммутаторов (2К-1)-й строки матрицы соединены с оптическими информационными входами соответствующих коммутаторов (2К+1)-й строки матрицы, вторые оптические выходы коммутаторов (2К- 1)-й строки матрицы соединены с оптическими информационными входами соответствующих коммутаторов 2К-й строки матрицы, выход первого фотоприемника  вл етс  выходом отрицательного переполнени  модул , введены второй фотоприемник , группа элементов задержки, перва  и втора  группы коммутаторов, причем первый оптический выход P-ro (p 1-rM-d) коммутатора 2 (-d + 1)-й строки матрицы

соединен с оптическим информационным входом (d + р)-того коммутатора 2 (--- +

+d) +1-й строки матрицы, вход задани  вычитани  модул  соединен с электрическим управл ющим входом первого коммутатора 2 (М-1)-й строки матрицы, первые оптические выходы (М-С+1)-х коммутаторов (

), 2 (

М-1

-d + 1) и 2 (М- 1

d) строк

) - V о

матрицы соединены с (d-C+1)-M входом второго фотоприемника и с первым оптическим

выходом (--- + d-c+ 1)-го коммутатора

(2М-3)-й строки матрицы, выход второго фотоприемника  вл етс  выходом положительного переполнени  модул , вторые оптические выходы 1-х ( + 1тМ)-тых коммутаторов 2 (

М- 1

-d + 1)-й и 2 (

М - 1

+ dj-й

.

строк матрицы соединены с оптическими информационными входами (i-d)-x коммутаторов соответственно (2(-d+ 1)+ 1)-й и

(2(

М- 1

d)+ 1)-й строк матрицы, вторые

оптические выходы (с-х) коммутаторов 2

..М - 1 , л . „ ,М - 1 , - (-d+ 1)-и и 2 (-- + d) -и

строк матрицы соединены с (d- С+1)-м входом первого фотоприемникэ и с

М - 1 первым оптическим выходом (---+ 1-d+

+с)-го коммутатора (2М-3)-й строки матрицы , первый оптический выход j-ro(

f + 1) и второй оптический выход

15

(

М

+ j)-ro коммутаторов 2(М-1)-й строки

матрицы соединены с первыми оптическиМ - 1 ми выходами соответственно (j+ ---)-го и

j-ro коммутаторов (2М-3)-й строки матрицы, первый оптический выход первого коммутатора (2М-3)-й строки матрицы соединен с

(

М- 1

+ 1)-м входом первого фотоприемни

ка

и с первым оптическим выходом (---)-го коммутатора (2М-3)-й строки матрицы , первый оптический выход М-го коммутатора 2(М-3)-й строки матрицы

(--- + 1)-м входом второго

соединен с

фотоприемника и с первым оптическим вы- ходом (---)-го коммутатора (2М-3)-й

строки матрицы, вход а-го элемента задер35 жки группы (а 1-гМ-2) соединен с первым оптическим выходом (а+1)-го коммутатора (2М-3)-й строки, выход а-го элемента задержки группы соединен с оптическим информационным входом а-го коммутатора

40 первой группы, первый оптический выход а-го коммутатора первой группы соединен с оптическим информационным входом а-го коммутатора второй группы, второй оптический выход первого коммутатора первой

45 группы  вл етс  выходом первого разр да выхода результата модул , первый оптический выход а-го коммутатора второй группы  вл етс  выходом {а+1)-го разр да выхода результата модул , оптический информэци50 онный вход у-го (у- 1т-М-3) коммутатора второй группы соединен со вторым оптическим выходом (у + 1)-го коммутатора первой группы, второй оптический выход а-го коммутатора второй группы  вл етс  выхо55 дом (а+2)-го разр да выхода результата модул , электрические управл ющие входы, коммутаторов первой и второй групп соединены соответственно со входами сигналов отрицательного и положительного переполнени  модул .

Указанные отличи   вл ютс  существенными , т.к. они в совокупности позвол ют построить каскад знакоцифрового оптического сумматора-вычитател . Рассмотрим конкретный каскад сумматора-вычитател  дл  основани  . Тогда допустимые значени  операндов zi,yi и цифры суммы S следующие , 2,1,0,Т,2,3; цифры внутренней суммы могут принимать значени  2,1,0,1,2,

На фиг.1 представлена схема предлагаемого каскада знакоцифрового сумматора- вычитател  дл  основани  .

Каскад содержит матрицу оптических коммутаторов 1 и 2. Электрические входы коммутаторов 1 объединены построчно и соединены со входами разр дов второго операнда 10. Электрические входы коммутаторов 2 второй, четвертой и шестой строки объединены и св заны со входом задани  вида операции сложение 4 (дл  случа  конкретной реализации оптических коммутаторов на св занных волноводах). Электрические входы коммутаторов 2 восьмой, дес той и двенадцатой строк объединены и св заны со входом задани  вида операции вычитание 3.

Первый (правый) выход коммутатора 1 всех нечетных строк (кроме одиннадцатой) св зан со входом коммутатора 1 той же вертикальной позиции нижележащей нечетной строки.

Второй (левый) выход коммутатора 1 каждой нечетной строки (кроме одиннадцатой ) св зан со входом коммутатора 2 следующей четной (на фиг.1 - нижележащей) строки, той же вертикальной позиции,

Первый (правый) выход коммутатора 2 t-й позиции каждой четной строки (кроме двенадцатой) св зан со входом коммутатора следующей (нижележащей) строки - нечетной, при этом позици  этого коммутатора нечетной строки определ етс  по правилу: t плюс абсолютна  величина присвоенного значени  разр да, вход которого св зан со входами коммутаторов 1 предыдущей нечетной строки. Если же величина t плюс абсолютна  величина присвоенного значени  разр да превышает число столбцов матрицы, то первый (правый) выход коммутатора 2 св зан с вертикальным каналом соответствующей позиции второй группы 15. Так, в частности, как показано на фиг.1, электрические входы коммутаторов 1 первой строки объединены и св заны со входом разр да 3 второго операнда, а первый выход каждого коммутатора 2 второй строки соединен со смещением на три вертикальных позиции вправо, либо со входом коммутатора 1 третьей строки, либо с одним

из каналов второй группы 15, имеющими условные обозначени  (4). (5). (6).

. Подобным же образом, второй (левый) выход коммутатора 2 t-й позиции каждой

четной строки (кроме двенадцатой) св зан со смещением влево на число вертикальных позиций, равное абсолютной величине присвоенного значени  разр да, вход которого соединен с электрическими входами комму0 таторов 1 предыдущей строки, либо со входом коммутатора нижележащей нечетной строки, либо с одним из каналов первой группы 15, имеющими условные обозначени  (4), (5). (6).

5 Первые (правые) выходы коммутаторов

1одиннадцатой строки (электрические входы которых объединены и св заны со входом разр да 3 второго операнда)позиций со 2 по 6 (т.е. с присвоенными значени ми

0 от 2 до 2) св заны со входами п ти элементов задержки 12.

Первые (правые) выходы коммутаторов

2двенадцатой строки св заны со смещением вправо на три вертикальных позиции ли5 бо с первыми выходами коммутаторов 1 одиннадцатой строки позиций со 2 по 6, либо с соответствующим оптическим каналом второй группы 15.

Вторые (левые) выходы коммутаторов 2

0 двенадцатой строки св заны со смещением влево на три вертикальных позиции либо с первыми выходами коммутаторов 1 одиннадцатой строки позиций со 2 по 6, либо с соответствующим каналом первой группы

5 15.

Первый выход первого коммутатора одиннадцатой строки  вл етс  оптическим каналом первой группы с условным обозначением 3.

0 Первый выход седьмого коммутатора одиннадцатой строки  вл етс  оптическим каналом второй группы с условным обозначением 3.

Оптические каналы первой группы сое5 динены каждый с первым фотоприемником 5 и с первым выходом одного из коммутаторов 1 одиннадцатой строки по правилу: условное обозначение канала плюс основание системы счислени , равное четырем.

0 Оптические каналы второй группы соединены со вторым фотоприемником бис первым выходом одного из коммутаторов 1 одиннадцатой строки по правилу: условное обозначение канала минус четыре.

5 С электрического выхода 7 фотоприемника 5 снимаетс  сигнал отрицательного пе- реполнени  данного 1-го каскада и предназначаетс  дл  (i-1)-ro каскада сумматора-вычитател . Аналогично, с электрического выхода 8 фотоприемника б снимаетс 

сигнал положительного переполнени  и э,° ресуетс  в (i-1) и каскад

П ть элементов задержки 12 предназ начены дл  синхронизации сумматора-вы- читател  в целом. Они должны задерживать распространение оптического сигнала на врем , необходимое дл  срабатывани  фотоприемника в соседнем каскаде и дл  включени  строк коммутаторов 13 и 14 в данном каскаде

Элементы задержки 12 могут быть выполнены одним из известных способов: как прот женный оптический канал или как пара фотоприемник-излучатель.

Выходы элементов задержки 12 соединены со входами оптических коммутаторов 13. Электрические входы коммутаторов 13 объединены и св заны с выходом сигнала отрицательного переполнени  от (i+1)-ro каскада-16.

Первый выход коммутатора 13 св зан со входом коммутатора 14 той же позиции.

Второй выход первого коммутатора 13 соединен с .первым выходом каскада. Второй выхода-го коммутатора 13(а соединен со входом (а-1)-го коммутатора 14,

Электрические входы коммутаторов 14 объединены и св заны с выходом сигнала положительного переполнени  (i+1)-ro каскада - 17.

Первый выход а-го коммутатора 14 (правый )  вл етс  (а+1)-м выходом каскада. Второй (левый) выход коммутатора 14 соединен с (а+2)-м выходом каскада.

Условно каскад можно разбить на две части: перва  часть ограничиваетс  выходами элементов задержки 12, втора  часть содержит строки коммутаторов 13 и 14. На выходе первой части заканчиваетс  формирование внутренней суммы ад в соответствии с формулой (2), фотоприемники вырабатывают цифру преобразовани  (или переноса) ti-1. Во второй части формируетс  результат сложени  или вычитани  в данном i-м каскаде.

На фиг.2 представлен фрагмент знако- цифрового сумматора-вычитател  из (i+1)- ro, i-ro и (Ы)-го каскадов -18. Показаны выходы 7 и 8 положительного и отрицательного переполнени  каскада, соответственно , Входы 16 и 17 служат дл  приема сигналов отрицательного и положительного переполнени . Дл  определени  старшинства каскадов следует руководствоватьс  формулой (1), где сложение идет от -п до +гл, а показатель степени у основани  системы - отрицательный.

Каскад работает следующим образом. Оптический импульс поступает на один из

-ходов оптических каналов входа 9 каскада

дновременно на коммутаторы 2 второй,

четвертой, шестой строк или коммутаторы 2

восьмой, дес той, двенадцатой строк подаетс  (или убираетс ) электрический сигнал

формировани  знака

На коммутаторы 1 одной из строк, св занных со входом 10 второго операнда, подаетс  переключающий сигнал.

0 Оптический сигнал проходит через незадействованные коммутаторы 1 и выходит с их первого (правого) выхода. Когда оптический импульс доходит до задействованного коммутатора 1. он с левого (второго) выхода

5 этого коммутатора 1 попадает на коммутатор 2, который адресует его на следующую строку, смеща  на число позиций столбцов, равное номеру позиции включенной строки коммутаторов 1. Если оптический сигнал по0 падает на столбец позиций со 2 по 6 (т.е. с присоединенными значени ми от 2 до 2). то он проходит без переключени  до соответствующего элемента задержки 12. Если же оптический сигнал выходит на один

5 из оптических каналов 15 первой группы (в число которых входит первый выход первого коммутатора 1 одиннадцатой строки - значени  3), то он частично считываетс  на фотоприемник 5, в частично попадает на

0 вход одного из элементов задержки 12. Аналогично , если оптический сигнал выходит на один из оптических каналов 15 второй группы (в число которых входит первый выход седьмого коммутатора 1 одиннадцатой

5 строки-значени  3), то он частично считываетс  на фотоприемник 6, а частично попадает на вход одного из элементов задержки 12.

Элементы задержки замедл ют поступ0 ление оптического сигнала на вход одного из коммутаторов 13 до переключени  строки этих коммутаторов 13 (если на них поступит сигнал отрицательного переполнени  от(1+1)-го каскада). Если сигнал отрицатель5 ного переполнени  поступил, то оптический сигнал выходит со второго (левого) выхода соответствующего коммутатора 13. Если это первый коммутатор 13, то сигнал поступает на первый выход каскада (значени  3). Ес0 ли это коммутатор 13 не первый, то с его второго (левого) выхода сигнал поступает на вход одного из коммутаторов 14 со смещением на позицию влево и проходит с первого (правого) выхода коммутатора 14, не

5 переключа сь (т.к. строки коммутаторов 13 и 14 не могут быть задействованы одновременно ) на один из выходных позиций каскада 11.

Если от (i+1)-ro каскада пришел сигнал положительного, а не отрицательного переполнени , то оптический сигнал, не переключа сь , проходит через коммутатор 13. выходит с его первого (правого) выхода и поступает на один из коммутаторов 14 и выходит с его второго (левого) выхода со смещением на позицию вправо йа один из выходов каскада 11.

Также, может иметь место ситуаци , когда не приходит сигнала ни положительного , ни отрицательного переполнени  от (i+1)-ro каскада, тогда оптический сигнал проходит, не переключа сь, через коммутаторы 13 и 14 до одного из выходов каскада 11.

Claims (1)

1...d) 2 (- -d+ 1)-й и 2 (- + d}й строк матрицы соединены с (d-c+1)-M входом второго фотоприемника и с первым

оптическим выходом (

М- 1

+ d-c + 1)-го

коммутатора (2М-3)-й строки матрицы, выход второго фотоприемника  вл етс  выходом положительного переполнени  модул , вторые оптические выходы t-x ( 1... М)

коммутаторов 2 (М 1 -d+ 1)-й и 2 (М 1 +

+ d)-u строк матрицы соединены с оптическими информационными входами (l-d)-x

20 25

30

М- 1

-d+

коммутаторов соответственно 2(

Ј

М - 1 +1) + 1-й и 2(--- + d)+ 1-й строк матрицы,

вторые оптические выходы с- х коммутаторов 2(- -d +1H и 2 (- +d)-fl строк

матрицы соединены с (d-c+1)-M входом первого фотоприемника и с первым оптическим

(

М- 1

- d + 1) строки матрицы соединен с

строки матрицы, электрические управл ющие входы коммутаторов 2(M-d)-x строк матрицы объединены, первые оптические выходы коммутаторов (2к-1)-й строки мат- рицы соединены с оптическими информаци- онными входами соответствующих коммутаторов (2к+1)-й строки матрицы, вторые оптические выходы коммутаторов (2к- 1)-й строки матрицы соединены с оптическими информационными входами соответствующих коммутаторов 2к-й строки матрицы, выход первого фотоприемника  вл етс  выходом отрицательного переполнени  модул , отличающийс  тем, что, с целью расширени  области применени  за счет выполнени  сложени  и вычитани  в знакоцифровом представлении, он содержит второй фотоприемник, группу элементов задержки, первую и вторую группы коммутаторов, причем первый оптический выход р-го (...M-d) коммутатора 2

оптическим информационным входом (d + 55 р)-го коммутатора 2 ( -d+ 1) + 1-й строки матрицы, первый оптический выход р-го

коммутатора 2 (

М- 1

+ d) -и Строки матрицы (

выходом (М-1

+ 1-d + с)-го коммутатора

(2М-3)-й строки матрицы, первый оптический выход j-го (j 1... ,М-1

М- 1

+ 1) и второй

оптический выход (-г- + j)-ro коммутатора

2(М-1)-й строки матрицы соединены с первыми оптическими выходами соответственно (J Н-у-) го и j-ro коммутаторов

(2М-3)-й строки матрицы, первый оптический выход первого коммутатора (2М-3)-й

строки матрицы соединен с (

М- 1

+ 1)-м

входом первого фотоприемника и с первым оптическим выходом (---)-го коммутатора (2М-3)-й строки матрицы, первый оптический выход М-го коммутатора (2М-3)-й

строки матрицы соединен с (М-1

+

входом второго фотоприемника и с первым оптическим выходом (- -}-го коммутатора (2М-3)-й строки матрицы, вход а-ro элемента задержки группы (...M-2) соединен с первым оптическим выходом (а+1)-го коммутатора (2М-3)-й строки матрицы , выход а-го элемента задержки группы соединен с оптическим информационным входом а-го коммутатора первой группы, первый оптический выход а-го коммутатора первой группы соединен с оптическим ин формационным входом а-го коммутатора второй группы, второй оптический выход первого коммутатора первой группы  вл етс  выходом первого разр да выхода результата модул , первый оптический выход а-го коммутатора второй группы  вл етс  выходом (а+1)-го разр да выхода результата мо-

15

/) fj

(риг / //

дул , оптический информационный вход у- го ( ... М-3) коммутатора второй группы соединен с вторым оптическим выходом (у + 1)-го коммутатора первой группы, второй 5 оптический выход а-го коммутатора второй группы  вл етс  выходом (а+2)-го разр да выхода результата модул , электрические управл ющие входы коммутаторов первой и второй групп соединены соответственно со 10 входами сигналов отрицательного и положительного переполнени  модул .

Редактор

Составитель Л.Титова Техред М.Моргентал

(Dt/t,2

Корректор И.Шмакова