Багатоканальний оптоелектронний універсальний багатозначний логічний модуль n змінних

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к универсальным элементам, работающим в k-значом алфавите, и может быть использовано при построении различного рода устройств вычислительной техники. Известен универсальный многозначный потенциальный элемент [Авт.св, № 661802, кл. Η 03 К 19/00, опублик. 05.05.79], состоящий из k/5 (где k - реализуемая значность) каскадов с передаточной характеристикой трапецеидальной формы, источника опорных напряжений, к/5 схем определения номера участка многогорбной трапецеидальной характеристики, к/5 схем определения знака первой производной, схемы избирания максимума, схемы определения знака напряжений, комбинационной схемы и k-1 управляемых ключей. Недостатком такого элемента являются .ограниченные функциональные возможности, так как элемент может реализовать все функции только одной переменной k-значной логики, а также сложность схемы, обусловленная наличием сложных каскадов с трапецеидальной характеристикой, схем избирания максимума, схем определения знака первой производной, схем определения знака напряжений, необходимостью формирования набора эталонных базисных напряжений, причем число уровней (градаций) в значении напряжений зависит от k-значности логики и при увеличении к необходима их прецизиозность и стабильность. Сложность схем обусловлена также относительно сложной комбинационной схемой. К недостаткам относится и то, что входные и выходные сигналы представлены амплитудами напряжения, а поэтому необходима схема различения уровней, являющаяся сложной. Известен n-входовой универсальный многозначный логический элемент [Авт.св. СССР № 786005. кл. Η 03 К 19/02, опублик. 07,12.80], содержащий одновходовой многозначный потенциальный элемент, входы компараторов которого подключены к его сигнальному входу, выходы компараторов которого подключены к управляющим входам ключей, и многозначный элемент, в котором сигнальный вход преобразователя напряжения в фазу соединен с первым сигнальным входом устройства, выход преобразователя напряжений в фазу подключен к сигнальному входу преобразователя фазы в напряжение, управляющий вход которого подключен к выходу первого одновходового многозначного элемента, а выход - к выходной шине устройства, вторые входы ключей первого многозначного потенциального элемента подключены к выходам второго, третьего,..., k-го многозначных потенциальных элементов, а их выходы соответственно к третьему, четвертому,..,, n-ому сигнальному входу устройства, вторые входы ключей второго, третьего... k-гο многозначных потенциальных элементов подсоединены κ шинам источников базисных напряжений. Недостатком такого устройства является сложность многозначных одновходовых потенциальных элементов, из которых состоит устройство, поскольку последние должны иметь значительное число сложных компараторов, ключей для коммутации аналоговых сигналов и наличие большого количества эталонных источников базисных напряжений, а также ограниченное быстродействие ввиду не очень высокого быстродействия компараторов и аналоговых ключей. Ограничена область применения вследствие большого количества электрических входов устройства, число которых при увеличении числа переменных растет очень значительно, и ограничены функциональные возможности, так как элемент может выполнять от n логических переменных только одну выбранную путем настройки функцию. Наиболее близким к заявляемому устройству является многозначный универсальный логический модуль [Авт.св.СССР № 828415, кл. Η 03 К 19/00, опублик. 07.05.81] с n функциональными и kn настроечными входами, обладающий древовидной структурой и состоящий из однотипных ячеек, каждая из которых представляет собой универсальный логический модуль с одним информационным и k-настраечными входами. Каждая ячейка выполнена в виде последовательного включения чередующихся между собой (Рm-1) двухвходовых элементов сложения, элементов "Исключающее ИЛИ" при k-2 и (рm-1) двухвходовых элементов умножения (элементов "И" при k-2) в конечном поле GF(pm), где ρ - простое число, m -целое положительное число. При этом выход последнего элемента сложения является выходом ячейки, второй вход каждого элемента сложения и первый вход первого элемента умножения являются настроечными входами ячейки, а второй вход каждого элемента умножения подключен к функциональному входу ячейки. Недостатком такого устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные возможностью реализации функции только для значности k, являющейся степенью m простого числа ρ (т.е. не для всех значений к), обусловленные невозможностью вычислять одновременно функции (или одну и ту же функцию) от нескольких входных наборов логических переменных, т.е. реализовать несколько параллельно работающих универсальных логических элементов от нескольких переменных. Вторым недостатком является сложность, обусловленная сложными схемами ячеек при высокой значности логических переменных, при различных способах кодирования входных сигналов (пространственное, амплитудное). Третьим недостатком является сравнительно низкое быстродействие за счет древовидной структуры устройства, а также значительной глубины схем самих ячеек базовых модулей. К недостаткам можно отнести и недостаточно высокую регулярность структуры. В основу изобретения поставлена задача создания многоканального оптоэлектронного универсального многозначного логического модуля n-переменных, в котором за счет введения новых блоков и связей между ними обеспечивается одновременная реализация нескольких функций из полного множества многозначных kn что позволяет расширить функциональные возможности? повысить быстродействие и функций k расширить область применения. Поставленная задача достигается тем, что в многоканальный оптоэлектронный универсальный многозначный логический модуль n-переменных, содержащий n-функциональных и kn настроечных входов, обладающий древовидной структурой и состоящий из однотипных ячеек, каждая из которых представляет собой универсальный, логический модуль k-значной логики с одним функциональным, k-настроечными входами и функциональным выходом,- введено m-1 каналов, каждый из которых является универсальным логическим модулем с n-функциональными и kn-настроечными входами, причем каждый канал имеет древовидную структуру и n ступеней, по числу n входных переменных, а каждая 1-ая ступень (iÎ1¸n) имеет кi-1 однотипных ячеек, каждая из которых имеет один функциональный и к настроечных k-значных входов и один выход, а также первый и второй лазеры, дефлектор, оптический вход которого связан с выходом первого лазера, а его управляющие входы являются входом задания набора функций, матрица голограмм, вход которой связан, с выходом дефлектора, а оптический выход которой связан с первым оптическим входом оптически управляемого транспаранта, второй считывающий вход которого соединен через коллиматор с оптическим выходом второго лазера, а оптический выход транспаранта соединен с оптическими настроечными входами всех m-каналов, причем все ячейки n ступеней каждого канала выполнены в виде электрически управляемых транспарантов, каждый из которых состоит из набора k-оптоэлектронных затворов, k-электрических входов которых являются входной k-значной шиной ячейки и оптической системы в виде цилиндрической линзы, посредством которой все оптические выходные апертуры всех электрически управляемых транспарантов соединены с оптическим выходом ячейки, причем входные апертуры всех транспарантов соединены с k-оптическими настроечными входами, имеющими по k позиций пространственного кодирования, k-значные электрические шины всех ячеек і-ой ступени в каждом канале соединены вместе и являются i-ым функциональным k-значным входом m-канала, а оптические k-значные выходы ячеек первой ступени во всех каналах являются функциональным выходом каждого канала, оптические информационные функциональные выходы ячеек і-ой ступени, кроме первой ступени, соединены с к настроечным k-значными оптическими входами предыдущей 1-й ступени в каждом канале, а совокупность всех k-значных настроечных входов всех ячеек последней ступени каждого канала является картинным настроечным входом с числом элементарных пикселов kn+1, а совокупность картинных настроечных входов всех каналов является картинным настроечным входом задания набора всех функций m-каналов. Рассмотрим основные технические результаты. Во-первых, предлагаемая реализация ячеек на основе электрически управляемых транспарантов с линейными электродами позволяет значительно упростить реализацию всей совокупности базовых ячеек в каждой ступени, потому что вся эта совокупность может быть выполнена на базе одного электрически управляемого транспаранта, соответствующего данной ступени. Βαвторых, переход к оптоэлектронной реализации позволил большую совокупность настроечных входов объединить в виде оптической картины, имеющей большую размерность пикселов, обеспечить быструю параллельную настройку с помощью страничной памяти матриц голограмм и большого количества настроечных картин в виде матрицы голограмм. Переход на кодирование оптических сигналов позволил поновому оптически соединить ячейки и ступени, и за счет этого одновременно выполнять несколько функций в k-значной логике от нескольких (более чем двух) логических переменных. На фиг 1 изображена реализация устройства для случая k-3. n=3; на фиг.2 - реализация устройства с помощью матрицы фотопреобразователей; на фиг.3 - таблица истинности и настроечные входы одного канала устройства при реализации операции сложения от трех переменных при k=3. Многоканальный оптоэлектронный универсальный многозначный логический модуль η-переменных (фиг.1) содержит m каналов 1.1,1.2.....1.m, каждый из которых является универсальным логическим модулем c m функциональными 9.1,9.2,9.3 (9.n) входами и kn-настроечными 10.1, 10.2....,10.27 входами, Каждый канал имеет древовидную структуру и n-ступеней {в данном случае n=3) по числу n входных переменных Х1, Х2, Х3 (ΧΝ), а каждая і-ая ступень (ІÎ1¸n) имеет ki-1 однотипных ячеек 8, т.е. ступень 2 имеет три ячейки 8, а ступень 3 - девять. Устройство также .содержит лазеры 2 и 3, дефлектор 4, оптический вход которого связан с выходом лазера 2, а управляющие входы являются входами задания набора функций, матрица голограмм 5, вход которой связан с выходом дефлектора 4, а оптический выход которой связан с первым оптическим входом оптически управляемого транспаранта 6, второй считывающий вход которого соединен через коллиматор 7 с оптическим выходом лазера 3. Оптический выход транспаранта 6 соединен с оптическими настроечными входами 10.1, 10.2....,10.27 каналов 1,1,1.2,...,1.m. Все ячейки 8 n-ступеней каждого канала выполнены в виде электрически управляемых транспарантов, каждый из которых состоит из набора к оптоэлектронных затворов 11.1,11.2,11,3, (11 .k), k электрических входов которых являются входной kзначной шиной ячейки 8, и оптической системы в виде цилиндрической линзы 12, посредством которой все оптические выходные апертуры всех транспарантов соединены с оптическим выходом 13 ячейки 8. Оптический выход 13 первой ступени является функциональным выходом 14.1, 14.2,....14,m каналов 1.1,1.2,...,1.т соответственно. Устройство работает следующим образом. При подаче логической переменной на функциональный вход 9.1,9.2,9.3 (9.n), которая кодируется единичным уровнем в і-ой позиции (ІÎ1¸n), открывается соответствующий оптоэлектронный затвор 11.1,11.2,11,3 (11 .k) и на k-значный выход проходит настроечный k-значный сигнал из і-го настроечного входа. Поскольку на каждом настроечном входе можно быть задано к настроечных состояний, а в одной ячейке 8 их тоже к, то всего можно задать состояний на настроечных входах kк. Поэтому, базовая ячейка 8 является многозначным универсальным элементом от одной переменной. Если в каждой ступени число ячеек выбрать равным числу kn, где n - номер ступени, то таким образом можно реализовать древовидную структуру, которая может реализовать любую из kk функций. Из лазера 2 путем подачи управляющего сигнала на дефлектор 4, выбирается одна голограмма из матрицы 5 и тем самым все каналы одновременно настраиваются на заданный набор функций. Логические переменные могут поступать одни и те же, а могут и разные. Приведем пример. На фиг.3 показаны настроечные входы 10.1., 10.2,10.3.....10.27 третьей ступени при подаче на них входной настроечной картины для одного канала, при реализации операции арифметического сложения от трех переменных: F(X1, Х2, ХЗ) - {Х1+Х2+ +X3)mod(k=3). Каждая цифра кодируется позицией единицы в kзначном коде: "0" -100, Τ - 010, "2" - 001. На настроечные входы второй ступени проходит k-значный сигнал с тех настроечных входов третьей ступени, на затворы которых поступила единица с функционального входа 9.3. В каждом случае для Х3=2 единица поступает на третий затвор 11.3 каждой ячейки 8 третьей ступени, тем самым пропуская выбранный код. Та же процедура повторяется для второй ступени при Х2=1 и первой ступени при Х1=2. В результате сложения получаем результат сложения на одном из функциональных выходов 14 устройства, соответствующего данному каналу: F(X1, X2, Х3) = = {2+1+2)mod(k=3)=2. С целью обеспечения каскадирования многоканального оптоэлектронного универсального многозначного логического модуля η-переменных функциональные электрические входы 9.1, 9.2, 9.3 (9.п) могут быть подсоединены к матрице фотопреобразователей 15, размером (к χ η) χ m, что позволяет вводить логические переменные в оптическом виде.