Оптический цифровой сумматор с плавающей точкой

 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в различных вычислительных устройствах при обработке информации в радиолокационных, радионавигационных системах. Техническим результатом является повышение быстродействия, надежности, компактности, упрощение конструкции устройства, а также увеличение точности вычислений. Результат достигается тем, что оптический цифровой сумматор с плавающей точкой содержит входные оптические регистры, оптические вентили, оптические сумматоры мантисс и порядков, блок дополнительных единиц, оптический блок анализа знаков, оптический блок сдвига, оптический блок нормализации и выходной оптический регистр. 1 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в различных вычислительных устройствах при обработке информации в разнообразных радиолокационных, радионавигационных и вычислительных системах.

Наиболее близким к предлагаемому является оптический страничный сумматор для оптоэлектронного запоминающего устройства [1], содержащий первый и второй входные и выходной оптические регистры, оптические сумматоры порядков и мантисс и оптический блок нормализации. Основными недостатками данного устройства являются относительно невысокие быстродействие, надежность и громоздкость.

Техническим результатом является повышение быстродействия, надежности, компактности, а также упрощение конструкции устройства.

Указанный результат достигается тем, что в оптический цифровой сумматор с плавающей точкой, содержащий первый и второй входные и выходной оптические регистры, оптические сумматоры порядка и мантисс, оптический блок сдвига и оптический блок нормализации, введены оптический блок анализа знаков, оптические вентили с первого по шестой, блок дополнительной единицы, предназначенный для подачи столбца дополнительных единиц в оптический сумматор мантисс, причем входы первого и второго входных оптических регистров являются соответственно первым и вторым входами оптического цифрового сумматора с плавающей точкой, выход порядка первого входного оптического регистра оптически связан с первым входом оптического сумматора порядков и с первым входом первого оптического вентиля, второй вход которого оптически связан с единичным выходом оптического блока анализа знаков, первым входом второго оптического вентиля и первым входом третьего оптического вентиля, второй вход которого оптически связан с первым входом четвертого оптического вентиля и выходом мантисс второго входного оптического регистра, выход порядков которого оптически связан со вторым входом оптического сумматора порядков и первым входом пятого оптического вентиля, второй вход которого оптически связан с нулевым выходом блока анализа знаков, вторым и первым входами соответственно четвертого и шестого оптических вентилей, второй вход шестого оптического вентиля оптически связан со вторым входом второго оптического вентиля и выходом мантисс первого входного оптического регистра, выходы третьего и шестого оптических вентилей объединены и подключены к информационному входу оптического блока сдвига, управляющий вход которого оптически связан с выходом порядков оптического сумматора порядков, знаковый выход которого оптически связан со входом оптического блока анализа знаков, выход оптического блока сдвига оптически связан с первым входом оптического сумматора мантисс, второй вход которого оптически связан с выходами второго и четвертого оптических вентилей, выход оптического сумматора мантисс оптически связан с входом оптического блока нормализации и с выходами первого и пятого оптических вентилей, выход оптического блока нормализации оптически связан с входом выходного оптического регистра, выход которого является выходом оптического цифрового сумматора с плавающей точкой.

Данная совокупность существенных признаков и связей между ними позволяет получить устройство, обладающее более чем в 10-100 раз большим быстродействием, надежностью и компактностью, а также более простое по конструкции по сравнению с прототипом.

Сущность изобретения заключается в том, что организация в оптическом цифровом сумматоре параллельного однотактного сдвига операндов, использование оригинальных схем оптических блоков анализа знаков, оптического сдвига и нормализации, а также применение нетрадиционного алгоритма оптических вычислений алгебраических сумм операндов и оригинального архитектурного решения позволили построить оптический цифровой сумматор, в котором могут быть достигнуты вышеуказанные результаты.

Таким образом, предложенный оптический цифровой сумматор с плавающей точкой обладает свойствами, не присущими известным устройствам. Это объясняется новой совокупностью существенных признаков и новыми связями, изложенными выше.

Сравнение предлагаемого устройства с известными свидетельствует о соответствии его критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков предлагаемого устройства - о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На чертеже приведена схема оптического цифрового сумматора с плавающей точкой.

Оптический цифровой сумматор с плавающей точкой содержит входные оптические регистры 1,2, имеющие соответственно выходы порядков 1-1, 2-1 и выходы мантисс 1-2, 2-2; оптические вентили 3,4, имеющие соответственно входы 3-1, 3-2 и 4-1, 4-2; оптические сумматоры порядков 5, имеющий входы 6-1, 6-2 и выходы знаков 7-1 и признаков 7-2 и мантисс 8, имеющий входы 8-1, 8-2, 8-3, блок дополнительной единицы 9, оптический блок анализа знаков 10, имеющий единичный 10-1 и нулевой 10-2 выходы, вентили 11, 12, имеющие соответственно входы 11-1, 11-2 и 12-1, 12-2; оптический блок сдвига 13, имеющий информационный вход 13-1 и управляемый вход 13-2, оптические вентили 14,15, имеющие соответственно входы 14-1, 14-2 и 15-1, 15-2, оптический блок нормализации 16 и выходной оптический регистр 17.

Входные оптические регистры 1,2 предназначены для ввода в сумматор страниц слагаемых (операндов) в виде оптических парафазных сигналов, в том числе с преобразованием их из электрических. При электрическом вводе страниц операндов входные оптические регистры могут состоять из связанных между собой электронной памяти, например, на регистрах и матрицы лазерных диодов, а при оптическом вводе на входе регистров дополнительно располагается матрица фотоприемников.

Оптические вентили 3,4 могут быть выполнены на основе безлинзовых схем, в том числе и световодных, как это описано, например, в авторских свидетельствах СССР N 1394982, 1396827, 2015578, 2015579, 2015580.

Оптические сумматоры порядков 5 и мантисс 8 могут быть выполнены на основе световодной техники, как это описано, например, в патенте N2079872 (Россия).

Блок дополнительной единицы 9 предназначен для округления результата алгебраического сложения страниц операндов и может состоять, например, из оптически связанных между собой лазерного диода, фокона и маски (например, фототрафарета) столбца парафазных единиц.

Оптический блок анализа знаков 10 предназначен для формирования из знаковых разрядов оптического сумматора порядков 5 управляющих сигналов для оптических вентилей 3,4; 11,12 и 14,15 и может быть выполнен, например, в виде маски (например, фототрафарета в виде прозрачных и непрозрачных полосок).

Оптические вентили 11,12 могут быть выполнены аналогично вентилям 5,6.

Оптический блок сдвига 13 предназначен для одновременного параллельного сдвига операндов на необходимое число разрядов вправо или влево за один такт и может быть выполнен, например, так как это описано в патенте N2050753 (Россия).

Оптические вентили 14,15 могут быть выполнены аналогично вентилям 5,6.

Оптический блок нормализации 16 предназначен для нормализации результата вычисления и может быть выполнен как это описано, например, в авторском свидетельстве СССР N1277802.

Выходной оптический регистр 17 служит для формирования, хранения и выдачи результата и может быть выполнен, например, из последовательно соединенных матрицы фотоприемников, электронных регистров при электрическом выходе или на выходе может располагаться матрица лазерных диодов при оптическом выходе.

Алгебраическое суммирование двух страниц операндов в данном оптическом цифровом сумматоре с плавающей точкой выполняется по следующему алгоритму; на оптическом сумматоре порядков из порядков операндов первой страницы вычитаются порядки операндов второй страницы. Знак разности порядков указывает, какую из мантисс нужно сдвигать вправо при выравнивании порядков и порядок какого из двух слагаемых должен быть принят за общий порядок после окончания выравнивания порядков.

Если разность двух порядков положительна, то выполняется сдвиг мантиссы второго слагаемого на необходимое число разрядов за один такт. Далее нормализованная мантисса первого слагаемого складывается с ненормализованной мантиссой второго слагаемого и сумме приписывается порядок первого слагаемого.

Если разность двух порядков отрицательна, то выполняется сдвиг мантиссы первого слагаемого на необходимое число разрядов за один такт. После выполнения суммирования мантисс сумме приписывается порядок второго слагаемого. Все операции над операндами в страницах выполняются одновременно и параллельно.

В результате сложения двух чисел может произойти нарушение нормализации как влево, так и вправо. Нарушение нормализации влево не может быть больше чем на один разряд. Нарушение нормализации вправо получается тогда, когда слагаемые имеют разный знак и близки друг к другу по абсолютной величине. Абсолютная величина суммы может в этом случае оказаться значительно меньшей, чем абсолютная величина каждого из слагаемых. Количество разрядов, на которое может нарушаться нормализация вправо, ничем не ограничено. После суммирования мантисс с выравненными порядками осуществляется нормализация результатов.

Оптический цифровой сумматор с плавающей точкой работает следующим образом.

Входные страницы операндов поступают по входам 1 и 2 соответственно на входные оптические регистры 1 и 2. Порядки слов с выходов 1-1 и 2-1 поступают на оптический сумматор порядков 5, который из порядков слов первой страницы вычитает соответствующие порядки слов второй страницы операндов.

Оптические сигналы звуковых разрядов страницы разности порядков операндов через оптический блок анализа знаков 10 поступают в качестве управляющих на входы 11-2 и 12-1 соответствующих оптических вентилей 11 и 12 и согласно вышеописанному алгоритму на вход 13-1 оптического блока сдвига 13 с выходов 1-2 и 2-2 соответствующих входных оптических регистров 1 и 2 поступают либо мантиссы слов первой или второй страниц операндов. Таким образом, в оптическом блоке сдвига 13 формируется страница мантисс, подлежащая нормализации.

Оптический блок сдвига 13 производит одновременный и параллельный сдвиг всех мантисс, причем величина сдвига каждой мантиссы определяется соответствующим сигналом на входе 13-2. Полученная результирующая страница с выхода оптического блока сдвига 13 поступает на вход 8-1 оптического сумматора мантисс 8, на второй вход 8-2 которого поступают нормализованные мантиссы операндов с входных оптических регистров 1,2 через вентили 3,4, на входы 3-2, 4-2 которых подаются инверсные управляющие сигналы с блока анализа знаков 10. Оптический сумматор мантисс 8 производит алгебраическое сложение мантисс страниц операндов с выравненными порядками (причем в дополнительный разряд оптического сумматора мантисс 8 с блока дополнительной единицы 9 подается столбец дополнительных единиц для округления результата) и результат поступает на оптический блок нормализации 16 для нормализации. На этот же оптический блок нормализации 16 с входных оптических регистров 1 и 2 через оптические вентили 14,15 поступает страница соответствующих порядков. При этом на входы 14-2 и 15-1 этих оптических вентилей 14,15 поступают управляющие сигналы с оптического блока анализа знаков 10, которые и обеспечивают объединение мантисс с соответствующими порядками. Полученный результат вычисления алгебраических сумм передается на выходной оптический регистр 17.

Использование изобретения позволит реализовать оптическими цифровыми методами операцию алгебраического сложения страниц операндов с плавающей точкой в различных вычислительных устройствах, увеличивая в 10-100 раз их быстродействие, надежность, компактность и точность вычислений. Такие устройства могут широко применяться в различных радиолокационных, радионавигационных и вычислительных системах как наземного, так и бортового базирования.

Литература 1. Авторское свидетельство N1276141 (СССР), кл. G 11 C 11/42, 1995 г.

Формула изобретения

Оптический цифровой сумматор с плавающей точкой, содержащий первый и второй входные и выходной оптические регистры, оптические сумматоры порядков и мантисс, оптический блок сдвига и оптический блок нормализации, отличающийся тем, что в него введены оптический блок анализа знаков, оптические вентили с первого по шестой, блок дополнительной единицы, предназначенный для подачи столбца дополнительных единиц в оптический сумматор мантисс, причем входы первого и второго входных оптических регистров являются соответственно первым и вторым входами оптического цифрового сумматора с плавающей точкой, выход порядка первого входного оптического регистра оптически связан с первым входом оптического сумматора порядков и с первым входом первого оптического вентиля, второй вход которого оптически связан с единичным выходом оптического блока анализа знаков, первым входом второго оптического вентиля и первым входом третьего оптического вентиля, второй вход которого оптически связан с первым входом четвертого оптического вентиля и выходом мантисс второго входного оптического регистра, выход порядков которого оптически связан с вторым входом оптического сумматора порядков и первым входом пятого оптического вентиля, второй вход которого оптически связан с нулевым выходом блока анализа знаков, вторым и первым входами соответственно четвертого и шестого оптических вентилей, второй вход шестого оптического вентиля оптически связан с вторым входом второго оптического вентиля и выходом мантисс первого входного оптического регистра, выходы третьего и шестого оптических вентилей объединены и подключены к информационному входу оптического блока сдвига, управляющий вход которого оптически связан с выходом порядков оптического сумматора порядков, знаковый выход которого оптически связан с входом оптического блока анализа знаков, выход оптического блока сдвига оптически связан с первым входом оптического сумматора мантисс, второй вход которого оптически связан с выходами второго и четвертого оптических вентилей, выход оптического сумматора мантисс оптически связан с входом оптического блока нормализации и с выходами первого и пятого оптических вентилей, выход оптического блока нормализации оптически связан с входом выходного оптического регистра, выход которого является выходом оптического цифрового сумматора с плавающей точкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1