三值光學(xué)計算機(jī)實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李 梅

(西安工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

三值光學(xué)計算機(jī)實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李 梅

(西安工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

三值光學(xué)計算機(jī)的研究過程中發(fā)現(xiàn)了多值邏輯運(yùn)算器的降值設(shè)計理論。在降值設(shè)計理論的指導(dǎo)下設(shè)計完成了以包括編碼器、運(yùn)算器和解碼器的三值光學(xué)邏輯處理器為核心運(yùn)算部件的三值光學(xué)計算機(jī)實驗系統(tǒng)。圍繞著該處理器設(shè)計完成了實驗系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，主要包含電控制部分和光運(yùn)算部分。該實驗系統(tǒng)充分利用光的空間巨并行性，擁有很大的數(shù)據(jù)寬度，是驗證三值光學(xué)計算機(jī)基本原理、總體結(jié)構(gòu)的重要平臺。該系統(tǒng)的研制成功驗證了三值邏輯光計算機(jī)原理和降值設(shè)計理論的正確性。

三值光學(xué)計算機(jī)；實驗系統(tǒng)；可重構(gòu)；三值邏輯

0 引 言

三值光學(xué)計算機(jī)的研究已經(jīng)進(jìn)行多年，取得了一系列研究成果[1-6]，主要有：奠定了三值光計算機(jī)的基本理論、原理以及以光電混合結(jié)構(gòu)為主體的基礎(chǔ)架構(gòu)；初步構(gòu)建了三值光計算機(jī)理論體系；搭建了三值光計算機(jī)的總體結(jié)構(gòu)；發(fā)現(xiàn)多值邏輯運(yùn)算器的降值設(shè)計規(guī)律，在該規(guī)律下進(jìn)一步提煉出降值設(shè)計理論，并在該理論的指導(dǎo)下設(shè)計完成了以三值光學(xué)邏輯處理器為主要運(yùn)算部件的光學(xué)結(jié)構(gòu),等等[7-12]。

文中正是在已完成的三值邏輯光學(xué)處理器的基礎(chǔ)上成功實現(xiàn)三值光學(xué)計算機(jī)實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)是驗證三值光學(xué)計算機(jī)基本原理、總體結(jié)構(gòu)的重要平臺，對于三值光學(xué)計算機(jī)樣機(jī)的研制、三值光學(xué)計算機(jī)的應(yīng)用研究以及證實和完善三值光計算機(jī)理論起著至關(guān)重要的作用。

1 降值設(shè)計理論簡介

降值設(shè)計理論[13]是三值光計算機(jī)重要的基礎(chǔ)理論之一，推動著三值光計算機(jī)的研究進(jìn)入一個嶄新的階段。

降值設(shè)計規(guī)律可以表述為：在選擇用來表示N值信息的N個物理狀態(tài)中，如果包含一個特殊的物理狀態(tài)—D狀態(tài)，則迭合n×n×(n-1)個運(yùn)算基元中不超過n×(n-1)個運(yùn)算基元就可以構(gòu)造出任一個N值邏輯運(yùn)算器(共有nn×n個)。

從降值設(shè)計規(guī)律中抽取出降值設(shè)計理論，該理論的核心內(nèi)容為：“D”是一個特殊物理狀態(tài)，它與任何其他狀態(tài)A相遇后結(jié)果仍是狀態(tài)A；如果用來表示信息的物理狀態(tài)中包含一個狀態(tài)“D”，則nn×n個n值邏輯運(yùn)算器中的任一個都可以按照規(guī)范的降值構(gòu)造步驟，組合n×n×(n-1)個運(yùn)算基元中的幾個而成。

2 可重構(gòu)型三值邏輯光學(xué)處理器

可重構(gòu)型三值邏輯光學(xué)處理器是該系統(tǒng)的核心部件，基于降值設(shè)計理論設(shè)計而成，主要包括三個部件：編碼器、重構(gòu)運(yùn)算器、解碼器。可以用這種非常簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)任意復(fù)雜的二元三值邏輯運(yùn)算，具有可重構(gòu)性，同一個器件在不同控制信號的控制下，可以重構(gòu)成不同的邏輯運(yùn)算器，只需要18(3×3×2)個運(yùn)算基元就能實現(xiàn)19 683(3(3×3))個二元三值邏輯運(yùn)算器。

2.1 編碼器

三值邏輯光學(xué)處理器的編碼器能夠調(diào)制出表示三值數(shù)據(jù)信息的三態(tài)光信號，工作原理如下：

(1)無光強(qiáng)：如圖1所示，光源(背光板)發(fā)出的自然光穿過垂直偏振片得到垂直偏振光。在液晶陣列Ⅰ加控制信號使其旋光，則垂直偏振光穿過液晶陣列Ⅰ之后轉(zhuǎn)變?yōu)樗狡窆?，水平偏振光受其偏振性局限無法穿過垂直偏振片。因此無光透出，即為0光強(qiáng)，用以表示“0”。

圖1 三值邏輯光處理器的結(jié)構(gòu)示意圖

(2)垂直光狀態(tài)：光源(背光板)發(fā)出的自然光穿過垂直偏振片得到垂直偏振光。在液晶陣列Ⅰ上加控制信號使其不旋光，則垂直偏振光穿過液晶陣列Ⅰ仍舊保持垂直偏振方向不變，透過其后的垂直偏振片；液晶陣列Ⅱ不旋光，則透過液晶陣列Ⅱ的垂直偏振光繼續(xù)保持垂直偏振方向，因此有垂直偏振光輸出，用以表示“1”。

(3)水平光狀態(tài)：光源(背光板)發(fā)出的自然光穿過垂直偏振片得到垂直偏振光。液晶陣列Ⅰ不旋光，透過液晶陣列Ⅰ的垂直偏振光保持偏振方向不變，透過其后的垂直偏振片；液晶陣列Ⅱ旋光，則透過它的垂直偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)樗狡穹较?，因此有水平偏振光輸出，用以表示“u”即第三值。

編碼器的液晶陣列共分為八個頁面，數(shù)據(jù)按行與列的坐標(biāo)輸入液晶緩存中，按照數(shù)據(jù)字節(jié)中的低位在上、高位在下的方式顯示。

2.2 運(yùn)算器

運(yùn)算器是三值邏輯光學(xué)處理器的關(guān)鍵部件，它由眾多光學(xué)運(yùn)算基元構(gòu)成，這些基元共有18(3×3×(3-1))種。下面以18種光學(xué)運(yùn)算基元中的某一種為例，說明其硬件結(jié)構(gòu)。

該運(yùn)算基元的物理狀態(tài)遷移表見表1。其中，V表示垂直線偏振光，H表示水平線偏振光，W表示無光態(tài)。

表1 某光學(xué)運(yùn)算基元的物理狀態(tài)遷移表

圖2所示為表1中某運(yùn)算基元的光學(xué)硬件結(jié)構(gòu)。其中，a和b是光信號輸入端，c是光信號輸出端；h1和h2是水平偏振片，水平偏振片的特性是僅允許水平偏振光通過，拒絕垂直偏振光通過；v1是垂直偏振片，垂直偏振片的特性是僅允許垂直偏振光通過，拒絕水平偏振光通過；Lc為光控液晶單元，虛線指的是它的光學(xué)控制端，通過Lc的光控端，Lc能控制穿過它的光束偏振方向旋轉(zhuǎn)90°或者保持不變。

圖2 某處理基元的光學(xué)硬件結(jié)構(gòu)

這個光學(xué)運(yùn)算基元的工作原理為：h2、v1和Lc構(gòu)成了一路光閥，當(dāng)a是無光態(tài)或垂直線偏振光時，由于水平偏振片h1的作用，Lc的光控端無光，于是光閥關(guān)閉，此時無論b是什么狀態(tài)，輸出端c處均為無光態(tài)；當(dāng)a是水平線偏振光時，水平線偏振光能透過h1到達(dá)Lc的光控端，即光閥打開，此時，如果b是水平線偏振光，則它透過h2，再經(jīng)Lc的旋光后成為了垂直線偏振光，之后透過v1后到達(dá)輸出端c，即c為垂直線偏振光，而當(dāng)b是無光態(tài)或垂直線偏振光時，由于水平偏振片h2的作用，輸出端c處均為無光態(tài)。

其他17種光學(xué)運(yùn)算基元均可以用類似的硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，在此就不一一贅述。

總結(jié)運(yùn)算器的18種運(yùn)算基元的光路結(jié)構(gòu)，它們具有相似的結(jié)構(gòu)—兩個偏振片夾一個液晶像素。其差別在于偏振片的偏振方向和液晶的靜態(tài)旋光性。基于處理基元光路結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)液晶陣列左右所貼偏振片的偏振方向的不同，劃分為四個相等的區(qū)域：即V-V區(qū)、V-H區(qū)、H-H區(qū)和H-V區(qū)。

圖3 運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)降值設(shè)計理論，最多用6(3×(3-1))個運(yùn)算基元就可實現(xiàn)所需的一位三值邏輯運(yùn)算器。該運(yùn)算器結(jié)構(gòu)具有重構(gòu)特性，即運(yùn)算器在完成某邏輯運(yùn)算后可拆解成基元，重新構(gòu)造其他的邏輯運(yùn)算器。通過重構(gòu)，三值邏輯光學(xué)處理器能夠?qū)崿F(xiàn)所有的19 683種二元三值邏輯函數(shù)。

2.3 解碼器

三值邏輯光學(xué)處理器的解碼器能夠讀出每一條信號光線攜帶的信息，根據(jù)在V-V區(qū)、V-H區(qū)、H-H區(qū)和H-V區(qū)的相應(yīng)位置通過判斷有無光而非光強(qiáng)大小，即可精確解碼，將光信號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電子信號數(shù)據(jù)輸出顯示。

3 器件選型

在三值光學(xué)計算機(jī)實驗系統(tǒng)中，三值邏輯光學(xué)處理器的編碼器和運(yùn)算器的液晶陣列使用型號為YMSG-G12864P-12DYSWSN的電控液晶陣列。該液晶陣列尺寸是38.0 mm(寬)×65.5 mm(長)×2.2 mm(厚)，能耗為0.3 mW，共有8 192(64×128)個像素；光源選擇能耗為240 mW的背光板。處理器的實物圖如圖4所示，幾何尺寸為：45 mm(寬)×78 mm(長)×9 mm(厚)，面積小于一張普通名片。

4 實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

三值邏輯光計算機(jī)利用兩個偏振方向正交的線偏振光和無光態(tài)來表示三值信息，利用液晶的旋光特性來實現(xiàn)這三個光狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換。由于目前沒有成熟的光控光液晶產(chǎn)品，所以實驗采用了電控液晶顯示器，通過對應(yīng)液晶像素上電控制信號的不同組合，調(diào)制出三值光信號，并完成光狀態(tài)轉(zhuǎn)換,進(jìn)而實現(xiàn)電控制、光傳輸、光運(yùn)算。該系統(tǒng)配置了簡單的輸入設(shè)備和控制界面，能完成全部的19 683種二元三值邏輯運(yùn)算，圖5是該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。

圖4 光學(xué)處理器的實物圖

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作流程為：用戶將包含運(yùn)算類型和運(yùn)算數(shù)據(jù)的運(yùn)算請求通過輸入輸出系統(tǒng)提交給監(jiān)控系統(tǒng)；監(jiān)控系統(tǒng)將這些信息轉(zhuǎn)變成運(yùn)算器重構(gòu)指令以及控制信息并送入嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)把控制信息轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的控制信號，根據(jù)本次運(yùn)算重構(gòu)指令將運(yùn)算器重構(gòu)成具體的某種邏輯運(yùn)算器。嵌入式系統(tǒng)將運(yùn)算數(shù)據(jù)提交給編碼器，編碼器調(diào)制出相應(yīng)的三值光的狀態(tài)并將其作為重構(gòu)型運(yùn)算器的光輸入，經(jīng)重構(gòu)型運(yùn)算器的運(yùn)算后，運(yùn)算結(jié)果以三值光狀態(tài)的形式提交給解碼器，解碼器實現(xiàn)運(yùn)算結(jié)果的解碼并將解碼結(jié)果經(jīng)嵌入式系統(tǒng)提交給監(jiān)控系統(tǒng)，由監(jiān)控系統(tǒng)再返回給用戶。

整個系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可以分為兩大部分：電控制部分和光運(yùn)算部分。光運(yùn)算部分已經(jīng)詳細(xì)說明，電控制部分包含兩個系統(tǒng)：監(jiān)控系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)是光計算機(jī)的控制中樞和輸入輸出接口，以通用的電子計算機(jī)為平臺，用Visual C++和匯編語言開發(fā)完成。用戶通過輸入輸出界面選擇所需要的三值運(yùn)算，并輸入相應(yīng)的運(yùn)算數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)用戶的運(yùn)算類型和數(shù)據(jù)，生成相應(yīng)的控制信息和重構(gòu)指令，并將這些信息傳送給嵌入式系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行界面

嵌入式系統(tǒng)控制液晶以及解碼器，以ARM7嵌入式開發(fā)板為平臺，用C語言和匯編語言開發(fā)。它根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)傳送過來的控制信息和重構(gòu)指令控制編碼器、運(yùn)算器以及解碼器的工作，并將運(yùn)算器得到的運(yùn)算結(jié)果傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

文中在降值設(shè)計理論的指導(dǎo)下設(shè)計了三值光計算機(jī)實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅證明了三值邏輯光計算機(jī)原理以及降值設(shè)計理論的正確性，更為下一步實用型三值光計算機(jī)的研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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Design and Realization of Ternary Logic Optical Computer Lab System

LI Mei

(College of Computer Science & Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Decrease-radix design theory is found during the research work of Ternary Optical Computer.Its experimental system with the core component of ternary optical logical processor which includes coder,calculator and decoder is completed under the guidance of decrease-radix design theory.The integral framework of the experimental system has been completed around the special processor,which has both electrically controlling part and optically computing part.This system utilizes the space parallelism feature of light and therefore has a very large bandwidth.It is an important platform to verify Ternary Optical Computer’s basic principle and the integral framework.The success of putting it into realities verifies the correctness of its principle and decrease-radix design theory.

Ternary Optical Computer;lab system;reconfiguration;ternary logic

2016-01-11

2016-04-14

時間：2016-09-19

陜西省教育專項科研計劃項目(16JK1383)

李 梅(1977-),女,博士,講師,研究方向為三值光計算機(jī)、光處理器、人工智能。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160919.0842.058.html

TP301

A

1673-629X(2016)10-0192-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.10.042