8.3. Оптическая двоичная логика и архитектура МКМД

Методы оптической параллельной обработки, используемые для выполнения двоичных логических операций, являются ключевыми элементами развивающихся оптических компьютеров. Было предпринято много попыток достигнуть увеличенной пропускной способности двоичной цифровой логики путем использования принципа параллельной обработки, реализуемого оптическими методами.

Авторы [14, 15] описали параллельный оптический логический матричный процессор, построенный на теневой системе и светодиодах. Все 16 логических функций для двух двоичных переменных осуществляются параллельно путем изменения засветки, создаваемой с помощью светодиодов. В работах [36, 37] был предложен оптический логический процессор, работающий на принципе пространственной фильтрации. В двух

Рис. 8.7. Потоки команд и потоки данных в архитектурах обработки информации.

Рис. 8.8. Принципы кодирования в квадратной ячейке.

вышеуказанных методах два входных двоичных изображения накладываются друг на друга; результат высвечивается светодиодами или выделяется пространственной фильтрацией. Основная черта обоих методов состоит в том, что одна логическая функция воздействует параллельно на все элементы входного сигнала. Это означает, что описанные выше методы относят к методу ОКМД.

Здесь описывается другой тип оптической двоичной логики, в котором логические операции в различных точках пространства могут выполняться параллельно [38]. Это обеспечивает оптическую реализацию архитектуры МКМД.

Как в теневом методе, так и в методе пространственной фильтрации, двоичное входное изображение пространственно закодировано. Данные двоичного входного изображения А и В разделяют на квадратных ячеек. Чтобы реализовать

Рис. 8.9. Черно-белое кодирование двух входных изображений: а — два входных изображения А и В; б — их закодированные двоичные образцы А и В.

состояние логических 1 и 0, каждую квадратную ячейчу делят на две подъячейки. Принципы кодирования квадратных ячеек показаны на рис. 8.8. Ячейки одного из входных двоичных изображений, обозначенные А, кодируются в горизонтальном направлении, в то время как ячейки другого входного двоичного образца, обозначенные В, кодируются в вертикальном направлении.

Существует много методов кодирования подъячеек, использующих коэффициенты пропускания, поляризацию и рассеяние. Когда применяют методы кодирования черное — белое или прозрачное — непрозрачное, входная ячейка разделяется на изображения, составленные из черно-белых прямоугольников. Каждая ячейка входного изображения А разделена по горизонтали на два прямоугольника, которые закодированы черным цветом (непрозрачный) или белым (прозрачный) в соответствии со своим значением. Другими словами, если ячейка соответствует логической единице, верхняя подъячейка является черной, или непрозрачной, а нижняя подъячейка — белой, или прозрачной. Другое входное изображение В кодируется аналогичным образом, но оно разделено на вертикальные прямоугольники. На рис. 8.9 приведены примеры входных изображений, состоящих из квадратных ячеек, и их закодированные двоичные образцы А и В. Два пространственно закодированных двоичных образца наложены друг на друга, в результате чего получен закодированный логический образ, показанный на рис. 8.10.

Для того чтобы реализовать двоичную логику, используют особую декодирующую маску, ячейки которой разделены на четыре подъячейки. Расположение ячеек в декодирующей маске выбирается таким же, как у входных изображений. Структуры ячеек декодирующей маски, выполняющие 16 логических функций двух двоичных переменных, показаны на рис. 8.11. Декодирующие ячейки размещаются таким образом, что необходимые логические операции могут быть выполнены в необходимых местах входного изображения. Закодированные логические образы наблюдают через декодирующую маску. Пример декодирующей маски показан на рис. 8.12. В верхней правой части выходного образа осуществляется логическая операция А ИЛИ В, в то время как логическое А осуществляется в нижней левой части. Так как входные изображения на рис. 8.9 имеют квадратных ячеек, их декодирующая маска состоит из подъячеек.

На рис. 8.13, а показан результат осуществления логических операций, выполняемых путем наложения закодированного логического изображения, показанного на рис. 8.10, и декодирующего изображения, показанного на рис. 8.12. Если один из выходных сигналов подъячеек в каждой ячейке является белым (или прозрачным) прямоугольником, тогда выходной сигнал

Рис. 8.10. Результат наложения двух закодированных входных изображений.

Рис. 8.11. Структура ячеек декодирующих масок для 16-ти логических функций.

ячейки есть логическая 1. Другими словами, выходной сигнал ячейки описывается функцией логическое ИЛИ, реализуемой для выходных сигналов с подъячеек. Для сравнения восстановленное изображение для той же самой логической операции, для тех же самых входных изображений, приведено на рис. 8.13, б.

Выше была описана методика выполнения оптических логических операций, основанная на пространственном кодировании и суперпозиции декодирующей маски с закодированными входными изображениями. С ее помощью могут быть реализованы шестнадцать логических функций двух переменных. В представленном

Рис. 8.12. Пример декодирующей маски. Логическая операция А ИЛИ В осуществляется в верхней правой части, логическое А осуществляется в нижней левой часта,

Рис. 8.13. Результат логических операций, выполняемых с помощью декодирующей маски на рис. 8.12: а — результат наложения декодирующей маски на рис. 8.12 и закодированное входное изображение АВ на рис. 8.10; б - восстановленный вариант изображения той же маски.

методе различные логические операции выполняются параллельно. Следует заметить, что в [12] обсуждалась система оптической последовательно реализуемой логики на основе оптической матрицы вентилей ИЛИ-HE, а в [19] был предложен ряд оптических логических схем, включающих в себя вентили ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и И. Однако достоинством описанной выше системы является то, что могут быть использованы самые различные логические вентили. Это уникальная особенность характерна для МКМД-архитектуры обработки информации. Данная архитектура предполагает, что представленный метод позволяет уменьшать необходимое число оптических вентилей и расширяет возможности конструирования оптических вычислительных систем. Данный тип двоичной оптической логики мог бы быть использован в оптических компьютерах общего назначения, включая оптические компьютеры с клеточной логикой.