李 梅

(西安工業(yè)大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安 710021)

三值光學計算機實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李 梅

(西安工業(yè)大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安 710021)

三值光學計算機的研究過程中發(fā)現(xiàn)了多值邏輯運算器的降值設計理論。在降值設計理論的指導下設計完成了以包括編碼器、運算器和解碼器的三值光學邏輯處理器為核心運算部件的三值光學計算機實驗系統(tǒng)。圍繞著該處理器設計完成了實驗系統(tǒng)的總體結構，主要包含電控制部分和光運算部分。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，是驗證三值光學計算機基本原理、總體結構的重要平臺。該系統(tǒng)的研制成功驗證了三值邏輯光計算機原理和降值設計理論的正確性。

三值光學計算機；實驗系統(tǒng)；可重構；三值邏輯

0 引 言

三值光學計算機的研究已經(jīng)進行多年，取得了一系列研究成果[1-6]，主要有：奠定了三值光計算機的基本理論、原理以及以光電混合結構為主體的基礎架構；初步構建了三值光計算機理論體系；搭建了三值光計算機的總體結構；發(fā)現(xiàn)多值邏輯運算器的降值設計規(guī)律，在該規(guī)律下進一步提煉出降值設計理論，并在該理論的指導下設計完成了以三值光學邏輯處理器為主要運算部件的光學結構,等等[7-12]。

文中正是在已完成的三值邏輯光學處理器的基礎上成功實現(xiàn)三值光學計算機實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)是驗證三值光學計算機基本原理、總體結構的重要平臺，對于三值光學計算機樣機的研制、三值光學計算機的應用研究以及證實和完善三值光計算機理論起著至關重要的作用。

1 降值設計理論簡介

降值設計理論[13]是三值光計算機重要的基礎理論之一，推動著三值光計算機的研究進入一個嶄新的階段。

降值設計規(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)個運算基元中不超過n×(n-1)個運算基元就可以構造出任一個N值邏輯運算器(共有nn×n個)。

從降值設計規(guī)律中抽取出降值設計理論，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值邏輯運算器中的任一個都可以按照規(guī)范的降值構造步驟，組合n×n×(n-1)個運算基元中的幾個而成。

2 可重構型三值邏輯光學處理器

可重構型三值邏輯光學處理器是該系統(tǒng)的核心部件，基于降值設計理論設計而成，主要包括三個部件：編碼器、重構運算器、解碼器?？梢杂眠@種非常簡單的結構實現(xiàn)任意復雜的二元三值邏輯運算，具有可重構性，同一個器件在不同控制信號的控制下，可以重構成不同的邏輯運算器，只需要18(3×3×2)個運算基元就能實現(xiàn)19 683(3(3×3))個二元三值邏輯運算器。

2.1 編碼器

三值邏輯光學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：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，用以表示“0”。

圖1 三值邏輯光處理器的結構示意圖

(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 運算器

運算器是三值邏輯光學處理器的關鍵部件，它由眾多光學運算基元構成，這些基元共有18(3×3×(3-1))種。下面以18種光學運算基元中的某一種為例，說明其硬件結構。

該運算基元的物理狀態(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 某光學運算基元的物理狀態(tài)遷移表

圖2所示為表1中某運算基元的光學硬件結構。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 某處理基元的光學硬件結構

這個光學運算基元的工作原理為：h2、v1和Lc構成了一路光閥，當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，于是光閥關閉，此時無論b是什么狀態(tài)，輸出端c處均為無光態(tài)；當a是水平線偏振光時，水平線偏振光能透過h1到達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后到達輸出端c，即c為垂直線偏振光，而當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種光學運算基元均可以用類似的硬件結構實現(xiàn)，在此就不一一贅述。

總結運算器的18種運算基元的光路結構，它們具有相似的結構—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構的運算器結構如圖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 運算器的結構

根據(jù)降值設計理論，最多用6(3×(3-1))個運算基元就可實現(xiàn)所需的一位三值邏輯運算器。該運算器結構具有重構特性，即運算器在完成某邏輯運算后可拆解成基元，重新構造其他的邏輯運算器。通過重構，三值邏輯光學處理器能夠?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)的相應位置通過判斷有無光而非光強大小，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

在三值光學計算機實驗系統(tǒng)中，三值邏輯光學處理器的編碼器和運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)總體結構的設計

三值邏輯光計算機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,進而實現(xiàn)電控制、光傳輸、光運算。該系統(tǒng)配置了簡單的輸入設備和控制界面，能完成全部的19 683種二元三值邏輯運算，圖5是該系統(tǒng)的總體結構圖。

圖4 光學處理器的實物圖

圖5 系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)的工作流程為：用戶將包含運算類型和運算數(shù)據(jù)的運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)變成運算器重構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目刂菩盘?，根?jù)本次運算重構指令將運算器重構成具體的某種邏輯運算器。嵌入式系統(tǒng)將運算數(shù)據(jù)提交給編碼器，編碼器調(diào)制出相應的三值光的狀態(tài)并將其作為重構型運算器的光輸入，經(jīng)重構型運算器的運算后，運算結果以三值光狀態(tài)的形式提交給解碼器，解碼器實現(xiàn)運算結果的解碼并將解碼結果經(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)在結構上可以分為兩大部分：電控制部分和光運算部分。光運算部分已經(jīng)詳細說明，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)是光計算機的控制中樞和輸入輸出接口，以通用的電子計算機為平臺，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算，并輸入相應的運算數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)用戶的運算類型和數(shù)據(jù)，生成相應的控制信息和重構指令，并將這些信息傳送給嵌入式系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)運行界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)運行界面

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指令控制編碼器、運算器以及解碼器的工作，并將運算器得到的運算結果傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結束語

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

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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、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