三值光学计算机中多值逻辑运算器的降值设计理论

三值光学计算机中多值逻辑运算器的降值设计理论

0值光学计算机实验系统的实现三值光学计算机已经使用了多年，取得了一些研究成果。文中正是在已完成的三值逻辑光学处理器的基础上成功实现三值光学计算机实验系统。该系统是验证三值光学计算机基本原理、总体结构的重要平台,对于三值光学计算机样机的研制、三值光学计算机的应用研究以及证实和完善三值光计算机理论起着至关重要的作用。1状态—降值设计理论简介降值设计理论降值设计规律可以表述为:在选择用来表示N值信息的N个物理状态中,如果包含一个特殊的物理状态—D状态,则迭合n×n×(n-1)个运算基元中不超过n×(n-1)个运算基元就可以构造出任一个N值逻辑运算器(共有n从降值设计规律中抽取出降值设计理论,该理论的核心内容为:“D”是一个特殊物理状态,它与任何其他状态A相遇后结果仍是状态A;如果用来表示信息的物理状态中包含一个状态“D”,则n2长6部件主要影响到重构运算器、解码器可重构型三值逻辑光学处理器是该系统的核心部件,基于降值设计理论设计而成,主要包括三个部件:编码器、重构运算器、解码器。可以用这种非常简单的结构实现任意复杂的二元三值逻辑运算,具有可重构性,同一个器件在不同控制信号的控制下,可以重构成不同的逻辑运算器,只需要18(3×3×2)个运算基元就能实现19683(32.1偏振光的“0”与“垂直、水平光”的区分三值逻辑光学处理器的编码器能够调制出表示三值数据信息的三态光信号,工作原理如下:(1)无光强:如图1所示,光源(背光板)发出的自然光穿过垂直偏振片得到垂直偏振光。在液晶阵列Ⅰ加控制信号使其旋光,则垂直偏振光穿过液晶阵列Ⅰ之后转变为水平偏振光,水平偏振光受其偏振性局限无法穿过垂直偏振片。因此无光透出,即为0光强,用以表示“0”。(2)垂直光状态:光源(背光板)发出的自然光穿过垂直偏振片得到垂直偏振光。在液晶阵列Ⅰ上加控制信号使其不旋光,则垂直偏振光穿过液晶阵列Ⅰ仍旧保持垂直偏振方向不变,透过其后的垂直偏振片;液晶阵列Ⅱ不旋光,则透过液晶阵列Ⅱ的垂直偏振光继续保持垂直偏振方向,因此有垂直偏振光输出,用以表示“1”。(3)水平光状态:光源(背光板)发出的自然光穿过垂直偏振片得到垂直偏振光。液晶阵列Ⅰ不旋光,透过液晶阵列Ⅰ的垂直偏振光保持偏振方向不变,透过其后的垂直偏振片;液晶阵列Ⅱ旋光,则透过它的垂直偏振光转变为水平偏振方向,因此有水平偏振光输出,用以表示“u”即第三值。编码器的液晶阵列共分为八个页面,数据按行与列的坐标输入液晶缓存中,按照数据字节中的低位在上、高位在下的方式显示。2.2光路结构分析运算器是三值逻辑光学处理器的关键部件,它由众多光学运算基元构成,这些基元共有18(3×3×(3-1))种。下面以18种光学运算基元中的某一种为例,说明其硬件结构。该运算基元的物理状态迁移表见表1。其中,V表示垂直线偏振光,H表示水平线偏振光,W表示无光态。图2所示为表1中某运算基元的光学硬件结构。其中,a和b是光信号输入端,c是光信号输出端;h这个光学运算基元的工作原理为:h其他17种光学运算基元均可以用类似的硬件结构实现,在此就不一一赘述。总结运算器的18种运算基元的光路结构,它们具有相似的结构—两个偏振片夹一个液晶像素。其差别在于偏振片的偏振方向和液晶的静态旋光性。基于处理基元光路结构的运算器结构如图3所示。根据液晶阵列左右所贴偏振片的偏振方向的不同,划分为四个相等的区域:即V-V区、V-H区、H-H区和H-V区。根据降值设计理论,最多用6(3×(3-1))个运算基元就可实现所需的一位三值逻辑运算器。该运算器结构具有重构特性,即运算器在完成某逻辑运算后可拆解成基元,重新构造其他的逻辑运算器。通过重构,三值逻辑光学处理器能够实现所有的19683种二元三值逻辑函数。2.3电子信号输出三值逻辑光学处理器的解码器能够读出每一条信号光线携带的信息,根据在V-V区、V-H区、H-H区和H-V区的相应位置通过判断有无光而非光强大小,即可精确解码,将光信号数据转换成电子信号数据输出显示。3电控海水淡化系统在三值光学计算机实验系统中,三值逻辑光学处理器的编码器和运算器的液晶阵列使用型号为YMSG-G12864P-12DYSWSN的电控液晶阵列。该液晶阵列尺寸是38.0mm(宽)×65.5mm(长)×2.2mm(厚),能耗为0.3mW,共有8192(64×128)个像素;光源选择能耗为240mW的背光板。处理器的实物图如图4所示,几何尺寸为:45mm(宽)×78mm(长)×9mm(厚),面积小于一张普通名片。4系统总体结构的确定三值逻辑光计算机利用两个偏振方向正交的线偏振光和无光态来表示三值信息,利用液晶的旋光特性来实现这三个光状态的相互转换。由于目前没有成熟的光控光液晶产品,所以实验采用了电控液晶显示器,通过对应液晶像素上电控制信号的不同组合,调制出三值光信号,并完成光状态转换,进而实现电控制、光传输、光运算。该系统配置了简单的输入设备和控制界面,能完成全部的19683种二元三值逻辑运算,图5是该系统的总体结构图。系统的工作流程为:用户将包含运算类型和运算数据的运算请求通过输入输出系统提交给监控系统;监控系统将这些信息转变成运算器重构指令以及控制信息并送入嵌入式系统。嵌入式系统把控制信息转变为对应的控制信号,根据本次运算重构指令将运算器重构成具体的某种逻辑运算器。嵌入式系统将运算数据提交给编码器,编码器调制出相应的三值光的状态并将其作为重构型运算器的光输入,经重构型运算器的运算后,运算结果以三值光状态的形式提交给解码器,解码器实现运算结果的解码并将解码结果经嵌入式系统提交给监控系统,由监控系统再返回给用户。整个系统在结构上可以分为两大部分:电控制部分和光运算部分。光运算部分已经详细说明,电控制部分包含两个系统:监控系统和嵌入式系统。监控系统是光计算机的控制中枢和输入输出接口,以通用的电子计算机为平台,用VisualC++和汇编语言开发完成。用户通过输入输出界面选择所需要的三值运算,并输入相应的运算数据。监控系统根据用户的运算类型和数据,生成相应的控制信息和重构指令,并将这些信息传送给嵌入式系统。监控系统运行界面如图6所示。嵌入式系统控制液晶以及解码器,以ARM7嵌入式开发板为平台,用C语言和汇编语言开发。它根据监控系统传送过来的控制信息和