三值光计算机的无进位加法器

摘要

本发明公开了一种三值光计算机的无进位加法器，它包括依次串行连接的第一、第二、第三逻辑运算部件、ARM开发板，各逻辑运算部件分别由液晶、偏振片、感光阵列组成，第一逻辑运算部件用于T运算和W运算；第二逻辑运算部件用于T’运算和W’运算；第三逻辑运算部件用于T运算，实现一次性无需进位的三值光计算机加法；ARM开发板，用于将输入操作数和感光阵列输出线的信号生成液晶控制信号，将生成的液晶控制信号送给液晶。该无进位加法器可进行成百上千位的操作数的运算，对多数据位的运算只需换多液晶点数目的液晶屏即可；该加法器一次完成加法运算，所用时间相当于以往加法器完成加法运算所用时间的三分之一，提高光计算机运行速度。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种三值光计算机的无进位加法器。

背景技术

在2010年出版的杂志《光子学报》39卷第6期第1053～1057页上“一种实现MSD加法的光学方法”和2008年出版的杂志《中国科学E辑：信息科学》第12期上“无进(借)位运算器的降值设计理论及其在三值光计算机中的应用”分别公开了MSD加法和三值光计算机的重构运算器，但是现有的三值光计算机严格意思上没有加法器，已有的重构运算器只能进行逻辑运算，进行加法操作时要根据MSD加法算法的三个步骤用重构运算器运行至少三次运算才能完成。基于MSD加法的算法和三值光计算机的重构运算器技术设计了进行一次运算完成三值光计算机的巨位操作数的加法运算的加法器。虽然该MSD加法是一种能无进位的完成加法的算法，但是该加法器没有在液晶或其它具体的物理器件上实现这种加法运算。

现有的文献“一种实现MSD加法的光学方法”中所述的MSD加法中涉及4种逻辑运算，该运算的真值表，如下表所示。

表：逻辑运算真值表

表1是T运算，W运算，T′运算和W′运算的真值表。当进行光路运算时，表中的-1对应垂直光，0对应无光，1对应水平光。对于T运算，W运算，T’运算和W’运算的输入和运算结果的取值范围是-1，0，和1。真值表中的a和b是进行逻辑运算的两个操作数中的一位，a列和b行是进行运算的一位操作数的可能取值，两个取值交叉的值是运算结果。例如T运算真值表中a列是-1，b行是-1时对应表中的值-1，表示一位操作数-1和-1进行T运算的结果是-1，也就是输入两路垂直光进行T运算的结果是垂直光。

所述的MSD加法，其具体步骤如下：

1、对输入的操作数，同时进行T和W变换，第i位的T变换结果写在第i+1位位置，第0位补0，即，t_i＝T(x_i-1，y_i-1)，w_i＝W(x_i，y_i)；

2、对t_i＝T(x_i-1，y_i-1)，w_i＝W(x_i，y_i)的运算结果分别进行T’和W’变换，第i位的T’变换结果写在第i+1位位置，第0位补0，即，t′_i＝T′(t_i-1，w_i-1)，w′_i＝W′(t_i，w_i)；

3、对t′_i＝T′(t_i-1，w_i-1)，w′_i＝W′(t_i，w_i)的运算结果进行T变换，得到其两个MSD数的和，第i位的T变换结果写在第i位，即，t_i＝T(t′_i，w′_i)。

上述“无进(借)位运算器的降值设计理论及其在三值光计算机中的应用”中所述的三值光计算机的重构运算器，每位操作数进行T′运算时，需要一个HH型的液晶点和一个VV型的液晶点。HH型液晶点表示该液晶点的前后偏振片都是水平类型的，H表示水平类型的偏振片，VV型液晶点表示该液晶点前后偏振片都是垂直类型的，V表示垂直类型的偏振片。通过液晶点的后偏振片后面的感光点可以判断每位操作数的运算结果。

设定每个感光点的输出线信号为有光或无光两种，有光用1表示，无光用0表示，该感光点前面偏振片的类型可以判断与该感光点对应的液晶点的输出结果光线的类型，如果感光点前面是V型垂直类型偏振片，并且感光点的输出线信号是1，那么该液晶点对应的输出结果是垂直光；如果感光点前面是H型垂直类型偏振片，并且感光点的输出线信号是1，那么该液晶点对应的输出结果是水平光；如果感光点的输出线信号是0，那么该液晶点对应的输出结果是无光。

如果该VV型液晶点后面对应的感光点输出线的信号是1，那么该液晶点对应的输出结果是垂直类型光线；如果该VV型液晶点后面对应的感光点输出线的信号是0，那么该液晶点对应的输出结果是无光。VV型液晶点对应的输出结果的取值范围是垂直光线和无光。

如果该HH型液晶点后面对应的感光点输出线的信号是1，那么该液晶点对应的输出结果是水平类型光线；如果该HH型液晶点后面对应的感光点输出线的信号是0，那么该液晶点对应的输出结果是无光。HH型液晶点对应的输出结果的取值范围是水平光线和无光。

对于每位操作数的T′运算结果由对应的一位HH型液晶点和一位VV型液晶点的输出结果的光线类型共同决定，如果对应的HH型液晶点的输出结果是水平光，那么该位操作数T’运算的结果对应水平光，也就是1。如果对应的VV型液晶点的输出结果是垂直光，那么该位操作数T’运算的结果对应垂直光，也就是-1。

综上所述，任何逻辑运算都可以通过若干个上述的液晶点完成。当进行加法运算时，根据MSD加法的算法，对T运算和W运算一起做，T′运算和W′运算一起做，至少运行三次重构运算器才能完成一次加法。进行一次加法操作所花费的时间是重构运算器一次运行时间的三倍，影响光计算机运行速度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种三值光计算机的无进位加法器，该加法器能一次性完成无需进位的加法运算，适用于光计算的成百上千位的操作数的运算。

本发明所采用的技术方案是：一种三值光计算机的无进位加法器，该加法器位于三值光计算机的编码器和解码器之间，它包括依次串行连接的第一逻辑运算部件、第二逻辑运算部件、第三逻辑运算部件、ARM开发板，第一逻辑运算部件由第一液晶、第一前、后偏振片、第一感光阵列组成，用于同时完成输入光路参与的T运算和W运算；第二逻辑运算部件由第二液晶、第二前、后偏振片、第二感光阵列组成，用于同时完成输入光路参与的T’运算和W’运算；第三逻辑运算部件由第三液晶、第三前、后偏振片、第三感光阵列组成，用于完成输入光路参与的T运算，实现一次性无需进位的三值光计算机加法；ARM开发板，用于将输入操作数和感光阵列输出线的信号生成液晶控制信号，将生成的液晶控制信号送给液晶，上述第一、第二、第三前、后偏振片分别贴在上述第一、第二、第三液晶的前后两侧面，上述第一、第二、第三感光阵列分别贴在上述第一、第二、第三后偏振片上，将第一、第二、第三液晶的控制信号线和第一、第二、第三的感光阵列输出线分别与ARM开发板相连接。

本发明的一种三值光计算机的无进位加法器与现有技术相比具有的优点：

该无进位加法器应用在三值光计算机实验室所用的液晶可以并行进行五百多位的操作数运算，对于更多数据位的运算只需更换更多液晶点数目的液晶屏；已有的光计算机进行加法运算时，采用三值光计算机的重构运算器，该运算器根据MSD加法算法运算至少三次才能实现的；该无进位加法器可以一次性完成加法运算，所用时间和运行一次重构运算器的时间相当，所用时间相当于以往方法所用时间的三分之一，提高光计算机运行速度。

附图说明

图1是本发明的三值光计算机的无进位加法器的运算流程图；

图2是本发明的三值光计算机的无进位加法器实现加法运算的方法中的T运算、T’运算以及第三逻辑运算部件上T运算的数据位对位图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的实施例作进一步详细的描述。

参见图1，本发明是一种三值光计算机的无进位加法器，该加法器位于三值光计算机的编码器和解码器之间，它包括依次串行连接的第一逻辑运算部件、第二逻辑运算部件、第三逻辑运算部件、ARM开发板，第一逻辑运算部件由第一液晶、第一前、后偏振片、第一感光阵列组成，用于同时完成输入光路参与的T运算和W运算；第二逻辑运算部件由第二液晶、第二前、后偏振片、第二感光阵列组成，用于上同时完成输入光路参与的T’运算和W’运算；第三逻辑运算部件由第三液晶、第三前、后偏振片、第三感光阵列组成，用于完成输入光路参与的T运算，实现一次性无需进位的三值光计算机加法；ARM开发板，用于将输入操作数和感光阵列输出线的信号生成液晶控制信号，将生成的液晶控制信号送给液晶，上述第一、第二、第三前、后偏振片分别贴在上述第一、第二、第三液晶的前后两侧面，上述第一、第二、第三感光阵列分别贴在上述第一、第二、第三后偏振片上，将第一、第二、第三液晶的控制信号线和第一、第二、第三的感光阵列输出线分别与ARM开发板相连接。

上述三值光计算机的无进位加法器实现加法运算的方法，其具体运算步骤如下：

1、输入操作数经编码器产生第一逻辑运算部件上输入光路，经ARM开发板产生第一逻辑运算部件上的T运算和W运算的液晶控制信号，第一逻辑运算部件上的液晶控制信号，对应的是T运算和W运算的真值表中操作数b；

2、上述第一逻辑运算部件在第一液晶和第一前、后偏振片上进行T运算和W运算，其运算的结果通过第一感光阵列的输出线输送给ARM开发板，ARM开发板产生第二运算部件的液晶控制信号，T运算和W运算的直接输入分别对应T运算真值表中操作数a和W运算真值表中操作数a，第二运算部件上的T’运算液晶控制信号对应的是T’运算的真值表中的操作数b，第二运算部件上的W’运算液晶控制信号对应的是W’运算的真值表中的操作数b；

3、上述第二逻辑运算部件在第二液晶和第二前、后偏振片上进行T’运算和W’运算，其运算的结果通过第二感光阵列的输出线送给ARM开发板，ARM开发板产生第三运算部件的液晶控制信号。T’运算和W’运算的直接输入分别为第一逻辑运算部件上T运算和W运算的运算结果，分别对应T’运算真值表中操作数a和W’运算真值表中操作数a。第三运算部件上的T运算液晶控制信号对应的是T运算的真值表中的操作数b；

4、上述第三运算部件在第三液晶和第三前、后偏振片上进行T运算。T运算的直接输入为第二逻辑运算部件上T’运算的的运算结果，对应T运算真值表中的操作数a。对第三逻辑运算部件上进行T运算的运算结果进行解码后就是加法运算的结果。

上述三值光计算机的无进位加法器实现加法运算的方法所述的的真值表如下：

逻辑运算真值表

表是T运算，W运算，T′运算和W′运算的真值表。当进行光路运算时，表中的-1对应垂直光，0对应无光，1对应水平光。对于T运算，W运算，T’运算和W’运算的输入和运算结果的取值范围是-1，0，和1.真值表中的a和b是进行逻辑运算的两个操作数中的一位，a列和b行是进行运算的一位操作数的可能取值，两个取值交叉的值是运算结果。例如T运算真值表中a列是-1，b行是-1时对应表中的值-1，表示一位操作数-1和-1进行T运算的结果是-1，也就是输入两路垂直光进行T运算的结果是垂直光。

第一、第二、第三逻辑运算部件上的逻辑运算所需要液晶类型和个数如下：

第一逻辑运算部件上的T运算的一位操作数需要一个VV型和一个HH型的液晶，W运算的一位操作数需要一位VH型和一个HV型的液晶，第二逻辑运算部件上的T’运算需要一个HH型和一个VV型液晶，W’运算需要一个HH型和一个VV型液晶，第三逻辑运算部件上的T运算需要一个HH型和一个VV型的液晶。HV型液晶点是液晶点的前面贴水平类型偏振片，后面贴垂直类型偏振片；VH型液晶点是液晶点的前面贴垂直类型偏振片，后面贴水平类型的偏振片。

第二逻辑运算部件上的W’运算。输入光路a是第一逻辑运算部件上W逻辑运算的运算结果。由W’运算的真值表可以看出：有输入a为0，b为1，W’逻辑运算的运算结果为1和输入a为0，b为-1，W’逻辑运算的运算结果是-1的情况。为第二逻辑运算器件上的W’运算的每一位操作数分别搭建另一路水平光的补偿光路和另一路垂直光的补偿光路，当ARM开发板上的程序发现其输入a为无光运算结果应为水平光也就是1时，就启动上述水平补偿光路；如果发现其输入a为无光，运算结果应为垂直光，也就是-1时，就启动上述的垂直补偿光路。

第三逻辑运算部件上的T运算。输入光路a是第二逻辑运算部件上T’逻辑运算的运算结果。由表1中T运算的真值表可以看出有输入a为0，b为1，T逻辑运算的运算结果为1和输入a为0，b为-1，T逻辑运算的运算结果是-1的情况。为第三逻辑运算器件上的T运算的每一位操作数分别搭建另一路水平光的补偿光路和另一路垂直光的补偿光路，当ARM开发板上的程序发现其输入a为无光运算结果应为水平光也就是1时，就启动上述水平补偿光路；如果发现其输入a为无光，运算结果应为垂直光也就是-1时，启动上述的垂直补偿光路。

从上面的加法运算中看出，第一逻辑运算部件上的T运算第n-1位操作数的运算结果要放到T运算结果的第n位的位置上，第二逻辑运算部件上T’运算的第n-1位操作数的运算结果要放到T运算结果的第n位的位置上，这样就出现了各逻辑运算部件间的数据位之间的对位问题。

如图2所示，a*行对应参加加法运算的操作数a左移两位后，后面补两个0的结果，标有a1的位置所放的数是实际对应原来操作数a的右边第一位的最低位。T行对应第一逻辑运算部件上的运算结果的数据位，T’行对应第二逻辑运算部件上的运算结果的数据位，最下面的T行对应第三逻辑运算部件上T运算的运算结果的数据位。ti表示T逻辑运算的第i位，T’i表示T’逻辑运算的第i位。

图2从右边数第三列也就是物理位置为3的位置，T运算的直接输入是a1也就是参与加法运算的操作数a的最低位，控制信号是由参与加法运算的操作数b的最低位产生，它的输出是t2也就是T运算结果的第2位，T运算操作数第一位a1的运算结果放在T运算结果的第二位t2上也就是实现t_i＝T(x_i-1，y_i-1)。对于T’运算，直接输入为T运算的结果t2，控制信号由W运算的结果的第2位产生，运算结果为T’3也就是T’运算结果的第3位，也就是实现t′_i＝T′(t_i-1，w_i-1)。第三逻辑运算部件上的T运算，它的直接输入是T’3，控制信号由图4中W’3产生，输出结果为t3，实现t_i＝T(t′_i，w′_i)。