三值光学计算机实验系统的设计与实现

李 梅

(西安工业大学 计算机科学与工程学院，陕西 西安 710021)

三值光学计算机实验系统的设计与实现

李 梅

(西安工业大学 计算机科学与工程学院，陕西 西安 710021)

三值光学计算机的研究过程中发现了多值逻辑运算器的降值设计理论。在降值设计理论的指导下设计完成了以包括编码器、运算器和解码器的三值光学逻辑处理器为核心运算部件的三值光学计算机实验系统。围绕着该处理器设计完成了实验系统的总体结构，主要包含电控制部分和光运算部分。该实验系统充分利用光的空间巨并行性，拥有很大的数据宽度，是验证三值光学计算机基本原理、总体结构的重要平台。该系统的研制成功验证了三值逻辑光计算机原理和降值设计理论的正确性。

三值光学计算机；实验系统；可重构；三值逻辑

0 引 言

三值光学计算机的研究已经进行多年，取得了一系列研究成果[1-6]，主要有：奠定了三值光计算机的基本理论、原理以及以光电混合结构为主体的基础架构；初步构建了三值光计算机理论体系；搭建了三值光计算机的总体结构；发现多值逻辑运算器的降值设计规律，在该规律下进一步提炼出降值设计理论，并在该理论的指导下设计完成了以三值光学逻辑处理器为主要运算部件的光学结构,等等[7-12]。

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 降值设计理论简介

降值设计理论[13]是三值光计算机重要的基础理论之一，推动着三值光计算机的研究进入一个崭新的阶段。

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nn×n个)。

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nn×n个n值逻辑运算器中的任一个都可以按照规范的降值构造步骤，组合n×n×(n-1)个运算基元中的几个而成。

2 可重构型三值逻辑光学处理器

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19 683(3(3×3))个二元三值逻辑运算器。

2.1 编码器

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”。

图1 三值逻辑光处理器的结构示意图

(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 运算器

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。

表1 某光学运算基元的物理状态迁移表

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；h1和h2是水平偏振片，水平偏振片的特性是仅允许水平偏振光通过，拒绝垂直偏振光通过；v1是垂直偏振片，垂直偏振片的特性是仅允许垂直偏振光通过，拒绝水平偏振光通过；Lc为光控液晶单元，虚线指的是它的光学控制端，通过Lc的光控端，Lc能控制穿过它的光束偏振方向旋转90°或者保持不变。

图2 某处理基元的光学硬件结构

这个光学运算基元的工作原理为：h2、v1和Lc构成了一路光阀，当a是无光态或垂直线偏振光时，由于水平偏振片h1的作用，Lc的光控端无光，于是光阀关闭，此时无论b是什么状态，输出端c处均为无光态；当a是水平线偏振光时，水平线偏振光能透过h1到达Lc的光控端，即光阀打开，此时，如果b是水平线偏振光，则它透过h2，再经Lc的旋光后成为了垂直线偏振光，之后透过v1后到达输出端c，即c为垂直线偏振光，而当b是无光态或垂直线偏振光时，由于水平偏振片h2的作用，输出端c处均为无光态。

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。

图3 运算器的结构

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19 683种二元三值逻辑函数。

2.3 解码器

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 器件选型

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38.0 mm(宽)×65.5 mm(长)×2.2 mm(厚)，能耗为0.3 mW，共有8 192(64×128)个像素；光源选择能耗为240 mW的背光板。处理器的实物图如图4所示，几何尺寸为：45 mm(宽)×78 mm(长)×9 mm(厚)，面积小于一张普通名片。

4 实验系统总体结构的设计

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19 683种二元三值逻辑运算，图5是该系统的总体结构图。

图4 光学处理器的实物图

图5 系统结构图

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Visual C++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。

图6 监控系统运行界面

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重构指令控制编码器、运算器以及解码器的工作，并将运算器得到的运算结果传送给监控系统。

5 结束语

文中在降值设计理论的指导下设计了三值光计算机实验系统，该系统不仅证明了三值逻辑光计算机原理以及降值设计理论的正确性，更为下一步实用型三值光计算机的研制奠定了坚实的基础。

[1] 金 翊，何华灿，吕养天.三值光计算机的基本原理[J].中国科学:E辑，2003,33(2):111-115.

[2] 李 梅,金 翊，何华灿,等.基于三值逻辑光学处理器实现向量矩阵乘法[J].计算机应用研究,2009,26(8):2839-2841.

[3] 孙 浩,金 翊,严军勇.三值光计算机编码器与解码器原理的实验研究[J].计算机工程与应用,2004,40(16):82-83.

[4] 严军勇,金 翊,孙 浩.三值光计算机多位编码器与解码器的可行性实验研究[J].计算机工程,2004,30(14):175-177.

[5] 黄伟刚,金 翊,艾丽蓉,等.三值光计算机百位编码器的设计与构造[J].计算机工程与科学,2006,28(4):139-142.

[6] 包九龙,金 翊,蔡 超.三值光计算机百位量级编码器的实现[J].计算机技术与发展,2007,17(2):19-22.

[7] 李 军,金 翊,尹逊玮.C51单片机在三值光计算机编码器中的应用[J].计算机技术与发展,2008,18(9):180-182.

[8] Jin Yi,He Huacan,Ai Lirong.Lane of parallel through carry in ternary optical adder[J].Science in China:Information Sciences,2005,48(1):107-113.

[9] Zuo K Z,Jin Y,Xue T.Tri-state light decoder of ternary optical computer[C]//Proceedings of the 3rd international conference on computer science & education.Xiamen:[s.n.],2008:442-444.

[10] Wang H J,Zhou Y,Jin Y.Design and implementation of 1 pixel bit reconfigurable ternary optical processor[J].Journal of Shanghai University,2011(5):430-437.

[11] Huang H X,Masahide I,Toyohiko Y.Modified signed-digit arithmetic based on redundant bit representation[J].Applied Optics,1994,33(26):6146-6156.

[12] Li Mei,He Huacan,Jin Yi,et al.An optical method for MSD addition[J].Acta Photonica Sinica,2010,39(6):1053-1057.

[13] 严军勇,金 翊,左开中.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[J].中国科学:E辑,2008,38(12):2112-2122.

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

时间：2016-09-19

陕西省教育专项科研计划项目(16JK1383)

李 梅(1977-),女,博士,讲师,研究方向为三值光计算机、光处理器、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