[發(fā)明專(zhuān)利]結(jié)構(gòu)量計(jì)算機(jī)的MSD乘法計(jì)算的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710007021.X
• 申請(qǐng)日: 2017-01-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106873942B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王先超;張冕;高珊;韓波;趙佳;柏春松
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 阜陽(yáng)師范學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): G06F7/53
• 分類(lèi)號(hào): G06F7/53
• 代理公司: 合肥中博知信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34142
• 代理人: 錢(qián)衛(wèi)佳

1.結(jié)構(gòu)量計(jì)算機(jī)的MSD乘法計(jì)算的方法，其特征在于：包括以下步驟，

步驟一、表示數(shù)據(jù)：三值光學(xué)計(jì)算機(jī)采用改良符號(hào)數(shù)字系統(tǒng)(Modified Signed Digit，MSD)表示數(shù)據(jù)，即：n位的MSD數(shù)字A(a_n…a_i…a₁)和m位的B(b_m…b_j…b₁)相乘，a_i,b_j∈{ī,0,1}，運(yùn)算關(guān)系表示為：

計(jì)算步驟為，

第1步：計(jì)算部分積S_j；將A與B中的每一位相乘得到n位數(shù)據(jù)(a_nb_j，a_n-1b_j......a₁b_j)(j＝1,2,...,m)，送至M變換器上，實(shí)施M變換，得到S_j；

第2步：計(jì)算和數(shù)項(xiàng)P_j；為保證位數(shù)的對(duì)齊，將S_j高位附加m-j個(gè)零，末位附加j-1個(gè)零，得到P_j；

第3步：計(jì)算∑P_j；將相鄰奇偶和數(shù)項(xiàng)兩兩分組，送至三步式MSD加法器依次實(shí)施T與W、T'與W'及T2變換，得到的求和結(jié)果稱(chēng)為部分和，將作為下一輪加法器的輸入進(jìn)行回饋運(yùn)算，直到得到最終結(jié)果；

步驟二、并行加速算法：乘法算法是一個(gè)循環(huán)計(jì)算過(guò)程，乘法計(jì)算例程利用光學(xué)處理器數(shù)據(jù)位數(shù)資源，構(gòu)造出q個(gè)M變換器和r個(gè)MSD三步式加法器，將能用于并行處理的內(nèi)部步驟作并行處理，獲得計(jì)算結(jié)果；

加速策略描述如下：第1步同時(shí)并行實(shí)施q組M變換，全部M變換運(yùn)算分個(gè)批次完成；第2步可并行對(duì)S_j實(shí)施補(bǔ)零得到P_j；第3步，第次迭代時(shí)，相鄰P_2j-1和P_2j(j＝1,2,...,分配到r個(gè)三步式加法器并行實(shí)施求和，全部求和分個(gè)批次完成；

步驟三、不對(duì)稱(chēng)光路結(jié)構(gòu)改良M變換：三值光學(xué)處理器由主光路和控制光路組成，結(jié)構(gòu)上保持著不對(duì)稱(chēng)性；

一次光運(yùn)算是輸入光信號(hào)a和b，得到變換結(jié)果c的過(guò)程，其運(yùn)算時(shí)間由公式

T＝TSY+Tg+TCG+TLC+TC (2)

得到；

三態(tài)光發(fā)生器SY1和SY2將輸入信號(hào)編制成三態(tài)光，產(chǎn)生TSY；感光管g轉(zhuǎn)換三態(tài)光為電信號(hào)，產(chǎn)生Tg；電信號(hào)穿過(guò)重構(gòu)電路CG的反應(yīng)時(shí)間為T(mén)CG；CG產(chǎn)生的信號(hào)控制液晶LC改變旋光狀態(tài)，產(chǎn)生TLC；a依次穿過(guò)SY2、偏振片P2、LC、P3生成c，產(chǎn)生TC；在這5個(gè)時(shí)間里，Tg、TCG以及TLC與控制光路密切相關(guān)，并且TLC是最耗時(shí)的部分，為其他部分的幾十倍以上；如果輸入b不變，從第二次運(yùn)算開(kāi)始，電信號(hào)、重構(gòu)電路以及液晶狀態(tài)都保持不變，TSY+TC后就可以得到變換結(jié)果c，可以縮減一半的處理器運(yùn)算時(shí)間；乘法算法計(jì)算部分積時(shí)，每次都是將A(a_n…a_i…a₁)和(b_m…b_j…b₁)送入M變換器，有一路輸入數(shù)據(jù)A始終保持不變，故可以合理分配數(shù)據(jù)A至控制光路，以縮短處理器計(jì)算延時(shí)；

步驟四、構(gòu)造例程專(zhuān)用的結(jié)構(gòu)量處理器：

Ⅰ按位分配數(shù)據(jù)位資源：用戶調(diào)用乘法例程時(shí)，輸入運(yùn)算請(qǐng)求和原始數(shù)據(jù)A、B的同時(shí)，需要一并給出兩個(gè)乘法因子的數(shù)字位數(shù)n、m，作為分配數(shù)據(jù)位資源、構(gòu)造結(jié)構(gòu)量處理器的依據(jù)；

計(jì)算部分積時(shí)，n位的A(a_n…a_i…a₁)和(b_m…b_j…b₁)實(shí)施M變換生成n位的S_j，需要M變換器的規(guī)模為：

VM＝n (3)

S_j補(bǔ)零生成n+m-1位的P_j，對(duì)P_j進(jìn)行二叉迭代求和時(shí)，每輪迭代輸出結(jié)果的數(shù)量會(huì)減半，根據(jù)三步式MSD加法器的運(yùn)算規(guī)律可知，每輪迭代所需加法器的數(shù)據(jù)規(guī)模增加兩位；

為避免重復(fù)構(gòu)造運(yùn)算器，以迭代過(guò)程中需要加法器位數(shù)的最大值為準(zhǔn)，故加法器的規(guī)模為：

三值邏輯變換器的每一位都要占用光學(xué)處理器的一個(gè)數(shù)據(jù)位，M變換器共計(jì)占用q×VM個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)VA位的三步式MSD加法器占用5VA+4個(gè)數(shù)據(jù)位；故并行乘法計(jì)算例程需要光學(xué)處理器的數(shù)據(jù)位數(shù)總量為：

VT＝q×VM+r×(5VA+4) (5)

結(jié)構(gòu)量計(jì)算機(jī)的光學(xué)處理器運(yùn)算位數(shù)眾多，但畢竟計(jì)算資源是有限的，目前最新應(yīng)用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)SD11可供分配和使用的數(shù)據(jù)位數(shù)可擴(kuò)展至16384位，要根據(jù)乘法例程的計(jì)算要求，再結(jié)合結(jié)構(gòu)量計(jì)算機(jī)的具體配置來(lái)設(shè)計(jì)光學(xué)處理器的構(gòu)造方案；

Ⅱ構(gòu)造M變換器和MSD三步式加法器：對(duì)于一個(gè)被乘數(shù)為n位、乘數(shù)為m位的MSD乘法計(jì)算例程，要根據(jù)位數(shù)信息計(jì)算處理器的重構(gòu)參數(shù)VM和VA，并提交給三值光學(xué)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控程序；監(jiān)控程序根據(jù)結(jié)構(gòu)量計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源使用情況，確定q、r和VT，并提交相應(yīng)的重構(gòu)計(jì)算要求；數(shù)據(jù)位管理模塊負(fù)責(zé)尋找空閑的數(shù)據(jù)位區(qū)段h～h+VT-1，重構(gòu)模塊負(fù)責(zé)配置該數(shù)據(jù)位區(qū)段的計(jì)算功能，構(gòu)造出多個(gè)M變換器和MSD三步式加法器，即構(gòu)造例程專(zhuān)用的結(jié)構(gòu)量處理器，在一個(gè)指令下并行實(shí)施乘法算法；

步驟五、MSD乘法例程的實(shí)施：使用三值光學(xué)計(jì)算機(jī)完成乘法運(yùn)算時(shí)，在內(nèi)部乘法計(jì)算例程被激活后，通過(guò)協(xié)調(diào)監(jiān)控程序的任務(wù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)位管理分配模塊、重構(gòu)模塊以及底層控制軟件來(lái)完成運(yùn)算，實(shí)施步驟如下，

1.用戶通過(guò)輸入界面，輸入操作數(shù)，選擇運(yùn)算規(guī)則，點(diǎn)擊“確定”按鈕；

2.三值光學(xué)計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成內(nèi)部專(zhuān)用的輸送信息和命令的文件SZG；

3.監(jiān)控程序的任務(wù)調(diào)度模塊解析SZG文件，獲取A、B的MSD數(shù)據(jù)和位數(shù)信息n、m，根據(jù)公式(3)、(4)確定結(jié)構(gòu)量處理器的構(gòu)造參數(shù)VM和VA；

4.監(jiān)控程序的數(shù)據(jù)位管理模塊查詢光學(xué)處理器的空閑數(shù)據(jù)位數(shù)，根據(jù)公式(5)確定參數(shù)q和r，并分配數(shù)據(jù)位區(qū)段h～h+VT-1；

5.重構(gòu)模塊生成重構(gòu)命令編碼，任務(wù)調(diào)度模塊生成操作數(shù)編碼，并執(zhí)行格式化操作，然后由任務(wù)調(diào)度模塊將數(shù)據(jù)位序、數(shù)據(jù)和命令發(fā)送至底層控制軟件；

6.重構(gòu)器執(zhí)行底層控制軟件發(fā)送的重構(gòu)命令，構(gòu)造出乘法例程專(zhuān)用的結(jié)構(gòu)量處理器；

7.實(shí)施乘法迭代運(yùn)算；

7-1.底層控制軟件獲取操作數(shù)據(jù)，完成迭代變量的定義、初始化操作；

7-2.M變換的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；底層控制軟件復(fù)制A和B的每一位，將(a_n…a_i…a₁)送入編碼器生成M變換器的控制光路編碼信息，將(b_j…b_j…b_j)(j＝1,...,m)送入編碼器生成M變換器的主光路編碼信息；

7-3.實(shí)施M變換；將數(shù)據(jù)編碼信息同時(shí)送入q組M變換器運(yùn)算，解碼器獲取變換結(jié)果，重復(fù)操作該步驟直到m組M變換全部完成，得到所有的部分積S_j；

7-4.解碼器對(duì)S_j(j＝1,2,...,m)高位附加m-j個(gè)零，末位附加j-1個(gè)零，得到P_j；

7-5.和數(shù)項(xiàng)迭代求和；

7-5-1.初始化；計(jì)算和數(shù)項(xiàng)二叉迭代求和的迭代次數(shù)，記入變量times，k賦值1；

7-5-2.執(zhí)行判斷語(yǔ)句若不滿足，則需要增加一個(gè)值為0的和數(shù)項(xiàng)；

7-5-3.將全部和數(shù)項(xiàng)送至編碼器，奇數(shù)項(xiàng)和數(shù)項(xiàng)P_2j-1生成加法器的主光路編碼信息，偶數(shù)項(xiàng)和數(shù)項(xiàng)P_2j生成加法器的控制光路編碼信息，

7-5-4.將相鄰和數(shù)項(xiàng)P_2j-1和P_2j作為一組，同時(shí)送入r組加法器運(yùn)算，解碼器獲取運(yùn)算結(jié)果，并記入P_j，重復(fù)操作該步驟直到組加法運(yùn)算全部完成；

7-5-5.k增加1，解碼器將上一輪迭代得到的部分和作回饋處理，重復(fù)步驟7-5-2～7-5-4直到k＝times，最終結(jié)果記入變量C；

8.運(yùn)算結(jié)果送交用戶，任務(wù)調(diào)度模塊將乘積C寫(xiě)入SZG結(jié)果文件，經(jīng)過(guò)文件解析后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，返回給用戶，本次運(yùn)算完成。