Файл: Яковлев, В. В. Стохастические вычислительные машины.pdf

Датчик длительности цикла определяет время выполнения стохастической вычислительной операции, которое зависит от требуемой точности вычислений. ДДЦ представляет собой счет­

операции дополнительного или обратного кода задаваемого вре­ менного интервала (рис. 88). Кроме того, в датчиках длительности

Код длительности цикла

Рис. 88. Схема датчика длительности цикла (ДДЦ)

цикла возможно использование и других схем, например, релевремени, основанных на заряде (разряде) емкости [31].

Блок программного управления определяет последователь­ ность выполнения операций в соответствии с программой вычи­ слений, заложенной в запоминающее устройство машины. Про­ грамма может храниться как в специальном управляющем по­ стоянном запоминающем устройстве, так и в оперативном ЗУ с двухсторонним доступом, предназначенном также для хранения чисел. В этом отношении СтВМ ничем не отличаются от цифровых машин, однако, структура команд может быть несколько иной^

185.

В общем случае команда в СтВМ состоит из трех основных ча­ стей: оперативной, адресной и временной. Первая содержит информацию о виде функционального преобразования, которое должно быть выполнено операционным устройством в данном цик­ ле работы машины. Это может быть условный код операции, под­ лежащий декодированию с помощью дешифратора, как это де­ лается в ЦВМ, или набор двоичных символов, определяющий в течение цикла состояние каждого ключа, коммутирующего по­

нимаемое ею количество двоичных разрядов, должна быть равна общему числу управляющих входов, необходимых для настройки структуры операционного устройства на выполнение любой из предусмотренных программой операций. Это требует некоторого увеличения объема памяти для хранения программы, но зато осво­ бождает от необходимости включать в состав БПУ довольно гро­ моздкую схему дешифратора кода операции. Впрочем, оконча­ тельное решение можно принять лишь в конкретных условиях. При сложной структуре операционного устройства с большим чи­ слом управляющих входов предпочтительно условное кодирова­ ние операций. В случае же малого числа точек управления более экономичным, по-видимому, окажется непосредственное кодиро­ вание состояний управляющих входов.

Адресная часть содержит адреса ячеек памяти, в которых хра­ нятся числа, участвующие в операции. Поскольку характерным для СтВМ является выполнение по одной команде сложных пре­ образований над несколькими переменными, команда может со­ держать большее, чем это принято в ЦВМ, количество адресов.

Следует заметить, что адресность СтВМ не оказывает сущест­ венного влияния на быстродействие машины, поскольку обраще­ ние к памяти занимает незначительную долю рабочего цикла. Поэтому, основным фактором, определяющим выбор адресности, является объем памяти, требуемый для хранения программ. В принципе можно обойтись всего одним адресом, используя специальные пересылочные команды, по которым осуществляется передача исходных данных из запоминающего устройства в ре­ гистры входных преобразователей. Выполнение этих команд за­ нимает сравнительно небольшое время, так как они не требуют включения операционного устройства. Однако, вследствие рас­ ширения системы команды, длина оперативной части может не­ сколько увеличиться, вызвав соответствующее усложнение дешиф­ ратора кода операции.

Временная часть команды содержит код длительности цикла для операции, выполняемой по данной команде. В общем случае длина этой части равна разрядности счетчика ДДЦ, однако, если предусматривается ступенчатое регулирование длительности цик­ ла, то количество разрядов может быть уменьшено. Например, если в схеме рис. 88 перед началом операции занести единицу лишь

186

в старший разряд счетчика, то длительность цикла уменьшится вдвое. Таким образом, если необходимо изменять длительностьцикла только два раза, достаточно занять под временную часть команды лишь один двоичный разряд. Если менять длительность цикла нет необходимости, эта часть в команде отсутствует.

Кроме упомянутого выше дешифратора кода операции БПУ содержит счетчик команд, в котором находится адрес выполняе­ мой команды, и регистр команд, где размещается сама команда.

Выполнение операции начинается с извлечения из памяти кода команды, хранящегося по адресу, записанному в счетчике команд, и занесения этого кода в регистр команд. Затем дешифрируется оперативная часть команды и операционное устройство настраи­ вается на выполнение заданной операции. Временная часть коман­ ды переписывается в счетчик ДДЦ. Из ячеек памяти, адреса кото­ рых указаны в адресной части команды, числа заносятся в регист­ ры входных преобразователей и выполняются вычисления. При поступлении импульса «конец цикла» из ДДЦ число (числа), накопленное в конечном интеграторе (интеграторах) переписы­ вается в память по адресу (адресам), указанному в команде, а к со­ держимому счетчика команд добавляется единица. Далее, в том же порядке выполняется следующий цикл.

Наличие результата вычислений в цифровой форме позволяет легко ввести в систему команд СтВМ команды, осуществляющие условную передачу управления. Для этой цели в БПУ может быть предусмотрена специальная логическая схема, анализирующая результат предыдущей операции и изменяющая нужным образом содержимое счетчика команд.

Генераторы опорных последовательностей, стохастических кон­ стант и случайных чисел являются специфическими блоками упра­ вления СтВМ, которые будут подробно рассмотрены ниже. Здесь же ограничимся замечанием о том, что они работают непрерывно и независимо от остальных блоков устройства управления, исклю­ чая ГТИ, который выполняет задачу синхронизации.

28. Способы генерирования опорных последовательностей

Получение случайных сигналов, необходимых для работы СтВМ, основано на квантово-стохастической природе некоторых реаль­ ных физических явлений. Так, например, электрический ток в про­ воднике связан с движением дискретных электрических зарядов, причем результатом перемещения каждого из единичных зарядов является дискретный импульс тока. Сложение отдельных импуль­ сов подчиняется статистическим законам, и поэтому даже при постоянном приложенном напряжении мгновенная величина тока через поперечное сечение проводника непрерывно меняется в опре­ деленных пределах. Возникающая при этом переменная составля­ ющая, как известно, носит название шумового тока (шума). Ис­ точниками шума, таким образом, могут быть все устройства,

1ST

работа которых основана на движении электрических зарядов: ре­ зисторы, полупроводниковые диоды и транзисторы, электронные и газоразрядные лампы, фотоумножители, фотоэлементы и т. д. Хорошо зарекомендовали себя в качестве источников шума также приборы, регистрирующие результаты радиоактивного распада элементов, хотя их применение пока еще ограничивается громозд­ костью и более высокой по сравнению с другими элементами стои­ мостью.

Электронной промышленностью выпускается целый ряд спе­ циальных приборов, предназначенных для генерирования шумов. Это шумовые тиратроны, вакуумные шумовые диоды, газоразряд­ ные трубки, проволочные эталонные шумовые сопротивления. Шумовой сигнал на их выходе отличается довольно большой мощ­ ностью. Например, у тиратронов он достигает величины 1 0 '4— 1 0 '5 Вт/Гц. Однако массовое применение этих приборов в стоха­ стических ВМ оказывается экономически и технически невыгод­

лом.

Прогресс в развитии цифровой техники имеет тенденцию к ши­ рокому использованию малогабаритных микросхем, потребля­ ющих малую мощность при невысоких напряжениях источников питания. В то же время хорошие шумовые свойства перечисленных источников проявляются лишь при напряжениях, в десятки и да­ же сотни раз больших, чем это необходимо для современных микро­ схем. Таким образом, возникает необходимость усложнения СтВМ за счет применения комбинированного источника питания. Не­ достатками также являются повышенное потребление энергии генератором шума и его громоздкость по сравнению с остальными устройствами машины.

Поэтому наиболее перспективными для применения в СтВМ следует считать такие источники шума, как резисторы и малога­ баритные полупроводниковые элементы: лавинные и туннельные диоды, транзисторы и т. п. Необходимо, к сожалению, отметить, что мощность шумов на выходе этих элементов довольно мала. Так для проволочного резистора при комнатной температуре спектральная плотность шума имеет порядок 1 0 '21 Вт/Гц. Что же касается полупроводниковых элементов, то они в данном случае используются не по своему основному назначению. Более того, при конструировании этих элементов прилагаются немалые уси­ лия для уменьшения уровня шумов. Однако можно надеяться, что широкое внедрение в практику стохастических вычислительных машин побудит конструкторов изменить направление своих уси­ лий, и разработчики СтВМ получат в свое распоряжение более совершенные и малогабаритные шумящие элементы, потребля­ ющие незначительную энергию. Пока же для увеличения мощно­ сти шума приходится применять широкополосные транзисторные усилители.

188

Усиленный непрерывный шумовой сигнал с целью получения случайной числовой последовательности подвергается квантова­ нию по уровню и времени с помощью специальных пороговых и ключевых схем. Число уровней квантования определяет общее количество генерируемых попарно различимых случайных чисел, причем вероятность появления на выходе какого-либо числа опреде­ ляется интегралом (рис. 89):

ставляет собой центрированный случайный процесс, однако в об­ щем случае он может содержать и постоянную составляющую.

Точность квантования зависит от стабильности характеристик пороговых элементов, а относительная ошибка преобразования возрастает с увеличением числа пороговых уровней.

Максимальная точность квантования достигается при исполь­ зовании одного порогового уровня, что обычно и делается на прак-

Строб

Рис. 90. Структурная схема генератора случайной двоичной последова­ тельности

тике. В этом случае генератор вырабатывает одноразрядные дво­ ичные числа, а его структурная схема имеет вид, изображенный на рис. 90.

Шумовой сигнал от первичного источника ГШ подается на вход широкополосного усилителя переменного тока, который наряду с усилением мощности осуществляет центрирование случайного процесса. Пороговый элемент ПЭ, реагируя на полярность вход­ ного напряжения преобразует шум в последовательность импульсов случайной длительности. Выходной вентиль осуществляет кван­ тование сигнала по времени и вырабатывает случайную последо­ вательность импульсов, которую можно рассматривать как после­ довательность случайных одноразрядных двоичных чисел.

189