РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА ПРИНЦИПІВ ПОБУДОВИ ТА ОЦІНЮВАННЯ
ТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧНОГО ОПЕРАТИВНОГО
ЗАПАМ'ЯТОВУЮЧОГО ПРИСТРОЮ
2.1. Модель структури пам'яті на лініях затримки
Швидкодія сучасних обчислювальних машин (ОМ) пов'язана з елементною базою та їх архітектурою. Характеристики сучасних ОМ обмежені через особливості способу обміну інформацією між процесором та запам'ятовуючим пристроєм. Найвразливішим місцем топології є ланка "процесор - ОЗП", оскільки проходження інформаційних потоків по даному шляху вимагає великих часових витрат роботи ОЗП. Ця обставина ускладнює реалізацію режиму реального часу й вказує на те, що час обробки інформації й пам'ять є основними ресурсами інформаційно-обчислювальних систем. Швидкодія процесора суттєво залежить від швидкодії, з якою пам'ять забезпечує його командами та даними. Підвищити швидкодію можна використовуючи паралельні способи обробки даних.
Основною задачею пам'яті для паралельних структур є перетворення статичної інформації в динамічну, що приводить до залежності вихідного сигналу від часу. Оперативна пам'ять може бути реалізована як в безперервному, так і в дискретному часі (безперервний час позначимо символом t, дискретний час позначимо символом n).
Корисним інструментом при роботі з системами дискретного часу є z - перетворення [1, 4, 71]. Припустимо {x(n)} - деяка послідовність в дискретному часі, яка може бути розширена в нескінченно далеке минуле. Z - перетворення такої послідовності визначається таким чином:
, (2.1)
де - оператор одиничної затримки. Застосувавши його до x(n), формуємо копію сигналу із затримкою x(n-1). Припустимо, що x(n) використовується в системі дискретного часу, яка має імпульсний відгук h(n). Тоді вихід системи визначається сумою згортки:
. (2.2)
Якщо x(n) дорівнює одиничному імпульсу, то y(n) зводиться до імпульсного відгуку h(n) системи. Якщо позначити z - перетворення послідовностей {h(n)} та {y(n)} як H(z) та Y(z), відповідно, то застосування z - перетворення до формули (2.2) приводить до співвідношення:
, (2.3)
або, еквівалентно:
. (2.4)
Функція H(z) називається передатньою функцією. На рис. 2.1 зображена блокова діаграма пам'яті дискретного часу, яка складається з p ідентичних блоків з каскадним з'єднанням.
Рис. 2.1. Узагальнена пам'ять порядку p
Якщо розглядати кожний з блоків затримки як оператор, його можна описати передаточною функцією G(z).
З рис. 2.1 можна формально визначити оперативну пам'ять, як лінійну, інваріанту до часу, систему з одним входом та декількома виходами, ядро якої задовольняє вище наведені вимоги.
Позначимо загальний імпульсний відгук пам'яті як , який визначається як p послідовних згорток g(n).
На рис. 2.2 зображена діаграма найпростішої форми пам'яті на основі лінії затримки з відводами. Вона складається з p операторів одиничної затримки, кожний з яких характеризується функцією .
Рис. 2.2. Пам'ять на основі ліній затримки з відводами порядку p
Загальний імпульс пам'яті дорівнює:
. (2.5)
Рис. 2.3. Граф передачі сигналу в блоці гама-пам'яті
На рис. 2.3 показаний граф передачі сигналу основного функціонального блока G(z), який використовується в структурі з назвою гама-пам'ять [130]. Кожний блок такої пам'яті складається з циклу з одиничною затримкою й параметром ?, який можна налаштовувати. Передатна функція кожного такого блока є
. (2.6)
Для стійкості єдиний полюс G(z) при повинний знаходитись усередині одиничного кола на z-площині. Це, в свою чергу, потребує, щоб .
Загальний імпульсний відгук гама-пам'яті є зворотним z-перетворенням загальної передаточної функції:
, (2.7)
тобто
, (2.8)
де (:) - біномінальний коефіцієнт, який визначається для цілочислових значень n та p за виразом:
. (2.9)
Рис. 2.4. Сімейство імпульсних відгуків гама-пам'яті для порядку р=1, 2, 3, 4
Загальний імпульсний відгук для змінної p представляє собою дискретну версію підінтегрального виразу гама-функції. На рисунку 2.4 показано сімейство імпульсних відгуків нормалізованих по відношенню до ?. Таке масштабування привело до позиціювання пікового значення в n = p. При ?=1 параметри пам'яті зводяться до відповідних значень пам'яті на лінії затримки з відводами.
2.2. Принципи побудови та оцінювання технічних характеристик оптичного
оперативного запам'ятовуючого пристрою
Поява оптичних волокон з малими втратами (частки децибела на кілометр) й великим добутком довжини на ширину смуги пропускання (порядку 100 ГГц?км), а також успіхи технології оптичних елементів відкривають перспективи в області оптичної обробки сигналів. Стає можливим створення волоконно-оптичних пристроїв при виконанні таких операцій, як згортка, обчислення кореляційних функцій, операції над матрицями, фільтрація, генерування імпульсів, кодових комбінацій, стиснення імпульсів, узгоджена фільтрація [71].
Однак дуже актуальним є динамічне зберігання світлових імпульсів для оптичних обчислювальних машин та систем передачі оптичної інформації. Потенційно світловий промінь може мати ширину спектра, яка порівнянна з його несучою частотою, тобто tu може бути порядку 10-13 - 10-14 секунд. Питання в тому, чи можна використовувати такі імпульси для передачі та збереження інформації.
Структурна схема базового елемента динамічного оптичного оперативного запам'ятовуючого пристрою (ДООЗП) на ВОЛ, що зображена на рис. 2.5, дозволяє вводити оптичний сигнал або через Uвх1, або через Uвх2. Аналогічно зчитувати інформацію можн