结构量计算机的MSD乘法计算的方法技术

结构量计算机的MSD乘法计算的方法，涉及计算机精密计算技术领域，其特征在于：包括以下步骤，表示数据、并行加速算法、不对称光路结构改良M变换、构造例程专用的结构量处理器、MSD乘法例程的实施。本发明专利技术方法合理、操作方便、计算精准。

A method of calculating MSD multiplication of structures

Calculation method of MSD structure multiplication capacity of computers, which relates to the technical field of computer calculation precision, which comprises the following steps, said the implementation of data, parallel acceleration algorithm, asymmetric optical structure of modified M transform, the structure of special structure, the amount of processing routines MSD multiplication routines. The method of the invention is reasonable, convenient and accurate in calculation.

【技术实现步骤摘要】
结构量计算机的MSD乘法计算的方法
：本专利技术涉及计算机精密计算
，具体涉及结构量计算机的MSD乘法计算的方法。
技术介绍
：传统电子计算机中的乘法运算面临着计算精度低、延时长等问题。乘法运算是最常用的基础运算之一，广泛应用于工程技术和科学计算的各个领域，是影响应用算法实现效率的关键路径。长期以来，研究学者们致力于乘法的计算方法和实现过程的优化技术研究。在气象预测、军事通信、密码学等应用领域里，随着问题规模的不断膨大，乘法运算面临着响应速度缓慢、计算精度有限等问题。传统电子计算机受到位数固定的电子处理器的制约，不能满足设计高效乘法器的需要，超级计算机计算能力强大，但是伴随着处理器数量的增加，大量计算资源消耗于通信和协调操作。于是人们开始关注各种新形式的计算机，而三值光学计算机是目前最接近实际应用的代表。
技术实现思路
：本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有的技术缺陷提供一种方法合理、操作方便、计算精准的结构量计算机的MSD乘法计算的方法。本专利技术所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：结构量计算机的MSD乘法计算的方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一、表示数据：三值光学计算机采用改良符号数字系统(ModifiedSignedDigit，MSD)表示数据，即：n位的MSD数字A(an…ai…a1)和m位的B(bm…bj…b1)相乘，ai,bj∈{ī,0,1}，运算关系表示为：计算步骤为，第1步：计算部分积Sj。将A与B的每一位形成的n位数据(bj…bj…bj)(j＝1,2,...,m)，送至M变换器上，实施M变换，得到Sj；第2步：计算和数项Pj。为保证位数的对齐，将Sj高位附加m-j个零，末位附加j-1个零，得到Pj；第3步：计算∑Pj。将相邻奇偶和数项两两分组，送至三步式MSD加法器依次实施T与W、T'与W'及T2变换(真值表如图1)，得到的求和结果又称为部分和，将作为下一轮加法器的输入进行回馈运算，直到得到最终结果；步骤二、并行加速算法：乘法算法是一个循环计算过程，乘法计算例程利用更多的光学处理器数据位数资源，构造出q个M变换器和r个MSD三步式加法器，将内部步骤尽可能作并行处理，用较少运算周期就可以快速获得计算结果；加速算法描述如下：第1步同时并行实施q组M变换，全部M变换运算分个批次完成；第2步可并行对Sj实施补零得到Pj；第3步，第次迭代时，相邻P2j-1和分配到r个三步式加法器并行实施求和，全部求和分个批次完成；步骤三、不对称光路结构改良M变换：三值光学处理器由主光路和控制光路组成，结构上保持着不对称性；一次光运算是输入光信号a和b，得到变换结果c的过程，其运算时间由公式T＝TSY+Tg+TCG+TLC+TC(2)得到；三态光发生器SY1和SY2将输入信号编制成三态光，产生TSY；感光管g转换三态光为电信号，产生Tg；电信号穿过重构电路CG的反应时间为TCG；CG产生的信号控制液晶LC改变旋光状态，产生TLC；a依次穿过SY2、偏振片P2、LC、P3生成c，产生TC；在这5个时间里，Tg、TCG以及TLC与控制光路密切相关，并且TLC是最耗时的部分，约为其他部分的几十倍以上。如果输入b不变，从第二次运算开始，电信号、重构电路以及液晶状态都保持不变，TSY+TC后就可以得到变换结果c，可以缩减一半的处理器运算时间；乘法算法计算部分积时，每次都是将A(an…ai…a1)和(bj…bj…bj)送入M变换器，有一路输入数据A始终保持不变，故可以合理分配数据A至控制光路，以缩短处理器计算延时；步骤四、构造例程专用的结构量处理器：Ⅰ按位分配数据位资源：用户调用乘法例程时，输入运算请求和原始数据A、B的同时，需要一并给出两个乘法因子的数字位数n、m，作为分配数据位资源、构造结构量处理器的依据；计算部分积时，n位的A(an…ai…a1)和(bj…bj…bj)实施M变换生成n位的Sj，需要M变换器的规模为：VM＝n(3)Sj补零生成n+m-1位的Pj，对Pj进行二叉迭代求和时，每轮迭代输出结果的数量会减半，根据三步式MSD加法器的运算规律可知，每轮迭代所需加法器的数据规模增加两位，位数分析如图5；为避免重复构造运算器，以迭代过程中需要加法器的最多位数为准，故加法器的规模为：三值逻辑变换器的每一位都要占用光学处理器的一个数据位，M变换器共计占用q×VM个数据位，一个VA位的三步式MSD加法器占用5VA+4个数据位。故并行乘法计算例程需要光学处理器的数据位数总量为：VT＝q×VM+r×(5VA+4)(5)结构量计算机的光学处理器运算位数众多，但毕竟计算资源是有限的，目前最新应用实验系统SD11可供分配和使用的数据位数可扩展至16384位，要根据乘法例程的计算要求，再结合结构量计算机的具体配置来设计光学处理器的构造方案；Ⅱ构造M变换器和MSD三步式加法器：对于一个被乘数为n位、乘数为m位的MSD乘法计算例程，要根据位数信息计算处理器的重构参数VM和VA，并提交给三值光学计算机的监控程序。监控程序根据结构量计算机的计算资源使用情况，确定q、r和VT，并提交相应的重构计算要求。数据位管理模块负责寻找空闲的数据位区段h～h+VT-1，重构模块负责配置该数据位区段的计算功能，构造出多个M变换器和MSD三步式加法器，即构造例程专用的结构量处理器，在一个指令下并行实施乘法算法。以用户提交64位的乘法运算为例说明数据位的分配和重构策略，此时VM＝64，M变换器占用64q个数据位数，VA＝137，加法器占用689r个数据位数，VT＝64q+689r，VT≤16384，一种数量足够、运算规模合适的光学处理器构造方案是取q＝8，r＝16，VT＝11536，重构示意图如图5；串行实现64位乘法计算时，M变换耗用时钟周期为64个，和数项求和耗用时钟周期为3×(32+16+...+1)＝189个，共计253个；而在该重构方案下，每次可并行执行8组M变换，再借助处理器的不对称结构，全部M变换耗用的时钟周期为1+0.5×7＝4.5个；和数项求和时，第1次迭代求和分2个批次完成，耗用3×2＝6个时钟周期，第2～6次迭代求和可全并行实施，耗用时钟周期为3×5＝15个，共计25.5个时钟周期，大约可以缩减串行乘法89.9％的计算耗时；步骤五、MSD乘法例程的实施：使用三值光学计算机完成乘法运算时，在内部乘法计算例程被激活后，通过协调监控程序的任务调度模块、数据位管理分配模块、重构模块以及底层控制软件等资源来完成运算，数据流图如图6，实施步骤如下，1.用户通过输入界面，输入操作数，选择运算规则，点击“确定”按钮；2.三值光学计算机自动生成内部专用的输送信息和命令的文件(SanZhiGuang，SZG)；3.监控程序的任务调度模块解析SZG文件，获取A、B的MSD数据和位数信息n、m，根据公式(3)、(4)确定结构量处理器的构造参数VM和VA；4.监控程序的数据位管理模块查询光学处理器的空闲数据位数，根据公式(5)确定参数q和r，并分配数据位区段h～h+VT-1。5.重构模块生成重构命令编码，任务调度模块生成操作数编码，并执行格式化操作，然后由任务调度模块将数据位序、数据和命令等发送至底层控制软件；6.重构器执行底层控制软件发送的重构本文档来自技高网...

【技术保护点】
结构量计算机的MSD乘法计算的方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一、表示数据：三值光学计算机采用改良符号数字系统(Modified Signed Digit，MSD)表示数据，即：n位的MSD数字A(a

【技术特征摘要】
1.结构量计算机的MSD乘法计算的方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一、表示数据：三值光学计算机采用改良符号数字系统(ModifiedSignedDigit，MSD)表示数据，即：n位的MSD数字A(an…ai…a1)和m位的B(bm…bj…b1)相乘，ai,bj∈{ī,0,1}，运算关系表示为：计算步骤为，第1步：计算部分积Sj。将A与B的每一位形成的n位数据(bj…bj…bj)(j＝1,2,...,m)，送至M变换器上，实施M变换，得到Sj；第2步：计算和数项Pj。为保证位数的对齐，将Sj高位附加m-j个零，末位附加j-1个零，得到Pj；第3步：计算∑Pj。将相邻奇偶和数项两两分组，送至三步式MSD加法器依次实施T与W、T'与W'及T2变换(真值表如表1)，得到的求和结果又称为部分和，将作为下一轮加法器的输入进行回馈运算，直到得到最终结果；步骤二、并行加速算法：乘法算法是一个循环计算过程，乘法计算例程利用更多的光学处理器数据位数资源，构造出q个M变换器和r个MSD三步式加法器，将内部步骤尽可能作并行处理，用较少运算周期就可以快速获得计算结果；加速策略描述如下：第1步同时并行实施q组M变换，全部M变换运算分个批次完成；第2步可并行对Sj实施补零得到Pj；第3步，第次迭代时，相邻P2j-1和分配到r个三步式加法器并行实施求和，全部求和分个批次完成；步骤三、不对称光路结构改良M变换：三值光学处理器由主光路和控制光路组成，结构上保持着不对称性；一次光运算是输入光信号a和b，得到变换结果c的过程，其运算时间由公式T＝TSY+Tg+TCG+TLC+TC(2)得到；三态光发生器SY1和SY2将输入信号编制成三态光，产生TSY；感光管g转换三态光为电信号，产生Tg；电信号穿过重构电路CG的反应时间为TCG；CG产生的信号控制液晶LC改变旋光状态，产生TLC；a依次穿过SY2、偏振片P2、LC、P3生成c，产生TC；在这5个时间里，Tg、TCG以及TLC与控制光路密切相关，并且TLC是最耗时的部分，约为其他部分的几十倍以上。如果输入b不变，从第二次运算开始，电信号、重构电路以及液晶状态都保持不变，TSY+TC后就可以得到变换结果c，可以缩减一半的处理器运算时间；乘法算法计算部分积时，每次都是将A(an…ai…a1)和(bj…bj…bj)送入M变换器，有一路输入数据A始终保持不变，故可以合理分配数据A至控制光路，以缩短处理器计算延时；步骤四、构造例程专用的结构量处理器：Ⅰ按位分配数据位资源：用户调用乘法例程时，输入运算请求和原始数据A、B的同时，需要一并给出两个乘法因子的数字位数n、m，作为分配数据位资源、构造结构量处理器的依据；计算部分积时，n位的A(an…ai…a1)和(bj…bj…bj)实施M变换生成n位的Sj，需要M变换器的规模为：VM＝n(3)Sj补零生成n+m-1位的Pj，对Pj进行二叉迭代求和时，每轮迭代输出结果的数量会减半，根据三步式MSD加法器的运算规律可知，每轮迭代所需加法器的数据规模增加两位，位数分析如图5；为避免重复构造运算器，以迭代过程中需要加法器的最多位数为准，故加法器的规模为：三值逻辑变换器的每一位都要占用光学处理器的一个数据位，M变换器共计占用q×VM个数据位，一个VA位的三步式MSD加法器占用5VA+4个数据位。故并行乘法计算例程需要光学处理器的数据位数总量为：VT＝q×VM+r×(5VA+4)(5)结构量计算机的光学处理器运算位数众多，但毕竟计算资源是有限的，目前最新应用实验系统SD11可供分配和使用的数据位数可扩展至16384位，要根据乘法例程的计算要求，再结合结构量计算机的具体配置...

【专利技术属性】
技术研发人员：王先超，张冕，高珊，韩波，赵佳，柏春松，
申请(专利权)人：阜阳师范学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34