Розробка принципів побудови і структурної організації динамічної пам’яті на волоконно-оптичних лініях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вінницький національний технічний університет

УДК 004.33:681.7

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка принципів побудови і структурної організації динамічної пам'яті на волоконно-оптичних лініях

05.13.05 -“Елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування”

Цирульник Сергій Михайлович

Вінниця 2007

Загальна характеристика роботи

динамічна пам'ять волоконно оптична

Актуальність теми

Існуючі методи проектування традиційних алгоритмів і архітектура ЕОМ уже не відповідають тим алгоритмічним і архітектурним рішенням, до яких приходять при розробці обчислювальних структур із високим ступенем паралелізму.

Найбільш критичними є елементи динамічної пам'яті, мікропроцесори, спеціальні надвеликі інтегральні схеми.

Використання електромагнітних коливань оптичного діапазону відкриває нові шляхи побудови надшвидкодіючих обчислювальних структур, у яких шляхом нормування часових затримок на волоконно-оптичних лініях (ВОЛ) часовий зсув імітує виконання найпростіших арифметичних і логічних операцій із швидкістю близькою до швидкості світла.

Синтез і аналіз зображень у теперішній час в основному реалізується за допомогою алгоритмічної обробки на ПК. У зв'язку з тим, що зображення стають масовою продукцією в промисловості і науці, а їх обробка, розпізнавання й аналіз - масовим потоковим виробництвом, - цифрова обробка зображень стає економічно вигідною і необхідною скрізь, де вона технічно можлива.

Вирішення проблем обробки і перетворення великих масивів інформації шляхом застосування класичних прийомів програмного керування виявляється важким, особливо при введенні і виведені зображень у ситуаціях, що швидко змінюються.

Традиційно інформаційне поле подається в ЕОМ двома способами - поелементним і табличним. Оскільки адресація в більшості машин послідовна, то дані, що знаходяться в пам'яті, упорядковані абсолютними значеннями адрес. Тому будь-який масив, що знаходиться в пам'яті, "розгорнутий" в одновимірну послідовність елементів, змінює вихідну топологію масиву. Особливістю доступу до відеоданих є необхідність вибірки з пам'яті пов'язаних фрагментів зображень або елементів однакової текстури. Після розгортки масиву ці елементи швидше за усе виявляться в комірках, адреси яких значно розрізняються. Тому час обробки істотно залежить від того, чи знаходиться весь масив у ОЗП, де доступ до комірки довільний, або частина масиву знаходиться в зовнішній пам'яті ЕОМ, час доступу до якої на декілька порядків вище часу звертання до ОЗП. Тому спосіб розгортки масиву робить істотний вплив на час обробки. Таким чином, спосіб організації, збереження і пошуку елемента багатовимірного масиву повинний забезпечувати найбільшу ймовірність виявлення сусідніх елементів масиву або просторово-зв'язаних елементів або елементів однакової текстури на одній і тій же сторінці пам'яті. Крім організації збереження суттєвим є об'єм пам'яті. Так для високоякісної обробки зображення потрібні масиви не менше 4096409616 елементів, для яких об'єм ОЗП повинен складати для мультимедійної обробки - 200 Мбайт. Тому актуальним є створення таких структур пам'яті, у яких зберігання інформації про топологію і текстуру інформаційного поля відповідає суттєвому (на порядок) скороченню об'єму пам'яті.

База даних зображень і образів у спеціалізованих відеокомп'ютерах повинна складати біля 100000 елементів зображень. Вибірка даних повинна проводитись в середньому за 100 мс, тобто еквівалентна продуктивність складає 1 млн. образів/сек. З огляду на те, що образи мають від 50005000 до 1000010000 елементів, продуктивність повинна складати від 10¹³ до 10¹⁴ елементарних операцій у секунду. У зв'язку з цим, стає очевидним, що існуючі методи і способи обробки зображень найближчим часом не в змозі задовольнити зазначені потреби і потребують принципово нових підходів до обробки зображень.

Актуальність робіт у цій області обумовлена необхідністю дослідження нових можливостей побудови, організації оптичних запам'ятовуючих пристроїв в нових засобах інформаційної та обчислювальної техніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження проводиться протягом 2000-2006 років згідно з напрямком досліджень Вінницького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України за держбюджетною темою: "Оптико-електронний квантово-розмірний образний комп'ютер око-процесорного типу: концепції, методологія, база знань" ( держреєстрації: 0105U002434).

Мета та задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення швидкодії динамічного оперативного запам'ятовуючого пристрою за рахунок використання волоконно-оптичних технологій.

Для досягнення мети необхідно розв'язати такі задачі:

1. Здійснити аналіз сучасного стану і основ побудови технічних засобів оптичної пам'яті та систематизувати відомі теоретичні підходи, що покладено в основу їх побудови.

2. Проаналізувати оптичну елементну базу та розповсюдження оптичного цифрового сигналу в волоконному світловоді для побудови елементу пам'яті на волоконно-оптичних лініях.

3. Розробити математичну модель пам'яті на волоконно-оптичних лініях, використовуючи Z-перетворення.

4. Розробити структурну організацію системи пам'яті на волоконно-оптичних лініях.

5. Розробити способи адресації та розміщення інформації в пам'яті на волоконно-оптичних лініях.

6. Провести дослідження схемотехнічних та конструктивно-технологічних аспектів застосування динамічного оптичного оперативного запам'ятовуючого пристрою (ДООЗП) на волоконно-оптичних лініях.

Об'єктом дослідження є процес функціонування динамічного оптичного оперативного запам'ятовуючого пристрою.

Предметом дослідження є методи побудови та структурна організація динамічного оптичного оперативного запам'ятовуючого пристрою.

Методи дослідження. При розв'язанні поставлених задач використовувались методи хвилевої теорії передачі інформації у волоконно-оптичних системах для розробки принципів побудови ДООЗП на волоконно-оптичних лініях, теорії Z - перетворення для побудови математичної моделі елементу пам'яті, теорії паралельної обробки інформації та теорії багатопроцесорних обчислювальних систем для аналізу систем оптичної пам'яті на волоконно-оптичних лінях.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено принципи створення динамічної оптоелектронної пам'яті, яка відрізняються від відомих тим, що використовує ВОЛ для динамічного зберігання даних в оптичних інформаційно-обчислювальних системах. Це дозволило підвищити пропускну здатність з 4Гбіт/с до 10Тбіт/с, зменшити час доступу при першому звертанні до комірки даних з 2 нс до 0,01нс, до масиву даних - з 10 нс до 1нс.

2. Вперше одержано математичну модель функціонування динамічної оптоелектронної пам'яті на волоконно-оптичних лініях, яка відрізняється тим, що враховано особливості реалізації динамічного оптичного оперативного запам'ятовуючого пристрою на ВОЛ, що при розробці проблемно-орієнтованих оптичних інформаційно-обчислювальних систем дозволяє вибрати характеристики модулів оптичної пам'яті.

3. Вперше запропоновано методи розміщення інформації в структурах динамічної оптичної пам'яті на волоконно-оптичних лініях, що дозволяє використовувати структури динамічної оптичної пам'яті на ВОЛ для задач розпізнавання образів, обробки та передачі сигналів, геоінформаційно-енергетичних систем, прикладних око-процесорних систем.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Розроблений динамічний оптичний оперативний запам'ятовуючий пристрій на ВОЛ для прикладних оптичних процесорів обробки зображень, око-процесорних систем та оптичних нейрокомп'ютерів суттєво підвищує швидкість проходження інформаційних потоків за рахунок зменшення в 10 раз часових витрат роботи ОЗП.

2. Запропонована структура ДООЗП для двоопераційної буферизації дозволяє підвищити продуктивність та ефективність обміну інформацією між повільнодіючим та швидкодіючим пристроями інформаційно-обчислювальних систем без програмних витрат, що при однаковій ємності буферної пам'яті зменшує ймовірність відмови в 2 рази.

3. Запропоновано аспекти практичного застосування динамічного оптичного оперативного запам'ятовуючого пристрою в системах підготовки та сортування даних інформаційно-обчислювальних систем, що дозволяє використовувати ДООЗП в геоінформаційно-енергетичних системах.

Теоретичні та практичні результати дисертації впроваджено у навчальному процесі на кафедрі "Лазерна та оптоелектронна техніка" ВНТУ при викладанні таких дисциплін, як: "Системи технічного зору і штучного інтелекту", "Теоретичні основи будови|споруди| оптичних обчислювальних машин і систем", "Схемотехніка оптоелектронних і лазерних систем".

Результати дисертаційної роботи впроваджено на Державному науково-виробничому підприємстві “Геосистема”, а саме: оптоелектронна пам'ять на ВОЛ замінила компенсатор швидкості зображення аерофотоапарата; оптоелектронна пам'ять на ВОЛ зберігає еталонне зображення для автоматичного фокусування фотоапаратів панорамних знімків. Техніко-економічний ефект полягає в можливості покращити технічні та функціональні можливості обладнання, що виробляється підприємством.

Результати дисертаційної роботи впроваджено на Державному підприємстві “Кіровоградський науково-дослідний та проектний інститут землеустрою”. Використання результатів роботи надає можливість виправлення геометричних даних вихідних аерофото та космічних знімків земної поверхні шляхом їх ортотранс-формування на горизонтальну площину; створювати тривимірні моделі місцевості з плоских зображень, а також підвищити швидкість передачі в базу даних геоінформаційних систем серверів служби Державного земельного кадастру шляхом передачі зображень земної поверхні в оптичному вигляді. Техніко-економічний ефект полягає в можливості здійснювати функції перетворення картографічних проекцій та систем координат в інші в реальному часі роботи геоінформаційних систем.

Результати дисертаційної роботи впроваджено на підприємстві ТОВ “Джі Пі еС Україна”, а саме: оптоелектронна пам'ять на ВОЛ використовується як буферний запам'ятовуючий пристрій для узгодження передачі інформації супутниковими навігаційними системами по волоконно-оптичним лініям зв'язку, що підвищує швидкість доступу до віддаленого сервера контролю за станом рухомих об'єктів. Техніко-економічний ефект полягає в можливості підвищити швидкість реагування на запити клієнтів, зниження експлуатаційних витрат навігаційних систем.

Особистий внесок здобувача. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: методи формування операційного базису типу “затримка” на ВОЛ для логіко-часових середовищ [1]; реалізація блоків обробки зображень та алгоритм роботи логіко-часового оптоелектронного процесора обробки зображень [2, 7]; аналіз доцільності застосування ВОЛ, оцінювання ринку ВОЛ [3]; організація оптичної оперативної пам'яті оптичних процесорів спеціального призначення [4, 8]; аналіз сучасних перспективних технологій побудови пам'яті на магнітних носіях, FLASH - пам'яті, оптичних запам'ятовуючих дисках, голографічної пам'яті, аналіз альтернативних технологій зберігання даних [5].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і наукові результати, викладені в дисертаційній роботі, пройшли апробацію на науково-технічних конференціях, серед яких: International Conference on Optoelectronic Information Technologies “PHOTONICS-ODS 2000” (м. Вінниця, 2000), III International Conference on Optoelectronic Information Technologies “PHOTONICS-ODS 2005” (м. Вінниця, 2005), 2-а міжнародна науково-технічна конференція “Сучасні проблеми мікроелектроніки, радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування” (м. Вінниця, 2006), міжнародна науково-технічна конференція “Ключові аспекти наукової діяльності” (м. Дніпропетровськ, 2007).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 друкованих праць, з них 6 статей у наукових фахових виданнях, що відносяться до переліку ВАК, 3 роботи опубліковані у збірниках матеріалів конференцій.

Обсяг і структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури (146 найменувань), п'яти додатків. Повний обсяг роботи - 174 сторінки (основна частина - 136 сторінки), рисунків - 68, таблиць - 13.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та задачі досліджень, відзначено наукову новизну та практичну цінність роботи.

У першому розділі зроблено огляд літератури за темою дисертаційної роботи та поставлено задачі дослідження.

У другому розділі розглядаються принципи побудови динамічного оптичного оперативного запам'ятовуючого пристрою (ДООЗП) на ВОЛ. Інформація зберігається у вигляді оптичного цугу, який постійно циркулює по замкнутому кільцю ВОЛ. Для введення/виведення оптичної інформації використовуються швидкодіючі перемикачі (П). Інформація, яка вводиться в ДООЗП - це оптичний імпульс. Будь-яке середовище характеризується дисперсією.

В процесі розповсюдження світловий імпульс деформується. Крім того, швидкість переносу енергії світловим імпульсом може відрізнятись від фазової швидкості. Якщо дисперсія невелика, то деформація форми імпульсу відбувається повільно, можна стежити за переміщенням окремої амплітуди поля в імпульсі та визначити швидкість, з якою вона переноситься. Імпульс E(z,t) можна подати у вигляді Фур'є розкладу:

, (1)

де - амплітуда плоскохвильової складової з хвильовим числом k. Згідно з принципом суперпозиції, інтеграл (1) задовольняє рівняння Максвелла, оскільки плоскі хвилі є їх розв'язком. Параметри w та k пов'язані дисперсійним співвідношенням .

Світловий імпульс характеризується центральною частотою (або хвильовим числом ) та шириною смуги частот з центром . Розкладемо в ряд Тейлора в межах .

(2)

У виразі (2) вважається, що імпульс є вузькосмуговим, тобто .

Підставляючи (2) в (1) отримаємо

, (3)

де - обвідна імпульсу.

З виразу (3) видно, що імпульс розповсюджується із збереженням своєї форми з груповою швидкістю . Це наближення має місце, коли А(k) має яскраво виражений пік при k₀, а частота є повільною функцією k. В протилежному випадку необхідно врахувати наступні складові розкладу (2), але при цьому форма імпульсу не зберігається.

Світловолокно характеризується двома найважливішими параметрами: згасанням та дисперсією.

Вибираючи одномодове волокно, можна позбавитись міжмодової дисперсії. Однак, внаслідок різної швидкості розповсюдження двох взаємно перпендикулярних поляризаційних складових моди в одномодовому волокні, проявляється поляризаційна модова дисперсія . Хроматична дисперсія має нульове значення для одномодового східчастого волокна (SF) на довжині хвилі 1,31 мкм та для одномодового волокна зі зміщеною дисперсією (DSF) - 1,55мкм.

Найменші оптичні втрати в одномодовому волокні виникають при довжині хвилі 1550 нм.

Найпривабливішим є волокно SMF-LS фірми Corning з від'ємним значенням хроматичної дисперсії, що дозволить компенсувати поляризаційну модову дисперсію та зберігати без спотворень форми імпульсу в ДООЗП на ВОЛ. Критерієм вибору оптичного комутатора є максимальна швидкодія, можливість інтегрального виконання. Зазначеним критеріям відповідає електрооптичний комутатор LiNbO₃ з часом перемикання 10 пс.

Відстань, при якій хроматична та поляризаційна дисперсія зрівняються, дорівнює L₀=32,65км. У відповідності з теоремою Ліувіля одномодові волоконні світловоди сумісні з одномодовими планарними, канальними та смужковими оптичними світловодами в інтегральному виконанні. Це дозволяє елемент ДООЗП виконати в інтегральному виконанні. В роботах Шмойлова В. І. розглядаються особливості переходу однорідних середовищ на пластину (кремнієва підкладка діаметром 300-400 мм), що дозволяє реалізовувати на їх основі оптичні обчислювальні системи різного призначення. Розміри пластини фактично визначають розмір кільця оптичного світловода. Якщо прийняти довжину кільця оптичного світловода елемента ДООЗП 32,65см, то діаметр кільця дорівнює 10,4см. Вибраний розмір кільця оптичного світловода дозволяє розташувати його та електрооптичні комутатори на пластині. Таким чином, оптичний імпульс повинен зробити 100000 обертів, щоб пройти відстань 32,65км.

Згасання сигналу залежить від згасання сигналу в оптичному волокні, від втрат сигналу, що вносять електрооптичний комутатор, та втрат на вигін волокна. Згасання сигналу в ДООЗП складають орієнтовно 16дБ. Для повторного зберігання або подальшого використання оптичної інформаційної послідовності потрібно її відновити (регенерація). Для цього використовується SOA підсилювач QSOA-1550 фірми Qphotonics. Для кодування інформаційної послідовності й збереження в ДООЗП доцільно застосувати метод хвильового кодування (“лог.1” -₁, “лог.0” - ₂), який дозволяє підвищити співвідношення сигнал/шум у два рази.

Для роботи з ДООЗП пропонується застосувати фемтосекундний волоконний лазер EFO-150 фірми “Авеста-Проект” з параметрами: тривалість імпульсу - < 100 фс; довжина хвилі - 1560 10 нм; середня потужність -10 мВт.

Нелінійна взаємодія між оптичним сигналом та оптоволоконним середовищем передачі виникають при збільшені потужності оптичного сигналу. Для збереження оптичних імпульсів потрібно використовувати лінійний режим розповсюдження оптичних імпульсів у волокні, який виникає коли Рвх < 10м Вт.

Комірка пам'яті ДООЗП має такі розраховані граничні експлуатаційні параметри: інформаційна ємність-10 Кбіт, організація-10Кбіт х 1, час збереження інформації-100 мкс, тривалість циклу читання/запису -1нс, час доступу при першому звертанні-10пс, темп передачі-10 Тбіт/с, згасання сигналу-16 дБ, довжина хвилі оптичного сигналу 1550 нм, оптична потужність вхідного сигналу-<10 мВт.

Система, що розглядається, по-перше, лінійна й інваріантна в часі, по-друге, дискретна в часі, тому для дослідження процесів в ДООЗП застосуємо метод Z- перетворень. Імпульсна характеристика системи складається з ряду максимумів, які знаходяться на однаковій відстані. Це дозволяє спростити математичний аналіз припустивши, що сигнали в системі існують лише в дискретні моменти часу.

Для сигналу f(k) Z образ F(z) визначається як результат Z-перетворення:

, (4)

де k - часовий індекс, який дорівнює деякому кратному числу від базового часу затримки T (k = nT); z - змінна перетворення, яка представляє собою одиницю часового випередження ( z^-1 відповідає одиниці запізнення).

Зв'язок між вхідними та вихідними сигналами описується передаточною функцією системи. Застосовуючи визначення Z-перетворення (3), знайдемо вираз для передаточної функції H(z) рециркуляційної лінії затримки з двома відгалужувачами (рис.3).

Для системи у якої входом є X₁, а виходом -Y₁

, (5)

де а₁ та а₀ -коефіцієнти зв'язку відгалужувача за інтенсивністю; l₁ - коефіцієнт пропускання контуру системи за інтенсивністю.

Для системи у якої входом є X₁, а виходом -Y₂

, (6)

де l₁₁ - коефіцієнт пропускання світловоду за інтенсивністю в каналі прямого зв'язку.

Втрати енергії в направлених відгалужувачах й оптичних волокнах призводять до появи внесених втрат, які не дорівнюють нулю. Виникає практичний інтерес, яка кількість світлової енергії буде досягати виходу.

Для розрахунку світлового потоку на виході при заданому потоці на вході застосуємо передаточну функцію системи H(z), яка обчислюється за виразами (5), (6). Для цього достатньо врахувати, що світловий потік пропорційний нульовій складовій спектра (f=0) в смузі частот модуляції. В передаточній функції їй відповідає z = 1 (). Отримаємо таке співвідношення між значеннями світлового потоку на вході й виході системи:

, (7)

де , - світловий потік відповідно на виході та вході системи.

Таким чином, відношення вихідного світлового потоку до вхідного дорівнює значенню передаточної функції при z = 1:

. (8)

Для елемента пам'яті, який побудований на рециркуляційній лінії затримки з двома відгалужувачами, маємо:

, (9)

де - ефективність в випадку, коли X₁ є входом , а Y₁ виходом; - ефективність в випадку, коли X₁ є входом, а Y₂ виходом; a₁, a₀ - коефіцієнти зв'язку відгалужувачів за інтенсивністю; l₁ - коефіцієнт пропускання кільця світловоду за інтенсивністю; l₁₁ - коефіцієнт пропускання світловоду за інтенсивністю в каналі прямого зв'язку.

Якщо використовувати перший направлений відгалужувач для введення інформаційної послідовності (вхід Х1), а другий для виведення збереженої оптичної інформаційної послідовності (вивід Y2), то коефіцієнти зв'язку відгалужувачів за інтенсивністю a₀ та a₁ повинні бути як можна меншими.

Якщо використовувати перший направлений відгалужувач для введення інформаційної послідовності (вхід Х1) та для виведення збереженої оптичної інформаційної послідовності (вивід Y1), то коефіцієнт зв'язку за інтенсивністю першого відгалужувача a₁ повинен бути якомога більшим, а другого відгалужувача a₀ повинен бути якомога меншими.

У третьому розділі розглядається структурна організація систем пам'яті на ВОЛ. Паралельно-послідовна структура є сукупністю накопичувальних регістрів (HP), об'єднаних одним загальним або окремими регістрами введення і виведення для запису і зчитування. Інформаційна послідовність, що поступає на вхід, записується в НР паралельно, по одному біту в кожен.

У інформаційних структурах з окремими регістрами введення/виведення з НР на вихід передається копія вибраного блока інформації і не витрачається час на його відновлення. Залежно від способу стирання інформації в режимі запису розрізняють два типа таких структур: НР пов'язані з регістром виведення за допомогою реплікаторів - перемикачів (Р/П), а з регістром введення - за допомогою однонаправлених перемикачів (П); НР пов'язані з регістром виведення за допомогою реплікаторів (Р), а з регістром введення - за допомогою обмінних перемикачів (ОП). Середній час доступу Тд = LT/2.

Ієрархічні інформаційні структури включають дві або декілька послідовно сполучених ступенів, що складаються з набору НР. Інформаційний обмін між ступенями ієрархічної структури краще здійснювати інформаційними сегментами, рівними по ємності вищого ступеня ієрархії, що з технічної точки зору легше реалізуються. У матричній структурі ЗП шини керування елементів пам'яті (ЕП), включені послідовно по горизонталі і вертикалі матриці. Вибірка інформації виконується за збігом двох груп координатних сигналів, що подаються у вертикальні і горизонтальні шини матриці. Як ЕП використовується структура. Пам'ять на ВОЛ представляє запам'ятовуючий пристрій послідовного типа, в якому інформація під час роботи постійно переміщується. У зв'язку з цим для звернення до запам'ятовуючого пристрою необхідна спеціальна система адресації. Розрізняють два способи організації адресації ЗП: зберігання адрес сумісне з інформаційними блоками і пошук адреси за спеціальним маркером.

Розміщення інформації в ЗП на ВОЛ характеризується розподілом логічних адрес за реальними фізичними адресами інформаційних блоків і розподілом інформації, що надходить за логічними адресами. Фізичні адреси в ЗП розташовуються послідовно по накопичувальних регістрах. Для зменшення часу виконання багатоблокових звернень використовують спеціальний розподіл за фізичними адресами логічних адрес, що задаються ззовні (системою або користувачем) при зверненні.

В ЗП на ВОЛ з послідовно-паралельною структурою можливі два способи розподілу логічних адрес за фізичними: послідовний і “через інтервал”. Послідовний розподіл логічних адрес за фізичними визначає багато часу багатоблокових звернень через довге очікування наступного блока. Проте послідовний розподіл забезпечує відносну простоту адресації через відсутність необхідності перетворення адрес. При розподілі логічних адрес за фізичним через інтервал послідовні логічні адреси розташовуються на фіксованій відстані одна від одної. Для мінімізації часу відновлення перерваних багатоблокових звернень довжина інтервалу повинна бути не менша відстані від останнього перемикача до джерела сигналу. При цьому довжини НР і інтервалів повинні виражатися взаємно простими числами, інакше не всі фізичні адреси ставляться у відповідність логічним і корисна ємність пам'яті використовується не повністю.

Стратегія розміщення інформації, що поступає за логічними адресами, може істотно впливати на середній час пошуку інформації в ЗП, оскільки він дорівнює:

, (10)

де - час пошуку i-ї адреси; - ймовірність звернення до i-ї адреси, яка визначається розподілом ймовірностей вибірки за логічними адресами.

Інформація, що має рівномірно спаданий розподіл ймовірності вибірки Pi=2(n+1-i)/n(n+1) буде мати для ЗП на ВОЛ середній час пошуку інформації

. (11)

У випадку довільного розташування інформації ймовірність попадання i-й інформації в j-у адресу дорівнює 1/n, середній час пошуку інформації:

. (12)

Таким чином, оптимальне розміщення інформації в ЗП на ВОЛ дозволяє зменшити середній час пошуку інформації майже в 1,5 раза.

З урахуванням структури накопичувача і характеру обміну (довжина інформаційного блока, час доступу до необхідної адреси і швидкість передачі даних) використовують різні способи відображення віртуальних (логічних) адрес інформаційних блоків на фізичні адреси накопичувача. В накопичувачах з послідовно-паралельною структурою залежно від організації накопичувача і довжини блока можливі три способи подання інформаційного блока: 1) односторінковий; 2) кратносторінковий; 3) різноформатний.

Проведений розрахунок узагальненого критерію якості дозволяє чітко визначити переваги ДООЗП на ВОЛ над сучасними модулями динамічної пам'яті, які основані на концепції каналу даних - RDRAM.

У четвертому розділі розглядались аспекти практичного застосування ДООЗП на ВОЛ. Проводились дослідження впливу поляризаційної модової дисперсії та рівня оптичної потужності на якість зберігання інформації в елементі пам'яті на ВОЛ. Пакет моделювання OptSim 4.02 показав, що вплив поляризаційної дисперсії потрібно компенсувати, що дозволяє зробити волокно типу SMF-LS; при перевищенні рівня 10мВт оптичної потужності, що вводиться в волокно, виникає нелінійний режим роботи ВОЛ, який призводить до спотворення інформації, що зберігається.

ДООЗП використовуються як буферну пам'ять для узгодження пристроїв з різною швидкістю обміну інформацією. В структурному плані двоопераційний буфер представляє пам'ять на двох ДООЗП, кожна з яких керується окремо, завдяки чому запис та зчитування можуть бути суміщені в часі. При цьому швидкість запису та зчитування можуть суттєво відрізнятись та змінюватись в широкому діапазоні. Вхідна інформаційна послідовність підсилюється блоком Ain та поступає на передавальний оптичний модуль (ПОМ).

Направлений відгалужувач (НВ1) оптичну інформаційну послідовність передає на один з ДООЗП. Вихідний направлений відгалужувач (НВ6) Y-типу передає оптичну інформаційну послідовність на фотоприймальний модуль (ФПМ), яку підсилює блок Aout. Роботою двоопераційного буферного пристрою здійснює блок керування (БК), який виробляє такі сигнали: y₁- вибір ДООЗП1 або ДООЗП2; y₂, y₃ - запис до буфера; y₄, y₅ - зчитування з буфера в залежності від сигналів “Чит” (читання) або “Зап” (запис). Після заповнення половини пам'яті буфера виробляється сигнал зайнятості z₁, який попереджає процесор про можливість зчитування інформації з буфера. З моменту появи сигналу z₁ БК переключає НВ1 на вільну половину буфера.

При роботі ГІЕС виникає необхідність доступу до даних за їх значенням, що реалізується застосуванням асоціативної пам'яті. Недоліком асоціативної організації пам'яті є її висока вартість. Пам'ять, що організована блоками дозволяє зберегти переваги асоціативної пам'яті при прийнятній вартості.

Коли елемент пам'яті обробляється механізмом читання -- запис, над його вмістом виконуються логічні операції асоціативної обробки (AL). При цьому відбувається одночасне виконання операцій не над вмістом всіх елементів пам'яті, а над вмістом групи елементів, узятих по одному з кожного блока, причому в межах кожного блока елементи пам'яті обробляються послідовно. Привабливою межею такого способу організації пам'яті є те, що він надає широкі можливості для модифікації структури подібної пам'яті, виходячи з вимог її вартості, швидкодії, необхідних характеристик зберігання даних і виконання логічних операцій.

Схема пристрою дозволяє ефективно проводити обробку великих (10¹⁰-10¹² біт) масивів інформації. Він містить М шарів, кожен шар містить N записів, кожен з яких включає змінне число полів Р. Пристрій обробки здійснює дві основні операції: асоціативний пошук й сортування даних. Пристрій дозволяє отримати паралельний доступ до інформації, а також можливість здійснювати її зберігання та обробку в одному середовищі, що виключає велике число пересилань даних між зовнішньою пам'яттю та процесором.

Складність реалізації оптоелектронних інтегральних схем пам'яті для волоконно-оптичних систем параллельно-ієрархічного перетворення інформації, ГІЕС, нейроподібних мереж полягає в створенні технологій, сумісних з традиційною планарною технологією мікроелектронних пристроїв і забезпечуючих високий ступінь інтеграції оптоелектронних компонентів без зниження їх основних параметрів. Оптоелектронні інтегральні схеми пам'яті потрібно реалізовувати на основі суміщених структур арсеніду галію і кремнію (GaAs/Si). Використання іонних нанотехнологій дозволяє створювати складні оптоелектронні багатоканальні системи матричного типу на основі гібридних оптоелектронних схем. Це істотно підвищує надійність і знижує вартість, роблячи волоконно-оптичну техніку придатною для масових застосувань в ГІЕС, око-процесорних системах, інформаційно-обчислювальних системах паралельно-ієрархічного та нейроподібного типу.

Висновки

У дисертаційній роботі отримано такі основні результати.

1. Розроблено принципи побудови та технічної реалізації динамічної оптоелектронної пам'яті на ВОЛ. Базовим елементом є ЗП кільцевого типу на ВОЛ, в якому інформація циркулює у вигляді цуга оптичних імпульсів по замкнутому волоконному контуру. Для зменшення оптичних втрат використовується робочий діапазон - 1550 нм, для компенсації поляризаційної модової дисперсії - волокно NZDSF типу SMF-LS, для відновлення рівня оптичного сигналу - SOA підсилювач, для введення/виведення оптичних сигналів - електрооптичний направлений відгалужувач. Для роботи з оптоелектронною пам'яттю на ВОЛ рекомендується застосовувати фемтосекундний волоконний лазер та метод хвильового кодування. Застосування ВОЛ дозволяє підвищити швидкість проходження інформаційних потоків за рахунок зменшення в десять разів часових витрат роботи ОЗП.

2. Одержана математична модель функціонування динамічної оптоелектронної пам'яті на ВОЛ дозволила отримати передаточні характеристики та розрахувати світлову енергетичну ефективність оптичного елементу пам'яті на ВОЛ.

3. Запропоновано структури динамічної оптичної пам'яті на ВОЛ для застосування в проблемно-орієнтованих оптичних інформаційно-обчислювальних системах.

4. Розроблено методи адресації та розміщення інформації в пам'яті на ВОЛ, що дозволило використовувати структури динамічної оптичної пам'яті на ВОЛ для задач розпізнавання образів, обробки та передачі сигналів, створення асоціативної пам'яті при організації баз даних, для геоінформаційно-енергетичних систем, прикладних око-процесорних систем.

5. Запропонована структура застосування ДООЗП для двоопераційної буферизації дозволяє підвищити продуктивність та ефективність обміну інформацію між пристроями інформаційно-обчислювальних систем з різною швидкістю обміну без програмних затрат, що при однаковій ємності буферної пам'яті зменшує ймовірність відмови в 2 рази.

6. Запропоновано аспекти практичного застосування динамічного оптичного оперативного запам'ятовуючого пристрою в системах підготовки та сортування даних інформаційно-обчислювальних систем, що дозволяє використовувати ДООЗП в геоінформаційно-енергетичних системах.

7. Сформульовано рекомендації та вимоги до створення наноструктур пам'яті для застосувань в геоінформаційно-енергетичних, око-процесорних, робото-технічних системах, інформаційно-обчислювальних системах паралельно-ієрархічного та нейроподібного типу.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кожем'яко В. П., Колесницький О. К., Цирульник С. М., Василецький С. А. Особливості функціонального операційного базису типу “затримка” для логіко-часових середовищ // Вісник Вінницького політехнічного інституту.-2000.-№4.- С. 72-76.

2. Кожем'яко В. П., Лисенко Г. Л., Цирульник С. М. Архітектура логіко-часового оптоелектронного процесора обробки зображень // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2004. - №1(7). - С. 103-110.

3. Кожем'яко В. П., Лисенко Г. Л., Цирульник С. М., Грабовський Ю. П. Тенденції розвитку і рівень сучасних науково-технічних проблем в волоконно-оптичних системах зв'язку // Вісник Вінницького політехнічного інституту.-2000.-№6.- С. 85-94.

4. Кожем'яко В.П., Лисенко Г.Л., Цирульник С.М. Організація оперативної пам'яті багатофункціонального паралельного процесора // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2005. - №2(10). - С. 80-86

5. Кожем'яко В.П., Цирульник С.М., Кожем'яко К. В. Віртуальні складові інтелектуальної око-процесорної розподіленої геоінформаційно - енергетичної системи // Оптико-електронні інформаційно-енергетичні технології. - 2005. - №1(9). - С. 89-116.

6. Цирульник С. М. Застосування оптичної пам'яті на ВОЛЗ в системах підготовки та сортування даних інформаційно-обчислювальних систем// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 2006. - №1. - С. 32-36.

7. Kojemiako V., Lysenko G., Tsirulnik S. Architecture of the logic-hour optoelectronic processor // International Conference on Optoelectronic Information Technologies “PHOTONICS-ODS 2000”. - Вінниця: Універсум-Вінниця.- 2000. - С. 60.

8. Кожем'яко В. П., Лисенко Г.Л., Цирульник С. М. Організація багатофункціонального паралельного процесора з оперативною пам'яттю // Матеріали III International Conference on Optoelectronic Information Technologies “PHOTONICS-ODS 2005”. - Вінниця: Універсум-Вінниця.- 2005. - С. 56-57.

9. Цирульник С. М. Інформаційні запам'ятовуючі структури на ВОЛЗ // Матеріали ІІ міжнародної конференції “Сучасні проблеми мікроелектроніки, радіоелектроніки, телекомунікацій та приладобудування - 2006”. - Вінниця: Універсум-Вінниця.- 2006.- С. 112-113.

Анотація

Цирульник С. М. Розробка принципів побудови і структурної організації динамічної пам'яті на волоконно-оптичних лініях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Вінницький національний технічний університет, Вінниця. - 2007.

Дисертація присвячена розробці принципів побудови динамічного оптичного оперативного запам'ятовуючого пристрою (ДООЗП) на волоконно-оптичних лініях зв'язку (ВОЛ) та організації структур систем оптичної пам'яті на ВОЛ. Запропоновано фізико-технічні основи побудови ДООЗП на ВОЛ, які підтвердили можливість надійного зберігання інформації й дозволяють підвищити швидкість доступу до оптичної інформації. Проаналізовано паралельно-послідовні, ієрархічні, матричні структури пам'яті на ВОЛ. Розроблено способи адресації та розміщення інформації в пам'яті на ВОЛ. Проаналізовані способи представлення інформаційних блоків, способи відображення логічних адрес інформаційних блоків на фізичні адреси ДООЗП на ВОЛ і запропоновано особливості їх застосування. Основні результати роботи знайшли промислове впровадження при проектуванні нових типів оптоелектронних приладів та систем з поліпшеними технічними характеристиками.

Ключові слова: динамічна оптична пам'ять на ВОЛ, структури оптичної пам'яті, організація пам'яті, інформаційні блоки.

Аннотация

Цирульник С. М. Разработка принципов создания и структурной организации динамической памяти на волоконных оптических линиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Винницкий национальный технический университет, Винница. - 2007.

Диссертация посвящена разработке принципов создания динамического оптического оперативного запоминающего устройства (ДООЗУ) на волоконных оптических линиях (ВОЛ) и организации структур систем оптической памяти на ВОЛ.

Проведен анализ современного состояния и основ построения технических средств памяти, способов реализации оптической оперативной памяти. Отмечены преимущества применения оптической памяти в информационно вычислительных системах новых поколений.

Проведен анализ распространения оптического сигнала в ВОЛ и определены условия, которые необходимо обеспечить для хранения предельно коротких световых импульсов в ДООЗУ на ВОЛ. Проведен анализ современных волоконно-оптических линий, оптических коммутаторов, оптических усилителей, которые позволяет практически реализовать быстродействующее ДООЗУ на ВОЛ.

Разработан базовый элемент ДООЗУ на ВОЛ, который может хранить как аналоговую, так и цифровую оптическую информацию. Рассчитаны предельные эксплуатационные характеристики базового элемента и приведены рекомендации по его применению.

Разработана математическая модель и эквивалентная схема ДООЗУ на ВОЛ, которая позволяет получить передаточные функции модели исследований. Проведен анализ световой энергетической эффективности базового элемента ДООЗУ на ВОЛ.

Рассмотрена структурная организация параллельной памяти оптических систем, которая может быть реализована на оптических элементах памяти с применением ВОЛ.

Предложены структуры динамической оптической памяти на ВОЛ для применения в проблемно-ориентированных оптических информационно-вычислительных системах.

Разработаны методы адресации и размещения информации в структурах оптической памяти на ВОЛ.

Проанализированы способы представления информационных блоков, способы отображения логических адресов информационных блоков на физические адреса ДООЗУ, что позволяет использовать результаты для проектирования систем оптической памяти быстродействующих оптических электронных устройств.

Произведена оценка эффективности применения ДООЗУ на ВОЛ.

Проведено компьютерное моделирование влияние поляризационной модовой дисперсии и уровня оптической мощности на качество хранения информации в элементе памяти на ВОЛ.

Разработана структурная схема двухоперационного буфера на волоконно-оптических структурах для согласования скорости передачи данных в компьютерных системах, которая позволяет при одинаковой ёмкости буферной памяти уменьшить вероятность потери информации.

Предложены аспекты практического применения ДООЗУ для подготовки и сортировки данных информационно-вычислительных систем, что позволяет использовать ДООЗУ в геоинформационно-энергетических системах.

Приводятся физико-технологические основы создания наноструктур памяти. Предложена технология изготовления оптоэлектронного микропроцессора с памятью, которая позволяет создавать более сложные оптоэлектронные многоканальные системы матричного типа на основе гибридных оптоэлектронных схем.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы подтверждаются соответствующими выводами и актами внедрения.

Ключевые слова: динамическая оптическая память на ВОЛС, структуры оптической памяти, организация памяти, информационные блоки.

Summary

Tsirulnik S. M. Development of principles of construction and structural organization of dynamic memory on fiber-optic lines. - Manuscript.

Thesis for Ph. D. degree by the specialty 05.13.05 - elements and devices of the computer techniques and control systems. - Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia. - 2007.

The thesis is devoted to elaboration of the principles construction of dynamic optical memory device (DOMD) on fiber-optic lines and organization of structures of the systems of optical memory lines. The physic technical bases of construction of DOMD are offered on fiber-optic lines confirmed possibility of reliable storage of information and allow to promote speed of access to optical information. Parallel-serial, hierarchical, matrix patterns of memory were analyzed. Methods of presentation of informative blocks, methods of the logical addresses mapping of informative blocks in the physical addresses of memory on fiber-optic lines and offered features of their application were analyzed. Fundamental performances found industrial introduction at designing of new types of optoelectronic devices and systems with the improved technical descriptions.

Keywords: dynamic optical memory on fiber-optic lines, structures of optical memory, organization of memory, informative blocks.

Размещено на Allbest.ru

...