走近光学计算机

目前,光学计算机研究集中在追求高速度、追求二维数据并行处理和追求整机效率3个分支.介绍了各分支的研究热点和主要难点.通过对比,表明追求整机效率的三值光学计算机(ternary optical computer,TOC)具有较好的可实现性,进而详细介绍了这种光电混合型计算机所具有的数据位众多、光学处理器可重构、处理器易扩展和能耗低等特点,以及基于这些特点所产生出的解决复杂问题的新思想或新算法.还介绍了三值光学计算机的用户可见结构、联机操作方法、编程操作方法,以及在并行程序中的使用方法和硬件扩充方法,并通过举例,介绍了众多数据位数和光学处理器可重构性的应用.所涉及的实例均结合正在上海大学计算机工程与科学学院构建的,面向应用研究千位三值光学计算机实验系统展开讨论.     

三值光学处理器三模冗余表决系统设计与实验

计算机处理器的可靠性设计非常重要.设计了三值光学处理器(ternary optical processor, TOP)三模冗余(triple module redundancy, TMR)光电表决系统,针对三值光学处理器运算单元设计了光电表决器,提出了在三值光学处理器上构建表决系统架构的具体步骤.对于一位的三值光学处理器,设计并测试了108个表决实验用例,并对m位的重构运算器的可靠性进行了简要分析.实验结果与可靠性分析表明,针对三值光学处理器进行三模冗余表决的方案,能有效提高系统的可靠性及运行效率.     

三值光学计算机解码器中并行感光阵列的设计

介绍了针对数千位的三值光学计算机解码器而设计的一款并行感光阵列。在整体规划上, 采用了将16个感光单元电路集成为一个感光模块, 再用多个感光模块拼接成实用的并行感光阵列之策略. 设计的感光单元电路将三值光学处理器一个像素输出的光信号转换成对应的电信号, 一个感光模块将三值光学处理器16个像素输出的光信号并行转换成对应的电信号,感光阵列将三值光学处理器的数千个像素输出的光信号并行转换成对应的电信号. 设计的感光模块封装外形解决了拼装成大规模感光阵列的问题. 该模块为三值光学计算机提供了一个成本低、方便维护及更换的并行光电器件. 最后介绍了对感光模块中电路的实验研究和对模块外形拼接性能的实物样板测试, 实验证实了所设计电路的功能有效性和性能稳定性, 样板测试表明该设计的感光模块封装外形适于拼接.     

三值光学计算机SD11解码器的实现及改进

介绍了一款用于三值光学计算机应用研究系统SD11的三值光学解码器的设计及实现.该解码器的硬件包含4个摄像头、1个嵌入式系统和1个专门设计的摄像头和嵌入式系统的转接板.通过该转接板,实现了在软件操控下用1个嵌入式系统分时控制4个摄像头完成拍照的技术.该解码器包含了已有的数据存储技术、阈值判断技术和三值数据生成技术.对这些技术进行了必要的整合,进而形成了实际可用的解码器核心软件.该软件与获取光学处理器输出画面的过程无关,因此可作为未来商业化三值光学计算机解码技术的重要基础.通过实验研究了三值光学解码器的功能及其对环境变化的适应性,并很好地解决了当信号线长度超过1.2 m时图像质量下降的问题,使该解码器达到了在SD11中使用的要求,为促进三值光学计算机进入应用领域提供了条件.     

运算-数据文件——应用三值光学计算机的关键技术

介绍编写三值光学计算机应用程序的关键技术.首先将运算规则和大量原始数据合并在一个特殊文件中,然后在应用程序中使用专门的扩充指令将该文件送至三值光学计算机进行处理.这个特殊文件被称为运算-数据文件(简称SZG文件).采用一个多心洋葱图描述了拥有电子处理器和三值光学处理器的异构系统编程平台,该平台能体现SZG文件的重要作用.介绍了SZG文件的起源、发展、SZG文件的格式和生成方法,以及对程序语言的必要扩充.最后通过一个具体示例,介绍使用SZG文件的过程,并在三值光学计算机软件模拟系统中对该示例进行了测试.测试结果表明,所编制的应用程序运行正常,计算结果正确.这种编程技术对建立包含多种类处理器之异构系统的编程环境有很好的借鉴作用.     

针对三值光学计算机的C语言扩展

为了将三值光学计算机(ternary optical computer,TOC)数据位众多和光学处理器硬件可重构性这两个特点应用于高级语言程序中,提出并实现了针对三值光学计算机的C语言扩充技术.该技术中的用户可见部分包括一组C语言扩充语句和一个用户运算请求文件自动生成软件模块,其中扩充语句采用C语言函数的书写方式,并采用专用字头SZG_;运算请求文件自动生成软件模块将用户在给定界面中送入的运算方式和输入数据自动转换成预先制定的数据文件格式,生成SZG文件.三值光学计算机返回的运算结果会自动保存在与运算请求文件相同的目录下,且文件名由对应的运算请求文件名加后缀R.SZG组成.用户不可见部分包括:对扩充指令的编译进程、SZG文件生成机制、运算请求状况记录进程、运算结果接收进程和三值光学计算机端服务进程.使用该技术,用户不必改变编程习惯,可直接在C语言程序中使用三值光学计算机.该技术已在由PC机和嵌入式系统组成的三值光学计算机模拟环境中进行了实验,实验结果表明,该技术行之有效.     

三值光学计算机自动解码器

解码器是三值光学计算机(ternary optical computer, TOC)中负责将运算器输出的结果从三值光信号变换成对应的电信号的部件. 根据现有三值光学计算机的实际状况, 实现了一款自动千位三值光学计算机解码器系统.该系统由4 个数码摄像头和嵌入式系统组成: 利用摄像头采集三值光学处理器输出的运算结果的图像, 由嵌入式系统处理这些图像以获得运算结果的数值. 嵌入式系统中的软件包括拍照控制、数值生成和输出控制三个主要部分.创建的地址定位技术可解决运算器输出图像与摄像头拍摄图像在像素数量上差别过大的问题. 提出并实现的降蓝技术可解决蓝光对液晶暗状态的严重干扰问题. 建立的自检机制可提高解码结果的准确性和可靠性.     

三值光学计算机的40位乘法例程

针对三值光学计算机的特点, 利用其运算器可重构、数据位数众多、MSD 加法器无进位延时等优点, 设计并实现了一种用于三值光学计算机的40 位乘法例程. 该例程采用三值光学计算机中通用的MSD数表示数值, 通过三值逻辑中的M变换产生部分积, 再运用两两相加迭代的计算方法对部分积进行了MSD加法求和, 得到乘积, 其中M变换采用了一种比较特殊的快速变换实现方案, 而部分积的MSD 加法求和则采用流水技术来实现. 详细给出了这个乘法例程的具体实现步骤和模拟实验细节, 并与电子计算机中类似的乘法器做了运算复杂度对比分析.     

上海大学计算机工程与科学学院

学院概况上海大学计算机工程与科学学院前身为1988年由上海工业大学计算机工程系和上海科技大学计算机科学系联合成立的计算机学院。该学院是在钱伟长校长亲切关怀下成立的上海市高校中第一个计算机学院。院长由著名计算机专家、中国工程院院士李三立教授担任。1994年,随着新上海大学的诞生,联合成立的计算机学院正式命名为上海大学计算机工程与科学学院,原上海大学计算机应用系和上海科技高等专科学校计算机系也一起并入。     

矩阵方法处理与偏振无关光隔离器(PIFIs)问题

将几何光学变换矩阵与琼斯矩阵结合起来，设计了一种新的处理偏光器件光线变换的矩阵方法，既能处理光线的空间位置变化，又能表示出其偏振态变化，将其运用于与偏振无关光隔离器问题中，可以替代传统的图示法，运算过程简单，便于运用计算机处理。     

耀变体的偏振与核主导系数

收集了一个具有光学和射电偏振的blazar样本,讨论了光学和射电偏振与喷流参数之间的关系.第一,蝎虎天体(BL Lac object,BL Lac)的偏振高于平谱射电源(Flat Spectrum Radio Quasar,FSRQ)的偏振, 核主导系数R和比率f都正比于本征射电和光学偏振;第二,基于该样本, 可得喷流是球型的;第三,BL Lac和FSRQ具有相似的本征偏振与喷流参量(log R和f)的关系.     

基于M/M/1排队系统的三值光学计算机任务服务模型

确保QoS是三值光学计算机在商业上成功的关键因素。在分析三值光学计算机任务管理系统各模块的基础上,基于M/M/1排队系统和串联队列以及先到先服务策略建立其服务模型。用系统平均响应时间分析和评价三值光学计算机性能。研究结果发现平均响应时间随任务到达率和运算量的增加而增加,随网络传输率的增加而减少;运算量和网络传输速度是影响系统平均响应时间的瓶颈。因此,提出的模型对实用的三值光学计算机任务管理系统的设计具有指导意义。     

三值光学计算机的初始SZG文件生成软件

SZG文件是用户在高级语言程序中使用三值光学计算机(ternary optical computer,TOC)的编程平台,其功能相似于在Open ACC程序中使用的GPU和MIC等加速器,但与Open ACC的编程思想和实现方法完全不同.更重要的是,SZG文件是目前程序员表达对处理器位数资源分配要求和对处理器硬件计算功能重构要求的唯一方法,也很容易被程序员理解和使用.给出了生成初始SZG文件的理论和算法,介绍了相应的生成软件.该软件实现了对初始SZG文件的暂存和对操作数的追加,并通过设置一个操作数定时器,实现了对已输入操作数的定时存储.在使用这个软件的过程中,用户不必了解文件格式及其被TOC处理的过程,就能生成正确的SZG文件,进而在应用程序中通过该SZG文件使用TOC对大批量原始数据进行快速的并行计算.通过对该软件进行测试,并以生成包含两种简单运算类型的初始SZG文件为例,对使用该软件的具体过程进行了简要说明.测试结果证实了该软件的有效性及正确性.     

虚拟光学系统的制作和使用

介绍了用计算机和矩阵光学方法,虚拟可视的光线光学和偏振态变换光学系统.从而简便快捷地实现对一个实际光学系统的各种模拟处理、计算及对光学系统特性参数进行分析.     

三值光计算机高数据宽度的管理策略

光学计算机必将拥有很高的数据宽度,以刚刚建成的360位三值光计算机运算器模型为背景,就高数据宽度的管理问题提出了6项基本策略.为建立这些策略,定义了算位、算道、算位类型和算道类型等新概念.这组管理策略借鉴了现行计算机操作系统管理内存的一些基本思想,使其可实现性有了基本保证.     

矩阵光学中的琼斯矩阵方法与其在偏振光中的应用

分析和探讨了线偏振光、椭圆(圆)偏振光和常用起偏方法与偏振光学器件以及矩阵光学中的琼斯矩阵方法,结合一些实例的计算与分析,探讨了偏振光的叠加与合成和偏振光通过组合偏振光学器件后出射光的偏振态,进一步分析和探讨了琼斯矩阵在偏振光中的应用.     

光波偏振态的相干矩阵表示及变换的研究

为从物理本质上揭示光波偏振态、偏振的叠加、混合和传播等概念和应用,利用相干矩阵方法分析光波偏振态。深入探讨了几种特殊意义情况下光波相干矩阵的特点及其可能的合成方式。选择部分偏振态通过线性光学元件和以布儒斯特角入射介质分界面时透射光偏振特性分析的典型例子,揭示了光波偏振态的变换问题。并在邦加球中以图解形式表示光波偏振态的几种合成形式及相干矩阵传输前后的偏振态变换。图解法使物理量的代数表示几何化,能更形象地描述偏振态的物理意义。分析表明,完全描述光波的偏振特性需要相干矩阵的本征值和本征态共同表征。     

活动星系核的偏振

以赛弗特星系为例,考虑活动星系核的物质成分和特殊几何结构,通过建立电子散射模型来研究活动星系核的光学偏振,给出与观测结果相一致的偏振值,以及偏振度随视角变化的特性,对进一步研究活动星系核的统一模型有一定意义.     

可见光消偏振介质分光薄膜的研制

在现代光学测试和光学应用中,基于分束镜的分光效率特点,研制出了一种高稳定性的介质消偏振分光膜。光消偏振介质分光薄膜采用了等效折射率和等效厚度的选材方式,并对高低折射率材料的匹配进行了优化处理,得到了高低折射率材料组合的优选结果。发现了中心波长对消偏振分束镜的反射光与透射光影响的因素,探讨了一种低误差灵敏度的高稳定性介质分光膜设计方法,其特点是膜系结构简单,易于批量生产,并研制出较为理想的宽波段与广角度变化的中性介质分光膜。     

基于平面镜多次异面反射调制激光偏振的理论设计

激光是通过系统传播的光子受激发射放大光而产生,激光以其高亮度、高单色性、高方向性和高相干性等特点,在通信、材料处理、图像记录、医学、数据存储和国防等方面做出了重大贡献.偏振是一种最重要的光学调制,常常用于现代激光技术、成像系统、光信息处理等领域.激光偏振调制是利用光学元器件对激光的偏振态和偏振方向进行调整和改变.激光偏振调制广泛应用在光波导、大地通信、光栅光学光刻等技术方面,目前常见的调制激光偏振的方法是使用偏振片或半波片进行调制,但使用偏振片调制激光偏振时存在严重的光强衰减,激光的利用率大大降低;而使用半波片调制激光偏振时,每一种型号的半波片对应一个光波波长.可见光波段的半波片比较常见,型号种类也较为丰富,但紫外光波段的半波片还比较稀少,且半波片的价格也十分昂贵,这些都导致了传统调制激光偏振方法存在诸如价格高、利用率低、工作范围小等不足.也有一些科研工作者利用光栅镜或复杂的理论论证,提高激光光源的偏振度,但这些方法相对较复杂,对工艺要求高.本文理论设计了一种基于平面镜多次异面反射的激光偏振调制装置,实现对激光偏振方向的成功调制.利用平面镜多次异面反射改变激光的偏振方向,从而实现对激光偏振方向从TE偏振到TM偏振以及从TE偏振到TE偏振的成功调制.该装置具有宽光波段工作、成本低廉等优势.