Способ и система выполнения распределенных операций счета и суммирования чисел с применением аналого-цифровых преобразователей уровня оптических сигналов
METHOD AND SYSTEM OF THE NUMBERS COUNTING AND SUMMING DISTRIBUTED OPERATIONS EXECUTION WITH APPLICATION OF THE OPTICAL SIGNALS LEVEL ANALOG TO DIGITAL CONVERTERS

Изобретение относится к разделу вычислительной техники, в частности к способам и техническим средствам, выполняющим операции поиска и обработки информации в больших массивах данных, может быть использовано при создании многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем с устройствами, объединяемыми оптическими средствами связи, и направлено на ускорение распределенных операций счета и суммирования.
Известен использованный в качестве прототипа способ, опубликованный в статье: Стецюра Г.Г. Компьютерная сеть с быстрой распределенной перестройкой своей структуры и обработкой данных в процессе их передачи (Журнал Проблемы управления, №1, 2017). http://pu.mtas.ru/archive/Stetsyura_117.pdf
Этот способ отличается следующими положительными качествами. В прототипе рассмотрены способ и система, объединяющая оптическими беспроводными связями большое количество компьютеров (далее объектов), которые обеспечивают быстрое взаимодействие объектов при поиске и обработке больших объемов данных, в частности при выполнении распределенных операций счет и суммирование.
i
j
В прототипе система имеет три вида устройств (узлов): объект, модуль связи, системный информатор. Здесь и далее будем обозначать объект с номером i как O, модуль связи с номером j как MS, системный информатор как SI. Если не потребуется различать MS и SI, то будем их обозначать как модули связи MS.
Объект выполняет внутренние для него действия (вычисления, хранение данных), требуемые решаемой объектом задачей. Он также выполняет действия по организации взаимодействия узлов сети. Объект посылает модулям связи и получает от них оптические сигналы. Сигналы могут быть нескольких типов, различающихся качественно, например, частотой. Узел не различает поступающие к нему одновременно сигналы одного и того же типа.
Для взаимодействия узлов используются сигналы - импульсный, длящийся известное всем узлам сети время, и непрерывный, длительность которого переменная и определяется источником сигнала.
Объект посылает узлам сообщения - специальным образом организованные последовательности оптических сигналов.
1
2
2
1
Модуль связи MS получает сигналы от объекта и, используя ретрорефлктор, отражает без задержки каждый поступающий сигнал его источнику. MS использует поступающие к нему импульсные или непрерывные сигналы одного типа для модуляции ими сигналов другого типа. Так, пусть группа объектов посылает в конкретный MS непрерывные сигналы типа ƒ, и один из объектов посылает дополнительно сообщение сигналами ƒ. Пусть MS разрешено модулировать сигналами ƒ сигналы f, копируя последними поступающее сообщение. Тогда это сообщение получат все объекты группы. Таким образом, MS не создает новые сигналы, для связи между объектами он использует только сигналы объектов.
Объект использует демультиплексор, который посылает сигналы любому MS сети, выбранной им в текущий момент группе MS или всем MS сети, информатору.
1
1
2
1
Объект посылает в MS оптический сигнал *ƒ, наличие которого запретит возврат объектам сигнала ƒ. Модуль MS имеет элемент памяти. Объект посылает в MS оптические сигналы *ƒ и *ƒ для перевода элемента памяти в состояние «включен / выключен» соответственно. В состоянии «включен» MS запрещен возврат полученного от объектов сигнала ƒ.
2
1
2
si
Системный информатор отличается от MS только тем, что он при получении сигнала ƒ вместо сигнала ƒ, модулированного сигналом ƒ, создает характерный только для информатора ненаправленный сигнал ƒ и посылает его всем объектам сети.
1
1
2
2
1
Организация связей между объектами сети специфична. Объект - источник сигналов не посылает сигналы непосредственно приемнику. Вместо этого выполняется следующая процедура. Объект - приемник сигналов выбирает MS, через который приемник будет получать предназначенные ему сигналы. Этому MS приемник посылает непрерывный сигнал ƒ. Объект - источник посылает выбранному приемником MS непрерывный сигнал ƒ и сообщение сигналами ƒ. MS пересылает сигналы источника приемнику, модулируя сигналами ƒ сигнал ƒ приемника. Объект, как указано выше, посылает сигналы конкретному MS, одновременно их группе, одновременно всем модулям связи сети. Приемник для передачи сообщения источнику должен действовать подобно источнику, но ему достаточно посылать сообщение только своему MS, за которым наблюдает источник.
Объект может посылать сообщение одному MS или одновременно их группе. Модуль MS не выполняет коммутацию, все средства коммутации находятся непосредственно в объектах. Таким образом, объекты связываются непосредственно.
Установление непосредственной связи позволяет предоставлять объектам соединение на произвольный отрезок времени, т.е. реализуется канальная коммутация.
В прототипе объекты выполняют синхронизацию передачи сообщений, посылая сообщения так, что они поступают к MS одновременно, с наложением сигналов сообщений, или одно за другим без пауз между ними. При поступлении в MS одновременно сообщений нескольких источников выполняется быстрое разрешение конфликта доступа. Выполняется быстрая барьерная синхронизация.
В прототипе показано, что непосредственно в приведенных сетевых средствах осуществляется не только быстрый поиск данных и распределенные логические операции, но также распределенные операции последовательного поразрядного счета и суммирования чисел, находящихся в сообщениях.
Недостаток способа прототипа в следующем. Во многих его применениях требуется решать две задачи: подсчитывать количество объектов, отвечающих условиям их поиска, и суммировать одновременно посылаемые объектами числа. В частности, каждое такое число показывает количество хранящихся в объекте записей с данными, отвечающими условиям поиска.
Так как в прототипе распределенные операции поразрядного счета и суммирования чисел выполняются последовательно, то это замедляет выполнение операций, делая время их выполнения зависящим от количества участников операции.
Задача настоящего изобретения для способа состоит в разработке способа устранения присущей прототипу задержки в выполнении операций счета и суммирования чисел.
Известна система, выполняющая действия по способу прототипа. Она объединяет оптическими беспроводными связями большое количество компьютеров (объектов) и обеспечивает быстрое взаимодействие объектов при поиске и обработке больших объемов данных, в частности при выполнении распределенных операций счет и суммирование. В прототипе система имеет три вида устройств: объект, модуль связи, системный информатор. В системе прототипа связи объектов синхронизованы, что позволяет передавать сообщения так, что они поступают к MS одновременно, с наложением сигналов сообщений, или одно за другим без пауз между ними (Журнал Проблемы управления, №1, 2017). http://pu.mtas.ru/archive/Stetsyura_117.pdf.
Недостаток системы в прототипе состоит в том, что она распределенные операции поразрядного счета и суммирования чисел выполняет последовательно, что замедляет действия системы, делая время их выполнения зависящим от количества объектов, участвующих в операции.
Задача настоящего изобретения для системы состоит в разработке системы устройств, устраняющих присущую прототипу задержку в выполнении операций распределенного счета и суммирования чисел.
Технический результат способа состоит в том, что способ устраняет задержку в распределенных операциях счета и суммирования групп чисел и делает их быстрыми, с временем, не зависящим от количества участников операции. Это расширяет область применения способа.
2
1
1
2
1
1
1
Технический результат способа достигается тем, что для выполнения распределенных операций счета и суммирования чисел оптические сигналы частоты ƒпоступают в модуль связи от источников этих сигналов одновременно и совместно с оптическими сигналами частоты ƒ, поступающими от их источников и возвращаемыми приемникам сигналов частоты ƒ, при этом в модуле связи объединяют энергию сигналов частоты ƒ, преобразуют полученный объединенный сигнал в электрический аналоговый сигнал, получают цифровое значение этого сигнала и передают его оптическими сигналами частоты ƒ приемникам сигналов частоты ƒ или модулируют электрическим аналоговым сигналом энергию оптического сигнала частоты ƒ, превращаемого в цифровую форму непосредственно в приемниках этого сигнала.
Выполняют сложение энергии сигналов группы цифр, причем каждая цифра представлена оптическим сигналом источника в последовательности с количеством мест для размещения сигнала, равным арности системы представления цифр, и размещают сигнал в месте последовательности, соответствующем значению цифры, при этом суммарную энергию сигналов, одновременно поступающих от источников сигналов в каждое место последовательности, преобразуют в цифровую форму и доставляют приемникам.
Технический результат для системы устройств состоит в том, что система содержит аналого-цифровые преобразователи, ускоряющие по сравнению с прототипом выполнение распределенных операций счета и суммирования чисел.
1
2
1
1
2
1
1
Технический результат для системы устройств достигается тем, что система выполнения распределенных операций счета и суммирования чисел содержит объекты, содержащие источники сигналов частоты ƒ и ƒ, и приемники с фотоприемниками сигналов частоты ƒ и сигналов системного информатора, содержит модули связи, содержащие управляемый светофильтр сигналов частоты ƒ, фотоприемник сигналов частоты ƒ, ретрорефлектор, содержит системный информатор с источником ненаправленных сигналов, при этом к каждому фотоприемнику сигналов частоты ƒдобавлен аналого-цифровой преобразователь, причем электрическая линия, подключенная к выходу фотоприемника сигналов частоты f, состоит из первой и второй частей, начало первой части подключено к выходу фотоприемника, ее конец подключен к входу в аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к началу второй части электрической линии.
Техническая сущность и принцип действия предложенной системы устройств поясняются чертежами.
Фиг. 1 показывает общую структуру системы.
Фиг. 2 показывает организацию модуля связи с АЦП.
Фиг. 3 показывает организацию системного информатора с АЦП.
Фиг. 4 показывает организацию средств АЦП в объекте.
Приведенные на чертежах устройства системы следует рассматривать как пример технической реализации предложенной в патенте системы.
Краткое описание предложенного способа. В способе энергия оптических сигналов группы, создаваемых источниками сигналов в объектах, суммируется, преобразуется в электрический сигнал с уровнем тока или напряжения, пропорциональным указанной суммарной энергии, для которого определяется его цифровое значение, и далее полученное цифровое значение оптическими сигналами передается приемникам оптических сигналов в объектах. Это позволяет определить количество суммируемых сигналов.
Краткое описание предложенной системы устройств.
1
2
1
2
2
Для выполнения действий способа система устройств содержит источники и приемники с фотоприемниками сигналов первой и второй частот ƒ и ƒ, модули связи и системный информатор, содержащие управляемый светофильтр сигналов частоты ƒ, фотоприемник сигналов частоты ƒ, источник ненаправленных сигналов в системном информаторе, ретрорефлектор, причем к выходу каждого фотоприемника сигналов частоты ƒ добавлен аналого-цифровой преобразователь электрических выходных сигналов фотоприемника. Эта система выполняет операции счета и суммирования чисел одновременно для групп чисел, делая время выполнения операции не зависящим от количества участников операции.
Предложенный способ счета и суммирования чисел действует следующим образом. Для быстрого приближенного счета предлагаемый аналого-цифровой способ взаимодействия объектов через SI или модуль MS выполняет указанные ниже шаги способа.
Шаг 1.
br
Инициатор счета посылает выбранным им объектам - участникам операции запрос на проведение счета, содержащий условия, которым должны отвечать участвующие в счете объекты. Так как объекты - устройства программируемые, то допустимы сложные условия: задается последовательность поисков внутри объекта, взаимодействие с другими объектами в пределах одной операции. Заранее время исполнения таких действий неизвестно, поэтому в общем случае операция должна выполняться в режиме барьерной синхронизации. Для ее проведения инициатор операции счета сообщает в ней участникам операции имя модуля связи MS - индикатора момента завершения счета, затем выполняется шаг 2.
Шаг 2.
br
br
1
br
br
1
br
1
Каждый исполнитель операции посылает в MS команду, запрещающую MS возвращать объектам сигналы ƒ, посылаемые ими в MS. После чего объект проводит заданные инициатором анализ и обработку записей и, завершив их, снимает свой запрет MS возвращать сигналы ƒ. Все исполнители операции следят за MS, и возврат модулем сигнала f служит началом счета на шаге 3.
2
si
Условие для выполнения шага 3. Шаг 3 требует выполнения одного из двух условий. Первое условие. В SI или во все модули MS, или в часть их, включено дополнение. Фотоприемник в них должен линейно суммировать энергию сигналов ƒ от объектов. Его аналоговый выход соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который преобразует аналоговое показание фотоприемника в цифровое показание. Сигналы АЦП в SI используются иначе, чем в других MS из-за разных способов передачи сигналов объектам: каждый единичный сигнал от АЦП в SI генерирует посылаемый от SI объектам сигнал ƒ.
si
1
1
si
Далее в тексте для краткости, если это не вызывает неопределенности, не будем отличать эквивалентные по воздействию на объекты сигналы ƒ и ƒ, а также подразумевать наличие в объектах не только приемников сигналов ƒ, но и сигналов ƒ.
1
1
2
Второе условие. В SI или в MS АЦП отсутствует. Сигналы фотоприемника, как показано выше, действуют на светофильтр сигналов ƒ, при этом глубина модуляции сигналов ƒ светофильтром должна линейно зависеть от суммарной энергии поступающих от объектов сигналов ƒ. Модулированный сигнал поступает к объектам, которые должны быть снабжены аналого-цифровыми преобразователями. В результате объекты создадут цифровой отсчет, аналогичный отсчету первого условия.
Шаг 3.
2
Каждый объект посылает сигнал ƒ в SI или в MS.
Сигналы передаются синхронно и совпадают по времени при поступлении в фотоприемник.
2
В результате фотоприемник получит сигнал с суммарной энергией посланных в него объектами двоичных сигналов ƒ. Сигнал будет оцифрован и результат одновременно отправлен инициатору поиска и объектам, которые наблюдают за выполняющим оцифровку сигналов модулем MS, или всем объектам (при посылке сигналов от SI). Получив цифровые значения, объекты определяют общее количество пославших их объектов. Счет завершен.
Интервал времени выполнения счета не зависит от количества объектов, участвующих в нем, и состоит из двойного интервала времени прохождения сигнала между фотоприемником и самым удаленным от него объектом и времени, требуемого для преобразования аналогового сигнала в цифру.
*
*
*
*
Если АЦП выполняется в объектах (второе условие для шага 3), то для уменьшения количества объектов, выполняющих преобразование аналог-цифра, создадим небольшое количество таких объектов О, и будем объект О в динамике предоставлять разным инициаторам счета. Выполнив преобразование аналог-цифра, О отправит результат в MS, за которым следит инициатор счета и другие объекты, ожидающие результат счета.
*
Если диапазон уровней энергии суммарного сигнала, поступающего на фотоприемник SI, MS, О, превышает линейный участок работы фотоприемника, применим два способа уменьшения поступающей на фотоприемник энергии сигналов.
2
Первый способ: АЦП уменьшает пропускную способность светофильтра-модулятора, принимающего сигналы ƒ, и дополняет посылаемое объектам сообщение информацией об огрублении отсчета.
*
Второй способ логический: инициатор запроса выделяет группы объектов, посылающих одновременно сигналы в SI, MS или в О. Для этого инициатор уточняет запрос, уменьшая количество объектов - источников сообщения, или (и) указывает область физических адресов объектов, которым разрешено посылать сообщения.
*
*
Если разным группам объектов выделить различные объекты О, то этим также уменьшается суммарная энергия сигналов, поступающих на каждый объект О.
Следует отметить, что операция, аналогичная подсчету количества записей, позволяет суммировать любые числа, одновременно передаваемые объектами в модуль связи. Для этого выполняется следующий способ суммирования, основанный на рассмотренном выше способе счета.
Способ суммирования. Пусть суммируемые числа заданы в позиционной системе счисления с основанием р, но цифры чисел представлены последовательностями (шкалами) двоичных разрядов так, что в шкалу записывается единица только в ее разряд, соответствующий значению цифры. Например, в десятичной системе счисления цифра 3 будет представлена как 000000100.
В способе применены шаги 1 и 2 из способа счета. Шаг 3 выполняется со следующими отличиями. Каждый источник посылает сигнал, если в разряде шкалы записана единица. Шкалы источников поступают на фотоприемник с совмещением одноименных разрядов шкалы. Для суммарного сигнала в разряде шкалы фотоприемник выдает аналоговый электрический сигнал, значение которого, пропорциональное энергии поступивших оптических сигналов. АЦП переводит этот аналоговый сигнал в цифровую форму. Такие действия выполняются для всех разрядов шкалы.
В результате для каждого разряда шкалы определяется количество источников, пославших соответствующие разряду цифры, и формируется цифровое значение этого количества. Все цифры числа обрабатываются одинаково.
Таким образом, операция суммирования выполняется за время, не зависящее от количества одновременно участвующих в этой операции объектов.
Подробное описание предложенной системы устройств.
Предложенная система устройств организована и действует в соответствии с предложенным способом следующим образом.
1
2
На фиг. 1 показана общая структура системы. Здесь 1 - группа объектов системы (О), 2 - группа модулей связи системы (MS), 3 - системный информатор (SI), который является одним из модулей MS, но выполняет генерацию широковещательного сигнала, направленного всем объектам. Два вида оптических сигналов с частотами ƒ и ƒ поступают от объектов - источников в выбранные ими модули связи. Каждому объекту - приемнику сообщений соответствует модуль связи. Изложенная структура совпадает со структурой связей объектов с модулями связи в прототипе. Отличие заключается в структурах непосредственно объекта, модуля связи и системного информатора, показанных на фиг. 2-4.
1
2
2
1
На фиг. 2 показан модуль связи MS, содержащий АЦП (8). Остальные части модуля совпадают с частями модуля прототипа. Здесь 4 - ретрорефлектор, на который поступают оптические сигналы (5) источников и отражаются ретрорефлектором источникам. На пути сигналов перед ретрорефлектором расположены управляемый светофильтр - модулятор сигналов ƒ (6) и фотоприемник (7) сигналов ƒ. Выход (7) подключен к входу (8), а выход (8) подключен к светофильтру (6). Такие соединения позволяют в соответствии со способом модулировать сигналами (ƒ) сигналы (ƒ).
На фиг. 3 показан системный информатор. Его компоненты: ретрорефлектор (9) для приема сигналов (10) от объектов, светофильтр (11), фотоприемник (12), АЦП (13) не отличаются от организации и принципам действия, приведенных для устройства на фиг. 2. Выход АЦП связан с оптическим источником (14), который каждый электрический двоичный сигнал от (14) превращает в оптический сигнал, направляемый всем объектам.
1
1
На фиг. 4 показан узел объекта, оцифровывающий сигнал ƒ. Она содержит фотоприемник (15) сигнала ƒ (16), выход которого подключен к входу АЦП (17), цифровой выход которого (18) подключен к остальным компонентам объекта, обрабатывающим сигнал от АЦП.