Методы проектирования одного разряда искусственного нейрона на многоуровневых схемах памяти
Рассмотрим схему трехуровневого элементарного искусственного нейрона на МУСП (рис. 12.6) и его работу.
| Рис. 12.6.Трехуровневое устройство элементарного нейрона |
Каждая МФСП 
(j = 1, 2, 3) состоит из четырех (n = 4) логических элементов ИЛИ-НЕ, разбитых на mj (2 ≤ mj≤ 4) групп. Элементы 
и 
разбиты на три группы так, что в одной группе находится два логических элемента ИЛИ-НЕ, а в двух остальных группах по одному. Элементы МФСП 
разбиты на две группы по два элемента ИЛИ-НЕ в каждой. Число Mj запоминаемых состояний в каждой МФСП определяются по формуле (4.4) и (4.10):
М1 = М2 = (22 -1) + (21 -1) + (21 -1) = 5;
М3 = (22 -1) + (22 -1) = 6.
В тех группах, где число БА больше 1 (Ri > 1)i, выходы БА взаимосвязаны с входами БА других групп через логический элемент ИЛИ, что сокращает межгрупповые связи в МФСП .
Выходы БА тех групп, где Ri = 1, и логических элементов ИЛИ тех групп, где Ri > 1, МФСП и поступают на тактируемые управляющим входом z0 логические элементы И комбинационных схем I1 и I2.
Числа re сохраняющих входных сигналов в МФСП и определяются по формуле (4.14):
re2 = (22 -1) × (21 -1) × (21 -1) =3;
re3 = (22 -1) × (22 -1) =6.
Зная число rej сохраняющих входных сигналов e(Δ), которые управляют МФСП 
, можно определить необходимое число rуi логических элементов И комбинационных схем I1 и I2 по формуле (5.9).
rу1 = 3 – 1 = 2; rу2 = 9 – 1 = 8.
Число М3 запоминаемых состояний трехуровневой памяти определяется по формуле (5.3):
М3 = 3 × 3 × 2 = 18.
Выходы комбинационных схем I1 и I2 поступают на входы БА управляемых МФСП тех групп, где число БА более одного (Ri > 1). Связи между выходами элементов И схемы I1 и входами БА МФСП и между выходами элементов И схемы I2 и входами БА МФСП определяются из значений ej(Δ) входных сигналов МФСП и . Сохраняющие ej(Δ) входные сигналы характеризуются тем, что хотя бы в двух группах БА на входных узлах значение должно быть равно одному логическому нулю. Сохраняющие ej(Δ) входные сигналы МФСП и представлены в табл. 12. 1 и 12.2.
Таблица 12.1
Сохраняющие ej(Δ) входные сигналы МФСП 
| Значение сигналов на входах элементов yi
| |||
| y5 | y6 | y7 | y8 | |
| ||||
| ||||
|
Таблица 12.2
Сохраняющие ej(Δ) входные сигналы МФСП 
| Значение сигналов на входах элементов yi
| |||
| y9 | y10 | y11 | y12 | |
| ||||
| ||||
| ||||
| ||||
| ||||
| ||||
| ||||
| ||||
|
В соответствии с табл. 12.1 и 12.2 выходы элементов И схем Ij (j = 1, 2) и входами соответствующих МФСП 
(j = 1, 2) определяются единичными значениями ej(Δ) входных сигналов МФСП . Например, вход y17 элемента И схемы I1 соединяется в соответствии с табл. 12.1 со входом элемента y5, а выход y18 второго элемента И схемы I1 соединяется со входом элемента y6 МФСП . Таким образом, в соответствии с табл. 12.2 (рис. 12.6) соединяются выходы элементов y9 – y12 МФСП . Устанавливающие xi(t) входные сигналы имеют на входе только одной группы значении логического нуля, а на входах всех остальных групп МФСП значения логических единиц. Входные сигналы xi(t) МФСП представим в табл. 12.3, 12.4 и 12.5.
Таблица 12.3
Устанавливающие xi(t) входные сигналы МФСП 
| Входные сигналы xi | Значение входных узлов zj | Значение выходных узлов уj | Состояния Аj | |||||
| z1 | z2 | z3 | у1 | у2 | у3 | у4 | ||
| x1 | А1 | |||||||
| x2 | А2 | |||||||
| x3 | А3 | |||||||
| x4 | А4 |
При значении управляющего входа z0 = 0 трехуровневая память работает как трехразрядный параллельный регистр. Сигналы x1, x2, x3 устанавливают соответственно запоминаемые состояния А1, А2 и А3 (табл. 12.3), которые сохраняются при одном входном сигнале, когда на всех входных узлах zj (j = 1, 2, 3) значения равны логическому нулю (x1= x2= x3 =0). Состояние А4, однозначно установленное входным сигналом x4, не сохраняется ни при каких входных сигналах. Поэтому в детерминированном режиме работы входной сигнал x4 является запрещенным.
Таблица 12.4
Устанавливающие xi(t) входные сигналы МФСП
| Входные сигналы xi | Значение входных узлов zj | Значение выходных узлов уj | Состояния Аj | |||||
| z4 | z5 | z6 | у5 | у6 | у7 | у8 | ||
| x5 | А5 | |||||||
| x6 | А6 | |||||||
| x7 | А7 | |||||||
| x8 | А8 |
Сигналы x5, x6, x7 устанавливают соответственно запоминаемые состояния А5, А6, А7 (табл. 12.4), которые сохраняются при входном сигнале, когда z4 = z5 = z6 = 0. Состояние А8, установленное входным сигналом x8, не сохраняется при других входных сигналах. Поэтому в детерминированном режиме входной сигнал x8 является запрещенным.
Таблица 12.5
Устанавливающие xi(t) входные сигналы МФСП
| Входные сигналы xi | Значение входных узлов zj | Значение выходных узлов уj | Состояния Аj | ||||
| z7 | z8 | у1 | у2 | у3 | у4 | ||
| x9 | А9 | ||||||
| x10 | А10 | ||||||
| x11 | А11 |
Входные сигналы x9 и x10 устанавливают соответственно запоминаемые состояния А9 и А10 (табл. 12.5), сохраняемые при входном сигнале z7 = z8 = 0. Входной сигнал x11 является запрещенным, потому что установленное состояние А11 не сохраняется ни при каком входном сигнале МФСП .
Таким образом, при z0 = 0 каждая МФСП Aj (j = 1, 2, 3) работает как элементарный автомат 2-го рода в параллельном трехр2азрядном регистре и их работа не зависит друг от друга. Общее число МN запоминаемых состояний данного регистра можно определить по формуле (6.2):
МN = 3 × 3 × 2 = 18.
При z0 = 1 трехуровневая память преобразуется в объединенный элементарный автомат А, в котором работа управляемых МФСП 
в определенных блоках их состояний зависит от состояний автоматов стратегии 
и их выходных функций, реализованных на комбинационных схемах выходов I1 и I2.
Представим в табл. 12.3 блоки состояний МФСП , сохраняемые при вполне определенных состояниях МФСП .
В табл. 12.4 блоки состояний МФСП , сохраняемые при вполне определенных объединенных состояниях автомата стратегии 
.
Объединенный трехуровневый элементарный автомат А способен функционировать как девять RS-триггеров (рис. 12.7). При функционировании по алгоритму RS-триггера МФСП и , реализующие автомат стратегии , не изменяют свои состояния. В этом случае состояния триггера могут изменяться только под воздействием входных сигналов х9 и х10, поступающих на входные узлы z7 и z8 управляемой МФСП .
Состояния всех девяти триггеров способны сохраняться при одном входном сигнале е(Δ), когда на всех входных узлах zj (j = 1, 2, …, 8) значения равны логическому нулю. При неизменном состоянии автомата стратегии объединенный трехуровневый автомат способен функционировать в детерминированном режиме как шести устойчивый элемент памяти в следующих блоках πj (j = 1,2,3) состояний: π1(А21 – А 26), π2(А27 – А 32), π3(А33 – А 38),
Переходы из одного состояния в другое в каждом из блоков π1 (А21 – А26), π2 (А27 – А32), π3 (А33 – А38). Могут происходить только под действием входных сигналов хi(t), поступающих на входные узлы zj(j= 4 - 8) управляемых МФСП и (рис. 12.8 – 12.10).
Таблица 12.6
Сохраняемые объединенные состояния автомата 
|
Состояние
МФСП
| Выходные сигналы
МФСП
| Выходные
сигналы
МФСП
|
Объединенные состояния
автомата
| ||||||
| у1 | у2 | у3 | у4 | у5 | у6 | у7 | у8 | ||
| А1 | А12 | ||||||||
| А13 | |||||||||
| А14 | |||||||||
| А2 | А15 | ||||||||
| А16 | |||||||||
| А17 | |||||||||
| А3 | А18 | ||||||||
| А19 | |||||||||
| А20 |
Таблица 12.7
Объединенные состояния трехуровневого автомата А
| Объединен-
ное состоя-
ние автома-
та
| Выходные
сигналы
МФСП
| Выходные
сигналы
МФСП
| Выходные
сигналы
МФСП
| Объединен- ное состоя- ние автома- та А | |||||||||
| у1 | у2 | у3 | у4 | у5 | у6 | у7 | у8 | У9 | У10 | У11 | У12 | ||
| А12 | А21 | ||||||||||||
| А22 | |||||||||||||
| А13 | А23 | ||||||||||||
| А24 | |||||||||||||
| А14 | А25 | ||||||||||||
| А26 | |||||||||||||
| А15 | А27 | ||||||||||||
| А28 | |||||||||||||
| А16 | А29 | ||||||||||||
| А30 | |||||||||||||
| А7 | А31 | ||||||||||||
| А32 | |||||||||||||
| А18 | А33 | ||||||||||||
| А34 | |||||||||||||
| А19 | А35 | ||||||||||||
| А36 | |||||||||||||
| А20 | А37 | ||||||||||||
| А38 |
Установка входным сигналом х1, х2 или х3 одно их трех состояний автомата . Автомат А способен функционировать в определенных блоках πj (j = 1, 2, 3) состояний под воздействием сигналов х5, х6, х7, х9 и х10.
Под одновременном появлеb>3, х7 и х9 – в состояние А38 и т.д.
Таким образом, трехуровневое устройство памяти в этих детерминированных режимах функционирует как элементарный автомат 2-го рода и способен работать как девять RS-триггеров (рис. 12.7), как три шестеричных элемента (рис. 12.8-12.10) или как один 18-ричный элемент памяти, используя все свои 18 состояний.
Трехуровневое устройство памяти способно осуществлять укрупненные переходы в схемах управляемых МФСП при изменениях состояний стратегии, под воздействием устанавливающих хМ (t) входных сигналов автоматов стратегии 
.
При изменении состояний в двухуровневом автомате стратегии трех-уровневое устройство способно функционирует в двух своих блоках µi (i = 1,
2) состояний: в блоке µ1, содержащем девять состояний А21, А23, А25, А25, А27, А29, А31, А33, А35, А37 и в блоке µ2, содержащем девять таких состояний А22, А24, А26, А28, А30, А32, А34, А36, А38.
При изменении состояний в автомате стратегии трехуровневое устройство памяти способно функционировать в трех блоках µi (i = 1, 2, 3), соответственно содержащих по шесть состояний µ1{A21-A26}; µ2{A27-A32}; µ3{A33-A38}. Укрупненные переходы, зависимые от входных сигналов х(t) и е(Δ), представлены в табл. 12.8.
| Рис. 12.6.Закон работы трехуровневого устройства памяти как девяти RS-триггеров |
| Рис.12.7. Закон работы трехуровневого устройства памяти, как шести устойчивого элемента в блоке е1 состояний |
Таким образом, во время укрупненных переходов в детерминированном режиме трехуровневое устройство памяти функционирует как элементарный автомат 3-го рода [3].
Переходы во всех детерминированных режимах трехуровневого автомата А происходят под воздействием элементарных однозначных слов p0(T), состоящих из входных сигналов xi(t), которые однозначно устанавливают запоминаемые состояния в МФСП , и , и одного входного сигнала е(Δ), то есть p0(T) = xi(t), е(Δ).
| Рис.12.8. Закон работы трехуровневого устройства памяти, как шести устойчивого элемента в блоке е2 состояний |
Таблица 12.8