专利名称：以色光为稳态元件的4进制计算机的物理代码的制作方法
一种4进制光学计算机的物理代码，其技术核心是用不同波长的色光作为代码发生的稳态元件。
现有的电子数字计算机绝大多数是2进制的冯.诺依曼型计算机，一切信息的传输处理，都是由基本门电路构成的电子线路完成的，用电流的通与断，或者电平的高与低来表示2进制数的1和0。上世纪80年代出现的光数字计算机可分为全光数字计算机和光电混合数字计算机两大类，虽然它们是利用光电效应器件构成的光电逻辑线路实现各种信息处理的，但是其数制主要还是沿用2进制。
也曾经有过多进制的计算机，譬如人类设计的第一台电子计算机ENIAC，就是10进制的，虽然其线路全部用的是电子管，但其10进制数的进位是通过机械齿轮实现的。此类非2进制计算机还有一些，它们大多实质上是由2稳态的电子元件组织而成的。
有人研究认为，e进制是计算机最合理的进位制，所用的元器件最少，布线最简单。然而自然对数的底“e”是个无理数，其值为2.7182818...，自然界非整数的稳态元件是不存在的。“3”是最接近e的整数，自然，3进制就是计算机最理想的进位制了。半个多世纪以来，不知有多少科学家苦苦探索3进制的计算机，但都因为找不到表示3进制数的成系统的3稳态元件而功败垂成。目前虽有3态元件，但不成系列，难以用来配套制造实用的3进制计算机。
自然界难道没有表示3进制或其他多进制的稳态元件吗？有，自幼爱好美术的我，早在30年前就意识到遵循混合加色法则的色光(不论是自然的，还是人造的)是最为稳定的计算机稳态元件，不管在什么环境条件下，A色光与B色光相加的结果总是一致的，A色光与B色光相减的结果也是一致的。几十年来，我虽为生活疲于奔命，但仍每念不忘此项研究。
本发明是从研究3进制计算机数理模型开始的，虽然用色光表示3进制数是极稳定的，但数十年来我一直没有解决好色光混合与3进制数运算的匹配问题，倒是成功地找到了以色光为稳态元件的4进制计算机的代码体系。虽然，从理论上讲4进制计算机的线路可能比3进制计算机的线路复杂一些，但是，与2进制数和10进制数的转换却容易得多，既有利于沟通人的自然计算，又方便与传统计算机的数据交换，因而4进制计算机的研制是很有必要的。
本发明用不同的色光建立起一套严密的4进制数码体系，目的是用于设计4进制光学计算机的数理模型、光学稳态元件、指令代码和字符代码等。它能保证新型计算机的数值计算和多值逻辑运算的正确性和完备性，还能方便地跟传统计算机的2进制数据以及自然演算的10进制数据进行转换。此外，还可用于光学自控仪器、仪表以及其他光学控制系统的研制。
本发明所涉及的色光代码，是应用色光加色混合机制来进行数值计算和记录数字的。因此，在介绍本发明的实际内容之前，我们有必要了解一下有关颜色及色光的知识
颜色给我们创造了无尽的视觉美。平时我们看到的各种各样的颜色，实际上是光的一种属性，是不同波长的可见光作用于人眼的结果。当光源(如太阳)把光线投射到物体上，物体就会对光线有所吸收、反射(或折射)，从物体反射(或折射)来的光线刺激我们的视神经，从而形成了颜色。由于物体反射(或折射)光线的能力不一样，表现出来的颜色也就千差万别了。
下面谈谈与本发明密切相关的几个概念1、3原色太阳的白色光经过三棱镜的折射，便会分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种色光，这就是太阳光的色谱。进一步分析，红、绿、蓝又是一切色光的基础，称为3原色。大干世界里千变万化的颜色，都是由3原色以不同的比例叠加、混合而成的。只有3原色是不能用其他颜色混合出来的。
2、色相三原色以及由它们按不同比例混合而成的其他颜色，在人眼中的区别，皆称之为色相，通俗一点儿说，也就是颜色的“相貌”。比如大红是红旗的色相，金黄是稻谷的色相，灰绿是橄榄的色相等等。
3、亮度亮度也叫光强或明暗度，系指物体反射(或折射)到我们眼中的光波的强度，也就是颜色深浅、明暗的程度。例如红有深红、浅红、淡红之分，绿有亮绿、灰绿、暗绿之别。亮度是可以亮化的，例如平面图象处理软件Photoshop所使用的RGB颜色模式，就将红、绿、蓝3原色，分别划分为256种亮度级，相互混合可以产生256×256×256＝16777216种颜色。
4、纯度纯度是指某种主色相混合了多少其他色相的度量，也就是物体反射(或折射)出的色光的纯净程度。自然界很难找到绝对纯净的颜色，总是以某一种色光为主波长的谱带。上世纪60年代人类发明了激光器，才制造出来了单色性和干涉性极好的色光，为光学计算机的研制提供了物质基础。
5、颜色混合原理在现实生活中存在的两种截然不同的颜色混合现象。一种是色光的加色混合，由3种原色光两两叠加产生了3种间色，原色与间色光叠加又产生种种复色光，......您会发现，随着混合的色光种类的增多，颜色将越来越明亮，各种颜色(等于3原色)充分混合后将获得纯正的白色。另一种是颜料以及幻灯片、电影片一类的减色混合，虽然用它们的3种原色两两混合同样也产生种种间色和复色，但是随着混合的颜色种类的增多，颜色将越来越暗，各种颜色充分混合后得到的是标准的黑色。
6、补色 两种不同色相的色光如果叠加成为白色(两种不同色相的颜料如果混合成黑色)，那么这两种色相称为互补色，例如红与青、黄与蓝、绿与紫等。
互补色有2个非常有用的特性设色A与色B互为补色则1、A+B≡白色；2、白色-A≡B 白色-B≡A；白色-A-B≡黑色。
这3个特性就是本发明的生长点。
好，我们接着谈谈补数我们知道，n进位制数有n个记数符号(数字)，分别表示数值0到n-1。当数A+数b＝基数n时，我们称数A与数b互为补数。然而，我们这里所称的补数是一个扩展了的概念，是指全色(白色)值的补数。设用白色光表示数值C，如果数值A+数值B＝数值C，则A与B就是C的补数。
全色值补数有3个与补色非常匹配的特性设A与B互为全色值补数，则1、A+B≡C；2、C-A≡B C-B≡A；C-A-B≡0。
在色光加色混合法则之中，白色是所有色光的充分混合的结果，而黑色却是什么色光也没有。本发明先用“黑(无色光)”表示“0”，用“白(全色光)”表示4进制数中的最大值“3”，应当是最自然不过的了；然后用3原色中的一种与各自的互补色分别表示“1”与“2”。用来做代码的补色对，可以是红与青、黄与蓝、绿与紫中的任意一对，因此便得到了3种4进位制的主色光代码(参见表1、表2、表3、)。
主色光代码互相加减或自减时是正确的、严密的，但在自加时就得不到正确的结果了，这说明它缺乏完备性。本发明的补救措施是在4进制色光代码体系中，将A+A得到的亮A等价于补色B，将B+B得到的亮B等价于补色A......例如红+红＝亮红，我们规定亮红～青；青+青＝亮青，我们规定亮青～红。因为3原色的补色有3种，于是得到了3种4进位制的等价色光代码(参见表1、表2、表3)。简而言之，等价光代码是由主色光代码自加产生的亮色求补得到的。
非常有趣的是，等价色光代码看似硬性规定，其实非常自然，也是色光加色混合运算的必然！兹证明如下设A与B都是4进制色光代码体系中的主色光，且互为补色，即A+B≡白 白-A≡B 白-B≡A 白-A-B≡黑设A表示数值1，B表示数值2，白表示数值3，黑表示数值0则A+A＝亮A＝2自然～B，B+B＝亮B＝10进位后也自然～A等价色光代码很好地解决了色光作为4进制光学计算机代码的完备性问题。
这样我们就得到了二对一的4进制色光代码体系，其代码与数值的关系如附
图1所示。二对一的代码体系虽然一个数值有两个代码，但输出的数值总是特定的那一个，因此不会影响运算结果的正确性和唯一性。
因为用补色对应全色值补数是本发明的核心技巧，补色与补数都是成对的，所以本发明只适宜于创建n为偶数的n进制色光代码体系，如4进制、8进制、10进制、16进制等；而不适宜于创建n为奇数的n进制色光代码体系，如3进制、5进制等。
分别用3原色与各自的补色做代码，对应于其色值的补数，可以生成3种4进制数色光代码表。下面列出这3种4进制数色光代码表表14进制数色光代码(1)
证明黑+黑＝黑 0+0＝0黑+红＝红 0+1＝1黑+青＝青 0+2＝2黑+白＝白 0+3＝3红+黑＝红 1+0＝1红+红＝亮红＝青 1+1＝2(求补)红+青＝白 1+2＝3红+白＝红 1+3＝10(由逻辑进位自动生成)青+黑＝青 2+0＝2青+红＝白 2+1＝3青+青＝亮青＝红 2+2＝10(求补并进位)
青+白＝青 2+3＝11(由逻辑进位自动生成)白+黑＝白 3+0＝3白+红＝红 3+1＝10(由逻辑进位自动生成)白+青＝青 3+2＝11(由逻辑进位自动生成)白+白＝白 3+3＝12(由逻辑进位自动生成)黑-黑＝黑(无色-无色＝无色) 0-0＝0黑-红＝黑(无色-红＝无色) 0-1＝0黑-青＝黑(无色-青＝无色) 0-2＝0黑-白＝黑(无色-白＝无色) 0-3＝0红-黑＝红(红-无色＝红) 1-0＝1红-红＝黑(即无色) 1-1＝0红-青＝红-亮红＝-红(∵亮红～青)1-2＝-1红-白＝-青 1-3＝-2青-黑＝黑(青-无色＝青) 2-0＝0青-红＝亮红-红＝红(∵亮红～青) 2-1＝1青-青＝黑 2-2＝0青-白＝-红(∵白＝青+红)2-3＝-1白-黑＝白 3-0＝3白-红＝青 3-1＝2白-青＝红 3-2＝1白-白＝黑(即无色) 3-3＝0从上面的证明可见色光代码在1位数的运算中是严谨而完备的，是完全对应(二对一)的；多位数的运算结果将由多值逻辑运算自动进位生成，也是严谨而完备的，但因它是一个无穷集，无法一一证明，故略。
表24进制数色光代码(2)
原理同上，证明略。
表34进制数色光代码(3)
证明略。
将上述3个4进制数主色光代码巧妙地组合在一起，便得到了1个8进制数的色光代码表；在8进制数色光代码表中，再加上一对间色与复色的补色对，便得到了10进制数的色光代码表。关于8进制数和10进制数的色光代码表，本发明人将另行申请专利，此不赘述。
本发明与传统计算机的2进制代码相比，有如下优点1、本发明用色光做稳态元件，色光混合结果不会受到环境(譬如电磁场、温度、湿度等)变化的影响，且光学器件没有机械互连触点，信号具有非常高的一致性、稳定性和可靠性；光信号载波带宽是电信号的1000倍，不同波长的光波互无干扰，也不会受磁场的干扰，可以高密度地会聚在一起依据自己的目的独立传输，不会失真，而且衰减少，功耗低，这是电子器件和电子信号所不能比拟的。
2、4进制数的基数4，既是传统计算机2进制数基数2的倍数，又是接近e的整数，因此跟2进制计算机数据的换算很容易，其线路也不会太复杂。4进制数计算机的元件种类虽然会比2进制数计算机的多一些，但整体线路会简单很多，跟10进制计算数据的换算要容易得多。
3、2进制的代码体系，注定了只适宜于2值逻辑运算。2值逻辑运算是一种绝对逻辑，不是“真”，就是“假”；不是“是”，就是“非”；不是“有”，就是“无”。而现实生活当中的逻辑并非完全如此，存在着许许多多似是而非的中间变量，如亦真亦假、不好不坏、多多少少等等。2值逻辑运算处理这类逻辑变量就显得相当笨拙了，只能拐弯抹角地用“异或”、“或非”等等来表示。而4进制代码，能很方便地表示多值逻辑和模糊逻辑。
4、2进制代码体系的数值代码与指令代码很长，在2进制计算机里，通常用4位2进制数表示1位10进制数(BCD码)，用8位(实际上是7位)2进制数表示1个英文字符及基本控制符(ASCII码)，用16位2进制数(即2个ASCII码)表示1个通用汉字。而在4进制计算机中，代码将缩短1/2，运算速度自然会大大加快。
附图1表示的是代码与数值的关系，这是一种二对一的关系。其中，A与B都是4进制色光代码体系中的主色光，且互为补色。A与B可以是红与青、绿与紫、蓝与黄等补色对中的任意一对。设A表示数值1，B表示数值2，白表示数值3，黑表示数值0；并且规定亮A～B，亮B～A。
附图2给出了由单色发光管构成的4进制色光代码D-半加器框图，D-色光半加器是实现色光混合数值运算和记录数字的主要物理器件之一。所谓半加器，就是不考虑进位的1位数加法器。
附图3给出了由双色发光管构成的4进制色光代码S-半加器框图，S-色光半加器是实现色光混合数值运算和记录数字的另一种主要物理器件，它比D-色光半加器更简便。
跟传统计算机一样，用2个D-色光半加器或S-色光半加器可以组合成1个全加器，全加器可以产生1位进位；用若干个D-色光全加器或S-色光全加器串联或并联在-起，可以构成1个n位4进制的全加器；用D-色光半加器或S-色光半加器还可以改进或组合成补码器、减法器等。因为这些不属于本发明的保护范围，故不赘述。另外，本发明人还设计了一种多带多道图灵型n进制字符软处理机，不仅可以用来进行10进制数的加、减、乘、除、乘方、开方等运算，也可以用来处理英文字符、汉字等。该字符软处理机不用将10进制数数值先化作2进制、4进制数进行计算，求得结果后再转换成10进制数；而只需用2进制、4进制代码作为状态符和控制符，直接实行10进制运算，亦可用于4进制光计算机中。因不属于本发明范畴，此不赘述。
附图4给出了D-色光半加器进行主色光混合数值运算的示意图，它剖析了全部1位4进制数的主色光混合数值运算的原理当用户通过键盘或语音输入设备输入“0”时，发光管不发射任何色光，色光混合器产生的是黑色，经转换器转换成“0”输出；当用户输入“1”时，只有发光管A1发射出A色光，色光混合器产生的是A色光，经转换器转换成“1”输出；当用户输入“2”时，只有发光管B1发射出B色光，色光混合器产生的是B色光，经转换器转换成“2”输出；当用户输入“3”时，发光管A1发射出A色光，发光管B1发射出B色光，色光混合器产生的是白色光，经转换器转换成“3”输出。
附图5给出了D-色光半加器进行等价色光混合数值运算的示意图，它剖析了全部1位4进制数的等价色光混合数值运算的原理当用户通过键盘或语音输入设备输入“1+1”时，发光管A1发射出A色光，发光管A2也发射出A色光，色光混合器产生的是亮A色光，经转换器求补转换成“2”输出；当用户输入“2+2”时，发光管B1发射出B色光，发光管B2也发射出B色光，色光混合器产生的是亮B色光，经转换器求补转换成“1(进位)”输出。
附图6给出了S-色光半加器进行色光混合数值运算的示意图，它剖析了1位4进制数全部色光(包括主色光和等价色光)的混合数值运算的原理当用户通过键盘或语音输入设备输入“0”时，发光管不发射任何色光，色光混合器产生的是黑色，经转换器转换成“0”输出；当用户输入“1”时，只有发光管I发射出A色光，色光混合器产生的是A色光，经转换器转换成“1”输出；当用户输入“2”时，只有发光管I发射出B色光，色光混合器产生的是B色光，经转换器转换成“2”输出；当用户输入“3”时，发光管I发射出A色光，发光管II发射出B色光，色光混合器产生的是白色光，经转换器转换成“3”输出；当用户输入“1+1”时，发光管I发射出A色光，发光管II也发射出A色光，色光混合器产生的是亮A色光，经转换器求补转换成“2”输出；当用户输入“2+2”时，发光管I发射出B色光，发光管II也发射出B色光，色光混合器产生的是亮B色光，经转换器求补转换成“1(进位)”输出。
跟传统计算机一样，可以用补码加法进行4进制数的减法运算，即先用补码器对减数求补，再把求得的补码与被减数一起送到加法器相加，获得的结果不计进位，便得到了差；还可以用连加和连减，实现乘法和除法的运算。因为这些远离本发明的保护范围，故不赘述。
附图7给出了4进制色光代码D-减法器框图，附图8给出了4进制色光代码S-减法器框图，D-减法器和S-减法器是实现色光混合数值运算的辅助物理器件，用它们也可以进行减法运算。
附图9以S-减法器为例，给出了4进制色光代码减法运算的一个例子当用户输入“3-2”时，发光管I发射出A色光，发光管II发射出B色光，色光混合器产生的是白色光；与此同时，解/编码器发出选通B色光过滤器的指令，过滤器过滤掉B色光，输出A色光，经转换器转换成“1”输出。
如果能找到可以发射3种色光(要求白色和1对互补色)的单发光管，那么，单管就具有4种稳态；不发光、发白光、发A色光和B色光；分别可以表示0、1、2、和3。由2个这样的发光管构成的加法器，就是一种简单的全加器(但还不是真正意义上的全加器)，我把它叫做SS-加法器，它可以完成2个1位4进制数的全部加法运算，并生成2位数的和。SS-加法器的构造跟S-半加器完全一样，故不另外给出框图；其运算原理如附图10所示。
怎样在物理上实现4进制色光代码呢？最好的方式是1、模仿现有2进制光学计算机器件及其连接方法，参阅本发明的附图2及其说明、附图3及其说明，利用现有的光电效应器件，研制成4进制色光代码D-半加器或4进制色光代码S-半加器；再用4进制色光代码D-半加器或4进制色光代码S-半加器，改进、组合出全加器、补码器、减法器、存储器、其他逻辑运算部件和控制器等等。只要有了4进制色光代码D-半加器或4进制色光代码S-半加器，就有了实现4进制色光代码数值运算的物质基础。
2、模仿传统计算机的指令格式，将传统计算机的2进制指令代码及其指令系统，一一对译成4进制的指令代码和指令系统。这样对译成的4进制的指令代码，比原2进制的指令代码短一半，而功能依旧。必要时也可以另行设计4进制计算机的少量专用指令代码，以扩展其应用范围。
3、模仿传统计算机的字符代码格式，将传统计算机的各种2进制字符代码系统，如BCD码、EBCDIC码、ASCII码、汉字交换码、汉字内码以及英文字符和汉字的字形码等等，一一对译成4进制的字符代码系统。这样对译成的4进制的字符代码，比原2进制的字符代码短一半，而功能是一样的。必要时也可以另行设计4进制计算机的专用字符代码系统，以扩展其应用范围。
这样既可节省研制4进制指令系统和字符代码的劳力和时间，又极其方便4进制计算机与传统2进制计算机之间的数据转换。
权利要求
1.一种4进制光学计算机的物理代码，本发明的特征是用不同波长的色光作为代码发生的稳态元件。
2.权利要求1中所述的物理代码，其特征是应用色光加色混合机制来进行数值计算和记录数字的。
3.权利要求1中所述的物理代码，其特征是代码与数值是二对一的关系，代码包括主色光代码和等价色光代码两种。
4.权利要求3中所述的主色光代码，其特征是用“黑(无色光)”表示“0”，用“白(全色光)”表示“3”，再用3原色中的一种与各自的互补色分别表示“1”与“2”。
5.权利要求4中所述的主色光代码，其特征是用来做代码的补色对，可以是红与青、黄与蓝、绿与紫中的任意一对。
6.、权利要求3中所述的等价光代码，其特征是由主色光代码自加产生的亮色求补得到的。
7.权利要求1中所述的物理代码，其特征是包括4进制色光代码D-半加器框图、4进制色光代码S-半加器框图、4进制色光代码D-减法器框图和4进制色光代码S-减法器框图。
全文摘要
遵循混合加色法则的色光(不论是自然的，还是人造的)，是最为稳定的计算机稳态元件，不论在什么环境条件下，A色光与B色光相加的结果总是一致的，A色光与B色光相减的结果也是一致的。本发明用不同的色光建立起一套严密的4进制数码体系，可用于设计4进制光学计算机的数理模型、光学稳态元件、指令代码和字符代码等。它能保证新型计算机的数值计算和多值逻辑运算的正确性和完备性，还能方便地跟传统计算机的2进制数据以及自然演算的10进制数据直接转换。此外，还可用于光学自控仪器、仪表以及其他光学控制系统的研制。
文档编号G06E1/00GK1467593SQ02114249
公开日2004年1月14日 申请日期2002年7月8日 优先权日2002年7月8日
发明者田志祥 申请人:湖南省计算技术研究所