寄存器機

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在數理邏輯和理論計算機科學中，寄存器機（英語：Register machine），又譯為暫存器機，是以類似於使用圖靈機的方式使用的一類抽象機器。所有模型都是圖靈等價的。

寄存器機得名於它有一個或多個「寄存器」——替代了圖靈機的磁帶和磁頭，這個模型使用了多個唯一尋址的寄存器，每個都持有一個單一正整數。

在文獻中至少可找到4個子類，下面按最原始到最類似計算機的次序列出：

  • 計數器機——最原始和精簡的模型。缺乏間接尋址。指令在按照哈佛結構的有限狀態機內。
  • 指針機——計數器機和RAM模型的混合。比這兩個模型更少共通更多抽象。指令在按照哈佛結構的有限狀態機內。
  • 隨機存取機（RAM）——帶有間接尋址和通常擴充的指令集。指令在按照哈佛結構的有限狀態機內。
  • 隨機存取存儲程序機（RASP）——帶有指令在其寄存器中的RAM，類似於通用圖靈機；因此它是馮·諾伊曼結構的一個例子。但是不同於計算機的是這個模型是帶有有效無限個寄存器的「理想」機器。不像計算機甚至RISC計算機，指令集在指令數目上是非常精簡的。

任何正確定義的寄存器機都是圖靈等價的。計算速度嚴重倚賴於模型細節。

形式定義

沒有標準術語；每個作者都以自己的助記符或符號下定義。

寄存器機構成如下：

  1. 無界數目的標定的、離散的、在寬度（容量）上無界的寄存器：有限（在某些模型中無限）的寄存器集合r0 ... rn，每個都有無限寬度並持有一個單一非負整數（0, 1, 2, ...）。寄存器可以做它們自己的算術，或者可以有也可以沒有一個或多個做算術的特殊寄存器，比如「累加器」或「地址寄存器」。
  2. 計數的籌碼或標碼——離散的、不可細分的唯一一類只適合這個模型的物件或標記。在最精簡的計數器機模型中，對每個算術指令只有一個物件/標記被要麼增加到要麼減少自它的位置/磁帶。在某些計數器機模型（比如Melzak（1961）, Minsky (1961))和多數RAM與RASP模型中，在「加法」、「減法」、「乘法」和「除法」這樣的指令中多於一個物件/標記可以增加或減少。某些模型有控制運算比如「複製」（也叫做「移動」、「裝載」、「存儲」）一個動作就從寄存器到寄存器移動一堆物件/標記。
  3. （非常）有限的指令集：指令可被分類為算術和控制。對指令集有一種限制：一個指令集必須允許這個模型是圖靈等價的，就是說它必須能夠計算任何偏遞歸函數：
    1. 算術：算術指令可以運算於所有寄存器上或只在特殊的寄存器上（比如累加器）。他們通常被按如下集合來選擇（但例外大量存在）：
      • 計數器機：{增加（r），減少（r），清零（r）}
      • 精簡RAM, RASP：{增加（r），減少（r），清零（r），裝載立即常量k，加（r1,r2），真減（r1,r2），增加累加器，減少累加器，清除累加器，加寄存器r的內容到累加器，從累加器真減寄存器r的內容}
      • 擴充RAM, RASP：所有精簡指令加上：{乘法，除法，各種布爾逐位運算 (左移位，位測試，等等)}
    2. 控制：
      • 計數器機模型：可選的{複製（r1,r2）}
      • RAM和RASP模型：多數都有{複製（r1,r2）}，或{裝載累加器從r，存儲累加器到r，裝載立即常量到累加器}
      • 所有模型：至少一個跟隨寄存器測試的條件「跳轉」（分支，goto），比如{零時跳轉，非零時跳轉（就是，正時跳轉），等時跳轉，非等時跳轉}
      • 所有模型可選的：{無條件程序跳轉（goto）}
    3. 寄存器尋址方法：
      • 計數器機：沒有間接尋址，在高度原子化的模型中可能有立即操作數
      • RAM和RASP：可用間接尋址，典型的立即操作數
    4. 輸入輸出：
      • 所有模型：可選的
  4. 狀態寄存器：一個特殊的指令寄存器"IR"，有限並獨立於上述寄存器，它存儲當前的要執行的指令和它在指令TABLE（表格）中的地址；這個寄存器和它的TABLE位於有限狀態機內。
    • IR是對於所有模型都是禁區。在RAM和RASP的情況下，為了確定一個寄存器的地址，模型可以選擇要麼（i）在直接尋址的情況下——地址通過TABLE指定而臨時位於IR中，或（ii）在間接尋址的情況下——寄存器的內容由IR的指令指定。
    • IR不是RASP（或常規計算機）的程序計數器（PC）。PC只是類似累加器的另一個寄存器，只專門持有RASP的當前基於寄存器的指令的編號。所以RASP有兩個「指令/程序」寄存器——（i）IR（有限狀態自動機的指令寄存器）和（ii）PC（程序計數器）用於位於寄存器中的程序。（同樣於專門的PC寄存器，RASP可以有專門的寄存器如「程序-指令寄存器」(用名字如"PIR, "IR", "PR"等）
  5. 常按順序的標定指令的列表：指令的有限列表I1 ... Im。在計數器機、隨機存取機（RAM）和指針機的情況下，指令存儲於有限狀態機的TABLE中；因此這些模型是哈佛結構的例子。在RASP的情況下，程序存儲在寄存器中；所以它是馮·諾伊曼結構的例子。
    通常像電腦程式，指令被按順序列出；除非成功跳轉否則缺省順序是眼數值次序。有個例外是算盤（Lambek (1961), Minksy (1961)）計數器機模型——所有指令都有至少一個「下一個」指令標識符"z"，而條件分支有兩個。（算盤模型組合了兩個指令JZ接着DEC）：
    • 比如{ INC(r, z), JZDEC(r, ztrue, zfalse)}

參見

引用

  • George Boolos, John P. Burgess, Richard Jeffrey（2002）, Computability and Logic: Fourth Edition, Cambridge University Press, Cambridge, England. The original Boolos-Jeffrey text has been extensively revised by Burgess: more advanced than an introductory textbook. "Abacus machine" model is extensively developed in Chapter 5 Abacus Computability; it is one of three models extensively treated and compared -- the Turing machine（still in Boolos' original 4-tuple form）and recursion the other two.
  • Arthur Burks, Herman Goldstine, John von Neumann（1946）, Preliminary discussion of the logical design of an electronic computing instrument, reprinted pp. 92ff in Gordon Bell and Allen Newell（1971）, Computer Structures: Readings and Examples, mcGraw-Hill Book Company, New York. ISBN 978-0-07-004357-2 .
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外部連結

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