رایانه مرد کوچک کیست؟ توضیح بده.
رایانه مرد کوچک ، یک مدل سفارشی از رایانه است، که توسط دکتر استوارت مادنیک در سال ۱۹۶۵ میلادی ساخته شد. این رایانه در حالت کلی برای آموزش دانشجویان مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا یک رایانه با معماری ون نیومن ساده – که شامل تمامی ویژگی‌های اساسی رایانه‌های مدرن است - را مدل می‌کند. این نوع رایانه قابلیت برنامه‌ریزی شدن در زبان ماشین (دهدهی به جای دودویی) یا زبان اسمبلی را دارد.این مدل بر اساس مفهوم حبس کردن یک مرد کوچک در یک اتاق پستی دربسته تعریف شده‌است (مشابه با یک رایانه در این طرح). در یک سوی انتهایی اتاق ۱۰۰ جعبهٔ نامه (حافظه) وجود دارد که از ۰ تا ۹۹ شماره‌گذاری شده‌اند، که هر کدام می‌تواند شامل یک دستورالعمل یا دادهٔ ۳ رقمی باشد (از رنج ۰۰۰ تا ۹۹۹). به‌علاوه دو جعبهٔ نامه در سمت دیگر انتهایی اتاق قرار دارد که با برچسب‌های INBOX و OUTBOX برچسب‌گذاری شده‌اند و برای ارسال و دریافت داده‌ها استفاده می‌شوند. در مرکز اتاق یک محوطهٔ کاری وجود دارد که شامل ۱) دو دستورالعمل سادهٔ محاسباتی است (جمع و تفریق) که آن را به نام انباره و ۲) یک شمارش‌گر قابل بازنشاندن که با نام «شمارش‌گر برنامه» می‌شناسیم. این شمارش‌گر برنامه آدرس دستورالعمل بعدی که مرد کوچک آن را انجام خواهد داد، نگاه می‌دارد. افزایش یک واحدی شمارشگر برنامه در حالت عادی بعد از اجرای هر دستورالعمل، به مرد کوچک اجازه می‌دهد تا در طی یک برنامه به‌طور متوالی فعالیت داشته باشد. دستورالعمل‌های انشعاب اجازهٔ قراردادن تکرار (حلقه) و ساختارهای برنامه ایی شرطی را در یک برنامه می‌دهند. قرار دادن شمارشگر برنامه بر روی یک آدرس غیر متوالی در صورت رخداد یک شرط خاص (نوعاً در اینجا وقتی مقدار داخل انباره صفر یا مثبت شود).هر جعبهٔ نامه (نشان دهندهٔ یک مکان حافظهٔ منحصر به فرد) شامل هردوی دستورالعمل‌ها و داده هاست. در نتیجه بایستی مراقب بود تا زمانی‌که یک آدرس حافظه شامل داده است، شمارشگر برنامه را از افزایش بازداریم (مرد کوچک تلاش می‌کند تا آن را برای یک دستورالعمل متوقف نکند). این مزیت نی تواند با نوشتن دستورالعمل‌ها در جعبهٔ نامه بدست آید که به معنی آن است که کد مورد وقفه قرار گرفته تا یک کدِ خوداصلاحگر ایجاد نماید. برای استفاده از رایانه مرد کوچک، کاربر داده‌ها را در جعبه‌های نامه بارگذاری می‌نماید و سپس برای شروع اجرا به مرد کوچک اطلاع می‌دهد؛ که با دستورالعمل ذخیره شده در خانهٔ صفر حافظه آغاز می‌شود. در یک حالت متفاوت، ریست کردن شمارشگر برنامه به صفر، باعث راه اندازی مجدد برنامه می‌شود.چرخهٔ اجرا.مرد کوچک برای اجرای یک برنامه مراحل زیر را اعمال می‌کند:دستورات.در حالی که رایانه مرد کوچک منعکس‌کنندهٔ عملکرد واقعی پردازنده دودویی می‌باشد، سادگی اعداد اعشاری انتخاب شده برای به حداقل رساندن پیچیدگی برای دانش آموزانی که ممکن است در کار با دودویی/هگزادسیمال مشکل داشته باشند.دستورالعمل‌ها.برخی از شبیه‌سازهای این نوع رایانه به‌طور مستقیم با استفاده از ۳ دستورالعمل عددی و برخی دیگر با استفاده از ۳-کد حفظی نامه و برچسب، برنامه‌ریزی شده‌اند. در هر صورت این مجموعه دستورالعمل به‌طور عامدانه برای ساده کردن درک، بسیار محدود است ("به‌طور معمول حدود ده دستورالعمل"). اگر این رایانه از کد حفظی و برچسب استفاده کند سپس هنگامی که برنامه اسمبل شده‌است، این‌ها به ۳ دستورالعمل عددی تبدیل می‌شوند.جدول زیر یک نمونه مجموعه دستورالعمل عددی و کدهای حفظی معادل آن را نشان می‌دهد.نمونه‌ها.استفاده از کدهای دستورالعملی عددی.این برنامه (دستورالعمل ۹۰۱ به دستورالعمل ۰۰۰) فقط با استفاده از کدهای عددی نوشته شده‌است. این برنامه دو عدد را به عنوان ورودی و خروجی متفاوت می‌گیرد. توجه کنید که اجرا در صندوق پستی ۰۰ شروع می‌شود و پس از آن در صندوق پستی ۰۷ اتمام می‌یابد. معایب برنامه‌نویسی رایانه مرد کوچک، استفاده از کدهای دستورالعملی عددی مورد بحث در زیر است.استفاده از حفظیات و برچسب‌ها.زبان اسمبلی یک زبان برنامه‌نویسی سطح پایین است که به جای کدهای دستورالعمل عددی از حفظیات و برچسب‌ها استفاده می‌کند. اگرچه رایانه‌های مرد کوچک تنها از یک دستهٔ محدود از حفظیات استفاده می‌کنند، راحتی استفاده از یک حفظی برای هر دستورالعمل از زبان اسمبلی همان برنامه-که در زیر نشان داده شده-روشن می‌سازد. برنامه‌نویس نیازی به بخاطر سپردن یک مجموعه از کدهای عددی بینام ندارد و اکنون می‌تواند بوسیلهٔ یک مجموعه از کدهای بیشتر حفظی قابل یادآوری برنامه‌ریزی شود. اگر این حفظی یک دستورالعمل شامل یک آدرس حافظه باشد (یک دستور انشعاب یا بارگیری/ذخیره داده) سپس یک برچسب برای نامگذاری آدرس حافظه استفاده می‌شود. INP STA FIRST INP STA SECOND LDA FIRST SUB SECOND OUT HLT FIRST DAT SECOND DATبرچسب‌ها.بدون برچسب‌ها برنامه‌نویس نیازمند به محاسبهٔ دستی آدرس‌های صندوق پستی (حافظه) است. در مثال کد عددی، اگر یک دستورالعمل جدید قبل از دستورالعمل HLT پایانی، وارد شود، سپس این دستورالعمل HLT از آدرس ۰۷ به ۰۸ انتقال می‌یابد (برچسب‌گذاری آدرس از مکان ۰۰ شروع می‌شود). فرض کنید کاربر ۶۰۰ را به عنوان اولین ورودی وارد کند. دستورالعمل ۳۰۸ معنی می‌دهد که این مقدار در آدر ۰۸ ذخیره خواهد شد و دستورالعمل 000 (HLT) بازنویسی می‌شود؛ بنابراین ۶۰۰ معنی می‌دهد "انشعاب به صندوق پستی آدرس ۰۰" برنامه به جای توقف، در یک چرخهٔ بی پایان قرار خواهد گرفت.برای کار روی این مشکل، اکثر زبان‌های اسمبلی (شامل رایانه مرد کوچک) شامل محفوظات و برچسبهاست. یک برچسب به‌طور ساده یک کلمه است که برای نام یک آدرس حافظه که یک دستورالعمل یا داده ذخیره شده‌اند، یا ارجاع به آدرس داخل دستورالعمل.زمانیکه یک برنامه اسمبل می‌شود:در این مثال زبان اسمبلی که از حفظیات و برچسب‌ها استفاده می‌کند، اگر یک دستورالعمل قبل از دستورالعمل HLT پایانی وارد شود سپس مکان آدرس با FIRST برچسب‌گذاری شده اکنون به جای ۰۸ در مکان آدرس ۰۹ باید باشد و دستورالعمل STA FIRST زمانی‌که برنامه اسمبل می‌شود به جای 308 (STA 08) به 309 (STA 09) تبدیل می‌شود.از این رو برچسب‌ها استفاده می‌شوند برای:مثال.این برنامه یک ورودی از کاربر دریافت کرده و آن را تا صفر به‌طور کاهشی می‌شمارد. INP OUT // Initialize output LOOP BRZ QUIT // If the accumulator value is 0, jump to the memory address labeled QUIT SUB ONE // Label this memory address as LOOP, The instruction will then subtract the value stored at address ONE from the accumulator OUT BRA LOOP // Jump (unconditionally) to the memory address labeled LOOP QUIT HLT // Label this memory address as QUIT ONE DAT 1 // Store the value 1 in this memory address, and label it ONE (variable declaration)این برنامه یک ورودی از کاربر گرفته، آن را مربع کرده، و پاسخ را برمی‌گرداند و سپس تکرار می‌کند. وارد کردن صفر منجر به اتمام برنامه خواهد شد. (نکته: یک ورودی که خروجی را به بیش از ۹۹۹ نگاشت دهد، باعث بروز یک خطا به دلیل محدودیت تعداد ۳ رقم LMC می‌شود). START LDA ZERO // Initialize for multiple program run STA RESULT STA COUNT INP // User provided input BRZ END // Branch to program END if input = ۰ STA VALUE // Store input as VALUE LOOP LDA RESULT // Load the RESULT ADD VALUE // Add VALUE, the user provided input, to RESULT STA RESULT // Store the new RESULT LDA COUNT // Load the COUNT ADD ONE // Add ONE to the COUNT STA COUNT // Store the new COUNT SUB VALUE // Subtract the user provided input VALUE from COUNT BRZ ENDLOOP // If zero (VALUE has been added to RESULT by VALUE times), branch to ENDLOOP BRA LOOP // Branch to LOOP to continue adding VALUE to RESULT ENDLOOP LDA RESULT // Load RESULT OUT // Output RESULT BRA START // Branch to the START to initialize and get another input VALUE END HLT // HALT - a zero was entered so done! RESULT DAT // Computed result (defaults to 0) COUNT DAT // Counter (defaults to 0) ONE DAT 1 // Constant, value of 1 VALUE DAT // User provided input, the value to be squared (defaults to 0) ZERO DAT // Constant, value of 0 (defaults to 0)"نکته: اگر بعد از دستور DAT داده‌ای نباشد آنگاه بطور پیش‌فرض عدد صفر در آدرس حافظه ذخیره می‌شود."در مثال بالا، [BRZ ENDLOOP] وابسته به یک رفتار تعریف نشده‌است، از آنجایی که COUNT-VALUE می‌تواند منفی باشد، بعد از اینکه مقدار انباره undefined شد، نتیجه BRZ یا انشعاب می‌یابد یا هیچ (انباره می‌تواند صفر باشد، یا پوشیده شود). برای سازگاری کد با مشخصات، جایگزین کنید: LDA COUNT // Load the COUNT ADD ONE // Add ONE to the COUNT STA COUNT // Store the new COUNT SUB VALUE // Subtract the user provided input VALUE from COUNT BRZ ENDLOOP // If zero (VALUE has been added to RESULT by VALUE times), branch to ENDLOOPبوسیلهٔ نسخهٔ پیش رو، که VALUE-COUNT جایگزین COUNT-VALUE شده اس، مطمئن می‌شویم که انباره هرگز پاریز نخواهد شد: LDA COUNT // Load the COUNT ADD ONE // Add ONE to the COUNT STA COUNT // Store the new COUNT LDA VALUE // Load the VALUE SUB COUNT // Subtract COUNT from the user provided input VALUE BRZ ENDLOOP // If zero (VALUE has been added to RESULT by VALUE times), branch to ENDLOOPمثال دیگر quine است، کد ماشین خودش را چاپ می‌کند (چاپ کردن منبع غیرممکن است زیرا حروف نمی‌توانند به خروجی روند): LOAD LDA 0 // Load position 0 into the accumulator. This line will be modified on each loop to load the next lines into the accumulator OUT // Output the accumulator's value. The accumulator's value will be the line that was just loaded SUB ONE // Subtract 1 from the value in the accumulator. This is so we can do the BRZ in the next step to see if we are on the last line in the program BRZ ONE // If the previous subtraction has made the accumulator 0 (which means we had the value 001 in the accumulator), then branch to position ONE LDA LOAD // Load the LOAD position into the accumulator, this is in preparation to increment the address digits for this position ADD ONE // Increment the position digits for the LOAD line. The value currently in the accumulator would, if read as an instruction, load the next line into the accumulator, compared to the last line loaded STA LOAD // Store the newly incremented LOAD line back in the LOAD position BRA LOAD // Return back to the beginning of the loop ONE DAT 1 // The variable 1. If read as an instruction, this will be interpreted as HLT/COB and will end the programاین کواین با استفاده از کد خوداصلاحگر کار می‌کند. مکان ۰ در هر تکرار اضافه می‌شود، آن خط کد را به خروجی برده، تا زمانی‌که خروجی کد ۱ شود، در این نقطه به مکان ONE پرش می‌کند. مکان ONE با یک ۰ شروع شده، بنابراین به عنوان یک دستور HALT/COB تفسیر می‌شود.