كمبيوتر الرجل الصغير
الحاسوب الصغير ( LMC ) هو نموذج تعليمي للحاسوب ، ابتكره الدكتور ستيوارت مادنيك عام 1965. [ 1 ] يُستخدم الحاسوب الصغير عادةً لتعليم الطلاب، لأنه يُحاكي حاسوبًا بسيطًا ببنية فون نيومان ، والذي يمتلك جميع الميزات الأساسية للحاسوب الحديث. ويمكن برمجته بلغة الآلة (وإن كانت بالنظام العشري وليس الثنائي) أو بلغة التجميع. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
يعتمد نموذج LMC على مفهوم رجل صغير محبوس في غرفة بريد مغلقة (مشابهة للحاسوب في هذا السيناريو). في أحد طرفي الغرفة، توجد 100 صندوق بريد ( ذاكرة )، مرقمة من 0 إلى 99، يمكن لكل منها أن يحتوي على تعليمات أو بيانات مكونة من 3 أرقام (تتراوح من 000 إلى 999). علاوة على ذلك، يوجد صندوقا بريد في الطرف الآخر، يحملان اسمي INBOX و OUTBOX، ويُستخدمان لاستقبال البيانات وإخراجها. في وسط الغرفة، توجد منطقة عمل تحتوي على آلة حاسبة بسيطة ذات وظيفتين (الجمع والطرح) تُعرف باسم المُراكم ، وعداد قابل لإعادة الضبط يُعرف باسم عداد البرنامج . يحمل عداد البرنامج عنوان التعليمات التالية التي سينفذها الرجل الصغير. عادةً ما يتم زيادة عداد البرنامج بمقدار 1 بعد تنفيذ كل تعليمة، مما يسمح للرجل الصغير بالعمل على البرنامج بالتسلسل. تسمح تعليمات التفرع بدمج التكرار (الحلقات) وهياكل البرمجة الشرطية في البرنامج. ويتم تحقيق ذلك الأخير عن طريق ضبط عداد البرنامج على عنوان ذاكرة غير متسلسل إذا تم استيفاء شرط معين (عادةً ما تكون القيمة المخزنة في المُراكم صفرًا أو موجبة).
كما هو مُحدد في بنية فون نيومان ، يمكن لأي صندوق بريد (يُشير إلى موقع ذاكرة فريد) أن يحتوي إما على تعليمات أو بيانات. لذا، يجب توخي الحذر لمنع عداد البرنامج من الوصول إلى عنوان ذاكرة يحتوي على بيانات، وإلا سيحاول المعالج الصغير التعامل معه كتعليمات. يُمكن الاستفادة من ذلك بكتابة تعليمات في صناديق بريد مُخصصة ليتم تفسيرها كشفرة برمجية، لإنشاء شفرة ذاتية التعديل. لاستخدام وحدة التحكم في الذاكرة (LMC)، يقوم المستخدم بتحميل البيانات في صناديق البريد ثم يُشير إلى المعالج الصغير لبدء التنفيذ، بدءًا من التعليمات المُخزنة في عنوان الذاكرة صفر. إعادة ضبط عداد البرنامج إلى الصفر تُعيد تشغيل البرنامج فعليًا، وإن كان ذلك في حالة مُختلفة مُحتملة.
دورة التنفيذ
لتنفيذ برنامج، يقوم الرجل الصغير بهذه الخطوات:
- تحقق من عداد البرنامج لمعرفة رقم صندوق البريد الذي يحتوي على تعليمات البرنامج (أي صفر في بداية البرنامج).
- استرجع التعليمات من صندوق البريد الذي يحمل هذا الرقم. تحتوي كل تعليمات على حقلين: رمز العملية (الذي يشير إلى العملية المراد تنفيذها) وحقل العنوان (الذي يشير إلى مكان العثور على البيانات المراد تنفيذ العملية عليها).
- قم بزيادة عداد البرنامج (بحيث يحتوي على رقم صندوق البريد للتعليمات التالية)
- فك تشفير التعليمات. إذا كانت التعليمات تستخدم بيانات مخزنة في صندوق بريد آخر، فاستخدم حقل العنوان للعثور على رقم صندوق البريد الخاص بالبيانات التي ستعمل عليها، على سبيل المثال "الحصول على البيانات من صندوق البريد 42".
- استرجاع البيانات (من المدخلات أو المجمع أو صندوق البريد الذي تم تحديد عنوانه في الخطوة 4)
- نفّذ التعليمات بناءً على رمز العملية المُعطى
- قم بتفرع أو تخزين النتيجة (في المخرجات أو المجمع أو صندوق البريد بالعنوان المحدد في الخطوة 4)
- ارجع إلى عداد البرنامج لتكرار الدورة أو إيقافها
الأوامر
على الرغم من أن LMC يعكس العمليات الفعلية للمعالجات الثنائية ، فقد تم اختيار بساطة الأرقام العشرية لتقليل التعقيد للطلاب الذين قد لا يشعرون بالراحة في العمل بالنظام الثنائي / الست عشري .
تعليمات
تُبرمج بعض محاكيات LMC مباشرةً باستخدام تعليمات رقمية مكونة من ثلاثة أرقام، بينما تستخدم أخرى رموزًا وعلامات تذكيرية مكونة من ثلاثة أحرف. في كلتا الحالتين، تكون مجموعة التعليمات محدودة للغاية عمدًا (عادةً حوالي عشر تعليمات) لتبسيط الفهم. إذا استخدم محاكي LMC رموزًا وعلامات تذكيرية، فسيتم تحويلها إلى تعليمات رقمية مكونة من ثلاثة أرقام عند تجميع البرنامج.
يوضح الجدول أدناه مجموعة تعليمات رقمية نموذجية ورموز التذكير المكافئة لها.
| الرمز الرقمي | رمز التذكر | تعليمات | وصف |
|---|---|---|---|
| 1xx | يضيف | يضيف | أضف القيمة المخزنة في صندوق البريد xx إلى أي قيمة موجودة حاليًا في المُجمِّع (الآلة الحاسبة).
|
| 2xx | فرعي | طرح | اطرح القيمة المخزنة في صندوق البريد xx من أي قيمة موجودة حاليًا في المُجمِّع (الآلة الحاسبة).
|
| 3xx | STA | محل | قم بتخزين محتويات المُجمِّع في صندوق البريد xx (مدمر).
|
| 5xx | LDA | حمولة | قم بتحميل القيمة من صندوق البريد xx (غير مدمر) وأدخلها في المُجمِّع (مدمر). |
| 6xx | حمالة صدر | الفرع دائماً (بدون شروط) | قم بتعيين عداد البرنامج إلى العنوان المحدد (القيمة xx). أي أن القيمة الموجودة في صندوق البريد xx ستكون هي التعليمات التالية التي سيتم تنفيذها. |
| 7xx | BRZ | تفرع إذا كان الصفر ( شرطي ) | إذا كانت قيمة المُجمِّع (الحاسبة) تساوي 000، فاضبط عداد البرنامج على القيمة xx. وإلا، فلا تفعل شيئًا. يبقى تأثير علامة السالب غير مُحدد. عند حدوث تجاوز في قيمة المُجمِّع نتيجةً لعملية الطرح، يتم ضبط هذه العلامة، وبعدها تصبح قيمة المُجمِّع غير مُحددة، وقد تصل إلى الصفر، مما يجعل سلوك BRZ غير مُحدد عند حدوث التجاوز. السلوك المُقترح هو التفرع إذا كانت قيمة المُجمِّع صفرًا ولم يتم ضبط علامة السالب.
|
| 8xx | بطاقة الإقامة الدائمة | تفرع إذا كانت النتيجة إيجابية (مشروطة) | إذا كانت قيمة المُجمِّع (الحاسبة) تساوي صفرًا أو موجبة، فاضبط عداد البرنامج على القيمة xx. وإلا، فلا تفعل شيئًا. بما أن خلايا ذاكرة LMC لا يمكنها استيعاب سوى قيم بين 0 و999، فإن هذه التعليمة تعتمد كليًا على علامة السالب التي يتم ضبطها بسبب تجاوز الحد الأدنى في عملية الطرح، وربما على تجاوز الحد الأقصى في عملية الجمع (غير مُعرَّف).
|
| 901 | INP | مدخل | انتقل إلى صندوق الوارد، واحصل على القيمة من المستخدم، وضعها في المُجمِّع (الآلة الحاسبة).
|
| 902 | خارج | المخرجات | انسخ القيمة من المُجمِّع (الآلة الحاسبة) إلى صندوق الإخراج.
|
| ٠٠٠ | HLT/COB | استراحة/استراحة قهوة | توقف عن العمل/أنهِ البرنامج. |
| بيانات | بيانات | هذه تعليمة تجميعية تحجز صندوق بريد لتخزين البيانات. يمكن إعطاؤها رقمًا للتخزين في بداية البرنامج، على سبيل المثال، DAT 984 سيخزن القيمة 984 في صندوق بريد على عنوان تعليمة DAT. يمكن أيضًا استخدام DAT مع التسميات لتعريف المتغيرات. |
أمثلة
استخدام رموز التعليمات الرقمية (شفرة الآلة)
هذا البرنامج (من التعليمات 901 إلى التعليمات 000 ) مكتوب باستخدام الرموز الرقمية فقط. يأخذ البرنامج رقمين كمدخلات ويُخرج الفرق بينهما. لاحظ أن التنفيذ يبدأ من صندوق البريد 00 وينتهي عند صندوق البريد 07. فيما يلي شرحٌ لعيوب برمجة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (LMC) باستخدام رموز التعليمات الرقمية.
| صندوق البريد | الرمز الرقمي | عملية | تعليقات |
|---|---|---|---|
| ٠٠ | 901 | المُجمِّع = صندوق الوارد | أدخل الرقم الأول في الآلة الحاسبة (مع مسح أي شيء كان موجوداً). |
| 01 | 308 | صندوق البريد 08 = المُجمِّع | قم بتخزين القيمة الحالية للآلة الحاسبة (للتحضير للخطوة التالية...) |
| 02 | 901 | المُجمِّع = صندوق الوارد | أدخل الرقم الثاني في الآلة الحاسبة (مع مسح أي شيء كان موجوداً هناك). |
| 03 | 309 | صندوق البريد 09 = المُجمِّع | قم بتخزين القيمة الحالية للآلة الحاسبة (مرة أخرى، استعدادًا للخطوة التالية...) |
| 04 | 508 | المُجمِّع = صندوق البريد 08 | (الآن بعد أن تم تخزين قيم الإدخال في صندوقي البريد 08 و 09...) قم بتحميل القيمة الأولى مرة أخرى إلى الآلة الحاسبة (مع مسح كل ما كان موجوداً فيها). |
| 05 | 209 | المُجمِّع = المُجمِّع - صندوق البريد 09 | اطرح الرقم الثاني من القيمة الحالية للآلة الحاسبة (والتي تم ضبطها للتو على الرقم الأول) |
| 06 | 902 | صندوق الصادر = المُجمِّع | أخرج نتيجة الآلة الحاسبة إلى صندوق الإخراج. |
| 07 | ٠٠٠ | قف | أوقفوا مركز إدارة الأزمات |
استخدام الرموز التذكيرية والملصقات (لغة التجميع)
لغة التجميع هي لغة برمجة منخفضة المستوى تستخدم رموزًا مختصرة وعلامات بدلاً من رموز التعليمات الرقمية. على الرغم من أن وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (LMC) تستخدم مجموعة محدودة من الرموز المختصرة، إلا أن سهولة استخدام رمز مختصر لكل تعليمة تتضح من لغة التجميع لنفس البرنامج الموضح أدناه - لم يعد المبرمج مضطرًا لحفظ مجموعة من الرموز الرقمية المجهولة، ويمكنه الآن البرمجة باستخدام مجموعة من الرموز المختصرة التي يسهل تذكرها. إذا كان الرمز المختصر تعليمة تتضمن عنوان ذاكرة ( سواء كانت تعليمة تفرع أو تحميل/حفظ بيانات )، فسيتم استخدام علامة لتسمية عنوان الذاكرة.
INP STA FIRST INP المحطة الثانية LDA أولاً جزء من الثانية خارج HLT الموعد الأول التاريخ الثاني
الملصقات
بدون استخدام التسميات، يُطلب من المبرمج حساب عناوين صناديق البريد ( الذاكرة ) يدويًا. في مثال الكود الرقمي ، إذا أُضيفت تعليمة جديدة قبل تعليمة HLT الأخيرة، فإن تعليمة HLT هذه ستنتقل من العنوان 07 إلى العنوان 08 (يبدأ ترقيم العناوين من العنوان 00). لنفترض أن المستخدم أدخل 600 كأول قيمة. ستعني التعليمة 308 تخزين هذه القيمة في العنوان 08 واستبدال تعليمة 000 (HLT). بما أن 600 تعني "الانتقال إلى عنوان صندوق البريد 00"، فإن البرنامج، بدلًا من أن يتوقف، سيعلق في حلقة لا نهائية.
للتغلب على هذه الصعوبة، تجمع معظم لغات التجميع ( بما في ذلك LMC ) بين الرموز المختصرة والتسميات . التسمية هي ببساطة كلمة تُستخدم إما لتسمية عنوان ذاكرة حيث يتم تخزين التعليمات أو البيانات، أو للإشارة إلى هذا العنوان في التعليمات.
عند تجميع البرنامج:
- يتم تحويل التسمية الموجودة على يسار رمز التعليمات إلى عنوان الذاكرة الذي تُخزَّن فيه التعليمات أو البيانات. على سبيل المثال: loopstart INP
- تأخذ التسمية الموجودة على يمين رمز التعليمات قيمة عنوان الذاكرة المشار إليه أعلاه. على سبيل المثال: BRA loopstart
- يُستخدم الوسم المُقترن بعبارة DAT كمتغير، حيث يُشير إلى عنوان الذاكرة الذي تُخزَّن فيه البيانات. على سبيل المثال، DAT 1 أو DAT رقم 1
في مثال لغة التجميع الذي يستخدم الرموز والتسميات، إذا تم إدراج تعليمة جديدة قبل تعليمة HLT الأخيرة، فسيكون موقع العنوان المسمى FIRST الآن في موقع الذاكرة 09 بدلاً من 08، وسيتم تحويل تعليمة STA FIRST إلى 309 (STA 09) بدلاً من 308 (STA 08) عند تجميع البرنامج.
لذلك تُستخدم الملصقات من أجل:
- تحديد تعليمة معينة كهدف لتعليمة BRANCH.
- يُحدد موقع الذاكرة كمتغير مُسمى (باستخدام DAT)، ويُمكن تحميل البيانات إلى البرنامج أثناء وقت التجميع لاستخدامها من قِبل البرنامج (لا يكون هذا الاستخدام واضحًا إلا عند التفكير في أنه لا توجد طريقة لإضافة 1 إلى عداد. يُمكن مطالبة المستخدم بإدخال 1 في البداية، ولكن من الأفضل تحميل هذه القيمة أثناء التجميع باستخدام DAT 1 واحد ).
مثال
سيقوم البرنامج أدناه بأخذ مدخلات المستخدم، ثم يقوم بالعد التنازلي حتى الصفر.
INP إخراج // تهيئة الإخراج LOOP BRZ QUIT // قم بتسمية عنوان الذاكرة هذا بـ LOOP. إذا كانت قيمة المُراكم تساوي 0، فانتقل إلى عنوان الذاكرة المُسمى LOOP. // يترك طرح واحد // اطرح القيمة المخزنة في العنوان واحد من المُراكم خارج حلقة BRA // انتقل (دون قيد أو شرط) إلى عنوان الذاكرة المسمى LOOP QUIT HLT // قم بتسمية عنوان الذاكرة هذا بـ QUIT ONE DAT 1 // قم بتخزين القيمة 1 في عنوان الذاكرة هذا، وقم بتسميته ONE (إعلان المتغير)
سيقوم البرنامج أدناه بأخذ مُدخل من المستخدم، وتربيعه، وإخراج الناتج، ثم تكرار العملية. إدخال الصفر سينهي البرنامج. ( ملاحظة: أي مُدخل ينتج عنه قيمة أكبر من 999 سيؤدي إلى سلوك غير مُحدد بسبب حدّ الأرقام المكونة من ثلاثة أرقام في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة ).
ابدأ LDA صفرًا // تهيئة لتشغيل البرنامج عدة مرات نتيجة المحطة عدد الموظفين إدخال // مدخلات مقدمة من المستخدم BRZ END // انتقل إلى نهاية البرنامج إذا كانت قيمة الإدخال = 0 قيمة التخزين // تخزين المدخلات كقيمة حلقة LDA RESULT // تحميل النتيجة إضافة قيمة // أضف القيمة، وهي القيمة المُدخلة من قِبل المستخدم، إلى النتيجة نتيجة STA // تخزين النتيجة الجديدة عدّ LDA // تحميل العدّ أضف واحدًا // أضف واحدًا إلى العدد STA COUNT // تخزين العدد الجديد القيمة الفرعية // اطرح قيمة الإدخال التي أدخلها المستخدم من العدد BRZ ENDLOOP // إذا كانت القيمة صفرًا (تمت إضافة القيمة إلى النتيجة بمقدار القيمة عدة مرات)، فانتقل إلى ENDLOOP حلقة حمالة الصدر // انتقل إلى حلقة لمواصلة إضافة القيمة إلى النتيجة نهاية الحلقة LDA RESULT // تحميل النتيجة مخرجات // نتيجة الإخراج BRA START // انتقل إلى نقطة البداية لتهيئة البرنامج والحصول على قيمة إدخال أخرى END HLT // HALT - تم إدخال صفر، لذا انتهى الأمر! بيانات النتيجة // النتيجة المحسوبة (القيمة الافتراضية 0) COUNT DAT // عداد (القيمة الافتراضية 0) بيانات واحدة 1 // ثابت، قيمته 1 بيانات القيمة // المدخلات التي يقدمها المستخدم، القيمة المراد تربيعها (القيمة الافتراضية هي 0) بيانات الصفر // ثابت، قيمته 0 (القيمة الافتراضية 0)
ملاحظة: إذا لم تكن هناك بيانات بعد عبارة DAT، فسيتم تخزين القيمة الافتراضية 0 في عنوان الذاكرة.
في المثال أعلاه، يعتمد [BRZ ENDLOOP] على سلوك غير مُحدد، حيث يمكن أن تكون قيمة COUNT-VALUE سالبة، وبعد ذلك تصبح قيمة ACCUMULATOR غير مُحددة، مما يؤدي إلى تفرع BRZ أو عدم تفرعه (قد تكون قيمة ACCUMULATOR صفرًا، أو قد تكون القيمة متعاكسة). لجعل الكود متوافقًا مع المواصفات، استبدل ما يلي:
... عدّ LDA // تحميل العدّ أضف واحدًا // أضف واحدًا إلى العدد STA COUNT // تخزين العدد الجديد القيمة الفرعية // اطرح قيمة الإدخال التي أدخلها المستخدم من العدد BRZ ENDLOOP // إذا كانت القيمة صفرًا (تمت إضافة القيمة إلى النتيجة بمقدار القيمة عدة مرات)، فانتقل إلى ENDLOOP ...
مع الإصدار التالي، الذي يقوم بتقييم VALUE-COUNT بدلاً من COUNT-VALUE، مما يضمن عدم حدوث تجاوز في قيمة المُجمِّع:
... عدّ LDA // تحميل العدّ أضف واحدًا // أضف واحدًا إلى العدد STA COUNT // تخزين العدد الجديد قيمة LDA // تحميل القيمة العدد الفرعي // اطرح العدد من القيمة المدخلة من قبل المستخدم BRZ ENDLOOP // إذا كانت القيمة صفرًا (تمت إضافة القيمة إلى النتيجة بمقدار القيمة عدة مرات)، فانتقل إلى ENDLOOP ...
مثال آخر هو كوين ، الذي يطبع شفرته الآلية الخاصة (طباعة المصدر مستحيلة لأنه لا يمكن إخراج الأحرف):
تحميل LDA 0 // تحميل الموضع 0 في المُراكم. سيتم تعديل هذا السطر في كل دورة لتحميل الأسطر التالية في المُراكم إخراج // إخراج قيمة المُجمِّع. ستكون قيمة المُجمِّع هي السطر الذي تم تحميله للتو. SUB ONE // اطرح 1 من القيمة الموجودة في المُجمِّع. هذا حتى نتمكن من تنفيذ BRZ في الخطوة التالية لمعرفة ما إذا كنا في السطر الأخير من البرنامج. BRZ ONE // إذا أدى الطرح السابق إلى جعل المُراكم 0 (مما يعني أن لدينا القيمة 001 في المُراكم)، فانتقل إلى الموضع ONE تحميل LDA // تحميل موضع التحميل في المُراكم، وذلك استعدادًا لزيادة أرقام العنوان لهذا الموضع أضف واحدًا // قم بزيادة خانات موضع سطر التحميل. القيمة الموجودة حاليًا في المُراكم، إذا قُرئت كتعليمات، ستُحمّل السطر التالي في المُراكم، مقارنةً بالسطر الأخير الذي تم تحميله. STA LOAD // قم بتخزين سطر LOAD الذي تمت زيادته حديثًا في موضع LOAD تحميل حمالة الصدر // العودة إلى بداية الحلقة ONE DAT 1 // المتغير ONE. إذا تمت قراءته كتعليمات، فسيتم تفسيره على أنه HLT/COB وسينهي البرنامج
يعمل هذا البرنامج باستخدام كود ذاتي التعديل . يتم زيادة قيمة الموضع 0 بمقدار واحد في كل تكرار، مما يؤدي إلى إخراج كود ذلك السطر، حتى يصبح الكود الذي يُخرجه 1، وعندها ينتقل إلى الموضع ONE. قيمة الموضع ONE هي 0 كرمز عملية، لذا يتم تفسيرها على أنها تعليمة HALT/COB.
انظر أيضاً
- وسيلة تعليمية أخرى للحساب باستخدام الورق المقوى
- لعبة الفيديو TIS-100
- اختراق الكمبيوتر ، وهو حاسوب تعليمي تجريدي آخر
- آلة الموارد البشرية ، لعبة كمبيوتر متأثرة بشدة بـ LMC
- حاسوب ورقي بتقنية النطاق الديناميكي الواسع
- ديجي-كومب 1
- آلة تكديس الرجل الصغير ، وهي امتداد لآلة LMC مع تعليمات تكديس مخصصة.
- محاكي LMC عبر الإنترنت من تصميم بيتر هيغينسون .
- Tiny Binary Computer ، وهو محاكاة حاسوب ثنائي تستخدم امتدادًا لمجموعة تعليمات LMC.
مراجع
- ↑ "الحاسوب الصغير" . جامعة ولاية إلينوي . 1 مايو 2000. مؤرشف من الأصل في 27 فبراير 2009. تم الاطلاع عليه في 8 مارس 2009 .
- ↑ يورسيك، و.؛ أوزبورن، هـ. (2001). "مجموعة من الحواسيب الصغيرة: أدوات تعليمية لمحاكاة الحاسوب المرئية". وقائع مؤتمر محاكاة الشتاء لعام 2001 (رقم التصنيف 01CH37304) . المجلد 2. ص 1632. doi : 10.1109/WSC.2001.977496 . ISBN 0-7803-7307-3. S2CID 18907923 .
- ↑ يورسيك، و.؛ برومباو، ل. (2001). "محاكاة حاسوبية لرجل صغير عبر الإنترنت". وقائع الندوة الفنية الثانية والثلاثين لجمعية SIGCSE حول تعليم علوم الحاسوب - SIGCSE '01 . ص 204. doi : 10.1145/364447.364585 . ISBN 1581133294. S2CID 14794750 .
- ↑ أوزبورن، هـ.؛ يورسيك، و. (2002). "النطاق التعليمي للمحاكاة المرئية لنموذج بنية حاسوب الرجل الصغير". المؤتمر السنوي الثاني والثلاثون لآفاق التعليم . الصفحات من S4G إلى S19. doi : 10.1109/FIE.2002.1158742 . ISBN 0-7803-7444-4. S2CID 10324295 .
لغة سي++
- تضمين <iostream>
باستخدام مساحة الاسم std؛ int mainO [ {
طول وعرض ومساحة الطفو؛
روابط خارجية
- ريتشارد ج. بوفينيللي: التدريس: مقدمة في مكونات الحاسوب المادية والبرمجية: حاسوب الرجل الصغير
- حاسوب "الرجل الصغير"
أجهزة المحاكاة
متصل
- آلات تعليمية تجريدية
- مقدمات متعلقة بالحاسوب في عام 1965