रैंडम-एक्सेस संग्रहित-प्रोग्राम मशीन

थ्योरेटिकल कंप्यूटर साइन्स में रैंडम-एक्सेस स्टोर्ड-प्रोग्राम (आरएएसपी) मशीन मॉडल एक एब्स्ट्रेक्ट मशीन है जिसका उपयोग एल्गोरिथ्म विधि विकास और एल्गोरिदमिक कोम्प्लेक्सिटी सिद्धांत के प्रयोजनों के लिए किया जाता है।

आरएएसपी एक रैंडम-एक्सेस मशीन (रैम) मॉडल है, जिसमें रैम के विपरीत, इसके इनपुट के साथ इसके रजिस्टरों में कंप्यूटर प्रोग्राम होता है। रजिस्टर असीमित (क्षमता में अनंत) हैं; क्या रजिस्टरों की संख्या सीमित है, यह मॉडल-विशिष्ट है। इस प्रकार आरएएसपी रैम के लिए है जैसे यूनिवर्सल ट्यूरिंग मशीन ट्यूरिंग मशीन के लिए है। आरएएसपी वॉन न्यूमैन आर्किटेक्चर का एक उदाहरण है जबकि रैम हार्वर्ड आर्किटेक्चर का एक उदाहरण है।

आरएएसपी कंप्यूटर की सामान्य अवधारणा के सभी एब्स्ट्रेक्ट मॉडलों के सबसे समीप है। किंतु वास्तविक कंप्यूटरों के विपरीत आरएएसपी मॉडल में समान्यत: एक बहुत ही सरल निर्देश सेट होता है, जो काम्प्लेक्स इंस्ट्रक्शन सेट कंप्यूटर और यहां तक ​​​​कि आरआईएससी प्रोसेसर से सरलतम अंकगणित, रजिस्टर-टू-रजिस्टर चाल और परीक्षण/जंप निर्देशों से अधिक कम हो जाता है। कुछ मॉडलों में कुछ अतिरिक्त रजिस्टर होते हैं जैसे एक्युमुलेटर (कंप्यूटिंग)।

रजिस्टर मशीन, रैम और पॉइंटर मशीन के साथ मिलकर आरएएसपी चार सामान्य अनुक्रमिक मशीन मॉडल बनाता है, इसे समानांतर मॉडल (उदाहरण के लिए पैरेलल रैम या पैरेलल रैंडम-एक्सेस मशीन) से अलग करने के लिए इसे कहा जाता है (सीएफ वैन एम्डे बोस (1990))

अनौपचारिक परिभाषा: रैंडम-एक्सेस स्टोर-प्रोग्राम मॉडल (आरएएसपी)
आरएएसपी का संक्षेप विवरण:
 * आरएएसपी एक यूनिवर्सल ट्यूरिंग मशीन (यूटीएम) है जो रैंडम-एक्सेस मशीन रैम चेसिस पर बनाई गई है।

रीडर को याद होगा कि यूटीएम एक ट्यूरिंग मशीन है जिसमें निर्देशों की एक सार्वभौमिक परिमित-स्थति टेबल है जो टेप पर लिखे गए किसी भी अच्छी तरह से गठित प्रोग्राम को ट्यूरिंग 5-टुपल्स की एक स्ट्रिंग के रूप में व्याख्या कर सकती है, इसलिए इसकी सार्वभौमिकता है। जबकि मौलिक यूटीएम मॉडल अपने टेप पर ट्यूरिंग 5-ट्यूपल्स को खोजने की उम्मीद करता है, किसी भी कल्पनाशील प्रोग्राम-सेट को वहां रखा जा सकता है, यह देखते हुए कि ट्यूरिंग मशीन उन्हें खोजने की उम्मीद करती है - परन्तु कि इसकी परिमित-स्थति टेबल उनकी व्याख्या कर सकती है और उन्हें वांछित कार्य में परिवर्तित कर सकती है। प्रोग्राम के साथ, टेप पर इनपुट डेटा/पैरामीटर/नंबर (समान्यत: प्रोग्राम के दाईं ओर), और अंततः आउटपुट डेटा/नंबर (समान्यत: दोनों के दाईं ओर, या इनपुट के साथ मिश्रित, या इसे प्रतिस्थापित करते हुए) मुद्रित होंगे। उपयोगकर्ता को ट्यूरिंग मशीन के सिर को पहले निर्देश के ऊपर रखना चाहिए, और इनपुट को एक निर्दिष्ट स्थान पर रखा जाना चाहिए और प्रोग्राम-ऑन-टेप और परिमित-स्टेट मशीन के निर्देश-टेबल दोनों के लिए उपयुक्त प्रारूप होना चाहिए।

आरएएसपी इस निर्माण की प्रतिलिपि करता है: यह प्रोग्राम और डेटा को होल्स (रजिस्टर) में रखता है। किंतु यूटीएम के विपरीत आरएएसपी अपने निर्देशों को क्रमिक विधि से प्राप्त करने के लिए आगे बढ़ता है, जब तक कि सनियम परीक्षण इसे कहीं और नहीं भेजता है।

अस्पष्ट की स्थिति: निर्देशों के दो सेट: यूटीएम के विपरीत आरएएसपी मॉडल में निर्देशों के दो सेट होते हैं - निर्देशों की स्टेट मशीन टेबल (दुभाषिया) और होल्स में प्रोग्राम दो सेटों को एक ही सेट से निकालने की आवश्यकता नहीं है।

आरएएसपी के रूप में काम करने वाली रैम का एक उदाहरण
प्रोग्राम का निम्नलिखित उदाहरण रजिस्टर (होल ) #18 की कंटेंट्स को रजिस्टर (होल ) #19 में ले जाएगा, इस प्रक्रिया में #18 की कंटेंट्स मिटा देगा।

इस आरएएसपी मशीन में उपलब्ध प्रोग्राम-निर्देश उदाहरण को संक्षिप्त रखने के लिए एक सरल सेट होंगे:

उदाहरण को आसान बनाने के लिए हम RAM-as-RASP की स्टेट मशीन को एक ही सेट से तैयार किए गए आदिम निर्देशों से लैस करेंगे, किंतु दो अप्रत्यक्ष प्रतिलिपि निर्देशों के साथ संवर्धित करेंगे:
 * रैम स्टेट मशीन निर्देश:
 * { INC h; DEC h; JZ h,xxx; CPY ⟪ha⟫,⟨ha⟩; CPY ⟨ha⟩,⟪ha⟫ }

चूंकि आरएएसपी मशीन की स्टेट मशीन रजिस्टरों में प्रोग्राम की व्याख्या करती है, तो स्टेट मशीन वास्तव में क्या कर रही होगी? विस्मयादिबोधक चिह्न युक्त स्तम्भ ! स्टेट मशीन की क्रियाओं को समय क्रम में सूचीबद्ध करेगा क्योंकि यह "व्याख्या" करती है - क्रिया में परिवर्तित होती है - प्रोग्राम:

परंपरा स्टेट -मशीन के कार्यों को दो प्रमुख चरणों में विभाजित करती है जिन्हें फ़ेच और एक्ज़ीक्यूट कहा जाता है। हम नीचे देखेंगे कि इन दो प्रमुख चरणों के अंदर उप-चरण भी हैं। कोई सहमत सम्मेलन नहीं है; प्रत्येक मॉडल को अपने स्पष्ट विवरण की आवश्यकता होगी।

फ़ेच चरण
स्टेट मशीन के पास प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष रूप से सभी रजिस्टरों तक पहुंच है। इसलिए यह #1 को प्रोग्राम काउंटर पीसी के रूप में अपनाता है। प्रोग्राम काउंटर की भूमिका प्रोग्राम की सूची में स्थान बनाए रखने की होगी; स्टेट मशीन के पास अपने निजी उपयोग के लिए अपना स्वयं का स्थति रजिस्टर होता है।

प्रारंभ होने पर, स्टेट मशीन पीसी में एक नंबर खोजने की उम्मीद करती है - प्रोग्राम में पहला प्रोग्राम-निर्देश (अथार्त #5 पर)।

(अप्रत्यक्ष COPY के उपयोग के बिना, पॉइंट-टू प्रोग्राम-निर्देश को #2 में प्राप्त करने का कार्य थोड़ा कठिन है। स्टेट मशीन अप्रत्यक्ष रूप से पॉइंट-टू रजिस्टर को कम कर देगी जबकि सीधे रजिस्टर #2 को बढ़ा (खाली) कर देगी। पार्स चरण के समय यह #2 में गिनती का त्याग करके #5 की त्याग की गई कंटेंट्स को पुनर्स्थापित करेगा।)

उपरोक्त चक्कर का उद्देश्य यह दिखाना है कि जब स्टेट मशीन के पास दो प्रकार की अप्रत्यक्ष प्रतिलिपि तक पहुंच हो तो जीवन बहुत आसान हो जाता है:
 * i से अप्रत्यक्ष और सीधे j पर कॉपी करें: CPY ⟪hi⟫,⟨hj
 * i से प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष रूप से j पर कॉपी करें: CPY ⟨hi⟩,⟪hj⟫

निम्नलिखित उदाहरण दिखाता है कि स्टेट -मशीन के फ़ेच चरण के समय क्या होता है। स्टेट -मशीन के संचालन को स्टेट मशीन निर्देश ↓ लेबल वाले स्तम्भ पर सूचीबद्ध किया गया है। ध्यान दें कि फ़ेच के अंत में, रजिस्टर #2 में पहले निर्देश JZ के ऑपरेशन कोड (ऑपकोड) का संख्यात्मक मान 3 सम्मिलित है:

पार्स चरण
अब जब प्रोग्राम-निर्देश की संख्या (उदाहरण के लिए 3 = JZ) रजिस्टर #2 - प्रोग्राम-निर्देश रजिस्टर पीआईआर में है - स्टेट मशीन आईआर रिक्त होने तक संख्या को कम करने के लिए आगे बढ़ती है:

यदि वृद्धि से पहले आईआर रिक्त था तो प्रोग्राम-निर्देश 0 = एचएएलटी होगा, और मशीन अपने एचएएलटी रूटीन पर पहुंच जाएगी। पहले वृद्धि के बाद, यदि होल्स रिक्त था तो निर्देश आईएनसी होगा, और मशीन निर्देश inc_routine पर पहुंच जाएगी। दूसरे वृद्धि के बाद, रिक्त आईआर डीईसी का प्रतिनिधित्व करेगा, और मशीन dec_routine पर पहुंच जाएगी। तीसरे वृद्धि के बाद, आईआर वास्तव में रिक्त है, और यह JZ_routine रूटीन में जम्प का कारण बनता है। यदि कोई अप्रत्याशित संख्या अभी भी आईआर में होती, तो मशीन को एक त्रुटि का पता चल जाता और उसे रोक दिया जाता (उदाहरण के लिए)।

चरण निष्पादित करें, JZ_routine
अब स्टेट मशीन को पता है कि किस प्रोग्राम-निर्देश को निष्पादित करना है; वास्तव में यह निर्देशों के JZ_routine अनुक्रम पर पहुंच गया है। JZ निर्देश में 2 ऑपरेंड हैं (i) परीक्षण करने के लिए रजिस्टर की संख्या, और (ii) परीक्षण सफल होने पर जाने का पता (होल्स रिक्त है)।

(i) ऑपरेंड फ़ेच रिक्त के लिए परीक्षण करने के लिए कौन सा रजिस्टर?: फ़ेच चरण के अनुरूप, परिमित स्टेट मशीन पीसी द्वारा इंगित रजिस्टर की कंटेंट्स, अथार्त होल्स # 6, को प्रोग्राम-इंस्ट्रक्शन रजिस्टर पीआईआर # 2 में ले जाती है। इसके बाद यह रजिस्टर #2 की कंटेंट्स का उपयोग रजिस्टर को शून्य के लिए परीक्षण करने के लिए निरुपित करने के लिए करता है, अथार्त रजिस्टर #18। होल्स #18 में एक संख्या n है। परीक्षण करने के लिए, अब स्टेट मशीन पीआईआर की कंटेंट्स का उपयोग अप्रत्यक्ष रूप से रजिस्टर #18 की कंटेंट्स को एक अतिरिक्त रजिस्टर, #3 में कॉपी करने के लिए करती है। तो दो स्थितियाँ हैं (ia), रजिस्टर #18 रिक्त है, (ib) रजिस्टर #18 रिक्त नहीं है। (आईए): यदि रजिस्टर #3 रिक्त है तो स्टेट मशीन (ii) दूसरा ऑपरेंड फ़ेच - जंप-टू एड्रेस प्राप्त करती है।

(आईबी): यदि रजिस्टर #3 रिक्त नहीं है तो स्टेट मशीन छोड़ सकती है (ii) दूसरा ऑपरेंड फ़ेच यह बस पीसी को दोगुना कर देता है और फिर बिना नियम इंस्ट्रक्शन-फ़ेच चरण में वापस चला जाता है, जहां यह प्रोग्राम-इंस्ट्रक्शन #8 (डीईसी) प्राप्त करता है।

(ii) ऑपरेंड फ़ेच सीधे पते पर जाएं। यदि रजिस्टर #3 रिक्त है, तो स्टेट मशीन अप्रत्यक्ष रूप से उस रजिस्टर की कंटेंट्स को (#8) स्वयं में कॉपी करने के लिए पीसी का उपयोग करती है। अब पीसी जंप-टू एड्रेस 15 रखता है। फिर स्टेट मशीन बिना नियम इंस्ट्रक्शन फ़ेच चरण में वापस चली जाती है, जहां यह प्रोग्राम-इंस्ट्रक्शन #15 (एचएएलटी) लाती है।

निष्पादित चरण INC, DEC
निम्नलिखित प्रोग्राम-निर्देशों, INC h, DEC h की रैम की स्टेट -मशीन व्याख्या को पूरा करता है और इस प्रकार यह प्रदर्शन पूरा करता है कि रैम एक आरएएसपी का प्रतिरूपण कैसे कर सकता है:
 * लक्ष्य प्रोग्राम निर्देश सेट: { INC h; DEC h; JZ h,xxx, HALT }

अप्रत्यक्ष स्टेट -मशीन निर्देशों INCi और DECi के बिना, INC और DEC प्रोग्राम-निर्देशों को निष्पादित करने के लिए स्टेट मशीन को पॉइंट-टू रजिस्टर की कंटेंट्स को अतिरिक्त रजिस्टर # 3, DEC या INC में प्राप्त करने के लिए अप्रत्यक्ष प्रतिलिपि का उपयोग करना चाहिए, और फिर इसे पॉइंट-टू रजिस्टर पर वापस भेजने के लिए अप्रत्यक्ष प्रतिलिपि का उपयोग करना चाहिए।

वैकल्पिक निर्देश: यद्यपि प्रदर्शन के परिणामस्वरूप केवल चार निर्देशों का एक आदिम आरएएसपी प्राप्त हुआ, रीडर कल्पना कर सकते हैं कि "ADD ⟨h⟩" या "MULT ⟨ha⟩,⟪hb>जैसे अतिरिक्त निर्देश कैसे किया जा सकता है।

स्व-संशोधित आरएएसपी प्रोग्राम
जब एक रैम आरएएसपी के रूप में कार्य कर रहा होता है, तो कुछ नया प्राप्त होता है: रैम के विपरीत, आरएएसपी में अपने प्रोग्राम-निर्देशों के स्व-संशोधन की क्षमता होती है (स्टेट -मशीन निर्देश जमे हुए होते हैं, मशीन द्वारा अपरिवर्तित होते हैं)। कुक-रेकहो (1971) (पृ. 75) ने अपने आरएएसपी मॉडल के विवरण में इस पर टिप्पणी की है, जैसा कि हार्टमैनिस (1971) (पृ. 239एफएफ) ने किया है।

इस धारणा का प्रारंभिक विवरण गोल्डस्टाइन-वॉन न्यूमैन (1946) में पाया जा सकता है:
 * हमें एक आदेश [निर्देश] की आवश्यकता है जो किसी संख्या को किसी दिए गए क्रम में प्रतिस्थापित कर सकता है... ऐसे आदेश के माध्यम से एक गणना के परिणामों को उस या एक अलग गणना को नियंत्रित करने वाले निर्देशों में प्रस्तुत किया जा सकता है (पृष्ठ 93)

ऐसी क्षमता निम्नलिखित को संभव बनाती है:
 * सबरूटीन - कॉलिंग रूटीन (या संभवतः सबरूटीन) वापसी पता (कंप्यूटिंग) रिटर्न_एड्रेस को सबरूटीन के अंतिम कमांड अथार्त जेएमपी रिटर्न_एड्रेस में स्टोर करता है।
 * तथाकथित जम्प-टेबल
 * स्व-संशोधित कोड

कुक और रेकहो का आरएएसपी प्रोग्राम -निर्देश सेट (1973)
एक प्रभावशाली पेपर में स्टीफ़न कुक या स्टीफ़न ए. कुक और रॉबर्ट ए. रेकहो ने आरएएसपी के अपने संस्करण को परिभाषित किया है:
 * यहां वर्णित रैंडम एक्सेस स्टोर्ड-प्रोग्राम मशीन (आरएएसपी) हार्टमैनिस [1971] (पृष्ठ 74) द्वारा वर्णित आरएएसपी के समान है।

उनका उद्देश्य कोम्प्लेक्सिटी विश्लेषण के सिद्धांत में उपयोग के लिए विभिन्न मॉडलों के निष्पादन-समय की तुलना करना था: रैम, आरएएसपी और मल्टी-टेप ट्यूरिंग मशीन है।

उनके आरएएसपी मॉडल की मुख्य विशेषता अप्रत्यक्ष प्रोग्राम -निर्देशों के लिए कोई प्रावधान नहीं है (उनकी चर्चा पृष्ठ 75 देखें)। यह वे प्रोग्राम को स्वयं को संशोधित करने की आवश्यकता के द्वारा प्राप्त करते हैं: यदि आवश्यक हो तो एक निर्देश किसी विशेष निर्देश के पैरामीटर (उनके शब्द, अथार्त ऑपरेंड) को संशोधित कर सकता है। उन्होंने अपना मॉडल इस प्रकार डिज़ाइन किया है कि प्रत्येक निर्देश दो निरंतर रजिस्टरों का उपयोग करता है, एक ऑपरेशन कोड (उनके शब्द) के लिए और पैरामीटर या तो एक पता या एक पूर्णांक स्थिरांक के लिए उपयोग करता है।

उनके आरएएसपी के रजिस्टर क्षमता में असीमित और संख्या में असीमित हैं; इसी तरह उनके संचायक एसी और अनुदेश काउंटर आईसी असीमित हैं। निर्देश सेट निम्नलिखित है:

संदर्भ
Often both the RAM and RASP machines are presented together in the same article. These have been copied over from Random-access machine; with a few exceptions, these references are the same as those at Register machine.


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 * Donald Knuth (1968), The Art of Computer Programming, Second Edition 1973, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts. Cf pages 462-463 where he defines "a new kind of abstract machine or 'automaton' which deals with linked structures."
 * Joachim Lambek (1961, received 15 June 1961), How to Program an Infinite Abacus, Mathematical Bulletin, vol. 4, no. 3. September 1961 pages 295–302. In his Appendix II, Lambek proposes a "formal definition of 'program'. He references Melzak (1961) and Kleene (1952) Introduction to Metamathematics.
 * Z. A. Melzak (1961, received 15 May 1961), An informal Arithmetical Approach to Computability and Computation, Canadian Mathematical Bulletin, vol. 4, no. 3. September 1961 pages 279-293. Melzak offers no references but acknowledges "the benefit of conversations with Drs. R. Hamming, D. McIlroy and V. Vyssotsky of the Bell telephone Laboratories and with Dr. H. Wang of Oxford University
 * In particular see chapter 11: Models Similar to Digital Computers and chapter 14: Very Simple Bases for Computability. In the former chapter he defines "Program machines" and in the later chapter he discusses "Universal Program machines with Two Registers" and "...with one register", etc.
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 * Arnold Schönhage (1980), Storage Modification Machines, Society for Industrial and Applied Mathematics, SIAM J. Comput. Vol. 9, No. 3, August 1980. Wherein Schōnhage shows the equivalence of his SMM with the "successor RAM" (Random Access Machine), etc. resp. Storage Modification Machines, in Theoretical Computer Science (1979), pp. 36–37
 * Peter van Emde Boas, Machine Models and Simulations pp. 3–66, appearing in: Jan van Leeuwen, ed. "Handbook of Theoretical Computer Science. Volume A: Algorithms and Complexity'', The MIT PRESS/Elsevier, 1990. ISBN 0-444-88071-2 (volume A). QA 76.H279 1990.
 * van Emde Boas' treatment of SMMs appears on pp. 32-35. This treatment clarifies Schōnhage 1980 -- it closely follows but expands slightly the Schōnhage treatment. Both references may be needed for effective understanding.


 * Hao Wang (1957), A Variant to Turing's Theory of Computing Machines, JACM (Journal of the Association for Computing Machinery) 4; 63–92. Presented at the meeting of the Association, June 23–25, 1954.