Registermaschine

Die Registermaschine (auch RAM für engl. random access machine) ist ein Rechnermodell der theoretischen Informatik, das einem realen Rechner (PC) sehr ähnlich ist. Das Modell geht auf eine Arbeit von John C. Shepherdson und Howard E. Sturgis aus dem Jahr 1963 zurück.

Einfache Registermaschine mit drei Grundoperationen

Wie es bei mathematischen Rechnermodellen häufig der Fall ist, gibt es verschiedene, leicht voneinander abweichende Definitionen von Registermaschinen. Eine sehr einfache Definition sieht folgendermaßen aus:

Zunächst gibt es eine Zahl von Registern, die man meist mittels Indexschreibweise voneinander unterscheidet, also $R_0, R_1, R_2, \ldots$ In den einzelnen Registern können natürliche Zahlen gespeichert werden. Auf den Registern können nun drei Grundoperationen ausgeführt werden:

• Inkrementieren eines Registers um 1.
• Dekrementieren eines Registers um 1 (falls der Inhalt des Registers nicht bereits 0 ist).
• Testen, ob ein Register 0 enthält.

Um überhaupt Berechnungen ausführen zu können, benötigt die Maschine eine festgelegte Anzahl von Eingabewerten. Es wird vereinbart, dass der erste Eingabewert im Register R₁, der zweite in R₂ usw. steht. Das Register R₀ wird ebenso wie alle anderen Register, die keine Eingabewerte enthalten, mit 0 initialisiert. Welche Operationen auf diesen Werten konkret ausgeführt werden, kann mittels eines Datenflussdiagramms definiert werden. Dabei führt eine Registermaschine – vorausgesetzt sie arbeitet korrekt und ist zur Berechnung der Aufgabe überhaupt in der Lage – eine bestimmte Anzahl von Rechenoperationen aus und gelangt schließlich in einen Endzustand. Der Wert, der im Endzustand im Register R₀ steht, wird als das Ergebnis der Rechnung betrachtet.

Beispiel für eine Registermaschine

Die rechts abgebildete Registermaschine gibt immer den Wert aus, der ihr als erster Eingabewert übergeben wird.

Das blau unterlegte Kästchen des Flussdiagramms stellt einen Test dar. Fällt dieser negativ aus, so läuft die Registermaschine durch die Schleife und dekrementiert bei jedem Schleifendurchlauf R₁ und inkrementiert R₀. Schließlich enthält R₁ den Wert 0, der Test fällt positiv aus und die Maschine geht in den Haltezustand über. Es ist klar, dass im Haltezustand immer genau der Eingabewert aus R₁ in R₀ stehen muss. Die vorliegende Registermaschine ist also eine einfache Implementierung der Identitätsfunktion.

Registermaschinen und Turingmaschinen

Registermaschinen sind prinzipiell zu allen Berechnungen in der Lage, die auch reale Rechner ausführen können. Da man beweisen kann, dass sich die Registermaschine und die Turingmaschine gegenseitig mit polynomieller Laufzeit simulieren können, gelten Aussagen, die man für die Turingmaschine beweisen kann, auch für die Registermaschine und damit auch für jede beliebige Rechenmaschine. Dies ist in der theoretischen Informatik von Vorteil, da man viele Aussagen anhand der Turingmaschine leichter beweisen kann.

Registermaschinen mit zwei Registern

Zu jeder Registermaschine mit n Registern gibt es eine äquivalente Registermaschine mit nur zwei Registern.

Zwei weitere wichtige Registermaschinen-Modelle

Man unterscheidet gelegentlich zwei wichtige Typen von Registermaschinen aus zwei Bereichen der Informatik. Sie unterscheiden sich unter anderem durch die Befehlsanzahl voneinander.

• Registermaschine (Berechenbarkeitstheorie)
• Registermaschine (Komplexitätstheorie)

Siehe auch

• Wahlfreier Zugriff

Literatur

• John C. Shepherdson, Howard E. Sturgis: Computability of Recursive Functions. In: Journal of the Association of Computing Machinery (JACM). Bd. 10, Nr. 2, 1963, ISSN 0004-5411, S. 217-255 doi:10.1145/321160.321170 (eingegangen Dezember 1961).