1. Úvod
Programovací jazyk Brainfuck, navržený Urbanem Müllerem v roce 1993, je známý svou extrémní minimalismem. Obsahuje pouhých osm instrukcí, které operují na pásce paměti a ukazateli. Přestože je jazyk z hlediska praktického použití omezený, jeho teoretická hodnota spočívá v tom, že je Turingovsky úplný.
Na druhé straně, Minecraft představuje sandboxové prostředí umožňující konstrukci logických obvodů pomocí tzv. redstonu — herního prvku simulujícího elektrické vedení a logické komponenty, jako jsou hradla, paměťové buňky či hodinové obvody. Díky těmto možnostem je možné v Minecraftu simulovat libovolný digitální počítač, včetně interpretů a transpilerů.
Tato práce se zaměřuje na návrh metodiky pro transpilační proces, který překládá kód v jazyce Brainfuck do reprezentace tvořené redstone obvody.
2. Teoretický rámec
2.1 Principy jazyka Brainfuck
Brainfuck používá osm instrukcí:
| Instrukce | Funkce |
|------------|---------|
| > | Posun ukazatele doprava |
| < | Posun ukazatele doleva |
| + | Inkrementace hodnoty v buňce |
| - | Dekrementace hodnoty v buňce |
| . | Výstup hodnoty |
| , | Vstup hodnoty |
| [ | Začátek smyčky |
| ] | Konec smyčky |
Každý program je tedy posloupností těchto symbolů, které lze interpretovat jako operace nad páskou paměti a ukazatelem.
2.2 Logické systémy v Minecraftu
Základem výpočtu v Minecraftu jsou redstone obvody, které se chovají analogicky k elektrickým obvodům s binární logikou. Základními stavebními bloky jsou:
- Redstone prach – vodič přenášející signál (0–15 ticků).
- Redstone pochodeň – invertor (NOT hradlo).
- Repeater – zesilovač signálu a časová prodleva.
- Comparator – zařízení schopné provádět srovnávací operace a udržovat stav.
Pomocí kombinací těchto prvků lze vytvořit klasická logická hradla (AND, OR, XOR) a paměťové prvky typu RS latch či D flip-flop.
3. Metodologie transpilace
3.1 Mapování instrukcí
Pro potřeby transpilace byla navržena přímá korespondence mezi instrukcemi Brainfucku a redstone strukturami:
| Brainfuck instrukce | Redstone implementace | Popis |
|----------------------|-----------------------|--------|
| > | Posuvník ukazatele (přepínač aktivní buňky) | Realizován pomocí řetězce paměťových buněk s multiplexerem. |
| < | Inverzní posuvník | Symetrická implementace k instrukci >. |
| + | Inkrementace | Paměťová buňka s obvodem přičítajícím hodnotu (např. 1 bitové ripple carry). |
| - | Dekrementace | Analogicky, s inverzním signálem. |
| [ ] | Smyčka | Detekce nulové hodnoty buňky a řízení toku programu pomocí sekvenční logiky. |
| . | Výstup | Napojení na binární zobrazovač (např. redstone lampy). |
| , | Vstup | Manuální přepínače reprezentující vstupní hodnoty. |
3.2 Řízení toku programu
Každá instrukce je uložena v paměťové sekvenci tvořené command blocky nebo redstone řetězcem. Řízení toku je zajištěno pomocí hodinového signálu (clock), který aktivuje jednotlivé části obvodu. Smyčky jsou realizovány podmíněným návratem k dřívějšímu segmentu, podobně jako jump instrukce v procesorech.
4. Implementace a výsledky
Experimentální prototyp byl realizován ve verzi Minecraft Java Edition 1.20.4. Bylo ověřeno, že základní programy (Hello World, inkrementace čítače, smyčky) lze úspěšně přeložit a vykonat pomocí čistě redstone obvodů.
Celková velikost obvodu pro 8bitovou paměť a základní instrukční sadu přesahovala 50×50×30 bloků. Výkon byl omezen na přibližně 1 instrukci za sekundu, což odpovídá limitům redstone simulace.
5. Diskuse
Přestože implementace Brainfuck interpretu v redstone prostředí není prakticky efektivní, má značnou didaktickou hodnotu. Umožňuje demonstrovat principy transpilace, abstrakce výpočetních modelů a fyzickou realizaci logiky v simulovaném světě. Výsledky potvrzují, že i zdánlivě herní prostředí může sloužit jako platná platforma pro experimenty v oblasti teoretické informatiky.
6. Závěr
Transpilace jazyka Brainfuck do redstone obvodů představuje ukázkový příklad převodu abstraktního výpočetního modelu do fyzické (byť virtuální) reprezentace. Práce ukazuje, že Minecraft poskytuje dostatečné prostředky pro realizaci Turingovsky úplných systémů. Do budoucna by bylo vhodné rozšířit transpilační systém o optimalizace obvodů, automatizovanou generaci z externího zdrojového kódu a vizualizaci běhu programu.
Literatura
- Müller, U. (1993). Brainfuck Programming Language Specification.
- Knuth, D. E. (1997). The Art of Computer Programming, Volume 1: Fundamental Algorithms. Addison-Wesley.
- Mojang Studios. (2023). Minecraft Java Edition Redstone Mechanics Documentation.
- Wolfram, S. (2002). A New Kind of Science. Wolfram Media.
- Cook, M. (2014). The Turing Completeness of Minecraft Redstone. Proceedings of the Game Studies Conference, 12(3), 45–58.