Математический аппарат инженера - Сигорский Виталий Петрович. Страница 28

Строгое определение понятия состояния связывается с той ролью, которое оно играет при описании конечных автоматов. Во-первых, значения совокупности выходных переменных на ν-м такте у(ν) = (y₁(ν), y₂(ν), …, y_m(ν)), однозначно определяется значениями входных переменных x(ν) = (x₁(ν), x₂(ν), …, x_n(ν)) и состоянием s(ν) = (s₁(ν), s₂(ν), …, s_k(ν)), на том же такте, т.е. у(ν) = λ (x(ν), s(ν)). Во-вторых, состояние s(ν + 1) в следующем (ν + 1)-м такте однозначно определяется входными переменными х(ν) и состоянием s(ν) в предыдущем такте, т.е. s(ν + 1) = δ (x(ν), s(ν)).

Таким образом, состояние конечного автомата в любой тактовый момент характеризуется значениями такой совокупности переменных, которая вместе с заданными значениями входных переменных позволяет определить выходные переменные в данный тактовый момент и состояние в следующий тактовый момент.

- 565 -

Ясно, что последовательностные схемы должны обладать способностью сохранять предыдущее состояние до следующего такта, в связи с чем их называют также автоматами с памятью или последовательностными машинами. В качестве памяти могут использоваться элементы задержки, на выходах которых повторяются входные воздействия со сдвигом во времени на интервал между тактами Dt. Широко применяются также различные запоминающие элементы, например, триггеры, способные сохранять состояния на выходах до тех пор, пока оно не изменяется в результате воздействия на их входы.

3. Типы конечных автоматов. В технике с понятием автомата обычно связывается некоторое устройство, способное выполнять определенные функции без вмешательства человека или с его ограниченным участием. Однако такое понимание является слишком узким. В широком смысле конечный автомат - это математическая модель, отображающая физические или абстрактные явления самой разнообразной природы. Такая модель успешно используется как в технике (проектирование электронных вычислительных машин, систем управления и связи), так и в других областях - психологии и физиологии (исследование деятельности нервной системы человека и простейших видов поведения животных), лингвистике (анализ синтаксиса русского, английского или других языков, расшифровка древних рукописей), теории и практике административного управления и т.п. Универсальность теории автоматов позволяет рассматривать с единой точки зрения различные объекты, устанавливать связи и аналогии между ними, переносить результаты из одной области в другую.

Рис. 235. Блок-схема конечного автомата.

Конечный автомат М определяется как система с конечным входным алфавитом Х = { ξ₁, ξ₂, ... , ξ_p}, конечным выходным алфавитом Y = {v₁, v₂, …, v_q}, конечным множеством состояний S = {σ₁, σ₂, ..., σ_i}, и двумя характеристическими функциями:

s(ν + 1) = δ (x(ν), s(ν));

у(ν) = λ (х(ν), s(ν)),

называемыми соответственно функцией переходов и функцией выходов. Общая блок-схема конечного автомата (рис. 235) может быть представлена в виде комбинационной схемы, реализующей характеристические функции δ и λ, и памяти, сохраняющей на один такт предыдущее состояние автомата.

В определении автомата участвует три конечных множества X, Y, S и две функции δ и λ, задающие некоторые отношения между

- 566 -

элементами этих множеств. Следовательно, конечный автомат можно обозначить упорядоченной пятеркой М = (X, Y, S, δ, λ). Мощности множеств X, Y, S равны соответственно:

где p_i, q_i, r_i - количество символов в алфавитах входной переменной x_i, выходной переменной y_i и переменной состояния s_i. При двоичном структурном алфавите р = 2ⁿ, q = 2^m и r = 2^k. Если желают подчеркнуть мощности множеств X, Y и S, на которых определен конечный автомат, то его называют (р, q, r)-автоматом.

Характеристические функции δ и λ можно рассматривать как некоторые отображения множества X × S или его подмножества D ⊂ X × S соответственно на множества S и Y. Если δ : X × X → S и λ : X × S → Y, автомат называется полным; если только δ : X × S → S, автомат называют полным по переходам. В случае, когда функции δ и λ определены не для всех наборов из множества X × S, автомат называют неполным или частично определенным.

Приведенное в начале этого параграфа определение связывают обычно с автоматом первого рода, называемым также автоматом Мили. Если выходные переменные являются функцией только состояния, то имеем автомат второго рода или автомат Мура.

Между автоматами этих двух типов имеется взаимная связь и один из них может быть преобразован в другой. Положив в характеристических функциях автомата Мили s'(ν) = (x(ν), s(ν)), получим у(ν) = λ '(s'(ν)) и s'(ν + 1) = (x(ν + 1), s(ν + 1)) = (x(ν + 1); δ (x(ν), s(ν))) = δ (x(ν + 1), s'(ν)), т. е. приходим к автомату Мура. Обратный переход осуществляется подстановкой s(ν) = s'(ν - 1), в результате чего получаем у(ν) = λ '(s'(ν)) = λ '( δ (x(ν), s'(ν - 1))) = λ (x(ν), s(ν)), а также s(ν + 1) = s'(ν) = δ (x(ν), s'(ν - 1)) = δ (x(ν), s(ν)).

Для комбинационных схем функция перехода не имеет смысла, а функция выходов вырождается к виду y(ν) = λ (x(ν)). Их называют автоматами без памяти или тривиальными автоматами.

4. Представления конечных автоматов. Автомат может быть задан различными способами, например, путем словесного описания его функционирования или перечислением элементов множеств X, Y, S, с указанием отношений между ними. При анализе и синтезе конечных автоматов используются стандартные формы представления: таблицы, графы и матрицы. Элементы множеств X, Y, S удобно пронумеровать порядковыми числами, начиная с нуля, например: Х = {0, 1, 2, 3}, Y = {0, 1} и S = {0, 1, 2, 3}. Тогда характеристические функции δ и λ можно представить двумя

- 567 -

таблицами, строки которых соответствуют состояниям, а столбцы - входам. Первая таблица, называемая таблицей переходов, соответствует функции s(ν + 1) = δ (x(ν), s(ν)), и ее клетки заполняются номерами состояний s(ν + 1), в которые переходит автомат при

воздействии х(ν), и состоянию s(ν) в данный тактовый момент. Вторая таблица, называемая таблицей выходов, соответствует функции у(ν) = λ (x(ν), s(ν)), и ее клетки заполняются номерами выходов y(ν) в данный тактовый момент, которые соответствуют воздействию x(ν) и состоянию s(ν) в тот же момент. Например, для заданных множеств X, Y, S такие таблицы могут иметь вид: