Примеры абстрактных автоматов, выполняющих полезные действия.

6 Основные понятия и определения теории абстрактных автоматов (лекция №9)
Цифровой (дискретный) автомат (ЦА) – устройство, которое осуществляет прием, хранение и/или преобразование дискретной информации по некоторому алгоритму. Примерами ЦА могут служить живые организмы, процессоры, бытовая техника калькуляторы – это реальные устройства, а также есть абстрактные, например, модели алгоритмов. ЦА относятся к последовательным устройствам. Этот класс устройств определяется тем , что значение выходов зависит не только от входных значений, но и от текущего состояния устройства. Т.е. вводится понятие – состояние . Для того чтобы хранить данные о состоянии, в котором находится устройство в ЦА используются запоминающие элементы – триггеры.
6.1 Математическая модель цифрового автомата
Цифровой автомат - устройство, характеризующееся набором внутренних состояний в которое оно попадет под воздействием команд заложенной в него программы. Переход автомата из одного состояния в другое осуществляется в определенный момент времени.

Математической моделью ЦА (а в общем случае любого дискретного устройства) является так называемый абстрактный автомат, определенный как 6-компонентный кортеж: S=(A,X,Y,,,а 1) у которого:

A={a 1 , a 2 , ... ,a m } – алфавит состояний – множество состояний, в которых может находиться проектируемый цифровой автомат. Количество состояний играет важную роль при реализации ЦА. Чем больше состояний, тем больше требуется запоминающих элементов(триггеров) для построения ЦА.
X={x 1 , x 2 , ... ,x f } – алфавит входных значений – множество значений, которые могут поступать на вход ЦА. Например , если у автомата двухразрядный двоичный вход, то элементами алфавита могут быть 00, 01, 10 и 11.
Y={y 1 , y 2 , ..., y g } – алфавит выходных значений – множество значений, которые могут быть установлены на выходе ЦА.
: AXA – функция переходов a(t+1)=  (x(t),a(t)) . Функция переходов определяет, в какое состояние a(t+1) перейдет автомат под воздействием входного сигнала x(t) , если в текущий момент времени автомат находится в состоянии a(t).
 : AZW – функция выходов y (t )=  (a (t ), x (t )). Функция выходов определяет какое выходное значение y (t ) будет установлено на выходе автомата в зависимости от входного значения x (t ) и текущего состояния a (t ) .
a i  A - начальное состояние автомата –состояние в которое устанавливается ЦА после подачи питания или после сброса

Под алфавитом здесь понимается непустое множество попарно различных символов. Элементы алфавита называются буквами , а конечная упорядоченная последовательность букв - словом в данном алфавите.

Рисунок 6.1 – Абстрактный автомат

Абстрактный автомат (рисунок 6.1) имеет один вход и один выход. Автомат работает в дискретном времени, принимающем целые неотрицательные значения t = 0,1,2,... В каждый момент t дискретного времени автомат находится в некотором состоянии a(t) из множества состояний автомата , причем в начальный момент t = 0 он всегда находится в начальном состоянии a(0)=a1. В момент t, будучи в состоянии a(t), автомат способен воспринять на входе букву входного алфавита X(t)  Z. В соответствии с функцией выходов он выдаст в тот же момент времени t букву выходного алфавита y(t)=(a(t), z(t)) и в соответствии с функцией переходов перейдет в следующее состояние a(t+1)=, a(t)  A, y(t)  Y.

Смысл понятия абстрактного автомата состоит в том, что он реализует некоторое отображение множества слов входного алфавита X во множество слов выходного алфавита Y. Т.е. если на вход автомата, установленного в начальное состояние a1, подавать буква за буквой некоторую последовательность букв входного алфавита x(0), x(1),... - входное слово, то на выходе автомата будут последовательно появляться буквы выходного алфавита y(0), y(1),... - выходное слово. Т.о. выходное слово = (входное слово), где  - отображение, осуществляемое абстрактным автоматом.

На уровне абстрактной теории понятие "работа автомата" понимается как преобразование входных слов в выходные. Можно сказать, что в абстрактном автомате отвлекаемся от его структуры - содержимого прямоугольника (рисунок 6.1), рассматривая его как "черный ящик", т.е. основное внимание уделяем поведению автомата относительно внешней среды.

Понятие состояния в определении автомата введено в связи с тем, что часто возникает необходимость в описании поведения систем, выходы которых зависят не только от состояния входов в данный момент времени, но и от некоторой предыстории, т.е. от сигналов , которые поступали на входы системы ранее. Состояния как раз и соответствуют некоторой памяти о прошлом, позволяя устранить время как явную переменную и выразить выходной сигнал как функцию состояния и входа в данный момент времени.

6.2 Классификация цифровых автоматов

Рассмотренные выше абстрактные автоматы можно разделить на:

полностью определенные и частичные;
детерминированные и вероятностные;
синхронные и асинхронные;

Полностью определенным называется абстрактный цифровой автомат, у которого функция переходов и функция выходов определены для всех пар (a i , z j).

Частичным называется абстрактный автомат, у которого функция переходов или функция выходов , или обе эти функции определены не для всех пар (a i , z j).

К детерминированным относятся автоматы, у которых выполнено условие однозначности переходов: автомат, находящийся в некотором состоянии a i , под действием любого входного сигнала z j не может перейти более, чем в одно состояние.

В противном случае это будет вероятностный автомат , в котором при заданном состоянии a i и заданном входном сигнале z j возможен переход с заданной вероятностью в различные состояния.

Для определения синхронных и асинхронных автоматов вводится понятие устойчивого состояния . Состояние a s автомата называется устойчивым, если для любого состояния a i и входного сигнала z j таких, что (a i , z j) = a s имеет место (a s , z j) = a s , т.е. состояние устойчиво, если попав в это состояние под действием некоторого сигнала zj, автомат выйдет из него только под действием другого сигнала z k , отличного от z j .

Автомат, у которого все состояния устойчивы - асинхронный .

Автомат называется синхронным , если он не является асинхронным.

Абстрактный автомат называется конечным , если конечны множества А = {a 1 , a 2 , ..., a m }, Z = {z 1 , z 2 , ..., z f }, W = {w 1 , w 2 , ..., w g }. Автомат носит название инициального , если в нем выделено начальное состояние a 1 .
6.3 Разновидности цифровых автоматов
На практике наибольшее распространение получили два класса автоматов - автоматы Мили (Mealy) и Мура (Moore).

Закон функционирования автомата Мили задается уравнениями:

a(t+1) = (a(t), z(t)); w(t) = (a(t), z(t)), t = 0,1,2,...
Закон функционирования автомата Мура задается уравнениями:
a(t+1)=(a(t), z(t)); w(t) = (a(t)), t = 0,1,2,...
Из сравнения законов функционирования видно, что, в отличие от автомата Мили, выходной сигнал в автомате Мура зависит только от текущего состояния автомата и в явном виде не зависит от входного сигнала. Для полного задания автомата Мили или Мура дополнительно к законам функционирования , необходимо указать начальное состояние и определить внутренний, входной и выходной алфавиты.

Кроме автоматов Мили и Мура иногда оказывается удобным пользоваться совмещенной моделью автомата, так называемым С- автоматом.

Абстрактный С- автомат можно представить в виде устройства с одним входом, на который поступают сигналы из входного алфавита X, и двумя выходами, на которых появляются сигналы из алфавитов Y и U. Отличие С - автомата от моделей Мили и Мура состоит в том, что он одновременно реализует две функции выходов  1 и  2 , каждая из которых характерна для этих моделей в отдельности. Закон функционирования С- автомата можно описать следующими уравнениями:
а(t+1) =(a(t), z(t)); w(t) = 1 (a(t), z(t)); u(t) =  2 (a(t)); t = 0, 1, 2, ...
Выходной сигнал U h = 2 (a m) выдается все время, пока автомат находится в состоянии a m . Выходной сигнал Wg= 1 (a m , z f) выдается во время действия входного сигнала Z f при нахождении автомата в состоянии a m .
7 Способы описания и задания автоматов (лекция№10)
Для того, чтобы задать автомат, необходимо описать все компоненты кортежа S=(A, X, Y, , , а 1). Множества А, X, Y описываются и задаются простым перечислением своих элементов. Среди многообразия различных способов заданий функций  и  (следовательно и всего автомата в целом) наибольшее распространение получили табличный и графический.
7.1 Табличный способ описания цифровых автоматов

При табличном способе описания цифровых автоматов применяется два вида таблиц – таблица переходов и таблица выходов.

Таблица переходов отображает функцию переходов. Строкам таблицы соответствуют состояния автомата, т.е. в таблице столько строк, сколько состояний у автомата. Столбцам таблицы соответствуют входные значения , которые могут поступать на входы ЦА, т.е. столбцом столько – сколько элементов во входном алфавите. На пересечении i-столбца и j-строки в ячейке таблицы указывается состояние в которое перейдет ЦА под воздействием входного сигнала x i (которому соответствует i-й столбец) из состояния a j (которому соответствует j-я строка). Таблица переходов приведена на рисунке 6.2

	x 1	x 2	…	x m
a 1	a 2	a 1	…	a 2
a 2	a n-1	a 3	…	a 1
…			…
a n	-	a n	…	a 2

Рисунок 6.2 – Таблица переходов ЦА
Таблица переходов имеет одинаковый вид как для автомата Мура, так и для автомата Мили. Для частичных автоматов Мили и Мура в рассмотренных таблицах на месте не определенных состояний и выходных сигналов ставится прочерк. В таких автоматах выходной сигнал на каком-либо переходе всегда не определен, если неопределенным является состояние перехода
Таблица выходов для автомата Мили имеет такой же вид как и таблица переходов , только на пересечении i-столбца и j-строки в ячейке таблицы указывается выходное значение, которое сформирует ЦА под воздействием входного сигнала x i (которому соответствует i-й столбец) в состоянии a j (которому соответствует j-я строка). Таблица выходов автомата Мили приведена на рисунке 6.3

	x 1	x 2	…	x m
a 1	y 1	y 3	…	y 1
a 2	y n-1	y 2	…	y n-1
…			…
a n	-	y 1	…	y 2

Рисунок 6.3 – Таблица выходов автомата Мили

Таблица выходов для автомата Мура состоит из одного столбца. Строкам таблицы соответствуют состояния автомата, т.е. в таблице столько строк, сколько состояний у автомата. Пример таблицы приведен на рисунке 6.4

	x 1
a 1	y 1
a 2	y n-1
…
a n	y 2

Рисунок 6.4 – Таблица выходов автомата Мура
В некоторых случаях вместо двух таблиц определяющих ЦА удобно применять совмещенную таблицу переходов и выходов. На рисунке 6.5 приведена совмещенная таблица для автомата Мили. На рисунке 6.6 приведена совмещенная таблица переходов для автомата Мура.

	x 1	x 2	…	x m
a 1	a 2 /y 1	a 1 /y 3	…	a 2 /y 1
a 2	a n-1 /y n-1	a 3 /y 2	…	a 1 /y n-1
…			…
a n	-	a n /y 1	…	a 2 /y 2

Рисунок 6.5 – Совмещенная таблица переходов и выходов автомата Мили

	x 1	x 2	…	x m	Y
a 1	a 2	a 1	…	a 2	y 2
a 2	a n-1	a 3	…	a 1	y 1
…			…
a n	-	a n	…	a 2	y 2

Рисунок 6.6 – Совмещенная таблица переходов автомата Мура
7.2 Графический способ задания цифровых автоматов
При графическом способе автомат задается в виде ориентированного графа, вершины которого соответствуют состояниям, а дуги - переходам между ними. Дуга, направленная из вершины a m , задает переход в автомате из состояния a m в состояние a s . В начале этой дуги записывается входной сигнал X f X, вызывающий данный переход a s =(a m ,x f). Для графа автомата Мили выходной сигнал y g Y, формируемый на переходе, записывается в конце дуги, а для автомата Мура - рядом с вершиной a m , отмеченной состоянием a m , в котором он формируется. Если переход в автомате из состояния a m в состояние a s производится под действием нескольких входных сигналов , то дуге графа, направленной из a m в a s , приписываются все эти входные и соответствующие выходные сигналы. Граф С-автомата содержит выходные сигналы двух типов и они обозначаются на графе как на графах соответствующих автоматов. Граф автомата Мура представлен на рисунке 6.7, а автомата Мили – на рисунке 6.8.

y 2

Рисунок 6.7 –Графическое представление автомата Мура

Рисунок 6.8 –Графическое представление автомата Мили

8 Абстрактный синтез цифровых автоматов
Теория цифровых автоматов рассматривает абстрактный и структурный синтез цифровых автоматов. Абстрактный синтез не описывает внутреннего строения автомата, а дает описание взаимодействия с окружающей средой. К абстрактному синтезу относят:

определение входного, выходного и алфавита состояний, функции переходов и выходов ;
задание графов автомата и таблиц переходов и выходов;
минимизацию числа состояний

8.1 Структура цифрового автомата

Внутреннюю структуру цифрового автомата можно изобразить, как показано на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 – Структурная схема цифрового автомата.

Комбинационная схема №1 реализует переходы автомата из одного состояния в другое под воздействием входных сигналов. Схема проектируется исходя из закодированной таблицы переходов и подграфа переходов выбранного запоминающего элемента.

Блок памяти представляет собой набор триггеров, которые хранят разряды закодированного номера состояния. Количество триггеров зависит от количества состояний, в которых может находиться автомат. И вычисляется как:

N=log 2 M
где M – количество состояний, а N –количество триггеров
Комбинационная схема №2 реализует функцию выходов автомата и на ее выходе устанавливаются выходные значения автомата в соответствии с текущим состоянием автомата и входными значениями.

8.2 Минимизация числа состояний цифрового автомата
Часто при выполнении абстрактного синтеза вводятся избыточные состояния, эквивалентность которых не является очевидной. Избыточное количество состояний может привести к применению лишних триггеров, что усложнит КС1 и КС2. Поэтому очень важно выполнять минимизацию числа состояний перед его структурным синтезом.

Алгоритм минимизации основан на разбиении всего множества состояний на попарно непересекающиеся классы эквивалентных состояний и замене всего класса эквивалентности одним состоянием. Полученный в результате минимизированный автомат будет содержать столько состояний на сколько классов эквивалентности было разбито исходное множество состояний.

Определение Два состояния a s и a m являются эквивалентными, если
 (a s , E) =  (a m , E), где  - функция перехода, E – входное слово произвольной длины.

Другими словами, состояния эквивалентны, если в ответ на одни и те же входные слова вырабатывается одна и та же последовательность состояний, независимо от того в каком из двух состояний a s или a m находился автомат в начальный момент времени. Если два состояния эквивалентны , то одно состояние можно заменить на другое.

Кроме эквивалентных состояний существует понятие k-эквивалентных состояний: 1-эквивалентные, 2-эквивалентные и т.д.

Определение Два состояния a s и a m являются k - эквивалентными, если
 (a s , E k ) =  (a m , E k ), где  - функция перехода, E k – входное слово длины k .
Алгоритм минимизации:

Находится последовательно разбиения П 1 , П 2 , … П К, П К+1 состояний автомата до тех пор пока на каком-то К+1 шаге П К.+1 станет равно П К. В этом случае полученное к-эквивалентное разбиение будет представлять собой полностью эквивалентные классы.
В каждом классе эквивалентности выбирают по одному состоянию, которые образуют новое множество состояний минимизированного автомата.
Для переопределения функций переходов и выходов вычеркивают строки, которые соответствую состояниям , не вошедшим в новое множество состояний минимизируемого автомата, а в остальных строка таблицы переходов все состояния заменяются на им эквивалентные состояния, которые вошли в новое множество.
Если множество состоит из одного состояние, то у него нет эквивалентных состояний. Если все состояния входят в отдельные множества из одного состояния, то автомат нельзя минимизировать.
Разбиение на множества начинается с 0-эквивалентного класса. В данном случае в одни множества попадают состояния с одинаковыми выходными сигналами.

Имеющего один вход, один выход и в каждый момент времени находящегося в одном состоянии из множества возможных. На вход этому устройству поступают символы одного алфавита , на выходе оно выдаёт символы (в общем случае) другого алфавита.

Формально абстрактный автомат определяется как пятерка

$\boldsymbol{A = (S, X, Y, \delta, \lambda)}$

Ограничение числа параметров абстрактного автомата определило такое понятие как конечный автомат .

Функционирование автомата состоит в порождении двух последовательностей: последовательности очередных состояний автомата $\boldsymbol{s_1s_2s_3...}$ и последовательности выходных символов $\boldsymbol{y_1y_2y_3...}$ , которые для последовательности символов $\boldsymbol{x_1x_2x_3...}$ разворачиваются в моменты дискретного времени t = 1, 2, 3, … Моменты дискретного времени получили название тактов.

Функционирование автомата в дискретные моменты времени t может быть описано системой рекуррентных соотношений: $\boldsymbol{s(t+1)=\delta(s(t),x(t));}$

$\boldsymbol{y(t)=\lambda(s(t),x(t)).}$

Для уточнения свойств абстрактных автоматов введена классификация .

Абстрактные автоматы образуют фундаментальный класс дискретных моделей как самостоятельная модель, и как основная компонента машин Тьюринга , автоматов с магазинной памятью , конечных автоматов и других преобразователей информации.

Напишите отзыв о статье "Абстрактный автомат"

Отрывок, характеризующий Абстрактный автомат

Государь с улыбкой обратился к одному из своих приближенных, указывая на молодцов апшеронцев, и что то сказал ему.

Кутузов, сопутствуемый своими адъютантами, поехал шагом за карабинерами.
Проехав с полверсты в хвосте колонны, он остановился у одинокого заброшенного дома (вероятно, бывшего трактира) подле разветвления двух дорог. Обе дороги спускались под гору, и по обеим шли войска.
Туман начинал расходиться, и неопределенно, верстах в двух расстояния, виднелись уже неприятельские войска на противоположных возвышенностях. Налево внизу стрельба становилась слышнее. Кутузов остановился, разговаривая с австрийским генералом. Князь Андрей, стоя несколько позади, вглядывался в них и, желая попросить зрительную трубу у адъютанта, обратился к нему.
– Посмотрите, посмотрите, – говорил этот адъютант, глядя не на дальнее войско, а вниз по горе перед собой. – Это французы!
Два генерала и адъютанты стали хвататься за трубу, вырывая ее один у другого. Все лица вдруг изменились, и на всех выразился ужас. Французов предполагали за две версты от нас, а они явились вдруг, неожиданно перед нами.
– Это неприятель?… Нет!… Да, смотрите, он… наверное… Что ж это? – послышались голоса.
Князь Андрей простым глазом увидал внизу направо поднимавшуюся навстречу апшеронцам густую колонну французов, не дальше пятисот шагов от того места, где стоял Кутузов.
«Вот она, наступила решительная минута! Дошло до меня дело», подумал князь Андрей, и ударив лошадь, подъехал к Кутузову. «Надо остановить апшеронцев, – закричал он, – ваше высокопревосходительство!» Но в тот же миг всё застлалось дымом, раздалась близкая стрельба, и наивно испуганный голос в двух шагах от князя Андрея закричал: «ну, братцы, шабаш!» И как будто голос этот был команда. По этому голосу всё бросилось бежать.
Смешанные, всё увеличивающиеся толпы бежали назад к тому месту, где пять минут тому назад войска проходили мимо императоров. Не только трудно было остановить эту толпу, но невозможно было самим не податься назад вместе с толпой.
Болконский только старался не отставать от нее и оглядывался, недоумевая и не в силах понять того, что делалось перед ним. Несвицкий с озлобленным видом, красный и на себя не похожий, кричал Кутузову, что ежели он не уедет сейчас, он будет взят в плен наверное. Кутузов стоял на том же месте и, не отвечая, доставал платок. Из щеки его текла кровь. Князь Андрей протеснился до него.
– Вы ранены? – спросил он, едва удерживая дрожание нижней челюсти.
– Раны не здесь, а вот где! – сказал Кутузов, прижимая платок к раненой щеке и указывая на бегущих. – Остановите их! – крикнул он и в то же время, вероятно убедясь, что невозможно было их остановить, ударил лошадь и поехал вправо.

На выходе оно выдаёт символы (в общем случае) другого алфавита.

Абстрактный автомат

Формально абстрактный автомат определяется как пятерка

Ограничение числа параметров абстрактного автомата определило такое понятие как конечный автомат .

Функционирование автомата состоит в порождении двух последовательностей: последовательности очередных состояний автомата и последовательности выходных символов , которые для последовательности символов разворачиваются в моменты дискретного времени t = 1, 2, 3, … Моменты дискретного времени получили название тактов.

Функционирование автомата в дискретные моменты времени t может быть описано системой рекуррентных соотношений:

Для уточнения свойств абстрактных автоматов введена классификация .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Диаграмма состояний (теория автоматов)
Нагорный Карабах

Смотреть что такое "Абстрактный автомат" в других словарях:

абстрактный автомат - abstraktusis automatas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. abstract automaton vok. abstrakter Automat, m rus. абстрактный автомат, m pranc. automate abstrait, m … Automatikos terminų žodynas

Автомат - В Викисловаре есть статья «автомат» Автомат: Автомат устройство, самостоятельно выполняющее некоторые действия … Википедия

Конечный автомат - Конечный автомат абстрактный автомат без выходного потока, число возможных состояний которого конечно. Результат работы автомата определяется по его конечному состоянию. Существуют различные варианты задания конечного автомата. Например,… … Википедия

ТЬЮРИНГА, МАШИНА - Абстрактный автомат (то есть компьютер или другой точный, определенный механизм), теоретически охарактеризованный британским математиком Аланом М. Тьюрингом в 1930 х гг. В основном, машина Тьюринга состоит из ленты и считывающей головки. Лента… … Толковый словарь по психологии

Теория автоматов

Теория автоматов - раздел теоретической кибернетики, который изучает математические модели (называемые здесь автоматами или машинами) реальных или возможных устройств, перерабатывающих дискретную информацию дискретными же тактами. Основными… … Экономико-математический словарь

теория автоматов - Раздел теоретической кибернетики, который изучает математические модели (называемые здесь автоматами или машинами) реальных или возможных устройств, перерабатывающих дискретную информацию дискретными же тактами. Основными понятиями этой теории… … Справочник технического переводчика

Теория автоматов - Теория автоматов раздел дискретной математики, изучающий абстрактные автоматы вычислительные машины, представленные в виде математических моделей и задачи, которые они могут решать. Теория автоматов наиболее тесно связана с… … Википедия

Компьютер - Схема персонального компьютера: 1. Монитор 2. Материнская плата 3 … Википедия

Формальные методы - Пример формальной спецификации с использованием Z нотации В информатике и инженерии программного обеспечения формальными методами называется группа техник, основанных на математическом аппарате для … Википедия

26 апреля 2010 в 19:06

Самостоятельное изучение схемотехники. Абстрактный автомат. Часть 2

Электроника для начинающих

Статья написана, собрана и сверстана . Спасибо ему огромное.
В предыдущей статье я попытался изложить все основные определения и принципы, чтобы сделать эту статью максимально понятной. Все не уместилось, так что я настоятельно советую ознакомиться с этими файлами:
Базис , Базис2 , Минимизация . Далее в этой статье я оставил несколько разъясняющих пометок курсивом.

В этой статье я попробую объяснить доступным языком что такое абстрактный автомат, способы его представления. Так как теория автоматов полна математики и сложна, постараюсь писать человеческим языком, чтобы неподготовленный читатель смог понять о чём идёт речь.

Электронные цифровые схемы формально можно разделить на 2 класса:

Комбинационные Схемы (КС) – не обладают памятью. Выходной сигнал формируется в зависимости от комбинации входных данных в фиксированный момент времени (учитывая задержку на преобразования сигналов).Комбинационные схемы, их типы и принципы построения могут быть темой для отдельной статьи, а в качестве примеров можно привести: Управляемые шины, мультиплексоры и демультиплексоры, дешифраторы и шифраторы, преобразователи кодов, комбинационные счетчики и сумматоры и т. д.
Схемы с памятью – алгоритм их работы зависит от состояния входов и памяти (того, что было в предыдущие моменты времени). Эти схемы описываются с применением теории конечных автоматов. Речь о них и пойдёт далее.

Другими словами первый класс - логические устройства, обрабатывающие входной сигнал. Второй элементы обладающие памятью и реагирующие на сигнал в зависимости от введенных в них данных.

Абстрактный автомат

Автомат должен будет реализовывать некоторые функции, которые заданы разработчиком. Он может быть простым сумматором, может реализовывать какую-либо микрокоманду процессора, выбирать слова из оперативной памяти или заниматься синтаксическим анализом выражения.
В общем виде, не вдаваясь в подробности, абстрактный автомат можно представить следующим образом:

Или, если перейти от иллюстрации к математическому описанию:
A =

Обозначения:

Множество {A} – представляет собой множество значений на физических входах автомата. На входе в нашем случае будет какая-то последовательность высоких и низких уровней напряжения, которые будут кодировать логические нули и единицы.
Множество {B} – представляет собой множество значений на физических выходах автомата.
Множество {C} – а множество, которое представляет внутреннее состояние автомата – память. На будущее C0 будем обозначать начальное состояние автомата.
δ = X × Z → Z – это функции переходов автомата, они однозначно определяют состояние ai в которое переходит автомат из состояния aj.
λ = X × Z → Y – функции выходов, они определяют что находится на выходе автомата в зависимости от входов и внутреннего состояния.

δ и λ не показаны на схеме для визуального упрощения.

Такой автомат функционирует дискретно по времени, то есть значения входов, выходов и внутреннее состояние автомата изменяются в дискретные моменты времени.
Итак мы в общем виде описали что есть Абстрактный автомат. Примером такого автомата может быть триггер, регистр ЭВМ или сумматор.

Выделяют 2 типа автоматов:

Автоматы Мили. Описывается системой уравнений:
c(t) = δ(a(t), c(t-1));
b(t) = λ(a(t), c(t-1)).
Автоматы Мура. Описывается уравнениями:
c(t) = δ(a(t), c(t-1));
b(t) = λ(a(t), c(t)).

Как видно состояние автомата c(t) в текущий момент времени является функцией его состояния в предыдущий момент времени и входного сигнала .
Отличаются автоматы видом функции выхода. В автомате Мили выходной сигнал определяется входным сигналом a(t) и состоянием автомата в предыдущий момент времени c(t-1). Выходной сигнал автомата Мура определяется парой входного сигнала a(t) и состояния в данный момент c(t).
Так же можно отметить, что от одного типа можно перейти ко второму и наоборот, причем при переходе от автомата Мили к автомату Мура число внутренних состояний автомата останется прежним, а при обратном переходе число внутренних состояний может возрасти. На этом останавливаться подробно не будем, считая, что синтезировали(нарисовали граф) автомат того типа, который надо.
Итак, на этом с матчастью окончено. Попробуем описать автоматы.

Т.е. автомат типа Мили вырабатывает выходной сигнал когда у него меняется входной, в зависимости от его предыдущего состояния. При этом длительность выходного сигнала не зависит от длительности входного, а только от его присутствия. В автоматах типа Мура выходной сигнал зависит от состояния автомата в текущий момент времени т.е. автомат будет вырабатывать определенный выходной сигнал пока не изменит свое состояние.

Способы задания автоматов

Как мы выяснили в первой части - автомат представляет собой совокупность входного и выходного алфавитов, множества внутренних состояний и функций, определяющих переходы и выходы. Однако, обычно функции δ и λ не заданы, и поведение автомата приходится описывать по-другому.

Есть два основных способа задания автомата:

При помощи графов.
При помощи таблиц переходов и выходов.

Графы

Граф автомата – это ориентированный связный граф, вершины которого символизируют внутренние состояния автомата, а дуги – переходы из одного состояния в другое.

Для графа Мили на дугах указываются сходные и выходные буквы. Выходные буквы пишутся над дугами, символизируя то, что выходное состояние зависит от состояния автомата в предыдущий момент времени.

Для графа автомата Мура на дугах записываются только входные буквы, выходные же указываются около вершин.

Важный момент: Если из каждой вершины выходит столько дуг, сколько есть входных букв, то автомат называется полным . Другими словами – если из каждой вершины определены переходы для каждой входной буквы. В наших примерах автомат Мили является полным , а автомат Мура – частичным .
И ещё: Если из одной вершины выходит дуг больше, чем входных букв (то есть 2 и более дуг с одинаковыми входными буквами), то такой автомат называется недетерминированным . Такое может произойти при построении формализованного описания и тогда надо будет произвести переход к детерминированному автомату, но это не всегда можно выполнить. Описание этого процесса я тоже упускаю, сразу нарисовав детерминированный автомат.
На этом о графах всё.

Таблицы переходов и выходов.

Графы нагляднее для человека, а таблицы - для машины. Любой автомат можно представить в виде таблицы переходов и выходов (ТПВ). В ТПВ строками являются внутренние состояния автомата, а столбцами – входные буквы.
Построим ТПВ для наших графов Мили и Мура. Если не определена какая-либо входная или выходная буква, то вместо неё ставится прочерк. Если не определено состояние, то действует это же простое правило.

ТПВ графа Мили

В ТПВ Мили в каждой клетке записаны переходы и выходы. Например, если автомат находится в состоянии С0 и на вход приходит буква a1, то он перейдёт в состояние С1 и на выходе появится буква b3.

ТПВ графа Мура

Для графа Мура строят отмеченную таблицу переходов. Выделяется дополнительный столбец для выходных букв.
В клетке под входной буквой пишется в какое состояние автомат переходит, в крайней правой клетке - какую выходную букву возвращает.

Пример синтеза автомата

При помощи абстрактных автоматов можно описать практически что угодно. Можно описать работу цифровой схемы, а можно – синтаксический или лексический анализатор. Попробуем описать триггер – чем не автомат?
Чтобы задать граф нужно словесное описание алгоритма работы триггера. Читаем:

Кодируем входной и выходной алфавиты:
A = {a0, a1}, где a0 – логическая 1 на входе R, a1 – логическая единица на входе S.
B = {b0, b1}, где b0 – логический 0 на выходе Q, b1 – логическая единица на выходе Q.
Строим граф автомата Мили:

Вот такая забавная чебурашка получилась:-). Теперь можно построить таблицу переходов и выходов:

Если расписать эту таблицу преобразовав условные обозначения в фактические, то получим таблицу которая представляет из себя таблицу переходов триггера. Затем её можно упростить:

Нанесём полученную функцию на карту Вейча и минимизируем:

Выпишем, что получилось:

Строим по функции схему (Выполняли домашнее задание?).

1.1 Основные понятия
Вывод
Список литературы

Введение

Тема контрольной работы по дисциплине "Прикладная теория цифровых автоматов" - "Абстрактные цифровые автоматы".

Цель работы - ознакомится с основными понятиями абстрактных цифровых автоматов; типами абстрактных автоматов; способами задания абстрактных автоматов; связью между моделями Мили и Мура; эквивалентными автоматами и эквивалентными преобразованиями автоматов; минимизацией числа внутренних состояний автомата и алгоритмом Ауфенкампа-Хона.

1. Абстрактные цифровые автоматы

1.1 Основные понятия

Цифровой автомат можно трактовать как устройство, осуществляющее прием, хранение и преобразование дискретной информации по некоторому алгоритму. С определенной точки зрения к автоматам можно отнести как реальные устройства (ЭВМ), так и абстрактные системы (математические модели).

Автоматом называется дискретный преобразователь информации, способный принимать различные состояния, переходить под воздействием входных сигналов из одного состояния в другое и выдавать выходные сигналы.

Общая теория автоматов подразделяется на абстрактную и структурную.

Абстрактная теория автоматов, отвлекаясь от структуры автомата (т.е. не интересуясь способом его построения), изучает лишь поведение автомата относительно внешней среды. Абстрактная теория автоматов близка к теории алгоритмов, являясь по существу ее дальнейшей реализацией.

В противоположность абстрактной теории автоматов, структурная теория автоматов интересуется как структурой самого автомата, так и структурой входных воздействий и реакций автомата на них. В структурной теории изучаются способы построения автоматов, способы кодирования входных воздействий и реакций автомата на них. Структурная теория автоматов является продолжением и развитием абстрактной теории. Опираясь на аппарат булевых функций и на абстрактную теорию автоматов, структурная теория дает эффективные рекомендации по разработке реальных устройств вычислительной техники.

Абстрактный цифровой автомат (ЦА) является математической моделью дискретного управляющего устройства.

Абстрактный ЦА определяется множеством, состоящим из шести элементов:

S={ X,A,Y,ao},

где:

X={x1, x2,. xn} - множество входных сигналов (входной алфавит);

Y={y1, y2, ym} - множество выходных сигналов (выходной алфавит);

А={ a0,a1, a2,. аN} - множество состояний (алфавит состояний);

ао - начальное состояние (аоА);

- функция переходов автомата, задающая отображение (ХхА) А, т.е. ставящая в соответствие любой паре элементов декартового произведения (ХхА) элемент множества А;

- функция выходов автомата, задающая либо отображение (XxA) Y, либо отображение AY.

Иными словами, функция переходов показывает, что автомат S, находясь в некотором состоянии аjА, при появлении входного сигнала хjХ переходит в некоторое состояние арА. Это можно записать:

ap= (ai,Xj).

Функция выходов показывает, что автомат S, находясь в некотором состоянии аjА, при появлении входного сигнала хjХ выдает выходной сигнал уkY. Это можно записать: уk = (ai, Xj).

Понятие состояние в определение автомата было введено в связи с тем, что часто возникает необходимость в описании поведения систем, выходы которых зависят не только от состояния входов в данный момент времени, но и от некоторой предыстории, т.е. от сигналов, которые поступали на входы системы ранее. Состояние как раз и соответствует некоторой памяти о прошлом, позволяя устранить время как явную переменную и выразить выходные сигналы как функцию состояний и входов в данный момент времени.

Абстрактный автомат функционирует в дискретном автоматном времени t=0,1,2,. и переходы из состояния в состояние осуществляются мгновенно. В каждый момент t дискретного времени автомат находится в определенном состоянии a (t) из множества А состояний автомата, причем в начальный момент времени t=0 он всегда находится в начальном состоянии ао. В момент времени t, будучи в состоянии a (t), автомат способен воспринять на входном канале сигнал х (t) X, и выдать на выходном канале сигнал y (t) = (a (t), x (t)), переходя в состояние a (t+1) = = (a (t),x (t)). Зависимость выходного сигнала от входного и от состояния означает, что в его составе имеется память.

1.2 Типы абстрактных автоматов

По способу формирования функции выходов выделяют три типа абстрактных автоматов: автомат Мили, автомат Мура, С-автомат. Автомат Мили характеризуется системой уравнений:

y (t) = (a (t), x (t));

a (t+1) = д (a (t), x (t)). (1-1)

Автомат Мура - системой уравнений:

y (t) = (a (t));

a (t+1) = д (a (t), x (t)). (1-2)

С-автомат - системой уравнений:

у= y1y2

y1 (t) = (a (t),x (t));

У2 (t) = 2 (a (t));

a (t+1) =д (a (t),x (t)).

Произвольный абстрактный автомат Мили или Мура (рис.1.1.) имеет один входной и один выходной каналы. Произвольный абстрактный С-автомат имеет один входной и два выходны х канала (рис.1.2.).

Рисунок 1.1 - Абстрактный автомат

Рисунок.1.2 Абстрактный С-автомат

Если на вход абстрактного автомата Мили или Мура, установленного в начальное состояние ао, подавать буква за буквой некоторую последовательность букв входного алфавита х (0), х (1),. - входное слово, то на выходе автомата будут последовательно появляться буквы выходного алфавита у (0), у (1),. - выходное слово. Для случая С-автомата на его выходах будут появляться две последовательности: y1 (0), y1 (1),. и y2 (0), y2 (1),. В абстрактном С - автомате выходной сигнал y2 (t) = (a (t)) выдается все время, пока автомат находится в состоянии a (t). Выходной сигнал y1 (t) =л1 (a (t),x (t)) выдается во время действия входного сигнала x (t) при нахождении С-автомата в состоянии a (t).

Таким образом, на уровне абстрактной теории функционирование цифрового автомата понимается как преобразование входных слов в выходные слова.

Выделяют полностью определенные и частичные автоматы.

Полностью определенным называется абстрактный цифровой автомат, у которого функция переходов или функция выходов, или обе эти функции определены для всех пар переходов (xi,aj).

Частичным называется абстрактный цифровой автомат, у которого функция переходов или функция выходов, или обе эти функции определены не для всех пар переходов (xi,aj).

Абстрактный цифровой автомат называется инициальным, если на множестве его состояний А выделяется начальное состояние ао.

1.3 Способы задания абстрактных автоматов

Чтобы задать конечный автомат S, необходимо описать все элементы множества: S={ X,A,Y,ao}. Существует несколько способов задания работы автомата, но наиболее часто используется табличный (матричный), графический, аналитический.

При табличном способе автомат задается двумя таблицами: таблицей переходов и таблицей выходов, или матрицей соединений. Таблица переходов произвольного полностью определенного автомата строится следующим образом: строки таблицы помечаютсябуквами входного алфавита автомата, а столбцы таблицы - буквами алфавита состояний автомата; В клетке таблицы переходов, находящейся на пересечении строки, отмеченной входным сигналом xi, и столбца отмеченного состоянием aj, ставится состояние аk, являющееся результатом перехода автомата из состояния aj под воздействием входного сигнала хi, что определяется выражением ak= (aj, хj).

Таблица 1.1 Таблица переходов автомата

Пример заполнения таблицы переходов некоторого абстрактного полностью определенного автомата с входным алфавитом X={х1, х2} - и алфавитом состояний A={a1, a2, а3} представлен в табл.1.2.

Таблица 1.2

Если абстрактный автомат частичный, то в клетке таблицы его переходов, находящейся, на пересечении строки, отмеченной входным сигналом и столбца отмеченного соответствующим состоянием (при условии, что переход в это состояние под действием данного входного сигнала не определен) ставится прочерк, и любое входное слово, приводящее к указанному переходу является запрещенным.

Заполнение остальных клеток аналогично случаю полностью определенного автомата. Вид таблицы переходов не зависит от типа задаваемого автомата (автомат Мили, Мура, С-автомат). Таблицы выходов автоматов Мили, Мура, С-автомата имеют различия.

Таблица выходов полностью определенного автомата Мили строится следующим образом: идентификация столбцов и строк, а также формат таблицы соответствуют таблице переходов полностью определенного автомата. В клетке таблицы выходов, находящейся на пересечении строки, отмеченной входным сигналом Xj, и столбца, отмеченного состоянием ак, ставится выходной сигнал Уm, который автомат выдает, находясь в состоянии аk при наличии входного сигнала Xj, что определяется выражением Ym= (аk, хj).

Таблица 1.3 Таблица выходов абстрактного автомата Мили.

Пример заполнения таблицы выходов некоторого абстрактного полностью определенного автомата с входным алфавитом X={x1, x2}, алфавитом состояний A={a1, а2, а3} и выходным алфавитом Y={y1, y2, y3}-представлен в табл.1.4.

Таблица 1.4

Очевидно, абстрактный полностью определенный С-автомат задается двумя таблицами выходов, первая из которых есть таблица выходов автомата Мили, а вторая - Мура. Если автомат частичный, то в некоторых клетках его таблицы может стоять прочерк, что означает отсутствие выходного сигнала.

На практике таблицы переходов и выходов часто совмещают в одну таблицу, называемую отмеченной таблицей переходов автомата. Примеры отмеченных таблиц переходов представлены в табл.1.6. - 1.8 (Общий вид отмеченной таблицы переходов - табл.1.6., отмеченная таблица переходов автомата Мили - табл.1.7., отмеченная таблица переходов автомата Мура - табл.1.8.).

Кроме рассмотренных выше таблиц переходов и выходов произвольный абстрактный автомат может быть задан матрицей соединений.

Матрица соединений является квадратной и содержит столько столбцов (строк), сколько различных состояний содержит алфавит состояний данного автомата. Каждый столбец (строка) матрицы соединений помечается буквой состояния автомата. В клетке, находящейся на пересечении столбца, помеченного буквой аj и строки, помеченной буквой as автомата, ставится входной сигнал (или дизъюнкция входных сигналов), под воздействием которого осуществляется данный переход.

Для абстрактного автомата Мили в клетке рядом с состоянием проставляется также выходной сигнал, который автомат выдает в результате данного перехода (табл.1.9.) Для автомата Мура выходной сигнал проставляется в строке рядом с состоянием (эти состояния соответствуют исходным состояниям автомата).

Таблица 1.6

Таблица 1.8

При графическом способе задания абстрактные автоматы представляются ориентированными графами. Графом автомата называется ориентированный связный граф, вершины которого соответствуют состояниям автомата, а дуги между ними - переходам между состояниями. Две вершины ak и as соединяются дугой в том случае, если в автомате имеется переход из состояния ak в состояние as. Для автомата Мили входной и выходной сигналы проставляются на дуге, соответствующей данному переходу (рис 1.3.), для автомата Мура входной сигнал проставляется на дуге, а выходной - рядом с вершиной, соответствующей состоянию (рис 1.4.).

Здесь рассматриваются только детерминированные автоматы, у которых выполнено условие однозначности переходов: автомат, находящийся в некотором состоянии, под действием любого входного сигнала не может перейти более чем в одно состояние. Применительно к графическому способу задания автомата это означает, что в графе автомата из любой вершины не могут выходить две и более дуги, отмеченные одним и тем же входным сигналом.

Рисунок 1.3-Граф автомата Мили Рисунок 1.4-Граф автомата Мура

При аналитическом способе задания абстрактные автоматы задаются четверкой объектов:

S={ X,A,Y,F}, где F задает для каждого состояния аj автомата отображение (ХхА) - > (AxY). Другими словами, при аналитическом способе задания для каждого состояния автомата аj указывается отображение Fai, представляющее собой множество всех троек ар, xm, yk, и таких, что под воздействием входного сигнала xm автомат переходит из состояния а j в состояние ар, выдавая при этом выходной сигнал yk.

Применительно к общему определению абстрактного автомата, последнее равнозначно описанию функций д и л в соответствии с выражением: ap= д (ai, xm), yк= л (ai, xm).

Отображение Fai записывается следующим образом:

Fai{ap (Xm/yk),ai (Xf/yz) …}.

Для абстрактного автомата Мили (табл.1.7.) аналитическое задание имеет следующий вид:

S={ X,A,Y,F}, X={x1,x2}, A={a1, а2, а3}, Y={y1, y2, у3},

Fa1={a2 (x1/y2), a1 (x2/у3) },

Fа2={а3 (x1/y3), a1 (x2/y1) },

Fa3={a1 (x1/y3), а2 (x2/y2) }.

Следует отметить, что функция Fai всегда записывается для исходного состояния.

Определим синхронные и асинхронные автоматы. Состояние аs автомата S называется устойчивым cостоянием, если для любого входного сигнала хjХ, такого, что аs= д (аi Хm) имеет место as= д (as, xm).

Автомат S называется асинхронным, если каждое его состояние as А устойчиво. Автомат S называется синхронным, если он не является асинхронным.

Необходимо заметить, что построенные на практике автоматы всегда асинхронные и устойчивость их состояний всегда обеспечивается тем или иным способом, например, введением сигналов синхронизации. Однако, на уровне абстрактной теории автоматов, когда автомат всего лишь математическая модель, которая не отражает многих конкретных особенностей его реализации, часто оказывается более удобным оперировать с синхронными автоматами.

1.4 Связь между моделями Мили и Мура

Как уже отмечалось, абстрактный автомат работает как преобразователь слов входного алфавита в слова выходного алфавита.

Пусть абстрактный автомат Мили задан графом рис.1.5.

На вход этого автомата, установленного в начальное состояние, поступает входное слово X=x1, x1, x2, x1, x2, x2.

Рисунок 1.5 - Граф автомата Мили

Так как? (a1, x1) = а3, a ? (a1, x1) = y1, то под действием первой буквы слова Х входного сигнала x1 автомат перейдет в состояние a3 и на выходе его появится сигнал y1. Далее, ? (а3, x1) = a1, а? (а3, x1) = у2, потому при приходе второго сигнала x1 автомат окажется в состоянии a1, а на выходе его появится сигнал у2. Проследив непосредственно по графу или таблицам переходов и выходов дальнейшее поведение автомата, опишем его тремя строчками, первая из которых соответствует входному слову X, вторая - последовательности состояний, которые проходит автомат под действием букв слова X, третья - выходному слову У, которое появляется на выходе автомата:

x1x1 x2 x1 x2 x2

a1а3 a1a1 а3a 2 а3

y1 y2 y1 y1 y1 y2

Назовем у = ? (а1, X) реакцией автомата Мили в состоянии a1 на входное слово X. Как видно из примера, в ответ на входное слово длины k автомат Мили выдает последовательность состояний длины к+1 и выходное слово длины k. В общем виде поведение автомата Мили, установленного в состояние аm, можно описать следующим образом:

Точно так же можно описать поведение автомата Мура, находящегося в состоянии am, при приходе входного слова xi1, xi2,., хik. Напомним, что в соответствии с (1-2) выходной сигнал в автомате Мура в момент времени t (У (t)) зависит лишь от состояния, в котором находится автомат в момент t (a (t)):

Очевидно, что выходной сигнал уi1=л (am) в момент времени i1 не зависит от входного сигнала xi1, а определяется только состоянием аm.

Таким образом, этот сигнал yi1 никак не связан с входным словом, поступающим на вход автомата, начиная с момента i1. В связи с этим под реакцией автомата Мура, установленного в состояние am на входное слово X=xi1, хi2, . , хik будем понимать выходное слово той же длины у= л (am,Х) =уi2, уi3,., yik+1.

В качестве примера рассмотрим автомат Мура S5, граф которого изображен на рис.1-6, и найдем его реакцию в начальном состоянии на то же самое входное слово которое мы использовали при анализе поведения автомата Мили S1:

Рисунок 1-6 - Граф автомата Мура

Как видно из этого и предыдущего примеров, реакции автоматов S5 и S1 в начальном состоянии на входное слово Х с точностью до сдвига на 1 такт совпадают (реакция автомата Мура обведена линией). Дадим теперь строгое определение эквивалентности полностью определенных автоматов.

Два автомата SA и SB с одинаковыми входными и выходными алфавитами называются эквивалентными, если после установления их в начальные состояния их реакции на любое входное слово совпадают.

1.5 Эквивалентные автоматы. Эквивалентные преобразования автоматов

Можно показать, что для любого автомата Мили существует эквивалентный ему автомат Мура и, обратно, для любого автомата Мура существует эквивалентный ему автомат Мили.

При описании алгоритмов взаимной трансформации автоматов Мили и Мура в соответствии с изложенным выше мы будем пренебрегать в автоматах Мура выходным сигналом, связанным с начальным состоянием (? (a1)).

Рассмотрим сначала преобразование автомата Мура в автомат Мили.

Пусть дан автомат Мура: SA={ ХA, АA, УA,?A,?A, аоA}, где:

ХA={х1, х2,. хn}; Y={y1, у2,. уm}; А={ а0, а1, а2,. аN}; а0A = а0 - начальное состояние (а0AА); ?A - функция переходов автомата, задающая отображение (ХAхАA) - >АA; ?A - функция выходов автомата, задающая отображение АA->УA.

Построим автомат Мили: SB={ ХB, АB, YB,??B, ?B, а0B}, у которого АB=АA; ХB=ХA; YB=УA; ?B=?A; а0B=а0A. Функцию выходов?B определим следующим образом. Если в автомате Мура?A (аm, х1) = аs и?A (аs) =yg, то в автомате Мили?B (am, х1) =yg

Рисунок 1.7 - Иллюстрация перехода от модели Мура к модели Мили

Переход от автомата Мура к автомату Мили при графическом способе задания иллюстрируется рис.1-7: выходной сигнал yg записанный рядом с вершиной (as), переносится на все дуги, входящие в эту вершину.

При табличном способе задания автомата таблица переходов автомата Мили совпадает с таблицей переходов исходного автомата Мура, а таблица выходов получается из таблицы переходов заменой символа as, стоящего на пересечении строки хf и столбца аm, символом выходного сигнала yg отмечающего столбец as в таблице переходов автомата SA.

Из самого способа построения автомата Мили SB очевидно, что он эквивалентен автомату Мура SA. По индукции нетрудно показать, что любое входное слово конечной длины, поданное на входы автоматов SA и SB, установленных в состояния am, вызовет появление одинаковых выходных слов и, следовательно, автоматы SA и SB эквивалентны.

Прежде чем рассмотреть трансформацию автомата Мили в автомат Мура, наложим на автомат Мили следующее ограничение: у автомата не должно быть преходящих состояний. Под преходящим будем понимать состояние, в которое при представлении автомата в виде графа не входит ни одна дуга, но которое имеет по крайней мере одну выходящую дугу. Итак, пусть задан автомат Мили:

SA={ ХA, АA,YA, ?A, ?A, a0A},

где:

ХA={x1, x2,. xn}; Y={y1, у2,. ym}; А={ a0,a1,a2,. aN}; a0A = a0 - начальное состояние (а0AА); ?A - функция переходов автомата, задающая отображение (ХAxАA) - >АA; ?A - функция выходов автомата, задающая отображение (ХAxАA) - >YA.

Построим автомат Мура: SB={XB, AB, YB, ?B, ?B, a0B}, у которого XB=XA; YB=YA.

Для определения AB каждому состоянию asАA поставим в соответствие множество As всевозможных пар вида (as, yg)

Функцию выходов?B определим следующим образом. Каждому состоянию автомата Мура SB, представляющему собой пару вида (as,yg), поставим в соответствие выходной сигнал yg.

Если в автомате Мили SA был переход?A (am, xf) = as и при этом выдавался выходной сигнал?A (am,xf) =yg, то в SB будет переход из множества состояний Am, порождаемых am, в состояние (as,yg) под действием входного сигнала xf.

В качестве начального состояния a0B можно взять любое из состояний множества A0, которое порождается начальным состоянием a0 автомата SA. При этом выходной сигнал в момент времени t=0 не должен учитываться.

Рассмотрим пример. Пусть задан автомат Мили (табл.1.10.)

Поставим в соответствие каждой паре аi/xk состояние Ьik (i-номер состояния, k-номер входного сигнала), с учетом b0.

Составим таблицу переходов автомата Мура, руководствуясь следующими правилами:

1) Выпишем из таблицы 1.11 состояния автомата Мили и соответствующие каждому из них множества состояний автомата Мура (bik):

а0= {b0, b02, b11, b21}; a1= {b22}; а2= {b01, b12};

2) Если состояние автомата Мура bik входит в множество, соответствующее состоянию аp автомата Мили, то в строку таблицы переходов автомата Мура для состояния bik следует записать строку из таблицы переходов автомата Мили, соответствующую состоянию ар (из 1.10.).

3) Функцию выходов автомата Мура определим следующим образом: ?B (bik) =?A (аi, xk). Для начального состояния b0 значение выходного сигнала можно выбрать произвольно, но порождаемый начальным состоянием a0 (с учетом понятия эквивалентности состояний). Результирующая таблица переходов и выходов автомата Мура эквивалентного автомату Мили, заданному таблицей 1.10 представлена в таблице 1.12.

4) Найдем в таблице 1.12 эквивалентные состояния и удалим их (заменим на представителя класса эквивалентности).

Если выходной сигнал возле b0 доопределить y1, то окажется, что в данной таблице переходов находится 3 эквивалентных состояния (b0,b11,b02). Заменив класс эквивалентности одним представителем (b0), получим окончательную таблицу переходов (табл.1.13).

Таблица 1.12

Изложенные методы взаимной трансформации автоматов Мили и Мура показывают, что при переходе от автомата Мура к автомату Мили число состояний автомата не изменяется, тогда как при обратном переходе число состояний в автомате Мура, как правило, возрастает.

Таким образом, эквивалентные между собой автоматы могут иметь различное число состояний, в связи с чем возникает задача нахождения минимального (с минимальным числом состояний) автомата в классе эквивалентных между собой автоматов. Существование для любого абстрактного автомата эквивалентного ему абстрактного автомата с минимальным числом внутренних состояний впервые было доказано Муром.

1.6 Минимизация числа внутренних состояний автомата

Алгоритм Ауфенкампа-Хона.

В основу метода минимизации состояний автомата положена идея разбиения всех состояний исходного, абстрактного автомата на попарно не пересекающиеся классы эквивалентных состояний и замене каждого класса эквивалентности одним состоянием (представителем данного класса). Образующийся в результате этих преобразований минимальный автомат имеет столько же состояний, на сколько классов эквивалентности разбиваются исходные состояния.

Два состояния автомата am и as называются эквивалентными (am =as), если? (am,X) = ? (as,X) для всех возможных входных слов длины X.

Если am и as не эквивалентны, они различимы. Более слабой эквивалентностью является K-эквивалентность. Состояния am и аs K-эквивалентны, если? (am, Хk) = ? (as, Хk) для всех возможных входных слов длины К. При минимизации числа внутренних состояний автомата Мили S={X,Y, А, ?, ?, а0} используется алгоритм Ауфенкампа-Хона:

1. Находят последовательные разбиения?1,?2,…,?k,?k+1, множества А на классы одно-, двух-,., К-, (К+1) - эквивалентных состояний до тех пор, пока на каком-то (К+1) шаге не окажется, что?k=?k+1. В этом случае К-эквивалентные состояния являются эквивалентными. Число шагов К, при котором?k=?k+1 не превышает N-1, где N - число внутренних состояний автомата.

2. В каждом классе эквивалентности? выбирают по одному элементу (представителю класса), которые образуют множества А" состояний минимального автомата S".

3. Функцию переходов?" и выходов?" автомата S" определяют на множестве A"xX.

Для этого в таблице переходов и выходов вычеркивают столбцы, соответствующие не вошедшим в множество А" состояниям, а в оставшихся столбцах таблицы переходов все состояния заменяются на эквивалентные из множества А", (на представителей).

4. В качестве а"0 выбирается одно из состояний, эквивалентное состоянию а0. В частности, удобно принять само состояние а0.

При минимизации автомата Мура вводится понятие 0-эквивалентности состояний и разбиения множества состояний на 0-классы: 0-эквивалентными называются любые, одинаково отмеченные выходными сигналами, состояния автомата Мура. В качестве примера рассмотрим минимизацию автомата Мура, заданного таблицей переходов и выходов (Таблица 1.14).

Таблица 1.14

Выполним разбиение?0:

? 0={В1, В2, В3};

B1={a1, a2, a8}, В2={а6, а9, а10, а11, а12}, В3={а3, a4, a5, a7}.

Построим таблицу разбиения?0:

Выполним разбиение?1:

1={С1, С2, С3, С4};

C1={a1, a2, a8}, С2={а6, а9, а11}, С3={ а10, a12}, С4={а3, а4, a5, a7}.

Построим таблицу разбиения?1:

Выполним разбиение?2.

1={D1, D2, D3, D4};

D1={a1, a2, a8}, D2={а6, а9, а11}, D3={ а10, a12}, D4={а3, а4, a5, a7}.

Разбиение?2 повторяет разбиение?1 - процедура разбиения завершена.

Выберем произвольно из каждого класса эквивалентности D1, D2, D3, D4 по одному представителю - в данном случае по минимальному номеру: A"={a1, а3, a6, а10}.

Удаляя из исходной таблицы переходов "лишние" состояния, определяем минимальный автомат Мура (табл.1.15.)

Таблица 1.15.

Вывод

В процессе выполнения контрольной работы мы ознакомились с основными понятиями абстрактных цифровых автоматов; типами абстрактных автоматов; способами задания абстрактных автоматов; связью между моделями Мили и Мура; эквивалентными автоматами и эквивалентными преобразованиями автоматов; минимизацией числа внутренних состояний автомата и алгоритмом Ауфенкампа-Хона - привели примеры.

Список литературы

1. Самофалов К.Г., Романкевич А.М., и др. Прикладная теория цифровых автоматов. - Киев. “Вища школа" 1987.

2. Соловьев Г.Н. Арифметические устройства ЭВМ. - М. “Энергия”. 1978.

3. Савельев А.Я. Прикладная теория цифровых автоматов - М. “Высшая школа”. 1987.

4. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы. - М. Энергоатомиздат. 1985.

5. Лысиков Б.Г. Арифметические и логические основы цифровых автоматов. - Минск. “Вышэйшая школа”. 1980.