2.4 Конечный автомат

Автомат – абстрактная модель устройства, функционирую­щего в дискретном времени, которая перерабатывает конечную последова­тельность входных сигналов (стимулов) и превращает их в конечную после­довательность выходных сигналов (реакций).

В процессе работы конечного автомата происходит последовательная смена конечного число его внутренних со­стояний, причем состояние автомата в определенный момент вре­мени однозначно определяется входным и выходным сигналами. Такие автоматы представляют собой основу всей современной вы­числительной техники и всевозможных дискретных систем авто­матического контроля и управления.

В комбинационных схемах  выходные сигналы однозначно определяются входными сигналами и не зависят от входных сигналов в предшествующие моменты времени. Сейчас мы приступаем к изучению второго большого класса схем ЦВМ, которые содержат в своем составе элементы памяти (запоминающие элементы). Эти схемы называются цифровыми автоматами (ЦА) или просто автоматами. В ЦА выходные сигналы в данный момент времени зависят не только от значения входных сигналов в тот же момент времени, но и от состояния схемы, которое, в свою очередь, определяется значениями входных сигналов, поступивших  в предшествующие моменты времени.

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

состояний автомата, а так же множества входных и выходных сигналов конечны, то автомат называется конечным автоматом.

  Понятие состояния введено в связи с тем, что часто возникает необходимость в описании поведения систем, выходные сигналы которых зависят не только от состояния входов в данный момент времени, но и от некоторых предысторий, 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 выходные сигналы как функцию состояний и входов в данный момент времени.

  Информацию, поступающую на вход автомата, а так же выходную информацию принято кодировать конечной совокупностью символов. Эту совокупность называют алфавитом, отдельные символы, образующие алфавит – буквами, а любые упорядоченные последовательности букв данного алфавита – словами в этом алфавите.

Способы задания конечных автоматов

Представление конечного автомата фактически сводится  к описанию задающих его автоматных функций. [8]

Существуют три способа задания конечных автоматов:

• Табличный (матрицы переходов и выходов);

• Графический (с помощью графов);

• Аналитический (с помощью формул).

Аналитический способ – автомат задается системой уравнений. Из такой системы следует, что при конечном числе возможных внутренних состояний количество возможных значений автоматных функций также оказывается конечным. Примером такого задания служат системы уравнений, задающие автоматы Мили и автоматы Мура

Табличный способ. Составляется таблица состояния автомата для функции перехода – δ  и функции выхода. При этом:

• столбцы таблицы соответствуют элементам входного алфавита X,

• строки таблицы соответствуют состояни­ям (элементы конечного множества Q).

Пересечению i-и строки и j-го столбца соответствует  клетка (i, j), которая является аргументом функций 8 и λ автомата в момент, когда он находится в состоя­нии q_i на его входе – слово x_j, а в самой соответствующей клетке запишем значения функций 8 и λ. Таким образом, вся таблица соответствует множеству Q х X.

При заполнении таблицы переходов каждая клеточка однознач­но определяется парой символов: символом следующего состоя­ния и символом выходного сигнала.

На практике автоматные функции задаются двумя конечными таблицами, именуемыми соответственно  матрицей перехода и матрицей выводов. При этом строки обозначаются буквами входного алфавита, а столбцы буквами внутреннего алфавита (символами, кодирующими внутреннее состояние автомата).

В матрице переходов на пересечении строки x_k и столбца q_r помещается значение функции  перехода δ(q_i, х) и функции выводов λ(q, х). В ряде случаев обе таблицы объединяются в одну таблицу.

Графический способ.

Автомат задается с помощью графа, схемы, графика и др. Задание с помощью ориентированного гра­фа – более удобная и компактная форма описания автомата.

Граф автомата содержит

• Вершины, соответствующие состоянию q_iÎQ,

• Дуги, соединяющие вершины – переходы автомата из одного состояния в другое. На дугах принято указывать пары вход­ных и выходных сигналов – сигналов переходов.

Если автомат переходит из состояния q₁ в состояние q₂ под воз­действием нескольких входных сигналов, то на соответствующей дуге графа этот вариант будет представлен через дизъюнкцию. Для представления автомата используют двухполюсные графы с выде­ленными начальным и конечным состояниями.