9.3. Понятие о технической интерпретации конечных автоматов

В абстрактной теории автоматов существенна только работа автомата со словами при наличии конечной памяти.

Нас же более всего будет интересовать прикладная сторона теории конечных автоматов.

Конечный автомат представляет собой хотя и абстрактную, но с функциональной точки зрения довольно точную модель дискретного (цифрового) вычислительного или управляющего (контролирующего) устройства с конечным числом состояний [19]. Входной символ (буква) – это входной сигнал, точнее комбинация (набор) сигналов на всех входах x₁,x₂,...,x_n (это не буквы алфавита Х) устройства. Эта комбинация сигналов на дискретных входах еще называется входным вектором (набором) . Выходной сигнал (буква) – комбинация (набор) сигналов на дискретных выходахz₁,z₂,...,z_m (это не буквы алфавита Z) – выходной вектор (набор) . Входное слово – последовательность входных векторов, поступающих в дискретные моменты времени (такты)t=1,2,3...

Состоянию автомата соответствует вектор – текущее,– последующее. Этот вектор задает комбинация (набор) состоянийy₁,y₂,...,y_s (это не буквы алфавита Y) элементов памяти автомата.

Выходное слово – последовательность выходных векторов в дискретные моменты времени.

Комбинационный автомат интерпретируется некоторой переключательной схемой или схемой из функциональных элементов (рис. 54).

Рис. 54. Техническая интерпретация комбинационного автомата

Функция выходов ()=(отображение) реализуется, например, с использованием функционально-полного набора элементов, соответствующих логическим функциям, составляющим функционально-полную систему. При этом() представляется в виде суперпозиции этих логических функций. Вопрос представления логических функций в разных базисах и получения соответствующих схем, так же, как и вопрос получения переключательных комбинационных схем, рассматривается особо.

Последовательностный автомат интерпретируется схемой с обратными связями в виде так называемых задержек на один такт (рис. 55).

Дело в том, что проблема автоматной полноты (для последовательностного автомата) алгоритмически неразрешима, в отличие от проблемы полноты для переключательных функций (для комбинационного автомата) [19].

Однако в теории конечных автоматов доказано, что последовательностный автомат может быть реализован как композиция комбинационного автомата и двоичных задержек на один такт в цепи обратной связи [19].

На рис. 55 ЛП – логический преобразователь – комбинационный автомат, реализующий функции переходов  и выходов , D – задержки (от слова delay – задержка). В дальнейшем мы покажем, что в качестве задержек могут использоваться так называемые элементы памяти.

В автомате Мура функции выходов реализуются отдельно (рис. 56), т.е. имеются два логических преобразователя (ЛП1, ЛП2).

Таким образом, в автомате Мили выходной вектор в некоторый момент времени зависит как от текущего состояния автомата, так и от входного вектора в этот момент времени.

Рис. 55. Техническая интерпретация автомата Мили

В автомате Мура выходной вектор в некоторый момент времени непосредственно не зависит от входного вектора, а однозначно определяется внутренним состоянием в этот же момент времени. Поэтому автоматы Мура менее быстродействующие, чем автоматы Мили. Автоматы могут быть описаны также уравнением (функциями) переходов и выходов (аналитически).

Реальные дискретные автоматы функционируют по тактам. Такт – отрезок времени произвольной длины, в течение которого состояние автомата остается неизменным. Такты могут обозначаться моментом времени t₀,t₁,t₂,...,t_, причем последовательность номеров тактов образует дискретное (автоматное) время.

В теории конечных автоматов принимается допущение, что переход из одного внутреннего состояния в другое происходит скачкообразно, мгновенно. В реальных автоматах всегда имеет место конечная длительность переходных процессов.

Такты бывают устойчивыми и неустойчивыми. Такт называют устойчивым, если очередное изменение состояния автомата происходит только за счет изменения состояния входов, т.е. после поступления очередного входного набора. Такт называют неустойчивым, если очередное изменение состояния автомата происходит только за счет изменения внутреннего состояния – элементов памяти. Устойчивые такты в клетках таблицы переходов-выходов обычно отмечают кружками. Дискретные автоматы, в которых изменение внутренних состояний происходит в определенные моменты времени, определяемые специальным генератором синхронизирующих импульсов, называют синхронными. При этом, как правило, все тактовые интервалы равны.

Рис. 56. Техническая интерпретация автомата Мура

Автоматы, в которых переходы из одного состояния в другое заранее не определены и могут совершаться в произвольные моменты времени через неравные промежутки времени, называют асинхронными.

Дискретный автомат – это устройство дискретного преобразования информации: при подаче на его вход некоторой последовательности входных наборов он формирует некоторую последовательность выходных наборов.

Для реального автомата актуальным является наиболее экономичная его реализация из всех возможных реализаций в смысле затрат элементов, энергопотребления и т.д.

Можно интерпретировать автомат не только как устройство. Известно, что всякое управление (вычисление, контрольную операцию) можно реализовать как аппаратурно (в виде устройства), как и программно (в виде программы ЭВМ). Это приводит к более общему толкованию конечных автоматов как алгоритмов с конечной памятью, многие свойства которых можно исследовать и безотносительно к способу их реализации [19].

Имеется еще и другая интерпретация автоматов. Фон Нейман рассматривал автоматы как удобный язык для описания основных законов взаимодействия сложных систем, т.е. по существу, как метаязык кибернетики [19].

Задачами теории конечных автоматов являются:

1) изучение возможностей автоматов в терминах множеств слов, с которыми они работают (распознавание входных последовательностей – слов), формирование требуемых выходных, т.е. автоматных отображений;

2) распознавание различных свойств автоматов;

3) описание автоматов (анализ) и их реализация, т.е. представление автомата как структуры, состоящей из объектов фиксированной сложности (синтез) [19].

При синтезе автоматов выделяют следующие этапы:

1) абстрактный синтез, или формализация условий работы, когда от некоторого высокоуровневого описания автомата (например, на естественном языке – в виде словесной формулировки) переходят к математической модели. Такой моделью может быть таблица истинности для комбинационного автомата, таблица переходов-выходов для последовательностного автомата. В свою очередь по этим моделям получают переключательные функции в символической форме;

2) структурный синтез – производится минимизация переключательных функций, описывающих автомат, выполняется их представление в виде, соответствующем заданному базису реализации.

Эти два этапа называют логическим проектированием. Их результатом является функциональная схема автомата (например, функциональная электрическая схема);

3) физический синтез – решаются вопросы построения принципиальной схемы (например, принципиальной электрической схемы), создания топологии кристалла микросхемы, обеспечения надежности, помехоустойчивости и в дальнейшем изготовления автомата.

При синтезе последовательностного автомата проводится и минимизация числа состояний автомата – путем сжатия таблицы переходов-выходов.