Логические элементы. 
Теория автоматов

Среди систем элементов, выпускаемых промышленностью, наибольшее распространение получили логические элементы, реализующие операции: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ, а так же элементы булевого базиса.

В эту систему элементов входят как элементы универсального базиса: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, так и комбинации операций булевого базиса: И-ИЛИ-НЕ.

Теория конечных цифровых автоматов с памятью

В вычислительной технике в основном используется схемы двух классов: комбинационные схемы и цифровые автоматы. Отличительной особенностью комбинационных схем является наличие жесткой функциональной зависимости между выходным сигналом и входным:

y (t) = f (x (t)).

Причем при отсутствии входных сигналов выходные сигналы также отсутствуют, поскольку такие схемы не имеют памяти. В отличии комбинационных схем схемы второго класса 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. Введем основные понятия и определения.

Автомат — 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, то есть 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.

Например: в алфавите X = (x1, x2), состоящем из двух букв, словами будут: x1, x2, x1x1, x1x2, x2x1, x2x2, x1x1x1 и т. д.

Наряду со словами, состоящими не менее чем из одной буквы, введем слово, не содержащее ни одной буквы, которое будем обозначать символом е и называть пустым словом или пустой буквой.

Математической моделью реального конечного автомата является абстрактный автомат, который имеет один входной канал и один выходной канал.

Автомат функционирует в дискретные моменты времени, интервал, между которыми Т называется тактом. При этом в каждый дискретный момент времени на вход автомата поступает одна буква входного алфавита, автомат переходит из одного состояния в другое и выдается одна буква выходного алфавита. В зависимости от того, как задается длительность такта Т, различают автоматы синхронного действия (T=const) и асинхронного действия (Tconst). Мы будем рассматривать, в основном, синхронные автоматы, функционирующие в дискретные моменты времени, которые можно обозначить целыми неотрицательными натуральными числами, t=0,1,2,3,…, имеющими смысл номера такта.

Для задания конечного автомата S необходимо задавать совокупность из пяти объектов: S (A, X, Y, ,), где A = {a0,a1,a2,…, an}- множество внутренних состояний автомата, X = {x1, x2,…, xm} - множество входных сигналов (входной алфавит), xi — буква входного алфавита, Y = {y1, y2,…, yk} - множество выходных сигналов (выходной алфавит),.

— функция переходов, определяющая состояние автомата a (t+1), в котором автомат будет находится в момент времени (t+1), в зависимости от состояния автомата a (t) и входного сигнала x (t) в момент времени t, то есть a (t+1) = [a (t), x (t)],.

— функция выходов, определяющая значение выходного сигнала y (t) в зависимости от состояния автомата a (t) и входного сигнала x (t) в момент времени t, т. е. y (t) = [a (t), x (t)].

Автомат работает следующим образом: в каждый момент времени t он находится в определенном состоянии a (t) из множества, А возможных состояний. Причем в начальный момент времени t = 0 он всегда находится в состоянии a (t = 0) = a0. В момент времени t автомат воспринимает входной сигнал x (t), выдает выходной сигналу y (t) = [a (t), x (t)] и переходит в следующее состояние a (t+1)=[a (t), x (t)]. Другими словами абстрактный автомат каждой паре символов a (t) и x (t) ставит в однозначное соответствие пару символов a (t+1) и y (t). Такие автоматы называют детерминированными. На преобразование информации в детерминированных автоматах наложены условия.

Условия преобразования информации в детерминированных автоматах:

• 1) любое входное слово, длинною l букв, преобразуется в выходное слово той же длины.
• 2) если каждый раз перед подачей входных сигналов автомат находится в одном и том же состоянии, то при совпадении в двух входных словах первых l1 букв, в выходных словах первые l1 букв также совпадут.

Кроме детерминированных автоматов существуют вероятностные или стохастические автоматы, в которых переход из одного состояния в другое под воздействием случайных или детерминированных входных сигналов происходит случайно. Работа таких автоматов описывается уже матрицей переходов, элементами которой являются вероятности переходов из одного состояния в другое. Нами будут рассмотрены, в основном, детерминированные автоматы.

Применяемые на практике автоматы принято разделять на два класса — это автоматы Мили и автоматы Мура, названные так по имени американских ученых, которые впервые начали их изучать. Функционирование автоматов строго подчиняется определённым законам (законы функционирования автоматов). Законы функционирования автоматов описываются системами уравнений:

Автомат Мили:

Автомат Мура:

Отличительной особенностью автоматов Мили является то, что их выходные сигналы зависят как от состояния автомата, так и от значения входного сигнала. В автоматах Мура выходные сигналы y(t) в каждый дискретный момент времени t однозначно определяются состоянием автомата в тот же момент времени и не зависят от значения входного сигнала.

При табличном способе задания автомат Мили описывается двумя таблицами: таблицей переходов и таблицей выходов.

Таблица переходов.

Таблица выходов.

Строки этих таблиц соответствуют входным сигналам x(t), а столбцы — состояниям. На пересечении столбца ai и строки xj в таблице переходов ставится состояние as = [ ai, xj], в которые автомат перейдет из состояния ai под воздействием сигнала xj; а в таблице выходов — соответствующий этому переходу выходной сигнал yg = [ ai,xj]. Иногда автомат Мили задают совмещенной таблицей переходов и выходов, она в некоторых случаях более удобна.

Совмещенная таблица переходов и выходов автомата Мили:

Задание таблиц переходов и выходов полностью описывает работу конечного автомата, поскольку задаются не только сами функции переходов и выходов, но также и все три алфавита: входной, выходной и алфавит состояний. Так как в автомате Мура выходной сигнал однозначно определяется состоянием автомата, то для его задания требуется только одна таблица, которая называется отмеченной таблицей переходов автомата Мура.

Отмеченная таблица переходов автомата Мура:

В этой таблице каждому столбцу приписан, кроме состояния ai, еще и выходной сигнал y(t) = (a(t)), соответствующий этому состоянию. Таблица переходов автомата Мура называется отмеченной потому, что каждое состояние отмечено выходным сигналом.

При графическом способе задание автомата осуществляется с помощью графа. Этот способ основан на использовании ориентированных связных графов. Вершины графов соответствуют состояниям автомата, а дуги — переходам между ними. Две вершины графа ai и as соединяются дугой, направленной от ai к as, если в автомате имеется переход из ai в as, то есть as = (ai, xj). В автомате Мили дуга отмечается входным сигналом xj, вызвавшим переход, и выходным сигналом yg, который возникает при переходе. Внутри кружочка, обозначающего вершину графа, записывается состояние.

Граф для автомата Мили:

Граф для автомата Мура.