Основные понятия теории автоматов. 
Входной и выходной алфавит. 
Автоматы Мили и Мура

Как известно цифровые электронные вычислительные машины, т. е. компьютеры, предназначены для обработки цифровой информации и являются частным, но наиболее распространенным видом цифровых автоматов. Для успешного изучения общих принципов обработки цифровой информации рационально, по возможности максимально, отвлечься от реального аппаратного обеспечения компьютера и рассматривать компьютер как некоторый абстрактный цифровой автомат, предназначенный для обработки информации, представленной в цифровой форме. Знания по прикладной теории таких автоматов необходимы для успешного поиска новых принципов построения компьютеров, совершенствования уже известных алгоритмов обработки цифровой информации, грамотной эксплуатации вычислительной техники и разработки различного программного обеспечения.

Для всего этого необходимы четкие знания арифметических и логических основ цифровых автоматов, принципов анализа и синтеза этих автоматов. Все это является теоретической основой специальных инженерных дисциплин по вычислительной технике, изучаемых на последующих курсах студентами, которых готовят как специалистов в области эксплуатации, проектирования и создания аппаратного и программного обеспечения вычислительной техники, а также автоматизации различных научно-технических систем.

Исходя из всего выше сказанного, тему моего реферата считаю важной и актуальной на данном этапе обучения.

Необходимо рассмотреть такие вопросы как:

o Основные понятия теории автоматов

o Входной алфавит и выходной алфавит

o Представление событий в автоматах

o Автоматы Мили и Мура

1. Основные понятия теории автоматов

Термин «автомат», как правило, используется в двух аспектах. С одной стороны, автомат — это устройство, выполняющее некоторые функции без непосредственного участия человека. В этом смысле мы говорим, что ЭВМ автомат, так как после загрузки программы и исходных данных ЭВМ решает заданную задачу без участия человека. С другой стороны, термин «автомат» как математическое понятие обозначает математическую модель реальных технических автоматов. В этом смысле автомат представляется как «черный ящик», имеющий конечное число входов и выходов и некоторое множество внутренних состояний Q = {q1(t), q2(t), …, qn (t)}, в которые он под действием входных сигналов переходит скачкообразно, т. е. практически мгновенно, минуя промежуточное состояние. Конечно, это условие не выполняется в реальности, так как любой переходный процесс длится конечное время.

Автомат называется конечным, если множество его внутренних состояний и множество значений входных сигналов конечные множества.

На практике часто используется понятие цифрового автомата, под которым понимают устройство, предназначенное для преобразования информации. С общей точки зрения, процесс получения информации есть ни что иное, как процесс снятия неопределенности в результате того, что из некоторой совокупности возможных в данной конкретной ситуации явлений выделяется явление, фактически имевшее место.

Таким образом, в понятии информации существенно не само происшедшее явление, а лишь его отношение к совокупности явлений, которые могли произойти.

Устройства, служащие для преобразования дискретной информации, называются дискретными автоматами.

В современных дискретных автоматах принято обычно отождествлять буквы используемого стандартного алфавита с цифрами той или иной системы счисления.

В состав цифровых автоматов обязательно входят запоминающие элементы (элементы памяти). Выходные сигналы в таких автоматах формируются в зависимости от входных сигналов и состояний, в которых находятся элементы памяти. Поэтому дискретные автоматы принято называть также цифровыми автоматами.

Основным качеством, выделяющим дискретные автоматы из числа всех других преобразователей информации, является наличие дискретного множества внутренних состояний и свойства скачкообразного перехода автомата из одного состояния в другое. Скачкообразность перехода означает возможность трактовать этот переход как мгновенный, хотя для любого реально существующего автомата имеет место конечная длительность переходных процессов, так что требование скачкообразности перехода не удовлетворяется.

Второе допущение состоит в том, что после перехода автомата в произвольное состояние переход в следующее состояние оказывается возможным не ранее, чем через некоторый фиксированный для данного автомата промежуток времени > 0, так называемый интервал дискретности автомата. Это допущение дает возможность рассматривать функционирование цифрового автомата в дискретном времени. При построении автоматов с дискретным автоматным временем различают синхронные и асинхронные автоматы.

В синхронных автоматах моменты времени, в которые оказывается возможным изменение состояния автомата, определяются специальным устройством генератором синхронизирующих импульсов. Соседние моменты времени оказываются при этом обычно разделенными равными временными промежутками.

В асинхронных автоматах моменты переходов из одного состояния в другое заранее не определены и могут совершаться через неравные между собой промежутки времени.

Изменения состояний цифрового автомата вызываются входными сигналами, которые возникают вне автомата и передаются в автомат по конечному числу входных каналов. В отношении входных сигналов цифровых автоматов принимаются два допущения: во-первых, для любого цифрового автомата число различных входных сигналов обязательно конечно, а, во-вторых, входные сигналы рассматриваются как причина перехода автомата из одного состояния в другое и относятся к моментам времени, определяемым соответствующими им переходами.

Отметим, что при таком допущении входной сигнал рассматривается как мгновенный, хотя в действительности он имеет конечную длительность. Особо следует подчеркнуть, что реальный физический входной сигнал, вызывающий изменение состояния автомата в момент времени t, может кончиться до наступления этого момента, однако, тем не менее, он относится именно к текущему моменту времени t, а не к предыдущему (t 1).

Результатом работы цифрового автомата является выдача выходных сигналов, передаваемых из автомата во внешние цепи по конечному числу выходных каналов.

В отношении выходных сигналов вводятся допущения, аналогичные допущениям для входных сигналов. Во-первых, число различных выходных сигналов для любого цифрового автомата всегда конечно. Во-вторых, каждому отличному от нуля моменту автоматного времени относится соответствующий ему входной сигнал. Реальный физический выходной сигнал y (t), отнесенный к моменту времени t, появляется всегда после соответствующего этому же моменту времени входного сигнала x (t). Что же касается момента времени t перехода автомата из состояния q (t1) в состояние q (t), то сигнал y (t) может фактически появится либо раньше, либо позже этого момента.

В первом случае принимается, что выходной сигнал y (t) однозначно определяется входным сигналом x (t) и состоянием q (t1) автомата в предыдущий момент времени, во втором случае сигнал y (t) однозначно определяется парой (x (t), q (t)). Будем считать, что для любого момента времени всегда имеет место лишь одна из этих возможностей (одновременно для всех переходов).

Цифровые автоматы, в которых выходной сигнал y (t) определяется парой (x (t), q (t 1)), будем называть автоматами первого рода, а автоматы, в которых сигнал y (t) определяется парой (x (t), q (t)), автоматами второго рода.

Цифровой автомат (первого или второго рода) называется правильным, если выходной сигнал y (t) определяется одним лишь его состоянием (q (t 1) или q (t)) и не зависит явно от входного сигнала x (t).

Автоаты первого рода обычно называют автоматами Мили, а автоматы второго рода автоматами Мура.

Общая теория автоматов при сделанных выше допущениях разбивается на две большие части, которым присвоены названия абстрактной теории автоматов и структурной теории автоматов. Различие между ними заключается в том, что в абстрактной теории не учитываются структура как самого автомата, так и структуры его входных и выходных сигналов. Входные и выходные сигналы рассматриваются при этом просто как буквы двух фиксированных для данного автомата алфавитов:

o входного и выходного. Не интересуясь способом построения автомата, абстрактная

o теория изучает лишь те переходы, которые претерпевает автомат под воздействием

o входных сигналов, и те выходные сигналы, которые он при этом выдает.