Чтение онлайн

Так, из графа на рис. 236 для входной последовательности (2, 0, 1, 1, 2, 3) и начального состояния 0 имеем выходную последовательность (0, 1, 0, 0, 1, 1) и смену состояний автомата (1, 3, 0, 2, 2, 3). При начальном состоянии 2 и той же входной последовательности получаем соответственно (1, 1, 0, 0, 1, 1) и (2, 3, 0, 2. 2, 3).

С помощью графа автомата легко выделить следующие характерные типы его состояний:

1) преходящее состояние, из которого можно перейти, но крайней мере, в одно другое состояние, но после этого уже нельзя возвратиться в него ни при каком воздействии (соответствующая вершина не имеет заходящих дуг, но имеет хотя бы одну исходящею дугу);

2) тупиковое состояние, в которое можно перейти, по крайней мере, из одного другого состояния, но после этого уже нельзя выйти из него ни при каком воздействии (соответствующая вершина не имеет исходящих дуг в другие вершины, но имеет хотя бы одну входящую дугу из другой вершины);

3) изолированное состояние, из которого нельзя перейти ни в какое другое состояние и в него нельзя попасть ни из какого другого состояния (соответствующая вершина содержит только петлю).

Аналогичные определения можно дать для некоторых совокупностей состояний, рассматриваемых как подавтоматы. Если начальное состояние автомата М принадлежит непустому множеству Si состояний, которое составляет тупиковый или изолированный подавтомат, то M можно упростить исключением всех состояний, которые не принадлежат множеству Si, и всех дуг, начинающихся в этих состояниях.

Пусть М1, М2 и M3 – соответственно преходящий, тупиковый и изолированные подавтоматы автомата М, которые характеризуются множествами состояний S1, S2 и S3. Очевидно, выделение таких подавтоматов соответствует разбиению множества S состояний автомата М на непересекающиеся подмножества S1, S2 и S3, представляющие собой классы эквивалентности ( S1 S2 S3 = S и S1 S2 S3 = ). Как следует из обобщенного графа (рис. 237), матрица соединения автомата может быть представлена в виде:

– 570 -

где 11, 22, 33– матрицы подавтоматов М1, М2 и М3; 12– матрица, характеризующая переходы от состояний преходящего автомата М1 к состояниям тупикового автомата М2. Отсюда следует, что разбиение автомата М на подавтоматы М1, М2 и М3 можно осуществить преобразованием его матрицы соединений к стандартному виду путем перестановки соответствующих строк и столбцов. Например, для автомата, граф которого изображен на рис. 238, имеем:

Рис. 237. Обобщенный граф конечного автомата.

Рис. 238. Граф конечного автомата к примеру разбиения на подавтоматы.

Отсюда следует, что S1 = {3, 6} составляет преходящий подавтомат, S2 = {2, 4, 7} - тупиковый подавтомат и S3 = {1, 5} - изолированный подавтомат. Если начальное состояние принадлежит множеству S2, то можно упростить автомат, исключив состояния S1 S3 = {3, 6, 1, 5}, а в случае принадлежности начального состояния множеству S3 автомат упрощается исключением состояний S1 S2 = {3, 6, 2, 4, 7}.

6. Синтез конечных автоматов. Реализация конечных автоматов сводится к синтезу соответствующей комбинационной схемы, преобразующей входные переменные x и s в выходные переменные y и s( + 1) в соответствии с заданными характеристическими функциями s( + 1) = (x, s) и y= (x, s). Для сохранения состояний s( + 1) до следующего такта в цепь обратной связи вводится необходимое количество элементов памяти.

При реализации автоматов в двоичном структурном алфавите можно использовать рассмотренные ранее методы синтеза

– 571 -

комбинационных схем. Но для этого необходимо закодировать состояния схемы н представить характеристические функции в виде булевых функций двоичных переменных. Такое кодирование можно осуществить преобразованием общей таблицы перехода автомата к таблице соответствия в двоичном структурном алфавите. Если элементы множеств X, Y и S пронумерованы порядковыми числами, начиная с нуля, то им соответствуют коды, представляющие собой двоичные эквиваленты этих чисел. Например, для автомата, заданного в (4), таблицу переходов можно преобразовать к виду:

Заменяя десятичные числа их двоичными эквивалентами, читаемыми сверху вниз, получаем таблицу соответствия, в которой значения функций s( + 1) и у представлены двоичными кодами:

Рис. 239. Структурная схема конечного автомата

Отсюда видно, что комбинационная схема должна иметь четыре входа, соответствующие входным переменным x1, х2 и переменным состояния s, s2, а также три выхода, соответствующие переменным состояния s1( + 1), s2( + 1) и выходной переменной у1. Синтезировав комбинационную схему, соответствующую полученной таблице и введя два элемента задержки З1 и З2, получим структурную схему автомата (рис. 239).

7. Минимизация автоматов. С утилитарной точки зрения интерес представляет только зависимость между входами и выходами автомата, а роль его состоянии сводится исключительно к участию в формировании этих зависимостей в качестве промежуточных переменных. Следовательно, любая совокупность состояний, обеспечивающая требуемые зависимости между входом и выходом, может быть выбрана в качестве множества состоянии автомата. В то же

– 572 -

время этот выбор естественно подчинить определенным целям, например, минимизации числа состояний или оптимизации автомата в каком-либо смысле. Следует иметь в виду, что с уменьшением числа состоянии уменьшается и количество требуемых элементов памяти, но это может привести к усложнению комбинационной схемы автомата. Поэтому синтез наиболее экономичного автомата часто требует поиска удачного компромисса между сложностью его комбинационной и запоминающих частей.

Рис. 240. Граф конечного автомата (а) и его сокращенная форма (б)

Минимизация числа состоянии полных автоматов связана с отношением эквивалентности. Пусть автоматы М1 и М2, находящиеся соответственно в начальных состояниях, i и j (обозначения М1 и М2 могут относиться к одному и тому же автомату), под воздействием любой входной последовательности выдают одинаковые выходные последовательности, т. е. автоматы М1 и М2 в данных состояниях i и j неразличимы по внешним выходам. Такое отношение между состояниями одного и того же или двух различных автоматов обладает свойствами рефлексивности, симметричности и транзитивности, следовательно, оно является отношением эквивалентности состояний. Если состояния не эквивалентны, то их называют различимыми. Легко доказать справедливость следующих положений: