В данной статье под термином «конечный автомат» подразумевается алгоритм, который может находиться в одном из небольшого количества состояний. «Состояние» — это некое условие, определяющее заданную взаимосвязь входных и выходных сигналов, а также входных сигналов и последующих состояний. Смышленый читатель сразу отметит, что конечные автоматы, описанные в данной статье, это автоматы Мили. Автомат Мили – это конечный автомат, где выходные сигналы являются функциями текущего состояния и входного сигнала, в отличие от автомата Мура, в котором выходные сигналы – это функции только состояния. В обоих случаях последующее состояние – это функция текущего состояния и входного сигнала.

Рассмотрим пример простого конечного автомата. Представьте, что в текстовой строке вам нужно распознать последовательность символов «//». На рисунке 1 показано, как это выполняется при помощи конечного автомата. Первое появление слеша не дает выходного сигнала, но приводит к тому, что автомат переходит во второе состояние. Если во втором состоянии автомат не находит слеша, он возвращается к первому, поскольку необходимо наличие 2-х слешей подряд. Если второй слеш найден, автомат выдает сигнал «готово».

Выясните, что необходимо заказчику.

Составьте диаграмму перехода состояний

Закодируйте «скелет» конечного автомата без детализации операций перехода.

Убедитесь, что переходы функционируют правильно.

Конкретизируйте детали переходов.

Проведите тест.

Пример конечного автомата

Рассмотрим более интересный пример конечного автомата — программу, контролирующую втягивание и выдвижение шасси самолета. Хотя у большинства самолетов эта процедура выполняется при помощи электрогидравлического управляющего механизма (просто потому, что на борту отсутствует компьютер), в некоторых случаях, например в беспилотных летательных аппаратах, стоит использовать программное управление.

Для начала разберемся с оборудованием. Шасси самолета состоит из передней опоры, основного левого шасси и основного правого шасси. Они приводятся в действие гидравлическим механизмом. Гидравлический насос с электроприводом подает давление на силовой исполнительный механизм. При помощи программного обеспечения насос включается или выключается. Компьютер регулирует положение клапана направления — «вниз» или «вверх», чтобы позволить давлению поднять или опустить шасси. Каждая из опор шасси имеет концевой выключатель: один из них закрывается, если шасси поднято, другой — если оно зафиксировано в положении «вниз». Чтобы определить, находится ли самолет на земле, концевой выключатель на стойке передней опоры замыкается, если вес самолета приходится на переднюю опору. Средства управления пилота состоят из верхнего/нижнего рычага шасси и трех лампочек (по одной на каждую опору), которые могут выключаться, загораться зеленым (положение «вниз») или красным светом (положение «переход»).

А теперь перейдем к разработке конечного автомата. Первый, и самый сложный шаг – это понять реальные ожидания заказчика. Одним из преимуществ конечного автомата состоит в том, что он заставляет программиста продумывать все возможные случаи и, как следствие, получать от заказчика всю требуемую информацию. Почему я считаю это самым сложным этапом? А сколько раз вам давали описание задачи подобное этому: не задвигайте шасси, если самолет находится на земле.

Безусловно, это важно, но заказчик считает, что на этом все заканчивается. А как насчет остальных случаев? Достаточно ли задвигать шасси в тот момент, когда самолет отрывается от земли? Что, если самолет подскочит на кочке на взлетно-посадочной полосе? Что, если пилот переведет рычаг переключения скоростей в положение «вверх» во время парковки и, как следствие, начнет взлетать? Должно ли шасси в этом случае подняться?

Одним из преимуществ мышления в терминах конечного автомата является то, что вы можете быстро нарисовать диаграмму перехода состояний на проекционной доске, прямо перед заказчиком, и пройти весь процесс вместе с ним. Принято такое обозначение перехода состояний: «событие, которое явилось причиной перехода»/«выходной сигнал как результат перехода». Если бы мы разрабатывали только то, о чем изначально просил заказчик («не задвигать шасси, если самолет находится на земле»), то мы бы получили автомат, изображенный на рисунке 2.

При составлении диаграммы перехода состояний (или любого другого алгоритма) помните о следующем:

Компьютеры работают очень быстро по сравнению с механической аппаратурой

Инженер-механик, который объясняет, что требуется сделать, возможно, не знает о компьютерах и алгоритмах всего того, что знаете вы. И это тоже положительный момент, в противном случае, вы бы не потребовались!

Как поведет себя ваша программа, если сломается механическая или электрическая деталь?

Конечный автомат, основанный на том, что действительно требуется заказчику, показан на рисунке 3. Здесь мы хотим воспрепятствовать втягиванию шасси самолета до тех пор, пока он точно не будет в воздухе. Для этого после открытия переключателя приземления автомат в течение нескольких секунд находится в ожидании. Мы также хотим реагировать на нарастающий фронт рычага пилота, а не на уровень, что позволит избежать проблем, если кто-то подвинет рычаг, пока самолет находится на парковке. Втягивание или выдвижение шасси занимает несколько секунд, и мы должны быть готовы к ситуации, что пилот в процессе этой операции передумает и переместит рычаг в противоположном направлении. Также обратите внимание, что если самолет снова приземлится, пока мы находимся в состоянии «Waiting for takeoff», таймер перезапустится и втягивание шасси произойдет, только если самолет будет находиться в воздухе в течение 2-х секунд.

Реализация конечного автомата

Листинг 1 – это моя реализация конечного автомата изображенного на рисунке 3. Давайте обсудим некоторые детали кода.

/*листинг 1*/

typedef enum {GEAR_DOWN = 0, WTG_FOR_TKOFF, RAISING_GEAR, GEAR_UP, LOWERING_GEAR} State_Type;

/*Этот массив содержит указатели на функции, вызываемые в определенных состояниях*/

void (*state_table)() = {GearDown, WtgForTakeoff, RaisingGear, GearUp, LoweringGear};

State_Type curr_state;

InitializeLdgGearSM();

/*Сердце автомата – этот бесконечный цикл. Функция, соответствующая

Текущему состоянию, вызывается один раз в итерацию */

while (1) {

state_table();

DecrementTimer();

void InitializeLdgGearSM(void )

curr_state = GEAR_DOWN;

/*Остановка аппаратуры, выключение лампочек и т.д.*/

void GearDown(void )

/* Переходим в состояние ожидания, если самолет

Не на земле и поступила команда поднять шасси*/

if ((gear_lever == UP) && (prev_gear_lever == DOWN) && (squat_switch == UP)) {

curr_state = WTG_FOR_TKOFF;

prev_gear_lever = gear_lever;

void RaisingGear(void )

if ((nosegear_is_up == MADE) && (leftgear_is_up == MADE) && (rtgear_is_up == MADE)) {

curr_state = GEAR_UP;

/*Если пилот изменил свое решение, перейти в состояние «опускание шасси»*/

if (gear_lever == DOWN) {

curr_state = LOWERING_GEAR;

void GearUp(void )

/*если пилот передвинул рычаг в положение «вниз»,

Переходим в состояние «опускание шасси»*/

if (gear_lever == DOWN) {

curr_state = LOWERING_GEAR;

void WtgForTakeoff(void )

/* Ожидание перед поднятием шасси.*/

if (timer <= 0.0) {

curr_state = RAISING_GEAR;

/*Если мы снова коснулись или пилот поменял решение – начать все заново*/

if ((squat_switch == DOWN) || (gear_lever == DOWN)) {

curr_state = GEAR_DOWN;

/* Don»t want to require that he toggle the lever again

This was just a bounce.*/

prev_gear_lever = DOWN;

void LoweringGear(void )

if (gear_lever == UP) {

curr_state = RAISING_GEAR;

if ((nosegear_is_down == MADE) && (leftgear_is_down == MADE) &&(rtgear_is_down == MADE)) {

curr_state = GEAR_DOWN;

Во-первых, вы можете заметить, что функциональность каждого состояния реализуется отдельной Си функцией. Конечно, можно было бы реализовать автомат, используя оператор switch с отдельным case `ом для каждого состояния, однако это может привести к очень длинной функции (10-20 строк кода на 1 состояние для каждого из 20-30 состояний). Также это может привести к ошибкам, если будете изменять код на конечных стадиях тестирования. Возможно, вы никогда не забывали оператор break в конце case`a, но со мной такие случаи бывали. Код одного состояния никогда не попадет в код другого, если для каждого состояния у вас будет отдельная функция.

Чтобы избежать применения оператора switch, я использую массив указателей на функции состояний, а переменную, используемую в качестве индекса массива, объявляю типа enum.

Для простоты оборудование ввода-вывода, ответственное за считывание состояния переключателей, включение и выключение насосов и т.д., представлено в виде простых переменных. Предполагается, что данные переменные представляют собой «магические адреса», связанные с оборудованием невидимыми средствами.

Другая очевидная вещь — в этот момент код не играет особой роли. Он просто переходит от одного состояния к другому. Это важный промежуточный этап и его не следует игнорировать. Кстати, было бы неплохо добавить операторы печати, заключенные между директивами условной компиляции (#ifdef DEBUG .. #endif), которые бы выводили текущее состояние и значения входных сигналов.

Залог успеха кроется в коде, который вызывает переход состояний, т.е. определяет, что произошел ввод данных.

Если код правильно проходит через все состояния, следующим этапом становится написание «начинки» кода, то есть именно того, что производит выходной сигнал. Помните, что каждый переход имеет входной сигнал (событие, которое вызвало его) и выходной сигнал (аппаратное устройство ввода-вывода, как в нашем примере). Зачастую это полезно зафиксировать в виде таблицы перехода состояний.

В таблице перехода состояний одна строка приходится на один переход состояния.

При кодировании конечного автомата старайтесь сохранить его силу – ярко выраженное соответствие между требованиями заказчика и кодом. Вероятно, придется скрыть подробности касательно оборудования в другом уровне функций, например, для того, чтобы код конечного автомата максимально походил на таблицу перехода состояний и диаграмму перехода состояний. Подобная симметрия помогает предотвратить ошибки и объясняет то, почему конечные автоматы являются такой важной частью арсенала программиста встраиваемых систем. Конечно, вы могли бы добиться того же эффекта путем установки флажков и бесконечного множества вложенных операторов if, однако при этом будет очень сложно отслеживать код и сравнивать его с пожеланиями заказчика.

Фрагмент кода в листинге 2 расширяет функцию RaisingGear(). Обратите внимание, что код для функции RaisingGear() стремится к зеркальному отображению 2-х рядов таблицы переходов для состояния Raising Gear.

void RaisingGear(void )

/*После того, как все переключатели подняты, переходим в состояние «шасси поднято»*/

if ((nosegear_is_up == MADE) && (leftgear_is_up == MADE) && (rtgear_is_up == MADE)) {

pump_motor = OFF;

gear_lights = EXTINGUISH;

curr_state = GEAR_UP;

/*Если пилот передумал, начать втягивание шасси*/

if (gear_lever == DOWN) {

pump_direction = DOWN;

curr_state = GEAR_LOWERING;

Помните о том, что следует избегать скрытых состояний. Скрытое состояние появляется тогда, когда по причине лени вы пытаетесь добавить условное субсостояние вместо того, чтобы добавить конкретное состояние. Например, если ваш код обрабатывает один и тот же входной сигнал разными способами (т.е. инициирует разные переходы состояний) в зависимости от режима, то он является скрытым состоянием. В этом случае я бы задумался, а не следует ли разбить данное состояние на два? Применение скрытых состояний сводит на нет все преимущество использования конечного автомата.

В качестве тренировки вы можете расширить конечный автомат, который мы только что рассмотрели, добавив таймаут к циклу втягивания или выдвижения шасси, т.к. инженер-механик не хочет, чтобы гидравлический насос работал дольше 60 секунд. Если цикл заканчивается, пилот должен быть предупрежден переключением зеленой и красной лампочки, и он должен иметь возможность снова переместить рычаг, чтобы повторить попытку. Также вы можете спросить гипотетического инженера-механика, как сказывается на насосе изменение направления на противоположное во время его работы, потому что это происходит в 2-ух случаях, когда пилот передумывает. Конечно, механик скажет, что негативно. Тогда как бы вы изменили конечный автомат, чтобы быстро остановить насос при изменении направления?

Тестирование конечного автомата

Прелесть кодирования алгоритмов в виде конечных автоматов состоит в том, что план проведения теста почти автоматически пишется сам. Все, что вам нужно сделать – это пройти через каждый переход состояния. Я обычно делаю это с маркером в руках, вычеркивая стрелки на диаграмме перехода состояний по мере того, как они успешно проходят тест. Это хороший способ избежать «скрытых состояний» — в тестах они упускаются чаще, чем конкретные состояния.

Это требует значительного терпения и большого количества кофе, так как даже конечный автомат средних размеров может иметь до 100 различных переходов. Кстати, количество переходов – это отличный способ измерить сложность системы. Последнее определяется требованиями заказчика, а конечный автомат делает очевидными объемы тестирования. При менее организованном подходе объем требуемого тестирования может оказаться таким же внушительным, но вы об этом просто не узнаете.

Очень удобно использовать в коде операторы печати, выводящие текущее состояние, значения входных и выходных сигналов. Это позволяет вам с легкостью наблюдать то, что выражает «Золотое Правило Тестирования Программ»: проверяйте, что программа выполняет задуманное, а также то, что она не делает ничего лишнего. Другими словами, получаете ли вы только те выходные сигналы, которые вы ожидаете, и что еще происходит помимо этого? Нет ли «затруднительных» переходов состояний, т.е. состояний, которые случайно проходят, только для одного повтора цикла? Меняются ли выходные сигналы, когда вы этого не ожидаете? В идеале выходные сигналы ваших printfs должны заметно напоминать таблицу перехода состояний.

Наконец — и это касается любого встроенного ПО, а не только ПО, основанного на конечных автоматах — будьте очень осторожны при первом запуске ПО на реальном оборудовании. Очень легко ошибиться с полярностью сигналов – «Ой, я думал, что «1» означает поднять шасси, а «0» — опустить его». Во многих случаях, мой помощник по оборудованию применял временный «куриный переключатель» для защиты ценных компонентов, пока не был уверен, что мое ПО перемещает предметы в правильном направлении.

Запуск

Когда все требования заказчика выполнены, я могу запускать конечный автомат подобной сложности через пару дней. Практически всегда автоматы выполняют то, что я хочу. Самое сложное – это, конечно, точно понять, чего хочет заказчик и убедиться, что заказчик сам знает, чего он хочет. Последнее занимает значительно больше времени!

Мартин Гомез – программист Лаборатории Прикладной Физики при Университете Джона Хопкинса. Занимается разработкой ПО для обеспечения полетов исследовательских космических кораблей. Проработал в области разработки встраиваемых систем в течение 17 лет. Мартин – бакалавр наук в области аэрокосмического инжиниринга и магистр в области электроинжиниринга (университет Корнелл).

Результат работы автомата определяется по его конечному состоянию.

Существуют различные варианты задания конечного автомата. Например, конечный автомат может быть задан с помощью пяти параметров: , где:

Автомат начинает работу в состоянии q 0 , считывая по одному символу входной строки. Считанный символ переводит автомат в новое состояние из Q в соответствии с функцией переходов. Если по завершении считывания входного слова (цепочки символов) автомат оказывается в одном из допускающих состояний, то слово «принимается» автоматом. В этом случае говорят, что оно принадлежит языку данного автомата. В противном случае слово «отвергается».

Конечные автоматы широко используются на практике, например в синтаксических , лексических анализаторах , и тестировании программного обеспечения на основе моделей .

Другие способы описания

1. Диаграмма состояний (или иногда граф переходов ) — графическое представление множества состояний и функции переходов. Представляет собой нагруженный однонаправленный граф , вершины которого — состояния КА, ребра — переходы из одного состояния в другое, а — символы, при которых осуществляется данный переход. Если переход из состояния q1 в q2 может быть осуществлен при появлении одного из нескольких символов, то над дугой диаграммы (ветвью графа) должны быть надписаны все они.
2. Таблица переходов — табличное представление функции δ. Обычно в такой таблице каждой строке соответствует одно состояние, а столбцу — один допустимый входной символ. В ячейке на пересечении строки и столбца записывается действие, которое должен выполнить автомат, если в ситуации, когда он находился в данном состоянии на входе он получил данный символ.

Детерминированность

Конечные автоматы подразделяются на детерминированные и недетерминированные.

Детерминированный конечный автомат

• Детерминированным конечным автоматом (ДКА) называется такой автомат, в котором для каждой последовательности входных символов существует лишь одно состояние, в которое автомат может перейти из текущего.
• Недетерминированный конечный автомат (НКА) является обобщением детерминированного. Недетерминированность автоматов достигается двумя способами:

Существуют переходы, помеченные пустой цепочкой ε	Из одного состояния выходит несколько переходов, помеченных одним и тем же символом

Если рассмотреть случай, когда автомат задан следующим образом: , где:

Тогда появляется третий признак недетерминизма — наличие нескольких начальных (стартовых) состояний у автомата .

Существует теорема, гласящая, что «Любой недетерминированный конечный автомат может быть преобразован в детерминированный так, чтобы их языки совпадали» (такие автоматы называются эквивалентными). Однако, поскольку количество состояний в эквивалентном ДКА в худшем случае растёт экспоненциально с ростом количества состояний исходного НКА, на практике подобная детерминизация не всегда возможна. Кроме того, конечные автоматы с выходом в общем случае не поддаются детерминизации.

В силу последних двух замечаний, несмотря на бо́льшую сложность недетерминированных конечных автоматов, для задач, связанных с обработкой текста, преимущественно применяются именно НКА.

Автоматы и регулярные языки

Для автомата можно определить язык (множество слов) в алфавите Σ, который он представляет — так называются слова, при вводе которых автомат переходит из начального состояния в одно из состояний множества F.

Специализированные языки программирования

• Язык последовательных функциональных схем SFC (Sequential Function Chart) — графический язык программирования широко используется для программирования промышленных логических контроллеров (ПЛК).

В SFC программа описывается в виде схематической последовательности шагов, объединенных переходами.

Разработка моделей с использованием конечных автоматов

Конечные автоматы позволяют построить модели систем параллельной обработки, однако, чтобы изменить число параллельных процессов в такой модели требуется внести существенные изменения в саму модель. Кроме того, попытка разработки сложной модели на конечном автомате приведет к быстрому росту числа состояний автомата, что в итоге сделает разработку такой модели крайне утомительным занятием. Как было отмечено выше последнюю проблему можно решить, если использовать недетерминированный автомат.

Примечания

См. также

• Секвенциальная логика (Последовательностная логика)

Ссылки

• Теория автоматов / Э. А. Якубайтис, В. О. Васюкевич, А. Ю. Гобземис, Н. Е. Зазнова, А. А. Курмит, А. А. Лоренц, А. Ф. Петренко, В. П. Чапенко // Теория вероятностей. Математическая статистика. Теоретическая кибернетика. — М.: ВИНИТИ, 1976. — Т. 13. — С. 109–188. — URL http://www.mathnet.ru/php/getFT.phtml?jrnid=intv&paperid=28&what=fullt&option_lang=rus
• Применение конечных автоматов для решения задач автоматизации
• Пример реализации конечного автомата на языке Python для фреймворка Django

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Кейнс, Джон Мейнард
• Диаграмма состояний (теория автоматов)

Смотреть что такое «Конечный автомат» в других словарях:

конечный автомат — КА Вычислительная модель, описывающая автомат с конечным числом состояний. КА широко применяются в программировании, например в лексических анализаторах компиляторов. конечный автомат Спецификация последовательности… …

Конечный автомат — математическая модель устройства с конечной памятью. Конечный автомат перерабатывает множество входных дискретных сигналов в множество выходных сигналов. Различают синхронные и асинхронные конечные автоматы. По английски: Finite state machine См … Финансовый словарь

конечный автомат — baigtinis automatas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. finite automaton; finite state machine vok. endlicher Automat, m; Finalautomat, m rus. конечный автомат, m pranc. automate final, m; automate fini, m; automate terminal, m;… … Automatikos terminų žodynas

КОНЕЧНЫЙ АВТОМАТ — автомат, у к рого множество состояний, а также множество входных и выходных сигналов являются конечными. К. а. может быть моделью технич. устройства (ЭВМ, релейное устройство) либо биол. системы (идеализир. нервная система животного). Важными… … Большой энциклопедический политехнический словарь

конечный автомат в модульном исполнении — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN finite modular automaton … Справочник технического переводчика

конечный автомат доступности — (МСЭ Т Y.1711). Тематики электросвязь, основные понятия EN availability state machineASM … Справочник технического переводчика

Конечный автомат с памятью — Конечный автомат с памятью математическая модель устройства, поведение которого зависит как от входных условий, так и от предыдущего состояния. Для описания конечного автомата с памятью используются языки операторных схем, регулярных… … Википедия

детерминированный конечный автомат — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN finite deterministic automaton … Справочник технического переводчика

Автомат Мура — (автомат второго рода) в теории вычислений конечный автомат, выходное значение сигнала в котором зависит лишь от текущего состояния данного автомата, и не зависит напрямую, в отличие от автомата Мили, от входных значений. Автомат Мура назван … Википедия

Сегодня мы поговорим о автоматах, но отнюдь не тех что держат в руках солдаты российской армии. Речь пойдет о таком интересном стиле программирования микроконтроллеров как автоматное программирование. Точнее это даже не стиль программирования а целая концепция, благодаря которой программист микроконтроллеров может значительно облегчить свою жизнь. Благодаря которой многие задачи представленные перед программистом решаются гораздо легче и проще, избавляя программиста от головной боли. Кстати автоматное программирование зачастую называют SWITCH-технологией.

Хочу заметить что стимулом написания этого поста послужил цикл статей о SWITCH-технологии Владимира Татарчевского. Цикл статей называется «Применение SWITCH-технологии при разработке прикладного программного обеспечения для микроконтроллеров» Так что в этом статье я постараюсь по большей части привести пример рабочего кода и его описание.

Кстати я запланировал ряд статей посвященных программированию, в которых буду подробно рассматривать приемы программирования под микроконтроллеры АВР, не пропустите …. Ну что ж поехали!

Программа последовательно выполняет команды заложенные программистом. Для обычной компьютерной программы совершенно нормально когда программа отработала и остановила свое исполнение, выводя при этом результаты своей работы на монитор.

Программа под микроконтроллер не может просто закончить свое исполнение. Вот представьте себе, что вы включили плеер или магнитофон. Вы нажали кнопочку power, выбрали желаемую композицию, и наслаждаетесь музыкой. Однако когда музыка прекратила трепать барабанную перепонку вашего уха, плеер завис и никак не реагирует на нажатие кнопочек а тем более на ваши танцы с бубном.

А что здесь такого? Все нормально — контроллер, тот что в недрах вашего плеера просто закончил выполнение своей программы. Вот видите неудобненько как-то получается.

Так вот отсюда мы делаем вывод, что программа под микроконтроллер просто не должна останавливаться. По сути своей она должна представлять собой бесконечный цикл — только в этом случае наш плеер работал бы правильно. Дальше я вам покажу какие бывают конструкции программного кода под микроконтроллеры, это даже не конструкции а некоторые стили программирования.

Стили программирования.

«Стили программирования» — звучит как-то непонятно, ну да ладно. Что я хочу этим сказать?Представим, что человек никогда до этого не занимался программированием, то есть вообще полный чайник.

Этот человек прочел много книг по программированию, изучил все основный конструкции языка.