Автоматы Мура и Мили

Абстрактные автоматы

Определение:

Абстрактный автомат (АА) является математической моделью дискретного устройства и описывается шестикомпонентным набором [math]S=(A, Z, W, \delta, \lambda, a_{1})[/math], где 1. [math]A=\{a_{1}, ..., a_{m}, ..., a_{M}\}[/math] - множество состояний. 2. [math]Z=\{z_{1}, ..., z_{f}, ..., z_{F}\}[/math] - множество входных сигналов. 3. [math]W=\{w_{1}, ..., w_{g}, ..., w_{G}\}[/math] - множество выходных сигналов. 4. [math]\delta[/math] - функция переходов АА, которая некоторым парам \<состояние - входной сигнал\> ([math]a_{m}[/math], [math]z_{f}[/math]) ставит в соответствие состояние АА [math]a_{s}[/math], т.е. [math]a_{s} = δ(a_{m}, z_{f})[/math], [math]a_{s}\in A[/math]. 5. [math]\lambda[/math] - функция выходов АА, которая некоторым парам \<состояние – входной сигнал\> ([math]a_{m}[/math], [math]z_{f}[/math]) ставит в соответствие выходной сигнал АА [math]w_{g}[/math], т.е. [math]w_{g}=λ(a_{m},z_{f})[/math], [math]w_{g}\in W[/math]. 6. [math]a_{1}[/math] - начальное состояние. АА работает в дискретные моменты времени, и в момент времени [math]t=0[/math] автомат всегда находится в состоянии [math]a_{1}[/math].

Выходные сигналы АА зависят от того, что поступало на его вход раньше.

В каждый момент времени АА, будучи в состоянии [math]a_{m}^{t}[/math], способен воспринимать одну из букв входного алфавита [math]z_{f}^{t}[/math]. В соответствии с функцией [math]\delta[/math], АА перейдет в состояние [math]a_{1}^{t+1}[/math] с выдачей выходного сигнала, который вырабатывается в соответствии с функцией выходов [math]\lambda[/math].

Рассмотрим функционирование автоматов Мура и Мили.

Автомат Мили [math]a(t+1) = \delta (a(t), z(t))[/math] [math]w(t) = \lambda (a(t), z(t))[/math]

Автомат Мура [math]a(t+1) = \delta (a(t), z(t))[/math] [math]w(t) = \lambda (a(t))[/math]

В автоматах Мура выходной сигнал определяется только состоянием автомата в какой-то момент времени и не зависит от входного сигнала в этот же момент времени.

Способы задания автоматов

Табличный способ задания автомата Мили

Автомат Мили может быть задан таблицей переходов и таблицей выходов.

В таблице переходов АА Мили на пересечении столбца [math]a_{m}[/math] и строки [math]z_{f}[/math] записывается состояние [math]a_{s}[/math], которое есть функция [math]\delta[/math] от [math]a_{m}[/math] и [math]z_{f}[/math]

	[math]a_{m}[/math]
[math]z_{f}[/math]	[math]a_{s}[/math]	[math]=\delta (a_{m}, z_{f})[/math]

В таблице выходов на пересечении столбца [math]a_{m}[/math] и строки [math]z_{f}[/math] записывается выходной сигнал, который есть функция [math]\lambda[/math] от [math]a_{m}[/math] и [math]z_{f}[/math].

	[math]a_{m}[/math]
[math]z_{f}[/math]	[math]w_{g}[/math]	[math]=\lambda (a_{m}, z_{f})[/math]

Пример: Задание автомата Мили табличным способом (автомат имеет два входных сигнала, два выходных сигнала и три состояния).

Таблица переходов [math]\delta[/math] [math]a_{1}[/math] [math]a_{2}[/math] [math]a_{3}[/math] [math]z_{1}[/math] [math]a_{1}[/math] [math]a_{3}[/math] [math]a_{1}[/math] [math]z_{2}[/math] [math]a_{2}[/math] [math]a_{1}[/math] [math]a_{2}[/math]

Таблица выходов [math]\lambda[/math] [math]a_{1}[/math] [math]a_{2}[/math] [math]a_{3}[/math] [math]z_{1}[/math] [math]w_{2}[/math] [math]w_{2}[/math] [math]w_{2}[/math] [math]z_{2}[/math] [math]w_{1}[/math] [math]w_{1}[/math] [math]w_{2}[/math]

Графический способ задания автомата Мили

На рисунке приведен граф автомата Мили на 3 состояния, имеющий 2 входных сигнала и 2 выходных сигнала (см. предыдущий пример).

Табличный способ задания автомата Мура

В автомате Мура выходной сигнал зависит только от состояния автомата и не зависит от входного сигнала. Поэтому достаточно для задания автомата Мура в таблице переходов добавить одну строку.

[math]\lambda[/math]	[math]w_{1}[/math]	[math]w_{2}[/math]	[math]w_{1}[/math]	[math]w_{2}[/math]	[math]w_{2}[/math]
[math]\delta[/math]	[math]a_{1}[/math]	[math]a_{2}[/math]	[math]a_{3}[/math]	[math]a_{4}[/math]	[math]a_{5}[/math]
[math]z_{1}[/math]	[math]a_{2}[/math]	[math]a_{2}[/math]	[math]a_{5}[/math]	[math]a_{5}[/math]	[math]a_{2}[/math]
[math]z_{2}[/math]	[math]a_{3}[/math]	[math]a_{3}[/math]	[math]a_{1}[/math]	[math]a_{1}[/math]	[math]a_{4}[/math]

Графический способ задания автомата Мура

На рисунке приведен граф автомата Мура на 5 состояний, имеющий 2 входных сигнала и 2 выходных сигнала.

Реакция автоматов на входное слово

Автомат Мили

Допустим, входное слово [math]\xi[/math] поступает на вход автомата буква за буквой.

Выходное слово [math]\omega[/math] называется реакцией автомата Мили на входное слово [math]\xi[/math] в состоянии [math]a_{1}[/math] (строится по таблице переходов и выходов).

Реакцию автомата на входное слово [math]\xi[/math] можно заменить обходом графа.

Автомат Мура

Выходное слово [math]\omega[/math] называется реакцией автомата Мура на входное слово [math]\xi[/math] в состоянии [math]a_{1}[/math].

В рассматриваемом примере для автоматов Мили и Мура реакции автоматов на одинаковое входное слово совпадают, но они сдвинуты на один такт. Автоматы Мили и Мура дающие одинаковые реакции на одинаковые входные слова называются эквивалентными. Данное замечание приводит к задаче построения эквивалентных автоматов, дающих одинаковые реакции на одинаковые входные слова.

Эквивалентность автоматов Мили и Мура

Переход от автомата Мура к автомату Мили

Шестикомпонентным набором с индексом А будем обозначать автомат Мура, а с индексом В - автомат Мили.

Пусть задан автомат Мура.

Требуется перейти к автомату Мили [math]S_{B} = (A_{B}, Z_{B}, W_{B}, \delta _{B}, \lambda _{B}, a_{1B}[/math]), у которого [math]Z_{A} = Z_{B}[/math], [math]W_{A} = W_{B}[/math], т.е. входные и выходные алфавиты совпадают.

Рассмотрим пример, в котором [math]Z_{А} = \{z_{1}, z_{2}\} = Z_{B}[/math], [math]W_{A} = \{w_{1}, w_{2}\} = W_{B}[/math], [math]a_{1A} = a_{1B}[/math], алфавит состояний автомата Мура содержит четыре элемента.

При переходе от автомата Мура к автомату Мили алфавиты состояний также совпадают, т.е. [math]A_{A} = A_{B}[/math].

Для определения соответствия между функциями переходов выходов автоматов Мура и Мили воспользуемся следующей вспомогательной таблицей.

При переходе от автомата Мура к автомату Мили функции переходов также совпадают, а для определения функции выходов выходные сигналы с вершин опускается на входные дуги.

Проделав такие преобразования мы должны доказать, что получили автомат Мили, эквивалентный автомату Мура, т.е. что реакции автоматов на одинаковые входные воздействия совпадают.

Доказательство проводится по индукции, начиная со случая (см. таблицу) и, далее, увеличивая слова на 1 получим доказательство.

При таком переходе (Мура к Мили) число состояний совпадает.