Виртуальный конечный автомат

Эта статья включает список ссылок , связанных материалов или внешних ссылок , но ее источники остаются неясными, поскольку в ней отсутствуют встроенные цитаты . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, введя более точные цитаты. ( Октябрь 2024 ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение )

Виртуальный конечный автомат ( VFSM ) — это конечный автомат (FSM), определенный в виртуальной среде. Концепция VFSM предоставляет метод спецификации программного обеспечения для описания поведения системы управления с использованием назначенных имен свойств входного управления и выходных действий .

Метод VFSM вводит модель исполнения и облегчает идею исполняемой спецификации. Эта технология в основном используется в сложных приложениях управления машинами , приборостроении и телекоммуникациях .

Реализация конечного автомата требует генерации логических условий (условий перехода состояний и условий действия). В аппаратной среде, где конечные автоматы нашли свое первоначальное применение, это тривиально: все сигналы являются булевыми . В отличие от этого, конечные автоматы, указанные и реализованные в программном обеспечении, требуют логических условий, которые по сути являются многозначными :

• Температура может быть низкой, нормальной, высокой
• Команды могут иметь несколько значений: Init, Start, Stop, Break, Continue.
• В иерархической системе управления подчиненные конечные автоматы могут иметь много состояний, которые используются в качестве условий вышестоящего конечного автомата.

Кроме того, входные сигналы могут быть неизвестны из-за ошибок или неисправностей, то есть даже цифровые входные сигналы (рассматриваемые как классические булевы значения) фактически представляют собой 3 значения: низкий, высокий, неизвестный.

Положительная логическая алгебра решает эту проблему посредством виртуализации , создавая виртуальную среду, которая позволяет специфицировать конечные автоматы для программного обеспечения с использованием многозначных переменных.

Переменная состояния в среде VFSM может иметь одно или несколько значений, которые имеют отношение к элементу управления — в таком случае это входная переменная. Эти значения являются свойствами управления этой переменной. Свойства управления не обязательно являются конкретными значениями данных, а скорее определенными состояниями переменной. Например, цифровая переменная может предоставлять три свойства управления: TRUE, FALSE и UNKNOWN в соответствии с ее возможными булевыми значениями. Числовая (аналоговая) входная переменная имеет такие свойства управления, как: LOW, HIGH, OK, BAD, UNKNOWN в соответствии с ее диапазоном желаемых значений. Таймер может иметь свое состояние OVER (истек тайм-аут) в качестве своего наиболее значимого значения управления; другие значения могут быть STOPPED или RUNNING.

Другие переменные состояния в среде VFSM могут быть активированы действиями — в таком случае это выходная переменная. Например, цифровой выход имеет два действия: True и False. Числовая (аналоговая) выходная переменная имеет действие: Set. Таймер, который является как входной, так и выходной переменной, может быть запущен такими действиями, как: Start, Stop или Reset.

Виртуальная среда характеризует среду выполнения, в которой работает виртуальная машина . Она определяется тремя наборами имен:

• Входные имена представляют собой управляющие свойства всех доступных переменных.
• выходные имена представляют доступные действия над переменными
• названия штатов , определенные для каждого из штатов FSM.

Входные имена создают виртуальные условия для выполнения переходов состояний или входных действий. Виртуальные условия строятся с использованием алгебры положительной логики . Выходные имена запускают действия; действия входа, действия выхода , действия входа или действия перехода.

Правила построения виртуального состояния следующие:

Состояние входа описывается именами входов, которые создают набор :

• вход А:Anames = {A1, A2, A3}
• вход Б:Bnames = {B1, B2}
• вход С:Cnames = {C1, C2, C3, C4, C5}

и т. д.

Виртуальный вход VI— это набор взаимоисключающих элементов имен входов. A VIвсегда содержит элемент always:

VI = { всегда }VI = { всегда , A1 }VI = { всегда , A1 , B2 , C4 }

&Операция (И) представляет собой набор входных имен:

А1 , В3 и С2 =>{A1, B3, C2}

|Операция (ИЛИ) представляет собой таблицу наборов входных имен:

А1 | В3 | С2 =>${\displaystyle {\begin{bmatrix}\{&A1&\}\\\{&B3&\}\\\{&C2&\}\\\end{bmatrix}}}$

~(Дополнение) — это дополнение набора входных имен:

~ А2 ={A1, A3}

Логическое выражение представляет собой ИЛИ-таблицу И-множеств ( дизъюнктивная нормальная форма ):

А1 и В3 | А1 и В2 и С4 | С2 =>${\displaystyle {\begin{bmatrix}\{&A1&B3&\}\\\{&A1&B2&C4&\}\\\{&C2&\}\\\end{bmatrix}}}$

Логические выражения используются для выражения любой логической функции.

Логическое значение (истина, ложь) логического выражения вычисляется путем проверки того, является ли какой-либо из наборов И в таблице ИЛИ подмножествомVI .

Состояние выхода описывается именами выходов, которые создают набор:

• выход X:Xnames = {X1, X2}
• выход Y:Ynames = {Y1, Y2, Y3}

Виртуальный вывод VOпредставляет собой набор взаимоисключающих элементов выходных имен.

Виртуальное имя и виртуальный вывод, дополненные именами состояний, создают виртуальную среду VE, в которой определяется поведение.

Подмножество всех определенных имен входов, которое может существовать только в определенной ситуации, называется виртуальным входом или VI. Например, температура может быть либо «слишком низкой», либо «хорошей», либо «слишком высокой». Хотя определены три имени входов, только одно из них может существовать в реальной ситуации. Это создает VI.

Подмножество всех определенных выходных имен, которое может существовать только в определенной ситуации, называется виртуальным выходом или VO. Оно создается текущим действием(ями) VFSM.

Спецификация поведения строится с помощью таблицы состояний, которая описывает все детали всех состояний VFSM.

Исполнитель VFSM запускается VIтекущим состоянием VFSM. С учетом спецификации поведения текущего состояния VOустанавливается.

На рисунке 2 показана одна из возможных реализаций исполнителя VFSM. На основе этой реализации необходимо рассмотреть типичные характеристики поведения.

Таблица состояний определяет все детали поведения состояния VFSM. Она состоит из трех столбцов; первый столбец называет состояние, второй перечисляет виртуальные условия, построенные из входных имен с использованием алгебры положительной логики, а третий столбец содержит выходные имена:

Прочитайте таблицу следующим образом: первые две строки определяют действия входа и выхода из текущего состояния. Следующие строки, которые не предоставляют следующее состояние, представляют входные действия. Наконец, строки, предоставляющие следующее состояние, представляют условия перехода состояния и действия перехода. Все поля являются необязательными. Чистый комбинаторный VFSM возможен только в случаях, когда используются входные действия, но не определены переходы состояний. Действие перехода может быть заменено надлежащим использованием других действий.

• StateWORKS: реализация концепции VFSM
• PlayMaker: реализует концепцию VFSM как метод «визуального скриптинга» игрового движка Unity.

• Вагнер, Ф., «Виртуальные конечные автоматы: спецификация исполняемого потока управления», Rosa Fischer-Löw Verlag, 1994, ISBN  3-929465-04-3
• Вагнер, Ф., «Моделирование программного обеспечения с помощью конечных автоматов: практический подход», Auerbach Publications, 2006, ISBN 0-8493-8086-3 
• Спецификация исполняемого файла VFSM, Труды CompEuro 1992
• Недоразумения относительно конечного автомата, журнал IEE "Computing and Control Engineering", 1997
• Парадигма проектирования и реализации виртуального конечного автомата, Bell Labs Technical Journal, 1997
• Современный инструмент разработки программного обеспечения реального времени: применение уроков Leo, журнал IEE «Вычислительная техника и управление», 2003 г.
• Моделирование и создание надежного, повторно используемого программного обеспечения., Инженерия компьютерного программного обеспечения 2003 (ECBS'03) Труды
• Сокращение разрыва между программным моделированием и кодом, Инженерия компьютерного программного обеспечения 2004 (ECBS'04) Труды
• [1], Вагнер, Т., «VFSMML — стандарт XML для VFSM», 2004