AUTOMI A STATI FINITI. G. Ciaschetti

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1 AUTOMI A STATI FINITI G. Ciaschetti

2 CONTENUTI Definizione di sistema Classificazione dei sistemi Definizione di modello Algebra degli schemi a blocchi Sistemi sequenziali Automi a stati finiti Macchina di Turing

3 Definizione di sistema Un sistema è un insieme di elementi che interagiscono tra loro per svolgere una particolare funzione o raggiungere un determinato obiettivo. ESEMPI - il sistema nervoso - il sistema politico - un sistema di equazioni - un sistema di irrigazione - il sistema di elaborazione - un robot NON ESEMPI - una classe - i numeri naturali - le istruzioni del linguaggio C - i voti di uno studente OBIETTIVO?

4 Definizione di sistema La teoria dei sistemi, ossia lo studio quantitativo dei sistemi, nasce dalla necessità di analizzare un sistema per capire quali sono i suoi elementi e quali relazioni intercorrono tra di essi, per - comprenderne meglio il funzionamento - spiegare il verificarsi di fenomeni naturali - intervenire per modificare la risposta del sistema - predire la risposta del sistema in futuro Lo stato di un sistema è l insieme dei valori che assumono tutti i diversi parametri del sistema, cioè le grandezze fisiche o matematiche che descrivono in che situazione esso si trova. Queste prendono il nome di variabili di stato.

5 Definizione di sistema ESEMPIO: Il computer o sistema di elaborazione Obiettivo: archiviare ed elaborare informazioni (giocare, comunicare, ecc ) Elementi - CPU - memoria RAM - Hard Disk - Tastiera - Monitor - Bus - Mouse - Relazione tra gli elementi - la scheda madre, che con i suoi circuiti mette in collegamento le varie parti del sistema - la logica di funzionamento (algebra di Boole, circuiti sommatori, CU, ciclo fetch/decode/execute, ) Parametri del sistema Stati del sistema - Velocità CPU - Spento - Occupazione HD - Acceso, in attesa - - Acceso, in esecuzione

6 Definizione di sistema Un sistema aperto può essere visto come un dispositivo che trasforma gli ingressi del sistema (le cause) nelle uscite del sistema (gli effetti). i Sistema (trasformazione) u ESEMPI: - un computer con stampante trasforma le azioni dell utente, la corrente elettrica e un foglio bianco in una pagina di un libro; - una macchinetta del caffè trasforma il caffè in polvere, l acqua, l energia elettrica, i soldi e l azione di premere un tasto in un prelibato caffè caldo; - un motore trasforma benzina in energia meccanica.

7 Definizione di sistema ESEMPI O: sistema lampada/interruttore Elementi: interruttore, lampada Obiettivo: illuminare (una stanza) Stati: acceso, spento Ingressi: int. chiuso, int. aperto Uscite: luce, buio Tabella di transizione di stato INTERRUTTORE STATO aperto chiuso lampada accesa lampada spenta lampada accesa lampada spenta lampada spenta lampada accesa Tabella di trasformazione INTERRUTTORE STATO aperto chiuso lampada accesa buio luce lampada spenta buio luce

8 Definizione di sistema ESEMPI O: sistema lampada/interruttore Diagramma degli stati aperto, buio chiuso, luce chiuso, luce Tabella di transizione di stato INTERRUTTORE STATO aperto chiuso lampada accesa lampada spenta lampada accesa lampada spenta lampada spenta lampada accesa spenta aperto, buio accesa Tabella di trasformazione INTERRUTTORE STATO aperto chiuso lampada accesa buio luce lampada spenta buio luce

9 Definizione di sistema Un sistema non è necessariamente un entità fisica: esistono sistemi astratti che servono a spiegare fenomeni naturali cercando di identificarne il rapporto causa/effetto. In questa accezione, un sistema può essere visto come un modo, cioè l insieme di regole e/o relazioni tra elementi astratti che trasformano le cause in effetti. ESEMPI - un sistema al totocalcio: come combinare più giocate tra loro - il sistema per fare soldi: le azioni da intraprendere per ottenere un vantaggio economico - il sistema di scaricare la mia donna: senza commento ( )

10 Classificazione dei sistemi naturali vs. artificiali: se presenti in natura o costruiti dall uomo (es. sistema solare, computer) statici vs. dinamici: se cambiano il loro stato nel tempo oppure no (es. sistema dei continenti, pendolo) chiusi vs. aperti: se interagiscono o no con l esterno (es. sistema di telecamere di un museo, sistema digerente) deterministici vs. stocastici: se è possibile prevedere o meno la risposta del sistema (es. computer, sistema atmosferico) combinatori vs. sequenziali: se sono dotati di memoria o meno (es. circuito elettrico, ascensore) stazionari (o invarianti): se la risposta del sistema non dipende dal particolare istante di tempo (es. pipeline) continui: se l evoluzione del sistema dipende dall istante in cui si trova (es. sistema di lluminazione cittadino) discreti: se l evoluzione del sistema avviene a scatti (es. orologio digitale)

11 Classificazione dei sistemi Si noti che la classificazione di un sistema in un modo oppure in un altro dipende dall osservatore, dal livello di dettaglio e dai fini dell analisi che si vuole effettuare. ESEMPI - frigorifero (chiuso per chi deve trasportarlo, aperto per la massaia) - quadro (statico per il visitatore, dinamico per il restauratore) - sistema stellare (statico per un romantico, dinamico per un astrofisico) - ascensore (discreto per l utilizzatore, continuo per il progettista)

12 Definizione di modello Un modello è una rappresentazione di un sistema, e permette di studiare un sistema tralasciandone gli aspetti non essenziali ai fini della sua analisi. ESEMPI ESEMPIO SISTEMA - sistema stradale - ponte sullo stretto - sistema preda/predatore - problema da risolvere - sistema informativo aziendale MODELLO - mappa - plastico/disegno 3D - equazione differenziale - algoritmo - database Un modello può essere matematico, fisico, grafico, logico,

13 Definizione di modello Un modello è in generale un astrazione del sistema che esso rappresenta, cioè risulta semplificato rispetto al sistema stesso. Modelli troppo semplici, però, possono essere poco rappresentativi, mentre modelli troppo complessi possono risultare inutilizzabili. Occorre allora, in fase di modellazione del sistema, trovare un giusto compromesso tra l operatività del modello, cioè la sua fruibilità, e la sua aderenza, cioè quanto precisamente esso rappresenta il sistema. Inoltre, modelli più semplici sono in generale più robusti, ossia tendono a rimanere validi anche a seguito di cambiamenti del sistema e del contesto, mentre modelli troppo complessi possono risultare presto inutilizzabili (es. virus, dinosauri)

14 Algebra degli schemi a blocchi Un semplice modello per rappresentare e studiare i sistemi quello degli schemi a blocchi. Il sistema è visto come un insieme di sottosistemi interconnessi tra loro, ognuno dei quali è rappresentato mediante un blocco o blackbox (scatola nera): si specifica, per ogni blocco, quali sono i suoi ingressi e le sue uscite, e non cosa c è al suo interno. Gli elementi utilizzati in questo modello sono: u 1 i f u i 2 i 1 i 1 +i 2 + i u 2 u 3 blocco di trasferimento u = f(i) nodo sommatore i = i 1 + i 2 diramazione i = u 1 = u 2 = u 3

15 Algebra degli schemi a blocchi ESEMPIO: controllo automatico della temperatura temperatura + cella frigorifera temperatura regola temperatura controllo temperatura

16 Sistemi combinatori Un sistema combinatorio è un sistema che non ha memoria, cioè la risposta del sistema dipende soltanto dall ingresso che ad esso si applica, e non dal suo stato. ESEMPIO: un tubo idraulico (un semplice sistema costituito da un solo elemento, un tubo, che ha lo scopo di far arrivare ad una estremità il flusso d acqua che entra nell altra estremità) è un sistema combinatorio, in quanto la grandezza quantità di flusso in uscita dipende solo dalla grandezza quantità di flusso in entrata. ESEMPIO: un circuito combinatorio formato da porte logiche è un sistema combinatorio che ottiene una uscita booleana che dipende solo dal valore delle variabili booleane in ingresso.

17 Sistemi combinatori flusso in ingresso flusso in uscita x y z ( x y) z

18 Sistemi sequenziali Un sistema sequenziale è un sistema che ha memoria, cioè la risposta del sistema dipende dall ingresso che ad esso si applica, e dal suo stato. ESEMPIO: una vasca da bagno è un sistema sequenziale, in quanto la grandezza quantità di flusso in uscita dipende dalla grandezza quantità di flusso in entrata, e dallo stato della vasca, cioè dal livello dell acqua presente. Maggiore è l acqua presente nella vasca, maggiore è la pressione, e dunque maggiore sarà il flusso in uscita, a parità di flusso in ingresso. ESEMPIO: un ascensore è un sistema sequenziale la cui uscita (il movimento che fa l ascensore), dipende dall ingresso (il tasto premuto) e dallo stato (la posizione dell ascensore).

19 Sistemi sequenziali i stato livello = 0 u = f(i, s) i stato livello = 5 u = f(i, s)

20 Sistemi sequenziali input tasto 3 output sali 2 piani stato piano 1 input tasto 3 output scendi 1 piano stato piano 4

21 Automi a stati finiti Un automa a stati finiti è un sistema dinamico, sequenziale, invariante e discreto. Significa che l azione che l automa intraprende (uscita) dipende solo da uno o più segnali d ingresso e dallo stato dell automa. C è un numero finito di possibili stati. i u = f(i, s) sistema sequenziale continuo i u = f(i, s) sistema sequenziale discreto AUTOMA

22 Automi a stati finiti ESEMPIO: Ascensore start pulsante 0 2 quale pulsante? quale piano? 1 quale piano? quale piano? fermo scendi scendi sali fermo scendi sali sali fermo

23 Automi a stati finiti ESEMPIO: Semaforo start no c è segnale? si timer colore? rosso verde giallo/verde spegni rosso accendi verde accendi giallo spegni verde spegni giallo accendi rosso

24 Automi a stati finiti Un automa a stati finiti è una quintupla A = {I, U, S,, } definito da: - Un insieme finito di valori degli ingressi I - Un insieme finito di valori delle uscite U - Un insieme finito degli stati S - Un insieme di regole di transizione di stato,, che specifica lo stato futuro del sistema noti lo stato attuale e l ingresso : S x I S - Un insieme di regole di trasformazione delle uscite,, che fornisce l uscita noti lo stato attuale e l ingresso : S x I U

25 Automa di Mealy Se l uscita di un automa dipende direttamente dall ingresso, si parla in questo caso di automa improprio o automa di Mealy. Graficamente, può essere rappresentato come segue: I S n S n+1 U S n S n+1 = elemento di ritardo

26 Automa di Moore Se l uscita di un automa non dipende direttamente dall ingresso, si parla in questo caso di automa proprio o automa di Moore. Graficamente, può essere rappresentato come segue: I S n S n+1 U S n S n+1 = elemento di ritardo

27 Diagrama degli stati Le regole di transizione di stato : S x I S e le regole di trasformazione delle uscite : S x I U di un automa possono essere rappresentate in un diagramma degli stati, un grafo orientato in cui i nodi corrispondono agli stati, e gli archi corrispondono alle transizioni da uno stato all altro del sistema. ESEMPI O: sistema lampada/interruttore diagramma degli stati aperto, buio chiuso, luce chiuso, luce spenta accesa aperto, buio

28 Grafo di Mealy Se l automa è l automa di Mealy, il corrispondente diagramma degli stati è detto grafo di Mealy. I nodi del grafo corrispondono agli stati, e le funzioni e sono riportate sugli archi. i 1, u 2 i 2, u 2 s 0 s 1 i 1, u 2 i 1, u 1 s 2 i 2, u 2 i 2, u 2

29 Grafo di Moore Se l automa è l automa di Moore, il corrispondente diagramma degli stati è detto grafo di Moore. Nei nodi del grafo sono indicati gli stati e le uscite (ricordiamo, infatti, che in questo automa le uscite sono direttamente collegate agli stati)e la funzione è riportata sugli archi. i 1 i 2 s 0 /u 0 s 1 /u 1 i 1 i 1 s 2 /u 2 i 2 i 2

30 Diagrama degli stati ESEMPI O: sistema lampada/interruttore Questo sistema può essere rappresentato con entrambi i tipi di automi, in quanto l uscita (buio/luce) dipende direttamente dallo stato della lampada (accesa/spenta) Grafo di Mealy Grafo di Moore aperto, buio chiuso, luce chiuso, luce aperto chiuso chiuso spenta accesa spenta /buio accesa /luce aperto, buio aperto

31 Costruiamo un automa ESEMPI O: vogliamo costruire un automa che riconosca la parla ORO in una stringa. Supponiamo che la seconda O riconosciuta sia da considerare come la fine della sequenza, e non anche l inizio di una nuova sequenza. Ad esempio, se la stringa in ingresso è ORORO verrà riconosciuta una sola parola e non due. Insieme degli ingressi: I = {O, R} Insieme delle uscite: U = {si, no} Insieme degli stati: S = {s 0, s 1, s 2 } dove: s 0 s 1 s 2 : è lo stato di partenza: non è stato ancora riconosciuto nessun carattere della sequenza; : è lo stato in cui è stato riconosciuto il primo carattere della sequenza; : è lo stato in cui è stato riconosciuto il secondo carattere della sequenza.

32 Costruiamo un automa Rappresentiamo ora le funzioni e con il diagramma di Mealy s 0 stato iniziale Nello stato s 0, se l automa riceve in ingresso la lettera R, resta nello stesso stato, se invece riceve in ingresso la lettera O, passa nello stato s 1. R, no s 0 O, no s transizione dallo stato 1 iniziale s 0 allo stato s 1

33 Costruiamo un automa Nello stato s 1, quando cioè l automa ha già riconosciuto il primo carattere, se l automa riceve in ingresso la lettera R passa allo stato s 2, se invece riceve in ingresso la lettera O, resta nello stesso stato. R, no O, no s 0 O, no s transizione dallo stato 1 iniziale s 1 allo stato s 2 R, no s 2

34 Costruiamo un automa Nello stato s 2, quando cioè l automa ha già riconosciuto il primo e il secondo carattere, se esso riceve in ingresso la lettera O torna allo stato s 0 con uscita SI. Se invece riceve in ingresso la lettera R, torna allo stato s 0 ma con uscita NO. R, no O, no s 0 O, no s transizione dallo stato 1 iniziale s 2 allo stato s 0 R, no O, si s 2 R, no ESERCIZIO: qual è l uscita dell automa con la sequenza in ingresso OOORRRORRORO?

35 Costruiamo un automa Ci chiediamo se è possibile costruire un automa di Moore per lo stesso riconoscitore di stringhe. La risposta è affermativa, ma occorre in questo caso aggiungere un ulteriore stato: lo stato finale corrispondente all uscita SI. R O s 0, no O s 1, no R O R R s 3, si O s 2, no ESERCIZIO: costruire un automa che riconosce la sequenza 1111 in una stringa di bit

36 Il modello matematico/logico Se vogliamo effettivamente realizzare un automa, dobbiamo passare dalla sua rappresentazione grafica (il grafo del diagramma degli stati) a una sua rappresentazione matematico/logica, che ci permetterà di costruire i circuiti. Facendo riferimento all esempio precedente, il riconoscitore di sequenze ORO in una stringa, possiamo costruire il seguente modello: ingressi x O 0 R 1 uscite z no 0 si 1 stati s 0 s 1 s 2 -- y 1 y

37 Il modello matematico/logico ingressi x O 0 R 1 uscite z no 0 si 1 R, no s 0 R, no stati s 0 s 1 s 2 -- O, no y 1 y s 1 O, no TABELLA DI HUFFMAN variabili di stato y 1 y variabili di ingresso x=0 x=1 01,0 01,0 00,1 --,- 00,0 11,0 00,0 --,- R, no O, si s 2

38 Il modello matematico/logico SINTESI DI CIRCUITI: Mappe di Karnaugh x 0 1 variabile di stato y 1 y 1 y i 1 i n 1 n n y1 x y1 y2 variabili di stato y 1 y variabili di ingresso x=0 x=1 01,0 01,0 00,1 --,- 00,0 11,0 00,0 --,- variabile di stato y 2 variabile di uscita z x 0 1 y 1 y i 1 i y n 1 n n 2 y1 y2 x y2 x 0 1 y 1 y i i n z x y1

39 Il circuito logico x z y 1 n y 1 n+1 y 2 n y 2 n+1 y 2 n y 1 n y 2 n+1 y 1 n+1 ESERCIZIO: costruire il modello matematico e il circuito per l automa che riconosce la sequenza 1111

40 La macchina di Turing Alla base del concetto di sistema automatico di calcolo, usato da tutti i moderni computer, c è un modello di macchina astratta proposto nel 1936 dal matematico inglese Alan Turing. Si tratta di un automa a stati finiti, che fa riferimento alla normale attività dell uomo quando deve eseguire dei calcoli: il lavoro è controllato dalla mente umana, mentre un foglio di carta e una penna sono usati per segnare i dati e le operazioni, cioè vengono usati come supporto di memoria per l input (dati) e l output (risultati). La macchina di Turing (MdT) può essere definita, intuitivamente, come un dispositivo in grado di operare su un numero finito di simboli, mediante una successione finita di passi e secondo determinate regole (programma), non considerando (astrazione) i tempi di calcolo e i possibili limiti di spazio di memoria.

41 La macchina di Turing La MdT è un dispositivo costituito da: - Un nastro che rappresenta il supporto di memoria, costituito da un numero infinito di caselle, ognuna delle quali può contenere un solo simbolo di un dato alfabeto; - Una testina di lettura/scrittura (TLS) che accede a una singola casella, leggendone il simbolo contenuto o scrivendoci su un nuovo simbolo; - Un meccanismo di controllo (automa) che, in base al proprio stato, alle regole e al simbolo letto, decide di eseguire una delle seguenti operazioni elementari: 1) comandare alla TLS di scrivere un nuovo simbolo 2) spostare a sinistra la TLS di una casella 3) spostare a destra la TLS di una casella 4) fermare la macchina

42 La macchina di Turing Formalmente, la macchina di Turing è definita da una quintupla dove: MdT = {S, IU,,, } S IU : S x IU S insieme degli stati, tra cui lo stato iniziale s 0 e lo stato finale s F insieme dei simboli di input/output funzione di transizione di stato: dato uno stato e un simbolo in input, pone la macchina in un nuovo stato : S x IU IU funzione di trasformazione delle uscite: dato uno stato e un simbolo di input, determina un simbolo di output : S x IU {sx, dx, =} funzione di movimento della TLS (sposta a sinistra di una casella, sposta a destra di una casella, non muovere)

43 La macchina di Turing La parte di controllo della MdT può essere rappresentata mediante un diagramma degli stati, utilizzando il grafo di Mealy, riportando sugli archi del grafo anche gli spostamenti della TLS, oltre agli ingressi e le uscite. Tra i simboli dell insieme IU, c è un simbolo particolare denotato con # che rappresenta il simbolo nullo: è il simbolo che si trova in tutte le caselle del nastro all inizio. Successivamente, su alcune delle caselle del nastro verranno scritti (dall esterno) i simboli di input che la macchina di Turing dovrà leggere. Una volta dato l input, la MdT può cominciare il suo lavoro partendo dallo stato s 0. Il risultato finale dell elaborazione è contenuto nelle caselle del nastro, quando la MdT si trova nello stato finale s F.

44 La macchina di Turing ESEMPIO: progettare una MdT checalcola il successivo di un numero binario # # # # # # # # # # # Definiamo la nostra MdT: IU {0, 1, #} Spostamenti della TLS {=, <} S {s 0, s 1, s 2, s F } dove s 0 = stato iniziale: la testina si trova sul bit meno significativo del numero binario s 1 = assenza di riporto: la MdT dovrà copiare i restanti bit muovendosi verso sinistra s 2 = presenza di riporto: la MdT cancella il simbolo 1 e scrive 0, oppure cancella il simbolo 0 e scrive 1, e si muove a sinistra s F = stato finale: la macchina ha finito il suo compito e si ferma

45 La macchina di Turing Per definire le funzioni,,, costruiamo il diagramma degli stati (di Mealy) All inizio, cioè nello stato s 0, se la MdT legge in ingresso il carattere #, passa nello stato finale s F senza scrivere nulla: significa che non è stato dato nessun numero in input. Se invece legge il simbolo 0, passa nello stato s 1 (assenza di riporto), scrive 1 e si muove a sinistra. Se, infine, legge il simbolo 1, passa nello stato s 2 (presenza di riporto), scrive 0 e si muove a sinistra. s 0 s 1 s 0 0,1,< s # # 1 1 # # 1,0,< s 0 s 2 s 2 s F 0 1 # # 0 0 # #

46 La macchina di Turing Quando la MdT si trova nello stato s 1, se legge in ingresso il carattere #, passa nello stato finale s F senza scrivere nulla: significa che ha terminato il proprio lavoro. Se invece legge il simbolo 0 o il simbolo 1, resta nello stato s 1 (assenza di riporto: deve solo ricopiare i restanti simboli), riscrive il simbolo letto e si muove a sinistra. 0,0,< 1,1,< s 1 s 1 s 0 0,1,< s # # 1,0,< #,#,= s 1 s 1 s 2 s F # #

47 La macchina di Turing Quando la MdT si trova nello stato s 2, se legge in ingresso il simbolo #, passa nello stato s 1, scrive 1 e si sposta a sinistra. Se invece legge il simbolo 0, passa nello stato s 1, scrive 1 e si sposta a sinistra. Se invece legge il simbolo 1, resta nello stato s 2, scrive 0 e si sposta a sinistra s 0 0,1,< s 1 0,0,< 1,1,< s 2 # # 1 0 s 1 # ,0,< 1,0,< #,#,= s 2 s F s # s # s 2 s # #

48 La macchina di Turing A titolo di esempio, riportiamo il comportamento della macchina sull input 1011 s 0 # # # # # # # # s 2 # # # # # # # # s 2 # # # # # # # # s 1 # # # # # # # # s 1 # # # # # # # # s F # # # # # # # #

49 ALGORITMI E MACCHINA DI TURING La macchina di Turing Ricordando la definizione e le proprietà di un algoritmo (vedi dispense Le basi della programmazione della classe III), notiamo che esiste una stretta analogia tra un algoritmo e la MdT: ALGORITMO 1) usa un dispositivo di calcolo 2) procede in modo discreto 3) deve essere finito 4) deve essere deterministico 5) non deve essere ambiguo 6) deve essere generale 7) deve essere completo MdT 1) è un dispositivo di calcolo 2) passa da uno stato all altro in modo discreto 3) ha un numero finito di stati e di transizioni di stato, e uno stato finale 4) è deterministica 5) ogni passo è specificato con esattezza 6) è generale 7) se opportunamente progettata, è completa Un algoritmo è una MdT in grado di risolvere una data classe di problemi

50 TESI DI CHURCH-TURING La macchina di Turing L insieme delle funzioni computabili, ossia dei problemi risolvibili con un sistema di calcolo automatico, coincide con l insieme delle funzioni Turing-computabili, ossia l insieme dei problemi per cui è possibile costruire una MdT che li risolve. La tesi di Church-Turing non è dimostrabile: occorrerebbe prendere tutti i possibili problemi per cui è possibile sviluppare un algoritmo che li risolve, e costruire la relativa MdT, il che è impossibile. La tesi di Church-Turing tuttavia è confutabile, ma nessuno finora è riuscito a farlo: è sempre stato possibile costruire una MdT per la risoluzione di un problema computabile. THE END