Виртуальный конечный автомат

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

Метод VFSM представляет модель выполнения и упрощает представление о спецификации исполняемого файла. Эта технология в основном используется в сложных системах управления машинами , приборостроении и телекоммуникациях .

Почему

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 логическими . Напротив, конечные автоматы, определенные и реализованные в программном обеспечении, требуют логических условий, которые сами по себе 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 множество состояний, которые используются в качестве условий вышестоящего конечного автомата.

Кроме того, входные сигналы могут быть неизвестными из-за ошибок или неисправностей, то есть даже цифровые входные сигналы (рассматриваемые как классические логические значения) на самом деле представляют собой три значения: низкое, высокое, неизвестное.

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

Свойства элемента управления

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 управляющими свойствами этой переменной. Свойства элемента управления не обязательно представляют собой конкретные значения данных, а скорее представляют собой определенные состояния переменной. Например, цифровая переменная может обеспечивать три свойства управления: ИСТИНА, ЛОЖЬ и НЕИЗВЕСТНО в соответствии с ее возможными логическими значениями. Числовая (аналоговая) входная переменная имеет свойства управления, такие как: НИЗКИЙ, ВЫСОКИЙ, ОК, ПЛОХО, НЕИЗВЕСТНО в соответствии с диапазоном желаемых значений. Таймер может иметь состояние OVER (произошло время ожидания) в качестве наиболее значимого управляющего значения; другие значения могут быть ОСТАНОВЛЕНЫ или ВЫПОЛНЕНЫ.

Действия

Другие переменные состояния в среде VFSM могут быть активированы действиями — в таком случае это выходная переменная. Например, цифровой выход имеет два действия: «Истина» и «Ложь». Числовая (аналоговая) выходная переменная имеет действие: Установить. Таймер, который одновременно является входной и выходной переменной, может запускаться такими действиями, как «Пуск», «Стоп» или «Сброс».

Виртуальная среда

Рисунок 1. VFSM в виртуальной среде.

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

• имена входов представляют свойства управления всех доступных переменных
• имена выходов представляют доступные действия над переменными
• имена состояний , определенные для каждого состояния FSM.

Имена входов создают виртуальные условия для выполнения переходов состояний или действий ввода. Виртуальные условия строятся с использованием алгебры позитивной логики . Имена выходов запускают действия; действия входа, действия выхода , действия ввода или действия перехода.

Алгебра

Правила построения виртуального состояния следующие:

Имена входов и виртуальный вход

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 представляет собой набор взаимоисключающих элементов входных имен. А VI всегда содержит элемент always:

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

Логические операции над именами входов

& Операция (И) представляет собой набор входных имен:

A1 , B3 и C2 => {A1, B3, C2}

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

А1 | Б3 | С2 => ${\begin{bmatrix}\{&A1&\}\\\{&B3&\}\\\{&C2&\}\\\end{bmatrix}}$

~ (Дополнение) является дополнением набора входных имён:

~ А2 = {A1, A3}

Логическое выражение

Логическое выражение представляет собой ИЛИ-таблицу И-множеств ( дизъюнктивную нормальную форму ):

А1 и Б3 | A1 , B2 и C4 | С2 => ${\begin{bmatrix}\{&A1&B3&\}\\\{&A1&B2&C4&\}\\\{&C2&\}\\\end{bmatrix}}$

Логические выражения используются для выражения любой логической функции.

Вычисление логического выражения

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

выходов и

Состояние выхода описывается Именами выходов, которые создают набор:

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

Виртуальный выход VO представляет собой набор взаимоисключающих элементов выходных имен.

Виртуальная среда

Виртуальное имя и виртуальный вывод, дополненные именами состояний, создают виртуальную среду. VE где указано поведение.

Модель выполнения VFSM

Рисунок 2. Блок-схема исполнителя VFSM.

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

Подмножество всех определенных имен выходов, которые могут существовать только в определенной ситуации, называется виртуальным выходом или VO. Это создается текущими действиями VFSM.

Спецификация поведения строится на основе таблицы состояний, которая описывает все детали всех состояний VFSM.

Исполнитель VFSM запускается VI и текущее состояние VFSM. Принимая во внимание спецификацию поведения текущего состояния, VO установлен.

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

Таблица состояний

Дополнительная информация: Таблица перехода состояний.

Таблица состояний определяет все детали поведения состояния VFSM. Он состоит из трех столбцов; первый столбец называет состояние, второй перечисляет виртуальные условия, построенные на основе имен входов с использованием алгебры позитивной логики, а третий столбец содержит имена выходов:

Название штата	Условия)	Действия
Текущее состояние	Входное действие	Выходные имена
	Выход из действия	Выходные имена
	Виртуальное состояние	Выходные имена
	...	...
Следующее название штата	Виртуальное состояние	Выходные имена
Следующее название штата	Виртуальное состояние	Выходные имена
...	...	...

Прочтите таблицу следующим образом: первые две строки определяют действия входа и выхода из текущего состояния. Следующие строки, которые не предоставляют следующее состояние, представляют действия ввода. Наконец, строки, указывающие следующее состояние, представляют условия перехода состояний и действия перехода. Все поля являются необязательными. Чистый комбинаторный VFSM возможен только в тех случаях, когда используются входные действия, но переходы состояний не определены. Действие перехода можно заменить правильным использованием других действий.

Инструменты

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

Ссылки

• Вагнер Ф., «Программное обеспечение для моделирования с использованием конечных автоматов: практический подход», Роза Фишер-Лёв Верлаг, 1994 г., ISBN   3-929465-04-3
• Вагнер Ф., «Виртуальные конечные автоматы: спецификация исполняемого потока управления», Auerbach Publications, 2006 г., ISBN   0-8493-8086-3
• Спецификация исполняемого файла VFSM , Труды CompEuro 1992 г.
• Непонимание конечных автоматов , журнал IEE «Вычислительная техника и техника управления», 1997 г.
• Современный инструмент проектирования программного обеспечения реального времени: применение уроков Лео , журнал IEE «Вычислительная техника и техника управления», 2003 г.
• Моделирование и создание надежного программного обеспечения многократного использования. , Разработка компьютерного программного обеспечения, 2003 г. (ECBS'03), Труды
• Устранение разрыва между моделированием программного обеспечения и кодом , разработка компьютерного программного обеспечения, 2004 г. (ECBS'04), материалы
• [1] Вагнер Т., «VFSMML — стандарт XML для VFSM», 2004 г.
• [2] , «Парадигма проектирования и реализации виртуальных конечных автоматов», Технический журнал Bell Labs / Том 2, Выпуск 1, 2002 г.