Ein AutomatensimulatorEin Automatensimulator

Klaus Becker2004

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rAutomatensimulatorAutomatensimulator

Tag

AusAusAn

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rTeil 1 Teil 1

Endliche Automaten

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rBeispiel: AmpelsteuerungBeispiel: Ampelsteuerung

Ziel ist es, eine steuerbare Ampel zu modellieren.Ziel ist es, eine steuerbare Ampel zu modellieren.

/1/ Die Ampel kann mit Hilfe eines Steuersignals auf Tag- und Nachtbetrieb eingestellt werden.

/2/ Im Tagbetrieb durchläuft die Ampel die üblichen Phasen. Alle Phasen sollen der Einfachheit halber gleich lang sein.

/3/ Im Nachtbetrieb soll nur die gelbe Lampe blinken.

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rZustandsbasierte ModellierungZustandsbasierte Modellierung

Erstellt mit Violet

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rZustandsbasierte ModellierungZustandsbasierte Modellierung

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rAutomat als DatenverarbeitungsmodellAutomat als Datenverarbeitungsmodell

Tag

AusAusAn

Eingabe

Verarbeitung

Ausgabe

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rPräzisierung des AutomatenbegriffsPräzisierung des Automatenbegriffs

Zustandsmenge: Z = {rot, rotgelb, gruen, gelb, aus}

Anfangszustand: za = gelb

Eingabemenge: E = {Tag, Nacht}

Ausgabemenge: A = {AnAusAus, AnAnAus, AusAusAn, ...}

Überführungsfunktion: : (rot, Tag) rotgelb, ...

Ausgabefunktion: : (rot, Tag) AnAnAus, ...

Ein endlicher Automat ist ein Tupel A = (Z, za, E, A, , ) bestehend aus - einer endlichen Menge Z von Zuständen,- einem Anfangszustand zaZ,- einer endlichen Menge E von Eingabezeichen,- einer endlichen Menge A von Ausgabezeichen,- einer Überführungsfunktion : Z x E Z und - einer Ausgabefunktion : Z x E A.

Ein endlicher Automat ist ein Tupel A = (Z, za, E, A, , ) bestehend aus - einer endlichen Menge Z von Zuständen,- einem Anfangszustand zaZ,- einer endlichen Menge E von Eingabezeichen,- einer endlichen Menge A von Ausgabezeichen,- einer Überführungsfunktion : Z x E Z und - einer Ausgabefunktion : Z x E A.

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rBeispiel: Steuerung einer KlimaanlageBeispiel: Steuerung einer Klimaanlage

Aus der Bedienungsanleitung:

Die Klimaanlage hat drei Schaltstufen:1. Aus: Es leuchtet keine Kontrollleuchte.2. Halbe Kühlleistung: Eine Kontrollleuchte ist an.3. Volle Kühlleistung: Beide Kontrollleuchten sind an.Drücken Sie jeweils auf den Schalter, um zwischen den Schaltstufen umzuschalten.

nach D. Jonietz: Lehrprobenentwurf

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rÜbungÜbung

Beschreiben Sie das Verhalten der Klimaanlage mit Hilfe eines endlichen Automaten. Geben Sie für Ihren Automaten auch die einzelnen Automatenbestandteile (Zustandsmenge etc.) an.

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rTeil 2 Teil 2

Auftrag und Pflichtenheft

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rAuftragAuftrag

Es soll ein Programm zur Simulation von endlichen Automaten entwickelt werden. Mit Hilfe dieses Programms soll der Benutzer einen beliebigen Automaten festlegen und sein Verhalten simulieren können.

Es soll ein Programm zur Simulation von endlichen Automaten entwickelt werden. Mit Hilfe dieses Programms soll der Benutzer einen beliebigen Automaten festlegen und sein Verhalten simulieren können.

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rPrototypPrototyp

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rPflichtenheftPflichtenheft

/0/ Der Benutzer kann einen beliebigen Automaten (in einer vorgegebenen Sprache) festlegen.

/1/ Die Beschreibung des Automaten soll ein standardisiertes Format besitzen. Wir orientieren uns an der Automatendefinition und die benutzen die Sprache XML.

/2/ Die Automatenbeschreibung kann gespeichert und wieder geladen werden.

/3/ Zur Simulation des Automatenverhaltens kann der Benutzer beliebige Eingaben vorgeben und den Automaten diese Eingabe verarbeiten lassen. Das Programm zeigt dann die vom Automaten erzeugte Ausgabe an.

/4/ Der jeweilige aktuelle Zustand des Automaten soll dem Benutzer angezeigt werden.

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rExkurs: XMLExkurs: XML

XML (Abk. für extended markup language) ist eine Metasprache zur Beschreibung von Auszeichnungssprachen für allgemeine Dokumente. XML wurde 1996 entworfen und 1998 eingeführt. XML ist aus SGML und HTML entstanden. (Duden Informatik)XML erlaubt es, neue Sprachen zu entwerfen, z. B. um eine Dokumentenstruktur festzulegen.

<?xml version="1.0"?><automat name="Ampel"> <zustandsmenge> <zustand>rot</zustand> <zustand>rotgelb</zustand> ... </zustandsmenge> ...</automat>

Informationen zu XML: http://selfhtml.teamone.de/xml/

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rExkurs: XMLExkurs: XML

Die Informationen in einem XML-Dokument werden mit Hilfe von sog. Tags eingeschlossen. Z. B.:

<zustand>rot</zustand>

Ein Tag kann mit Attributen versehen werden. Z. B.:

<automat name="Ampel">

<?xml version="1.0"?><automat name="Ampel"> <zustandsmenge> <zustand>rot</zustand> <zustand>rotgelb</zustand> ... </zustandsmenge> ...</automat>

Das gesamte XML-Dokument ist hierarchisch aus Tags und Texten aufgebaut.

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rAutomatenbeschreibung mit XMLAutomatenbeschreibung mit XML

<?xml version="1.0"?><automat name="Ampel"> <zustandsmenge> <zustand>rot</zustand> <zustand>rotgelb</zustand> ... </zustandsmenge> <anfangszustand> <zustand>gelb</zustand> </anfangszustand> <eingabemenge> <eingabe>Tag</eingabe> <eingabe>Nacht</eingabe> </eingabemenge> <ausgabemenge> <ausgabe>AusAusAus</ausgabe> <ausgabe>AnAusAus</ausgabe> ... </ausgabemenge> ...

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rAutomatenbeschreibung mit XMLAutomatenbeschreibung mit XML

... <ueberfuehrungsfunktion> <delta>rot,Tag,rotgelb</delta> <delta>rot,Nacht,aus</delta> <delta>rotgelb,Tag,gruen</delta> <delta>rotgelb,Nacht,aus</delta> <delta>gruen,Tag,gelb</delta> <delta>gruen,Nacht,aus</delta> ... </ueberfuehrungsfunktion> <ausgabefunktion> <lambda>rot,Tag,AnAnAus</lambda> <lambda>rot,Nacht,AusAusAus</lambda> <lambda>rotgelb,Tag,AusAusAn</lambda> <lambda>rotgelb,Nacht,AusAusAus</lambda> <lambda>gruen,Tag,AusAnAus</lambda> <lambda>gruen,Nacht,AusAusAus</lambda> <lambda>gelb,Tag,AnAusAus</lambda> ... </ausgabefunktion> </automat>

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rVereinfachte AutomatenbeschreibungVereinfachte Automatenbeschreibung

<?xml version="1.0"?><automat name="Ampel"> <zustandsmenge><zustand>rot</zustand><zustand>rotgelb</zustand>...</zustandsmenge><anfangszustand><zustand>gelb</zustand></anfangszustand><eingabemenge><eingabe>Tag</eingabe><eingabe>Nacht</eingabe></eingabemenge><ausgabemenge><ausgabe>AusAusAus</ausgabe><ausgabe>AnAusAus</ausgabe>...</ausgabemenge>...

linksbündig

Muss festgelegt

werden

Kann festgelegt

werden

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rVereinfachte AutomatenbeschreibungVereinfachte Automatenbeschreibung

...<ueberfuehrungsfunktion><delta>rot,Tag,rotgelb</delta><delta>rot,Nacht,aus</delta><delta>rotgelb,Tag,gruen</delta><delta>rotgelb,Nacht,aus</delta><delta>gruen,Tag,gelb</delta><delta>gruen,Nacht,aus</delta>...</ueberfuehrungsfunktion><ausgabefunktion><lambda>rot,Tag,AnAnAus</lambda><lambda>rot,Nacht,AusAusAus</lambda><lambda>rotgelb,Tag,AusAusAn</lambda><lambda>rotgelb,Nacht,AusAusAus</lambda><lambda>gruen,Tag,AusAnAus</lambda><lambda>gruen,Nacht,AusAusAus</lambda><lambda>gelb,Tag,AnAusAus</lambda>...</ausgabefunktion> </automat>

Trennung mit Komma, keine Leerzeichen,

alle Informationen in eine Zeile

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rÜbungÜbung

Beschreiben Sie den Klimaanlage-Automaten mit Hilfe der vereinfachten Automatensprache. Diese Automatenbeschreibung wird später zu Testzwecken benötigt.

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rÜbungÜbung

Die vorgestellte XML-Beschreibung eines Automaten kann auf verschiedene Weisen modifiziert und verbessert werden.

- Die Tag-Bezeichner sind recht lang (viel Schreibarbeit). Man könnte hier geeignete Abkürzungen einführen.

- Die Überführungs- und Ausgabefunktion können gemeinsam erfasst werden.

- Die durch das Komma dargestellte innere Struktur der <delta>- und <lambda>-Einheiten sollte durch XML selbst erfasst werden.

Entwickeln Sie einen geeigneten Vorschlag.

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rTeil 3 Teil 3

Objektorientierte Analyse

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rZielsetzung der OOAZielsetzung der OOA

- Unabhängig von der späteren Implementierung wird die Miniwelt mit Hilfe von Objekten, Klassen sowie deren Beziehungen beschrieben.

- Die Miniwelt wird dabei soweit abstrahiert, dass alle für den Auftraggeber relevanten Bestandteile des Problembereichs abgebildet sind.

- Das Ergebnis einer OOA ist also eine präzise, abstrahierende Beschreibung der Miniwelt.

Modellierung des Problembereichs („Miniwelt“), der vom zu entwickelnden Informatiksystem erfasst werden soll.Modellierung des Problembereichs („Miniwelt“), der vom zu entwickelnden Informatiksystem erfasst werden soll.

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rBeschreibung der MiniweltBeschreibung der Miniwelt

Tag

AusAusAn

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rBeschreibung der MiniweltBeschreibung der Miniwelt

Tag

...

<?xml version="1.0"?><automat name="Ampel"> <zustandsmenge><zustand>rot</zustand><zustand>rotgelb</zustand>...</zustandsmenge><anfangszustand><zustand>gelb</zustand></anfangszustand><eingabemenge><eingabe>Tag</eingabe><eingabe>Nacht</eingabe></eingabemenge><ausgabemenge><ausgabe>AusAusAus</ausgabe><ausgabe>AnAusAus</ausgabe>...

rotgelb

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rÜbungÜbung

Überlegen Sie sich, wie ein Objekt zur Beschreibung eines Automaten strukturiert sein könnte. Beschreiben Sie die Zuständigkeiten dieses Objektes und modellieren Sie seine Attribute und Methoden. Stellen Sie die Ergebnisse mit Hilfe geeigneter Diagramme dar.

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rDer Automat als ObjektDer Automat als Objekt

Zuständigkeiten:- verwaltet die Automatenbeschreibung- verwaltet den aktuellen Zustand

Dienste:- in den Anfangszustand setzen- zu einer Eingabe eine Ausgabe bestimmen und zur Verfügung stellen- zu einer Eingabe den neuen Zustand setzen- den aktuellen Zustand zur Verfügung stellen

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rErste ObjektdiagrammeErste Objektdiagramme

Zuständigkeiten:- verwaltet die Automatenbeschreibung- verwaltet den aktuellen Zustand

Version 1:

Version 2:

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rEin erstes KlassendiagrammEin erstes Klassendiagramm

Dienste:- in den Anfangszustand setzen- zu einer Eingabe eine Ausgabe bestimmen und zur Verfügung stellen- zu einer Eingabe den neuen Zustand setzen- den aktuellen Zustand zur Verfügung stellen- die Beschreibung festlegen

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rTeil 4 Teil 4

Objektorientiertes Design

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rZielsetzung des OODZielsetzung des OOD

- Genaue Spezifikation der Attribute (Datentypen) und Methoden (Parameter und ihre Datentypen)

- Modellierung der Benutzungsoberfläche

Anpassung des OOA-Modells an die Rahmenbedingungen des zu erstellenden SystemsAnpassung des OOA-Modells an die Rahmenbedingungen des zu erstellenden Systems

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rSpezifikation der Attribute und Spezifikation der Attribute und

MethodenMethoden

Datentypen:- Eingaben, Ausgaben und Zustände werden als Zeichenketten dargestellt.- Die Automatenbeschreibung wird als Liste von Zeichenketten dargestellt.

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rBenutzungsoberflächeBenutzungsoberfläche

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rEreignisbehandlungEreignisbehandlung

Benutzeraktion Programmreaktionen

Mausklick auf den „Laden“-Button

Mausklick auf den „Speichern“-Button

Mausklick auf den „Löschen“-Button

Mausklick auf den „Übernehmen“-Button

Mausklick auf den „Initialisieren“-Button

Mausklick auf den „Verarbeiten“-Button

Die Automatenbeschreibung wird in das Memo-Feld geladen.

Die Automatenbeschreibung im Memo-Feld wird gespeichert.

Das Memo-Feld wird gelöscht. Der Automat hat keine Beschreibung mehr.

Der Automat übernimmt die Automaten-beschreibung.

Der Automat wird in den Anfangszustand gesetzt.

Der Automat übernimmt die Eingabe, berechnet die Ausgabe und geht in den neuen Zustand über. Die Ausgabe und der neue Zustand werden angezeigt.

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rKlasse TGUIKlasse TGUI

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rÜbungÜbung

Erstellen Sie mit Hilfe von UMLEd ein Klassendiagramm zur Klasse TAutomat mit integrierter Dokumentation.

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rTeil 5 Teil 5

Implementierung und Testen

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rBeispiel: TAutomat.anfangszustand Beispiel: TAutomat.anfangszustand

<?xml version="1.0"?><automat name="Ampel"><anfangszustand><zustand>gelb</zustand></anfangszustand>...

ALGORITHMUS anfangszustand

Suche die Zeile <anfangszustand>

Gehe zur nächsten Zeile

Bestimme die Zeichenkette zwischen den Tags

Weise „zustand“ den entsprechenden Wert zu

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rExkurs: Stringverarbeitung mit Delphi Exkurs: Stringverarbeitung mit Delphi

function Length(S: string): integer;

Beschreibung:Length gibt die Anzahl der im angegebenen String vorhandenen Zeichen zurück.

Beispiel:L := Length('<zustand>') // L 9

function Pos(Substr: string; S: string): integer;

Beschreibung:Pos sucht in dem String S nach dem Teilstring Substr. Wird der Teilstring gefunden, gibt Pos den Integer-Index des ersten Zeichens von Substr in S zurück. Die Groß/Kleinschreibung wird von Pos nicht berücksichtigt. Ist Substr nicht vorhanden, wird der Wert 0 zurückgegeben.

Beispiele:Position := Pos('</z>', '<z>test</z>') // Position 8Position := Pos('Hi', 'Delphibuch') // Position 5Position := Pos('ihi', 'Delphibuch') // Position 0

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rExkurs: Stringverarbeitung mit Delphi Exkurs: Stringverarbeitung mit Delphi

function Copy(S; Index, Count: Integer): string;

Beschreibung:S ist ein Ausdruck des Typs String. Index und Count sind Integer-Ausdrücke. Copy gibt einen Substring zurück, das Count Zeichen ab S[Index] enthält.

Ist Index größer als die Länge von S, gibt Copy einen leeren String zurück.

Gibt Count mehr Zeichen an, als verfügbar sind, werden nur die Zeichen von S[Index] bis zum Ende von S zurückgegeben.

Beispiele:Hilf := Copy('<z>test</z>',8,4) // Hilf '</z>' Hilf := Copy('<z>test</z>',4,4) // Hilf 'test' Hilf := Copy('<z>test</z>',8,6) // Hilf '</z>'

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rExkurs: Die Delphi-Klasse TStringListExkurs: Die Delphi-Klasse TStringList

TStringList verwaltet eine Liste, die Strings enthält.

Beschreibung:

TStringList-Objekte dienen zum Speichern und Verwalten von String-Listen. TStringList implementiert die von TStrings eingeführten abstrakten Eigenschaften und Methoden und führt selbst neue Eigenschaften, Ereignisse und Methoden ein, die

- die in der Liste enthaltenen Strings sortieren.

- doppelte Strings aus sortierten Listen entfernen.

- auf Änderungen des Listeninhalts reagieren.

(Quelle: Delphi-Hilfe)

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rExkurs: Die Delphi-Klasse TStringListExkurs: Die Delphi-Klasse TStringList

<?xml version="1.0"?><automat name="Ampel"> <zustandsmenge><zustand>rot</zustand><zustand>rotgelb</zustand><zustand>gruen</zustand><zustand>gelb</zustand><zustand>aus</zustand></zustandsmenge><anfangszustand><zustand>gelb</zustand></anfangszustand>...

beschreibung[0]: '<?xml version="1.0"?>'

beschreibung[1]: '<automat name="Ampel">'

beschreibung[2]: '<zustandsmenge>'

...

Zugriff auf die

Listenelemente

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rExkurs: Die Delphi-Klasse TStringListExkurs: Die Delphi-Klasse TStringList

'<?xml version="1.0"?>'

'<automat name="Ampel">'

0

1

'<zustandsmenge>'

...

2

...

procedure Add(S: string);

- fügt die Zeichenkette S am Ende der Liste an

procedure Clear;

- löscht die gesamte Liste

procedure Delete(Index: Integer);

- löscht nur den Eintrag mit dem übegebenen Index

procedure Insert(Index: Integer; S: string);

- fügt die Zeichenkette S an die durch Index beschriebenen Zeile in der Liste ein

procedure LoadFromFile(FileName: string);

procedure SaveToFile(FileName: string);

- lädt eine Liste aus einer Datei / speichert eine Liste in eine Datei

beschreibung.Count-1 '</automat>'

Methoden

Attribut

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rÜbungÜbung

Implementieren Sie zunächst die Klasse TAutomat gemäß der modellierten Klassenbeschreibung.

Testen Sie das entwickelte System. Zum Testen soll zum einen der vorgefertigte Ampelautomat, zum anderen ein selbst erstellter Klimaanlagenautomat benutzt werden.

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rTeil 6 Teil 6

Erweiterung und Überarbeitung

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rVerarbeitung von Eingabefolgen Verarbeitung von Eingabefolgen

Tag Nacht ...TagTag

AusAusAn AusAusAus ...AnAnAusAnAusAus

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rVerarbeitung von Eingabefolgen Verarbeitung von Eingabefolgen

<?xml version="1.0"?><automat name="Ampel"> <zustandsmenge><zustand>rot</zustand><zustand>rotgelb</zustand>...</zustandsmenge><anfangszustand><zustand>gelb</zustand></anfangszustand><eingabemenge><eingabe>Tag</eingabe><eingabe>Nacht</eingabe></eingabemenge><ausgabemenge><ausgabe>AusAusAus</ausgabe><ausgabe>AnAusAus</ausgabe>...

gelb

TStringList

TagTagTagNacht...

AnAusAusAnAnAusAusAusAnAusAusAus...

TStringList

TStringList

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rAufgabe Aufgabe

Erweitern Sie den Automatensimulator um die Möglichkeit, ganze Eingabefolgen zu verarbeiten.

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rAufgabe Aufgabe

Der entwickelte Automatensimulator arbeitet recht ineffizient. Woran liegt das? Wie könnte man diesen Mangel beheben? Lösungsvorschlag von K. Merkert: http://hsg.region-kaiserslautern.de/faecher/inf/material/xml/delphi/xmlautomat.zip