Ein Automatensimulator

Präsentation zum Thema: "Ein Automatensimulator"—  Präsentation transkript:

1 Ein Automatensimulator
Klaus Becker 2004

2 Automatensimulator Tag AusAusAn

3 Teil 1 Endliche Automaten

4 Beispiel: Ampelsteuerung
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.

5 Zustandsbasierte Modellierung
Erstellt mit Violet

6 Zustandsbasierte Modellierung

7 Automat als Datenverarbeitungsmodell
Tag Eingabe Verarbeitung Ausgabe AusAusAn

8 Präzisierung des Automatenbegriffs
Ein endlicher Automat ist ein Tupel A = (Z, za, E, A, , ) bestehend aus - einer endlichen Menge Z von Zuständen, - einem Anfangszustand zaZ, - 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. 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, ...

9 Beispiel: 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

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

11 Auftrag und Pflichtenheft
Teil 2 Auftrag und Pflichtenheft

12 Auftrag 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.

13 Prototyp

14 Pflichtenheft /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.

15 Exkurs: 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:

16 Exkurs: 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"> Das gesamte XML-Dokument ist hierarchisch aus Tags und Texten aufgebaut. <?xml version="1.0"?> <automat name="Ampel"> <zustandsmenge> <zustand>rot</zustand> <zustand>rotgelb</zustand> </zustandsmenge> </automat>

17 Automatenbeschreibung 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>

18 Automatenbeschreibung 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>

19 Vereinfachte 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> ... Kann festgelegt werden Muss festgelegt werden linksbündig

20 Vereinfachte 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

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

22 Übung 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.

23 Objektorientierte Analyse
Teil 3 Objektorientierte Analyse

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

25 Beschreibung der Miniwelt
Tag AusAusAn

26 Beschreibung 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 ...

27 Übung 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.

28 Der 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

29 Erste Objektdiagramme
Zuständigkeiten: - verwaltet die Automatenbeschreibung - verwaltet den aktuellen Zustand Version 1: Version 2:

30 Ein 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

31 Objektorientiertes Design
Teil 4 Objektorientiertes Design

32 Zielsetzung des OOD Anpassung des OOA-Modells an die Rahmenbedingungen des zu erstellenden Systems - Genaue Spezifikation der Attribute (Datentypen) und Methoden (Parameter und ihre Datentypen) - Modellierung der Benutzungsoberfläche

33 Spezifikation der Attribute und Methoden
Datentypen: - Eingaben, Ausgaben und Zustände werden als Zeichenketten dargestellt. - Die Automatenbeschreibung wird als Liste von Zeichenketten dargestellt.

34 Benutzungsoberfläche

35 Ereignisbehandlung 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.

36 Klasse TGUI

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

38

39 Implementierung und Testen
Teil 5 Implementierung und Testen

40 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

41 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  8 Position := Pos('Hi', 'Delphibuch') // Position  5 Position := Pos('ihi', 'Delphibuch') // Position  0

42 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>'

43 Exkurs: 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)

44 Exkurs: 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">' Zugriff auf die Listenelemente beschreibung[2]: '<zustandsmenge>' ...

45 Exkurs: Die Delphi-Klasse TStringList
'<?xml version="1.0"?>' Attribut 1 '<automat name="Ampel">' 2 '<zustandsmenge>' ... ... beschreibung.Count-1 '</automat>' 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 Methoden

46 Übung 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.

47 Erweiterung und Überarbeitung
Teil 6 Erweiterung und Überarbeitung

48 Verarbeitung von Eingabefolgen
Tag Tag Tag Nacht ... AnAusAus AnAnAus AusAusAn AusAusAus ...

49 Verarbeitung von Eingabefolgen
Tag Tag Tag Nacht ... <?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> ... TStringList gelb TStringList AnAusAus AnAnAus AusAusAn AusAusAus ... TStringList

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

51 Aufgabe Der entwickelte Automatensimulator arbeitet recht ineffizient. Woran liegt das? Wie könnte man diesen Mangel beheben? Lösungsvorschlag von K. Merkert: