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Abituraufgaben: Mealy

Ein Paritätsbit, das mitrechnet, und eine Busfahrkarte, die Wechselgeld kennt — Automaten, die antworten.

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Der Paritätsbit-Erzeuger

14 BEAFB I–II

Bei der Übertragung von Daten hängt ein Sender an jeden Block ein Paritätsbit an, sodass die Anzahl der Einsen insgesamt gerade ist. Der Empfänger kann so einzelne Übertragungsfehler erkennen. Der abgebildete Mealy-Automat liest die Datenbits eines Blocks und gibt nach jedem Bit das Paritätsbit für den bisher gelesenen Teil aus.

Mealy-Automat des Paritätsbit-Erzeugers
z0z10 / 01 / 11 / 00 / 1
  1. Nennen Sie das Eingabealphabet \(\Sigma\), das Ausgabealphabet \(\Omega\) und den Startzustand des Automaten. Geben Sie die Bedeutung der Zustände an. (3 BE)
  2. Bestimmen Sie mit einem Ablaufprotokoll das Ausgabewort zur Eingabe 1011001 und geben Sie das Paritätsbit dieses Blocks an. (4 BE)
  3. Erläutern Sie, warum die Ausgabe am Übergang und nicht im Zustand steht, und warum der Automat keine Endzustände besitzt. (3 BE)
  4. Der Sender soll künftig jedes Datenbit unverändert weitergeben und erst beim zusätzlichen Eingabezeichen s (Blockende) das Paritätsbit ausgeben; danach beginnt ein neuer Block. Erweitern Sie den Automaten entsprechend und geben Sie das Ausgabewort zur Eingabe 1011s an. (4 BE)

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Eingaben stehen links vom Schrägstrich, Ausgaben rechts. Wann wechselt der Automat den Zustand?
Hinweis zu Aufgabe b)
Zeilen: Schritt, Zustand, Eingabe, Ausgabe, Folgezustand. Das Paritätsbit des ganzen Blocks ist die Ausgabe im letzten Schritt.
Hinweis zu Aufgabe c)
Vergleichen Sie die beiden Pfeile, die aus z1 herausführen. Wozu braucht ein DEA Endzustände — und wozu dient dieser Automat?
Hinweis zu Aufgabe d)
Die Zustände behalten ihre Bedeutung. Nur die Ausgaben der Datenbits ändern sich; für s braucht jeder Zustand einen neuen Pfeil zurück zum Blockanfang.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\(\Sigma=\{0,\,1\}\), \(\Omega=\{0,\,1\}\), Startzustand z0.

z0: Bisher wurde eine gerade Anzahl Einsen gelesen. z1: Bisher wurde eine ungerade Anzahl Einsen gelesen. Nur eine 1 wechselt den Zustand.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
SchrittZustandEingabeAusgabeFolgezustand
1z011z1
2z101z1
3z110z0
4z011z1
5z101z1
6z101z1
7z110z0

Ausgabewort 1101110. Das Paritätsbit ist die letzte Ausgabe: 0. Kontrolle: 1011001 enthält vier Einsen — gerade, also Paritätsbit 0.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Aus z1 führen Übergänge mit den Ausgaben 1 (bei Eingabe 0) und 0 (bei Eingabe 1). Die Ausgabe hängt also vom Zustand und vom gelesenen Zeichen ab und gehört deshalb an den Pfeil (Notation e / a).

Endzustände entscheiden beim DEA über Annehmen oder Ablehnen. Der Mealy-Automat übersetzt dagegen ein Eingabewort in ein Ausgabewort; es gibt nichts anzunehmen oder abzulehnen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Lösung: Sender mit Blockende s
z0z10 / 0, s / 01 / 11 / 1, s / 10 / 0

\(\Sigma=\{0,\,1,\,s\}\). Datenbits: e / e (Weitergabe), Zustandswechsel wie bisher. Blockende: in z0 s / 0, in z1 s / 1, jeweils nach z0.

Eingabe 1011s: z0 → z1 → z1 → z0 → z1 → z0, Ausgabewort 10111 (Daten 1011 und Paritätsbit 1).

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Der Fahrkartenautomat

17 BEAFB II–III

Ein Fahrkartenautomat im Stadtbus verkauft nur eine Kurzstreckenkarte zu 2,00 €. Er nimmt Münzen zu 50 ct, 1 € und 2 € an. Sobald das eingeworfene Guthaben 2,00 € erreicht oder überschreitet, gibt er die Karte aus und zahlt den Überschuss mit möglichst wenigen Münzen zurück. Danach ist das Guthaben wieder 0.

Modellieren Sie den Automaten als Mealy-Automaten mit den Zuständen 0 ct, 50 ct, 100 ct und 150 ct (Guthaben), \(\Sigma=\{50,\,100,\,200\}\) (Münzwert in Cent) und \(\Omega=\{\text{Karte},\,50\text{ ct},\,1\text{ €}\}\). Ausgaben dürfen Wörter über \(\Omega\) sein, z. B. „Karte, 50 ct“.

  1. Erstellen Sie die vollständige Übergangstabelle mit Folgezustand und Ausgabe. (5 BE)
  2. Ermitteln Sie mithilfe eines Ablaufprotokolls die Ausgabe des Automaten, wenn nacheinander die Münzen 50 ct, 1 €, 2 €, 1 €, 1 € eingeworfen werden. (4 BE)
  3. Der Automat erhält eine Abbruchtaste x, die das bisherige Guthaben zurückzahlt. Entwickeln Sie die zusätzlichen Übergänge und begründen Sie, warum dafür keine neuen Zustände nötig sind. (4 BE)
  4. Die Verkehrsbetriebe planen, den Preis auf 2,70 € zu erhöhen und zusätzlich 10-ct- und 20-ct-Münzen anzunehmen. Diskutieren Sie, ob die Modellierung als Mealy-Automat dann noch sinnvoll ist. (4 BE)

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Zwölf Felder (4 Zustände · 3 Münzen). Rechnen Sie jeweils Guthaben + Münze. Unter 200 ct: kein Ausgabezeichen (ε).
Hinweis zu Aufgabe b)
Der Folgezustand einer Zeile ist der Zustand der nächsten. ε-Ausgaben fallen im Ausgabewort weg.
Hinweis zu Aufgabe c)
Das Guthaben steckt schon im Zustand. Welche Münzen muss der Automat in jedem Zustand zurückgeben?
Hinweis zu Aufgabe d)
Wie viele Guthaben-Zustände gibt es dann? Welche Ausgabewörter entstehen? Wo stößt das Modell auch jetzt schon an Grenzen (z. B. leere Wechselgeldkasse)?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Zustand50100200
0 ct50 ct / ε100 ct / ε0 ct / Karte
50 ct100 ct / ε150 ct / ε0 ct / Karte, 50 ct
100 ct150 ct / ε0 ct / Karte0 ct / Karte, 1 €
150 ct0 ct / Karte0 ct / Karte, 50 ct0 ct / Karte, 1 €, 50 ct

(→ Startzustand; Feld: Folgezustand / Ausgabe)

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
SchrittZustandEingabeAusgabeFolgezustand
10 ct50ε50 ct
250 ct100ε150 ct
3150 ct200Karte, 1 €, 50 ct0 ct
40 ct100ε100 ct
5100 ct100Karte0 ct

Ausgabewort: „Karte, 1 €, 50 ct, Karte“. Kontrolle: Eingeworfen wurden 5,50 €; zwei Karten (4,00 €) und 1,50 € Rückgeld ergeben 5,50 €.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Zustandx
0 ct0 ct / ε
50 ct0 ct / 50 ct
100 ct0 ct / 1 €
150 ct0 ct / 1 €, 50 ct

Der Zustand speichert bereits das gesamte Guthaben, also genau die Information, die für die Rückzahlung nötig ist. Nach dem Abbruch ist das Guthaben 0 — dieser Zustand existiert schon. Es kommen nur vier Übergänge hinzu, \(\Sigma\) wird zu \(\{50,\,100,\,200,\,x\}\).

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Pro: Das Modell bleibt korrekt und endlich. Alle möglichen Guthaben unter 2,70 € in 10-ct-Schritten ergeben 27 Zustände, mit fünf Münzsorten \(27\cdot5=135\) Übergänge. Jeder Übergang lässt sich systematisch berechnen und testen.

Contra: Ein solcher Graph ist nicht mehr übersichtlich zeichenbar; Ausgabewörter wie „Karte, 1 €, 20 ct, 10 ct“ werden lang. Außerdem bildet das Modell weder den Münzvorrat für Wechselgeld noch Fehlerfälle ab; dafür bräuchte es weitere Zustandsinformationen.

Ergebnis: Als Entwurfs- und Testmodell bleibt der Mealy-Automat sinnvoll, zur Darstellung eignet sich eine Tabelle; implementiert wird man das Guthaben eher als Zahl in einer Variablen.