Staat (Informatik) - State (computer science)
In der Informationstechnologie und Informatik wird ein System als zustandsbehaftet bezeichnet, wenn es darauf ausgelegt ist, sich vorhergehende Ereignisse oder Benutzerinteraktionen zu merken; die Erinnerung Information wird der angerufene Zustand des Systems.
Die Menge der Zustände, die ein System einnehmen kann, wird als Zustandsraum bezeichnet . In einem diskreten System ist der Zustandsraum abzählbar und oft endlich . Das interne Verhalten des Systems oder die Interaktion mit seiner Umgebung besteht aus separat auftretenden einzelnen Aktionen oder Ereignissen, wie z. Beispiele für solche Systeme sind digitale Logikschaltungen und Komponenten, Automaten und formale Sprache , Computerprogramme und Computer .
Die Ausgabe einer digitalen Schaltung oder eines deterministischen Computerprogramms wird zu jeder Zeit vollständig durch ihre aktuellen Eingänge und ihren Zustand bestimmt.
Zustand der digitalen Logikschaltung
Digitale Logikschaltungen können in zwei Typen unterteilt werden: kombinatorische Logik , deren Ausgangssignale abhängig sind , nur an seiner gegenwärtigen Eingangssignalen und sequentieller Logik , deren Ausgänge sind eine Funktion sowohl der Stromeingänge und die Vergangenheit der Eingänge. In der sequentiellen Logik werden Informationen von vergangenen Eingaben in elektronischen Speicherelementen wie Flip-Flops gespeichert . Der gespeicherte Inhalt dieser Speicherelemente zu einem bestimmten Zeitpunkt wird zusammenfassend als Zustand der Schaltung bezeichnet und enthält alle Informationen über die Vergangenheit, auf die die Schaltung Zugriff hat.
Da jedes binäre Speicherelement , wie beispielsweise ein Flip-Flop, nur zwei mögliche Zustände hat, eins oder null , und es eine endliche Anzahl von Speicherelementen gibt, hat eine digitale Schaltung nur eine bestimmte endliche Anzahl möglicher Zustände. Wenn N die Anzahl der binären Speicherelemente in der Schaltung ist, beträgt die maximale Anzahl von Zuständen, die eine Schaltung haben kann, 2 N .
Programmstatus
In ähnlicher Weise speichert ein Computerprogramm Daten in Variablen , die Speicherorte im Speicher des Computers darstellen . Der Inhalt dieser Speicherplätze, an jedem beliebigen Punkt in der Ausführung des Programms wird das Programm des genannten Zustand .
Eine speziellere Zustandsdefinition wird für Computerprogramme verwendet, die seriell oder sequentiell mit Datenströmen arbeiten , wie beispielsweise Parser , Firewalls , Kommunikationsprotokolle und Verschlüsselung . Serielle Programme verarbeiten die eingehenden Datenzeichen oder Pakete sequentiell, eines nach dem anderen. In einigen dieser Programme werden Informationen über frühere empfangene Datenzeichen oder Pakete in Variablen gespeichert und verwendet, um die Verarbeitung des aktuellen Zeichens oder Pakets zu beeinflussen. Dies wird als zustandsbehaftetes Protokoll bezeichnet und die aus dem vorherigen Verarbeitungszyklus übertragenen Daten werden als Zustand bezeichnet . In anderen hat das Programm keine Informationen über den vorherigen Datenstrom und beginnt bei jeder Dateneingabe neu; Dies wird als zustandsloses Protokoll bezeichnet .
Imperative Programmierung ist ein Programmierparadigma (Entwurf einer Programmiersprache ), das die Berechnung in Bezug auf den Programmzustand und die Anweisungen beschreibt, die den Programmzustand ändern. In deklarativen Programmiersprachen beschreibt das Programm die gewünschten Ergebnisse und spezifiziert Änderungen des Zustands nicht direkt.
Endliche Automaten
Der Ausgang einer Ablaufschaltung oder eines Computerprogramms wird zu jedem Zeitpunkt vollständig durch seine aktuellen Eingänge und seinen aktuellen Zustand bestimmt. Da jedes binäre Speicherelement nur zwei mögliche Zustände hat, 0 oder 1, ist die Gesamtzahl der verschiedenen Zustände, die eine Schaltung annehmen kann, endlich und durch die Anzahl der Speicherelemente festgelegt. Wenn N binäre Speicherelemente vorhanden sind, kann eine digitale Schaltung höchstens 2 N verschiedene Zustände aufweisen. Das Konzept des Zustands wird in einem abstrakten mathematischen Rechenmodell formalisiert, das als endliche Zustandsmaschine bezeichnet wird und verwendet wird, um sowohl sequentielle digitale Schaltungen als auch Computerprogramme zu entwerfen.
Beispiele
Ein Beispiel für ein alltägliches Gerät mit Status ist ein Fernsehgerät . Um den Kanal eines Fernsehgeräts zu ändern, drückt der Benutzer normalerweise eine Taste "Kanal aufwärts" oder "Kanal abwärts" auf der Fernbedienung, die eine codierte Nachricht an das Gerät sendet. Um den neuen Kanal zu berechnen, den der Benutzer wünscht, muss der digitale Tuner des Fernsehers die Nummer des aktuellen Kanals gespeichert haben, auf dem er sich befindet. Es addiert dann eins oder subtrahiert eins von dieser Zahl, um die Nummer für den neuen Kanal zu erhalten, und stellt das Fernsehgerät so ein, dass es diesen Kanal empfängt. Diese neue Nummer wird dann als aktueller Kanal gespeichert . In ähnlicher Weise speichert das Fernsehgerät auch eine Zahl, die die Lautstärke des Lautsprechers steuert . Durch Drücken der Tasten „Lautstärke erhöhen“ oder „Lautstärke verringern“ wird diese Zahl erhöht oder verringert und eine neue Lautstärke eingestellt. Sowohl der aktuelle Kanal als auch die aktuelle Lautstärke sind Teil des Status des Fernsehgeräts. Sie werden im nichtflüchtigen Speicher gespeichert , der die Informationen beim Ausschalten des Fernsehgeräts beibehält, sodass das Fernsehgerät beim erneuten Einschalten auf den vorherigen Sender und die vorherige Lautstärke zurückkehrt.
Als weiteres Beispiel ist der Zustand eines Mikroprozessors der Inhalt aller darin enthaltenen Speicherelemente: der Akkumulatoren , Speicherregister , Datencaches und Flags . Wenn Computer wie Laptops in den Ruhezustand wechseln , um Energie zu sparen, indem der Prozessor heruntergefahren wird, wird der Zustand des Prozessors auf der Festplatte des Computers gespeichert , sodass er wiederhergestellt werden kann, wenn der Computer aus dem Ruhezustand kommt, und der Prozessor kann Operationen dort auf, wo sie aufgehört haben.