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情報技術とコンピュータサイエンスでは、システムが以前のイベントやユーザーとのやりとりを記憶するように設計されている場合、そのシステムは状態があると言われます。 [1]記憶された情報はシステムの 状態と呼ばれます。
システムがとりうる状態の集合は、状態空間と呼ばれます。離散システムでは、状態空間は可算であり、多くの場合有限です。システムの内部動作または環境との相互作用は、入力の受け入れや出力の生成など、個別に発生する個々のアクションまたはイベントで構成され、システムの状態が変化する場合と変化しない場合があります。このようなシステムの例としては、デジタル論理回路とコンポーネント、オートマトンと形式言語、コンピュータ プログラム、コンピュータなどがあります。
デジタル回路や決定論的コンピュータプログラムの出力は、その時点の入力とその状態によって完全に決定されます。[2]
デジタル論理回路の状態
デジタル論理回路は、出力信号が現在の入力信号のみに依存する組み合わせ論理と、出力が現在の入力と過去の入力履歴の両方の関数となる順序論理の2種類に分けられます。[3]順序論理では、過去の入力からの情報はフリップフロップなどの電子メモリ要素に保存されます。特定の時点でのこれらのメモリ要素の保存内容は、総称して回路の状態と呼ばれ、回路がアクセスできる過去に関するすべての情報が含まれています。[4]
フリップフロップなどの各バイナリメモリ要素には1または0の 2 つの状態しかなく、メモリ要素の数は有限であるため、デジタル回路には有限の数の状態しか存在しません。回路内のバイナリメモリ要素の数がNの場合、回路が持つことができる状態の最大数は2 Nです。
プログラムの状態
同様に、コンピュータプログラムは変数にデータを格納します。変数はコンピュータのメモリ内の格納場所を表します。プログラム実行中の任意の時点でのこれらのメモリ場所の内容は、プログラムの状態と呼ばれます。[5] [6] [7]
状態のより特殊な定義は、パーサー、ファイアウォール、通信プロトコル、暗号化など、データ ストリームに対してシリアルまたはシーケンシャルに動作するコンピュータプログラムに使用されます。シリアル プログラムは、受信データ文字またはパケットに対して 1 つずつシーケンシャルに動作します。これらのプログラムの中には、受信した以前のデータ文字またはパケットに関する情報が変数に格納され、現在の文字またはパケットの処理に影響を与えるために使用されるものがあります。これはステートフル プロトコルと呼ばれ、前回の処理サイクルから持ち越されたデータは状態と呼ばれます。その他のプログラムでは、プログラムは以前のデータ ストリームに関する情報を持たず、各データ入力で最初から開始します。これはステートレス プロトコルと呼ばれます。
命令型プログラミングは、プログラムの状態と、プログラムの状態を変更するステートメントの観点から計算を記述するプログラミング パラダイム(プログラミング言語を設計する方法)です。状態の変更は暗黙的に行われ、プログラム ランタイムによって管理されるため、サブルーチンは、副作用と呼ばれるプログラムの他の部分によって行われた状態の変更を認識できます。
宣言型プログラミング言語では、プログラムは望ましい結果を記述し、状態の変更を直接指定しません。
関数型プログラミングでは、状態は通常、プログラム実行の各ステップにおけるプログラム状態を表す明示的な変数として時相論理で表現されます。状態変数は状態変換関数の入力パラメータとして渡され、更新された状態が戻り値の一部として返されます。純粋関数型サブルーチンでは、そのスコープ内の状態変数によって表される状態の変化のみが可視になります。
有限状態機械
シーケンシャル回路またはコンピュータ プログラムの出力は、常に、その現在の入力と現在の状態によって完全に決定されます。各バイナリメモリ要素には 0 または 1 の 2 つの状態しかないため、回路がとることができる異なる状態の総数は有限であり、メモリ要素の数によって決まります。バイナリ メモリ要素がN 個ある場合、デジタル回路は最大で 2 Nの異なる状態を持つことができます。状態の概念は、有限状態マシンと呼ばれる計算の抽象的な数学モデルで形式化され、シーケンシャル デジタル回路とコンピュータ プログラムの両方の設計に使用されます。
例
状態を持つ日常的なデバイスの例としては、テレビがあります。テレビのチャンネルを変更するには、ユーザーは通常、リモコンのチャンネルアップまたはチャンネルダウンボタンを押します。これにより、コード化されたメッセージがセットに送信されます。ユーザーが希望する新しいチャンネルを計算するには、テレビのデジタルチューナーに、現在のチャンネルの番号が保存されている必要があります。次に、この番号に 1 を加算または減算して新しいチャンネルの番号を取得し、そのチャンネルを受信するようにテレビを調整します。この新しい番号は、現在のチャンネルとして保存されます。同様に、テレビには、スピーカーの音量レベルを制御する番号も保存されています。音量アップまたは音量ダウンボタンを押すと、この番号が増減し、新しい音量レベルが設定されます。現在のチャンネル番号と現在の音量番号はどちらもテレビの状態の一部です。これらは不揮発性メモリに保存され、テレビの電源をオフにしても情報が保持されるため、再び電源をオンにすると、テレビは前の放送局と音量レベルに戻ります。
別の例として、マイクロプロセッサの状態とは、アキュムレータ、ストレージレジスタ、データキャッシュ、フラグなど、マイクロプロセッサ内のすべてのメモリ要素の内容です。ラップトップなどのコンピュータがプロセッサをシャットダウンして電力を節約するために休止モードに入ると、プロセッサの状態はコンピュータのハードディスクに保存されるため、コンピュータが休止状態から復帰したときに復元され、プロセッサは中断したところから操作を再開できます。
参照
参考文献
- ^ 「ステートレスとは何か? - WhatIs.com からの定義」。techtarget.com。
- ^ ハリス、デビッド・マネー、ハリス、サラ・L. (2007)。デジタルデザインとコンピュータアーキテクチャ。米国：モルガン・カウフマン。p. 103。ISBN 978-0123704979。
- ^ Kaeslin, Hubert (2008). デジタル集積回路設計: VLSI アーキテクチャから CMOS 製造まで。英国: Cambridge University Press。p. 735。ISBN 978-0521882675。
- ^ Srinath, NK (2005 年 8 月)。8085 マイクロプロセッサ: プログラミングとインターフェイス。Prentice-Hall of India Pvt. Ltd. p. 326。ISBN 978-81203278562012年12月7日閲覧。46
ページ
- ^ Laplante, Philip A. (2000). コンピュータサイエンス、エンジニアリング、テクノロジー辞典。米国: CRC Press。p. 466。ISBN 978-0849326912。
- ^ ミスラ、ジャヤデフ (2001)。『マルチプログラミングの規律：分散アプリケーションのためのプログラミング理論』。シュプリンガー。p. 14。ISBN 978-0387952062。
- ^ プラータ、スティーブン・プラータ (2004)。 C 入門プラス、第 5 版ピアソン教育。 113-114ページ。ISBN 978-0132713603。