Informatica 2e semester: HOC 3

Informatica

Les 3

Elektronica – Interfaces -Overschrijven

Jan Lemeire

Informatica 2e semester

februari – mei 2018

Vandaag1. Deel III: hoofdstuk 1 – binair rekenen

2. Deel III: hoofdstuk 2

3. Bibliotheekklassen Set & Map

4. Interfaces

5. Oefening

6. Overerving en overschrijven

Leibniz’ droom

De “Calculus ratiocinator”

Een logisch denkend apparaat

Informatica 2e semester: HOC 3

1646 – 1716

Go digital! Go binary!

Van analoog naardigitaal…

Informatica 2e semester: HOC 3

Binair rekenen?

1 input => 1 outputMaar 1 niet-triviale functie: NOT

2 inputs => 1 output

Genoeg voor een basis: AND, OR, XOR, NOT

Alle functies (met meer inputs) zijn samen testellen uit deze!!

0 1

0 ? ?

1 ? ?

24 = 16 mogelijkheden

Informatica II: les 2

0 1

0 0 0

1 0 0

0 1

0 0 1

1 0 1

0 1

0 1 1

1 1 1

0 1

0 1 0

1 1 0

0 1

0 1 1

1 0 0

0 1

0 0 0

1 1 1

0 1

0 0 1

1 1 0

0 1

0 1 0

1 0 1

0 1

0 0 1

1 1 1

0 1

0 1 0

1 0 0

0 1

0 0 0

1 0 1

0 1

0 1 1

1 1 0

0 1

0 0 1

1 0 0

0 1

0 1 0

1 1 1

0 1

0 0 0

1 1 0

0 1

0 1 1

1 0 1

triviaal exclusive or (xor)

or

and

2 inputs => 1 output: 16 mogelijkheden

basisoperaties op bits en bytes

a=60 0 0 1 1 1 1 0 0

b=13 0 0 0 0 1 1 0 1

~a Not 1 1 0 0 0 0 1 1

a & b And 0 0 0 0 1 1 0 0

a | b Or 0 0 1 1 1 1 0 1

a ^ b Exclusive or 0 0 1 1 0 0 0 1

a << 3 Shift left 1 1 1 0 0 0 0 0

a >> 3 Shift right 0 0 0 0 0 1 1 1

Zie programma BitwiseOperators in package voorbeelden

0 0

0 1

0 1ab0

10 1

1 1

0 1ab0

1

0 1

1 0

0 1ab0

1

And Or Exclusive or

Programma van vorige tabel

public class BitwiseOperators {public static void main(String[] args) {

int a = 60;/* 60 = 0011 1100 */int b = 13;/* 13 = 0000 1101 */int c = 0;

c = a & b; /* 12 = 0000 1100 and */System.out.println("a & b = " + c );

c = a | b; /* 61 = 0011 1101 or */System.out.println("a | b = " + c );

c = a ^ b; /* 49 = 0011 0001 exclusive or (xor) */System.out.println("a ^ b = " + c );

c = ~a; /*-61 = 1100 0011 not */System.out.println("~a = " + c );

c = a << 2; /* 240 = 1111 0000 shift left */System.out.println("a << 2 = " + c );

c = a >> 2; /* 15 = 1111 shift right */System.out.println("a >> 2 = " + c );

}}

Enkele toepassingenGegeven: integers x & i

int x = 85, i = 4;

1. “Is de (i+1)-de bit van x gelijk aan 1?”

int y = 1 << i; // y wordt een masker genoemd

if ((x & y) > 0)

System.out.println("De "+(i+1)+"de bit van” +x+" is 1.");

else

System.out.println("De "+(i+1)+"de bit van” + x +" is 0.");

2. “Zet de (i+1)-de bit van x op 1”

i = 1;

y = 1 << i; // een masker met een 1 op plaats i

x |= y; // is identiek aan x = x | y;

System.out.println("x = "+x+": "+(i+1)+ "de bit is nu 1.");

3. “Wat zijn de waarden van de 4e tot en met de 6e bit?”

int z = (x >> 4) & 7; // 7 is hier ook een masker: 111

System.out.println("Bits 4 tot en met 6 van “ +Integer.toBinaryString(x)+"zijn"+Integer.toBinaryString(z))

;

Zie programma

BitwiseOperators in

package voorbeelden

Beide lijnen verbeterd tov cursus

Hoofdstuk 2: Getallenstelsels en codes

Voorstelling van digitale informatie: Binaire getallen

Om de notatie van binaire getallen te verkorten worden ook

de hexadecimale notatie gebruikt. Een hexadecimaal cijfer beschrijft 4

bits en wordt voorgesteld door 0, 1, ..., 9, A, ..., E.

Vb: omzetting van 1110001101

1 1 1 0 0 0 1 1 0 1

3 8 D

Om aan te duiden dat een getal in het hexadecimaal talstelsel is (bvb

tijdens programmeren), voegen we de prefix ‘0x’ toe: 0x38D.

0x11 is dus gelijk aan 17

Hexadecimaal talstelsel

Binair Hex.

0000 0

0001 1

0010 2

0011 3

0100 4

0101 5

0110 6

0111 7

Binair Hex.

1000 8

1001 9

1010 A

1011 B

1100 C

1101 D

1110 E

1111 F

Tabel staat niet in cursus

Voorstelling van karakters

De huidige computers gebruiken gestandaardiseerde tabellen waarin de alfanumerieke tekens die op het toetsenbord staan geassocieerd worden met binaire getallen. De meestgebruikte is de ASCII tabel.

De 128 tekens van hiernaastkunnen voorgesteld worden met 7 bits (27=128)

Informatica 2e semester: HOC 3

(1) Digitaal & binair

(4) Hardware architectuur

(5) Efficiënt productieproces

(6) Computatietheorie & Software

Electronica: (2) ‘relais’-schakeling,

(3)geheugen

(7) Operating system

(8) Communicatie &

internet

(9) Artificiële

intelligentie

Informatica deel III: technologie, historiek en economische aspecten

Waarmaken van Leibniz’s droom

(0) Het idee

Jan Lemeire 13Pag. / 72

Hoofdstuk 2: De elektronische relais

Hoe elektrisch maken?

1. Geleider

1. Weerstand

2. Spoel

3. Verbinden van componenten

2. Isolator (dielectric)

1. Condensator

2. Scheiden van componenten

Extra component nodig…

Jan Lemeire 15Pag. / 72

Nodig: de relais

Electro-mechanisch

Informatica II: les 3

Naast de geleider, weerstand, capaciteit en spoel hebben we een component nodig met de werking zoals de elektromechanische relais. De relais zorgt ervoordat een signaal een ander signaal kan beïnvloeden.Het inputsignaal bepaalt of de output ‘aan’ of ‘uit’ is . Met deze component kunnen we elektrische schakelingen maken die binair kunnen rekenen. Gebaseerd op de elektromechanische relais bouwde de duitser Zuse een volledig werkende computer die gebruikt werd tijdens de tweede wereldoorlog.

Jan Lemeire 16Pag. / 72

Binair rekenen

Informatica II: les 3

or

and A B C = A and B

C = A or B

A

B

Met deze componenten kan je alles berekenen!

Complexe functies

Algemeen: van n inputs naar m outputs2-naar-m kan je ontbinden als m keer 2-naar-1

n-naar-1 kan je ontbinden door 2 bij 2 samen te nemen

– Bvb {a, b, c, d} => x door {a, b} => e, {c, d} => f en {e, f} => x

Beide samen geeft n-naar-m

– is misschien wel niet het efficientste

Som van bits

Som S van 2 bits A en B. De carriage (C) geeft de bit voor de volgende orde.

Rekening houdend met de carriage bit (Cin) van de vorige orde.

Half adder

Full adder

Som van getallen

Twee getallen (A en B) van 3 bits bij elkaar tellen (S)

Ripple carry adder

Overflow bit

Zie http://parallel.vub.ac.be/education/java/applets.html

Least-significant bits (bits van laagste orde)

WOII: de duitsers

Een werkende electro-mechanischecomputer Konrad Zuse

Door de mechanische componenten beperkt tot vijftien à

twintig operaties per seconde

Jan Lemeire 22Pag. / 72

De Vacuümbuis: elektronische relais

Vrije elektronen in vacuüm

diode versterker

grid

inout

gloeilamp

De spanning (in) van het grid van de vacuümbuis bepaalt de geleidbaarheid tussenanode en kathode. Door een grote spanning op out te zetten, zal een kleininputsignaal versterkt worden. Een signaal met een klein vermogen wordt omgezetin een signaal met een groot vermogen.

Vacuümbuizen

Jan Lemeire 24Pag. / 72Informatica II: les 3

Jan Lemeire 25Pag. / 72

De eerste computer: ENIAC

John Mauchly and John Eckert, 1945

De ENIAC maakte gebruik van vacuümbuizen voor het rekenen. Deze zijn echterduur, groot, onhandig en gaan gemakkelijk stuk.

Jan Lemeire 26Pag. / 72

Van vacuümbuis naar transistor

grid

inout

halfgeleider

Maar de echte doorbraak kwam met de uitvinding van de transistor. 10 jaar (!) werd er in Bell Labs (van AT&T - American Telephone & Telegraph Company) actiefgezocht naar een handige vervanger van de vacuümbuis. Het labo bestond uitpraktische technici, theoretici (fysica, wiskunde, chemie) en creatieve geesten. De eerste succesvolle toepassing was de draagbare transistorradio.

Jan Lemeire 27Pag. / 72

Transistor (MOSFET)

De spanning VG bepaalt de geleidbaarheid van de halfgeleider(semiconductor) tussen Source en Drain

Te gebruiken als versterker

Te gebruiken als relais, voor binaire operaties

halfgeleider

halfgeleider

De halfgeleider gedraagt zich als een isolator als VG=0 en als geleider bij VG>1V. We hebben een elektronische relais!

http://www-

g.eng.cam.ac.uk/mmg/teaching/

linearcircuits/mosfet.html

Jan Lemeire 28Pag. / 72Informatica II: les 4

transistors

Informatica 2e semester: HOC 3

Analoge electronica

Sommeren, integreren, afleiden

http://www.falstad.com/circuit/

1.2.4 Verzameling

Set

Jan Lemeire 31Pag. / 72

De Set

Een wiskundige verzameling dus...

In Java gedefinieerd als interface

Definitie van documentatie:

“A collection that contains no duplicate elements. More formally,

sets contain no pair of elements e1 and e2 such that e1.equals(e2),

and at most one null element.”

Informatica 2e semester: HOC 3

p. 31

Method Summary

booleanadd(E e)

Adds the specified element to this set if it is not already present.

booleanaddAll(Collection<? extends E> c)

Adds all of the elements in the specified collection to this set if they're not already

present (optional operation).

voidclear()

Removes all of the elements from this set.

booleancontains(Object o)

Returns true if this set contains the specified element.

booleancontainsAll(Collection<?> c)

Returns true if this set contains all of the elements of the specified collection.

booleanequals(Object o)

Compares the specified object with this set for equality.

booleanisEmpty()

Returns true if this set contains no elements.

booleanremove(Object o)

Removes the specified element from this set if it is present (optional operation).

booleanremoveAll(Collection<?> c)

Removes from this set all of its elements that are contained in the specified collection.

booleanretainAll(Collection<?> c)

Retains only the elements in this set that are contained in the specified collection.

intsize()

Returns the number of elements in this set (its cardinality).Informatica 2e semester: HOC 3

Jan Lemeire 33Pag. / 72

Bewerkingen

bewerking methode

Unie a U b AddAll()

Doorsnede a ∩ b RetainAll()

Verschil a \ b RemoveAll()

Symmetrische

verschil

(a \ b) U (b \ a) Combinatie van

bovenstaande

Informatica 2e semester: HOC 3

Interfaces

public interface Set<E> extends Collection<E> {

int size();boolean isEmpty();boolean contains(Object o);Iterator<E> iterator();Object[] toArray();<T> T[] toArray(T[] a);boolean add(E e);boolean remove(Object o);boolean containsAll(Collection<?> c);boolean addAll(Collection<? extends E> c);boolean retainAll(Collection<?> c);boolean removeAll(Collection<?> c);void clear();boolean equals(Object o);int hashCode();

}

Set.java

Jan Lemeire 36Pag. / 72

Interfaces

Alle methodes zijn abstract: enkel header, geen implementatie

Klasse die interface implementeert moet alle methodes implementeren

Informatica 2e semester: HOC 3

p. 5

Filosofie:

een interface definieert hoe je met een object communiceert.

Je hoeft de implementatie niet te kennen

Inwisselbare implementatie, efficiëntste implementatie hangt af van situatie

p. 7Pijlers van object-georiënteerde

programmeertalen

Jan Lemeire 38Pag. / 72

Set Object: implementatie

Implementaties voldoen aan het “Set-kontrakt”

Gebruik: TreeSet en HashSetKomen we op terug in hoofdstuk 8

Informatica 2e semester: HOC 3

1.2.5 Mappen

Jan Lemeire 41Pag. / 72

Mappen of dictionaries

Linken object van type A aan objecten van type B.Opzoeken gebeurt op A-objecten, dus A best gesorteerd

Voorbeeld:

Informatica 2e semester: HOC 3

Ida, Jennifer Oprolbare brug

Laurent, Maarten Ultragrabber

Manuka, Stani Moving Tower Ahmedabad

Mitichashvili, Tornike piramide

Nguyen, Kim trap Villa Savoye

Pelicaen, Erik achthoekstructuur

Perez Sotomayor, Lucia Origami

student projectkey value

p. 33

Jan Lemeire 42Pag. / 72

Java map

Interface Map<K,V>Met Type Parameters:

K - the type of keys maintained by this map

V - the type of mapped values

Informatica 2e semester: HOC 3

Map<Student, String> map;

Map methodesvoidclear()

Removes all of the mappings from this map (optional operation).

booleancontainsKey(Object key)

Returns true if this map contains a mapping for the specified key.

booleancontainsValue(Object value)

Returns true if this map maps one or more keys to the specified value.

Set<Map.Entry<K,V

>>

entrySet()

Returns a Set view of the mappings contained in this map.

booleanequals(Object o)

Compares the specified object with this map for equality.

Vget(Object key)

Returns the value to which the specified key is mapped, or null if this map contains no

mapping for the key.

inthashCode()

Returns the hash code value for this map.

booleanisEmpty()

Returns true if this map contains no key-value mappings.

Set<K>keySet()

Returns a Set view of the keys contained in this map.

Vput(K key, V value)

Associates the specified value with the specified key in this map (optional operation).

voidputAll(Map<? extends K,? extends V> m)

Copies all of the mappings from the specified map to this map (optional operation).

Vremove(Object key)

Removes the mapping for a key from this map if it is present (optional operation).

intsize()

Returns the number of key-value mappings in this map.

Collection<V>values()

Informatica 2e semester: HOC 3

Jan Lemeire 44Pag. / 72

Implementaties van Java map

TreeMap en HashMapTree of Hashtabel (zien er later!)

Map<String, String> map;

map = new TreeMap<String, String>();

of

map = new HashMap<String, String>();

Cf. TreeSet en HashSet implementaties van de Set interface

Informatica 2e semester: HOC 3

Klasse-oefening

p. 63

/** Gegeven de volgende klassen: Trapezium, Rechthoek, Vierkant

1. Maak een object aan van elke klasse. Kies je eigen waarden

voor de parameters.

2. Duidt aan welke constructors worden opgeroepen en welke

superconstructors.

3. Geef voor elk object de waarde van de attributen.

4. Bereken de oppervlakte van de trapezium en print deze af.

5. Voeg een methode toe aan Rechthoek die de oppervlakte

berekent.

6. Maak van de rechthoek een subklasse van het trapezium. Dan

zijn de attributen 'breedte' en 'lengte' in feite niet meer

nodig, die mag je dus schrappen. De oppervlaktemethode ook.

7. Vierkant erft alle attributen over, maar heeft er in feite

slechts 1 nodig. Schrap de 'extends Rechthoek', voeg het nodige

attribuut toe en de methode voor oppervlaktebrekening. */

1.2.6 Generics

TER INFO

p. 35

1.3

Vriendenvoorbeeld

Jan Lemeire 50Pag. / 72

Objecten

Informatica 2e semester: HOC 3

p. 36

attributen van

moederklasse

Jan Lemeire 51Pag. / 72

Overerving

Informatica 2e semester: HOC 3

p. 39

Informatica 2e semester: HOC 3

p. 37-38

Jan Lemeire 53Pag. / 72Informatica 2e semester: HOC 3

Jan Lemeire 54Pag. / 72

Ontkenner

Informatica 2e semester: HOC 3

Maak van Elke een ontkenner

Overerving (Inheritance)

met overschrijven van methode

Jan Lemeire 55Pag. / 72

Java’s spelregels

Informatica 2e semester: HOC 3

p. 5

Jan Lemeire 56Pag. / 72

Leugenaar

Informatica 2e semester: HOC 3

Maak van Piet een leugenaar