Informatica. Deel II: les 3. Electronica Arrays. Jan Lemeire Informatica deel II februari mei Parallel Systems: Introduction

Transcriptie

1 Informatica Deel II: les 3 Electronica Arrays Jan Lemeire Informatica deel II februari mei 2015 Parallel Systems: Introduction

2 Leibniz droom De Calculus ratiocinator Een logisch denkend apparaat Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 2 / 52

3 Go digital! Go binary! Van analoog naar digitaal Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 3 / 29

4 Waarmaken van Leibniz s droom (9) Artificiële intelligentie (8) Communicatie & internet (7) Operating system (6) Computatietheorie & Software (5) Efficiënt productieproces (4) Hardware architectuur Electronica: (2) relais -schakeling, (3)geheugen (1) Digitaal & binair (0) Het idee Informatica deel III: technologie, historiek en economische aspecten

5 Binaire representatie Een binair getal (bit) kan voorgesteld worden door 2 voltages die gegeven kunnen worden door een switch: Waarde 0 = 0 Volt = switch open Waarde 1 = 5 Volt = switch gesloten Een getal van n bits kan 2 n waarden aannemen 2 bits : 4 combinaties bits : 8 combinaties bits (= 1 byte) 256 combinaties 16 bits: combinaties 32 bits: combinaties Informatica II: les Jan Lemeire Pag. 5 / 29

6 Binair rekenen? 1 input => 1 output Maar 1 niet-triviale functie: NOT 2 inputs => 1 output 0 1 0?? 1?? 2 4 = 16 mogelijkheden Genoeg voor een basis: AND, OR, EXOR, NOT Alle functies zijn samen te stellen uit deze!! Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 6 / 29

7 2 inputs => 1 output: 16 mogelijkheden triviaal and exclusive or (xor) Informatica II: les 2 or

8 Voorbeeld: sommator Interaktieve applets: HalfAdder: optellen van 2 bits FullAdder: met carry bit (inkomend & uitgaand) Ripple carry adder: sommator bestaande uit een full adder per bit S = A + B Informatica II: les 1 Jan Lemeire Pag. 8 / 29

9 Hoofdstuk 3: De electronische relais

10 Hoe electrisch maken? 1. Geleider 1. Weerstand 2. Spoel 3. Verbinden van componenten 2. Isolator (dielectric) 1. Condensator 2. Scheiden van componenten Informatica Extra II: les component 3 nodig Jan Lemeire Pag. 10 / 29

11 Nodig: de relais Electro-mechanisch Naast de geleider, weerstand, capaciteit en spoel hebben we een component nodig met de werking zoals de electromechanische relais. De relais zorgt ervoor dat een signaal een ander signaal kan beïnvloeden: Het inputsignaal bepaalt of de output aan of uit is. Met deze component kunnen we electrische schakelingen maken die binair kunnen rekenen. Gebaseerd op de electromechanische relais bouwde de duitser Zuse een volledig-werkende Informatica II: les 3 computer die gebruikt werd tijdens de tweede wereldoorlog. Jan Lemeire Pag. 11 / 38

12 Binair rekenen and A B C = A and B A or B C = A or B Met Informatica deze II: les componenten 3 kan je alles berekenen! Jan Lemeire Pag. 12 / 38

13 Som van bits Half adder Som van 2 bits. De carriage (C) geeft de bit voor de volgende eenheid Rekening houdend met de carriage bit (Cin) van de vorige eenheid Full adder Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 13 / 38

14 Som van getallen Twee getallen (A en B) van 3 bits bij elkaar tellen (S) Ripple carry adder Overflow bit Zie Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 14 / 38

15 WOII: de duitsers Electromechanische computer Zuse Konrad Zuse Informatica II: les 3 Door de mechanische componenten beperkt tot vijftien à twintig operaties per seconde Jan Lemeire Pag. 15 / 38

16 De Vacuümbuis: electronische relais Vrije electronen in vacuüm grid in out gloeilamp diode versterker De spanning (in) van het grid van de vacuümbuis bepaalt de geleidbaarheid tussen anode en cathode. Door een grote spanning op out te zetten, zal een klein inputsignaal Informatica II: les versterkt 3 worden. Een signaal met een klein vermogen wordt omgezet Jan Lemeire Pag. 16 / 38 in een signaal met een groot vermogen.

17 Vacuümbuizen Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 17 / 38

18 Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 18 / 38

19 De eerste computer: ENIAC John Mauchly and John Eckert, 1945 Informatica II: les 3 ENIAC s vacuumtubes Jan Lemeire Pag. 19 / 38

20 Van vacuümbuis naar transistor grid halfgeleider in out Informatica II: les 5 Jan Lemeire Pag. 20 / 38

21 Transistor De spanning -V G bepaalt de geleidbaarheid van de halfgeleider (semiconductor) tussen Source en Drain Te gebruiken als versterker Te gebruiken als relais, voor binaire operaties halfgeleider halfgeleider Informatica II: les 9 Jan Lemeire Pag. 21 / 38

22 transistors Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 22 / 38

23 Analoge electronica Sommeren, integreren, afleiden Informatica II: les 1

24 Vandaag 1. Electronische basiscomponent 2. Java: for-lus, strings 3. Array-algoritmen 4. ArrayList & encapsulatie 5. Klasse-oefening 6. OO: interfaces 7. De eerste computer & Alan Turing Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 24 / 52

25 Java specificiteiten

26 Java versus Python 1. Object-georiënteerde taal. 2. public static void main 3. Puntkomma s en accolades 4. System.out.println 5. Typeren: sterk en statisch 6. Arrays en ArrayLists 7. Verschil tussen letters en woorden 8. De for-lus 9. Varia Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 26 / 52

27 Array array Array ( rij ) is een deel van het geheugen waarin een bepaald aantal elementen kunnen worden opgeslagen. Java: enkel elementen van eenzelfde type Grootte moet vastgelegd worden bij het aanmaken (reserveren) Aanmaken via new Informatica II: les 2 Jan Lemeire Pag. 27 / 52

28 p Java s for-lus initialisatie eindconditie increment for(int i=0;i<100;i+=2){ } System.out.print(i+", "); i += 2 i = i + 2 i + + i += 1 i = i + 1 Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 28 / 52

29 Niet in cursus

30 Niet in cursus Array vs ArrayList Array ArrayList Python list Python tuple Vaste grootte Flexibele grootte Flexibele grootte Vaste grootte Grootte te specifieren Initiele grootte facultatief Niet nodig Bij initialisatie int[] array = new int[5]; ArrayList<Integer> arraylist = new ArrayList<Integer>(); list=[] Creatie en initialisatie samen array = new int[]{1, 2,3}; Initialisatie niet mogelijk list=[1, 2, 3] tuple = (1, 2, 3, 4, 5 ) x = array[2]; x = arraylist.get(2); x=list[2] x=tuple[2] array[1] = 5; arraylist.set(1, 5); list[1]=5 Veranderen niet mogelijk Toevoegen niet mogelijk arraylist.add(7); list.append(7) Niet mogelijk array.length arraylist.size() len(list) len(tuple) Jan Lemeire Pag. 30 / 53

31 p. 10 Verschil letter en string // ==== Verschil tussen letter en string ==== char letter = 'a'; // enkele quotes String woord = "java"; // dubbele quotes char letter2 = woord.charat(1); System.out.println("Tweede letter van "+woord+" is "+letter2); System.out.println("Aantal letters van "+woord+" is "+woord.length()); Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 31 / 52

32 Oefening

33 Accolade niet nodig, want maar 1 instructie Output? Informatica II: les 2

34 p Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 34 / 52

35 Array Algoritmes

36 p Array algoritmes Zoek minimum in array Bereken totaal van array Bereken gemiddelde Tel het voorkomen van een element Check of de elementen gesorteerd zijn Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 36 / 52

37 /** PROGRAMMA */ public static void main(string[] args) { int lengte = 20, maxwaarde = 20; int[] array = randomarray(lengte, maxwaarde); System.out.println("Array : "+Arrays.toString(array)); System.out.println("Minimum : "+minwaarde(array)); System.out.println("Totaal : "+totaal(array)); System.out.println("Gemiddelde : "+gemiddelde(array) +" (ik verwacht hier "+((float)maxwaarde/2)+")"); System.out.println("Aantal 3's : "+aantal(array, 3)+" (ik verwacht hier "+((float)lengte/maxwaarde)+")"); System.out.println("Gesorteerd? "+isgesorteerd(array)); Arrays.sort(array); System.out.println("Gesorteerd? "+isgesorteerd(array)); } Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 37 / 52

38 p. 40 Arrays klasse Algemene klasse met nuttige functies, zoals: public static String tostring(long[] a) public static void sort(int[] a) public static void sort(int[] a, int fromindex, int toindex) Zie online documentatie Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 38 / 52

39 public static int[] randomarray(int length, int maxwaarde){ int[] array = new int[length]; Random r = new Random(); for(int i=0;i<length; i++) array[i] = r.nextint(maxwaarde); return array; } public static int minwaarde(int[] array){ int min = array[0]; for(int i=1;i<array.length; i++) // ik begin vanaf 1 if (array[i] < min) min = array[i]; return min; } public static int totaal(int[] array){ int tot = 0; for(int i=0;i<array.length; i++) tot += array[i]; return tot; } Vraag: wat als ik van 0 begin? Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 39 / 52

40 Totaal berekenen van array p. 40 int tot = 0; for(int i=0;i<array.length; i++) tot += array[i]; Alternatieve for-lus (a la Python): int tot = 0; for(int v: array) tot += v; Jan Lemeire Pag. 40 / 52

41 public static float gemiddelde(int[] array){ int tot = totaal(array); return (float) tot / array.length; } public static int aantal(int[] array, int waarde){ int n=0; for(int i=0;i<array.length; i++) if (array[i] == waarde) n++; return n; } public static boolean isgesorteerd(int[] array){ for(int i=1;i<array.length; i++) // ik begin vanaf 1 if (array[i] < array[i-1]) return false; return true; } Vraag: wat als ik van 0 begin? documenteer de niet-triviale code. Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 41 / 52

42 p. 42 Zoeken in array I public static int aantaliteraties = 0; // performantie /** geeft index terug van eerste voorkomen van waarde. Geeft -1 terug als niet gevonden */ public static int zoek(int[] array, int waarde){ aantaliteraties = 0; for(int i=0;i<array.length; i++){ aantaliteraties++; if (array[i] == waarde) return i; } return -1; } Lineaire zoektijd System.out.println("Index van 3: "+zoek(array, 3)+" (aantal zoekiteraties = "+aantaliteraties+", ik verwachtte "+lengte/2+")"); Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 42 / 52

43 Zoeken in array II p. 42 public static int zoekalsgesorteerd(int[] array, int waarde){ // eerst check ik of wel degelijk gesorteerd if (!isgesorteerd(array)) return zoek(array, waarde); aantaliteraties = 0; int min = 0, max = array.length; int midden; do{ aantaliteraties++; Logaritmische zoektijd midden = (max + min) / 2; if (waarde == array[midden]) return midden; // gevonden! if (waarde < array[midden]) max = midden; else // waarde ligt voorbij midden min = midden; } while (min < max); return -1; } Informatica II: les 3 Vraag: wat gebeurt er als het te zoeken getal het eerste element is? Jan Lemeire Pag. 44 / 52

44 Klasse-oefening

45 p. 26

46 Deel III Hoofdstuk 1 ALAN TURING Jan Lemeire Pag. 47 / 52

47 Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 48 / 52

48 Winston Churchill Jan Lemeire Pag. 49 / 52

49 Bletchley Park Op zoek naar "cribs" Jan Lemeire Pag. 50 / 52