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 2014 Parallel Systems: Introduction

2 Leibniz droom De Calculus ratiocinator Een logisch denkend apparaat Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 2 / 58

3 Go digital! Go binary! Van analoog naar digitaal Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 4 / 29

4 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

5 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

6 2 inputs => 1 output: 16 mogelijkheden triviaal and exclusive or (xor) Informatica II: les 2 or

7 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

8 Waarmaken van Leibniz s droom (10) Artificiële intelligentie (9) Communicatie & internet (8) Operating system (7) Computatietheorie & Software (6) Efficiënt productieproces (5) Hardware architectuur Electronica: (3) relais -schakeling, (4)geheugen (2) Digitaal & binair (1) Het idee Informatica deel III: technologie, historiek en economische aspecten

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 4 nodig Jan Lemeire Pag. 11 / 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. 12 / 38

12 Binair rekenen and or Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 13 / 38

13 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. 14 / 38

14 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. 15 / 38 in een signaal met een groot vermogen.

15 Vacuümbuizen Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 16 / 38

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

17 De eerste computer: ENIAC John Mauchly and John Eckert, 1945 Informatica II: les 3 ENIAC s vacuumtubes Jan Lemeire Pag. 18 / 38

18 Van vacuümbuis naar transistor grid halfgeleider in out Informatica II: les 5 Jan Lemeire Pag. 19 / 38

19 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. 20 / 38

20 transistors Informatica II: les 4 Jan Lemeire Pag. 21 / 38

21 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. 22 / 58

22 Java specificiteiten

23 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. 24 / 58

24 p Java s for-lus initialisatie eindconditie increment for(int i=0;i<100;i+=2){ } System.out.print(i+", "); Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 25 / 58

25 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. 26 / 58

26

27 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. 28 / 58

28 Java basic datatypes type Grootte Minimum maximum precisie byte 8 bits short 16 bits int 32 bits long 64 bits char 16 bits float 32 bits -3.4x x cijfers double 64 bits -1.7x x cijfers Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 29 / 29

29 Arrays

30 Informatica II: les 2 Output?

31 Totaal berekenen van array p 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. 32 / 58

32 p. 32 Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 33 / 58

33 Array Algoritmes

34 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 4 Jan Lemeire Pag. 35 / 58

35 /** 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 4 Jan Lemeire Pag. 36 / 58

36 p. 35 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 4 Jan Lemeire Pag. 37 / 58

37 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 4 Jan Lemeire Pag. 38 / 58

38 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 4 Jan Lemeire Pag. 39 / 58

39 p. 36 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; } System.out.println("Index van 3: "+zoek(array, 3)+" (aantal zoekiteraties = "+aantaliteraties+", ik verwachtte "+lengte/2+")"); Informatica II: les 4 Jan Lemeire Pag. 40 / 58

40 Performantie van algoritmes Aantal processorcycles Aantal instructies Aantal berekeningen Aantal iteraties Informatica II: les 4 Jan Lemeire Pag. 41 / 58

41 Zoeken in array II p. 36 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++; 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; } Vraag: wat gebeurt er als het te zoeken getal het eerste element is? Informatica II: les 4 Jan Lemeire Pag. 42 / 58

42 ArrayList Jan Lemeire Pag. 43 / 58

43 p. 37 De ArrayList Houdt het aantal elementen bij die je er in gestoken hebt Op te vragen met size() Maar heeft intern een grotere array Indien nodig, vergroot het automatisch zijn grootte door een nieuwe array aan te maken de Python-lijst Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 44 / 58

44 Method Summary boolean add(e e) Appends the specified element to the end of this list. p void add(int index, E element) boolean contains(object o) Informatica II: les 4 Inserts the specified element at the specified position in this list. Returns true if this list contains the specified element. E get(int index) Returns the element at the specified position in this list. int indexof(object o) Returns the index of the first occurrence of the specified element in this list, or -1 if this list does not contain the element. boolean isempty() Returns true if this list contains no elements. E remove(int index) boolean remove(object o) Removes the element at the specified position in this list. Removes the first occurrence of the specified element from this list, if it is present. E set(int index, E element) Replaces the element at the specified position in this list with the specified element. Jan Lemeire int Pag. 45 / 58 size() Returns the number of elements in this list.

45 p. 38 Aanmaken Constructor Summary ArrayList() Constructs an empty list with an initial capacity of ten. ArrayList(int initialcapacity) Constructs an empty list with the specified initial capacity. ArrayList<Integer> array = new ArrayList<Integer>(); Bij het aanmaken specifieer je het type Type is dus in feite een parameter Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 46 / 58

46 p. 38 Java Generics Je maakt een klasse, maar laat het exacte type nog onbepaald Gebruiker geeft het type mee bij constructie Moet wel een klasse zijn Elk primitief type heeft een klassevariant Primitief type int float double char boolean Klasse Integer Float Double Char Boolean Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 47 / 58

47 Encapsulatie Jan Lemeire Pag. 48 / 58

48 Pijlers van object-georiënteerde programmeertalen I. Encapsulatie 2.4 Conclusies ArrayList versus array p Stapel-datastructuur p Java s LinkedList p AVL-boom p. 70 II. Overerving (inheritance) 4.3 FunctieMetAfgeleide-interface p AVLTree subklasse p. 72 III. Polymorfisme en abstractie 4.2 Functie-interface p Mapimplementaties p Abstract zoekalgoritme p Vergelijking van zoekalgoritmes p.110 Jan Lemeire Pag. 49 / 58

49 Encapsulatie (Data hiding) p. 39 Data en operaties zitten samen (in het object) Data maak je niet toegankelijk voor de buitenwereld, enkel operaties Daarom get() en set()-methodes voor attributen De maker van de klasse heeft controle over wat de gebruiker met de data doet Als gebruiker weet je dat de maker ervoor gezorgd heeft de consistentie bewaard blijft je hoeft niet bang te zijn iets verkeerds te doen Informatica II: les 6 Jan Lemeire Pag. 50 / 58

50 Encapsulatie: voorbeelden Voorbeeld 1 account number; balance; Deposit() Withdraw() C L I E N T Voorbeeld 2: toegang tot attributen via get() en set() methodes Het object behoudt de controle over de gegevens Informatica II: les 3 Jan Lemeire Pag. 51 / 58

51 Klasse-oefening

52

53 Niet in cursus Niet te kennen ALAN TURING Jan Lemeire Pag. 54 / 58

54 Winston Churchill Jan Lemeire Pag. 55 / 58

55 Bletchley Park Op zoek naar "cribs" Jan Lemeire Pag. 56 / 58