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(* v * The Coq Proof Assistant / The Coq Development Team *)
(* <O___,, * CNRS-Ecole Polytechnique-INRIA Futurs-Universite Paris Sud *)
(* \VV/ **************************************************************)
(* // * This file is distributed under the terms of the *)
(* * GNU Lesser General Public License Version 2.1 *)
(************************************************************************)
(*i $Id: Zbinary.v,v 1.1.2.1 2004/07/16 19:31:42 herbelin Exp $ i*)
(** Bit vectors interpreted as integers.
Contribution by Jean Duprat (ENS Lyon). *)
Require Bvector.
Require ZArith.
Require Export Zpower.
Require Omega.
(*
L'évaluation des vecteurs de booléens se font à la fois en binaire et
en complément à deux. Le nombre appartient à Z.
On utilise donc Omega pour faire les calculs dans Z.
De plus, on utilise les fonctions 2^n où n est un naturel, ici la longueur.
two_power_nat = [n:nat](POS (shift_nat n xH))
: nat->Z
two_power_nat_S
: (n:nat)`(two_power_nat (S n)) = 2*(two_power_nat n)`
Z_lt_ge_dec
: (x,y:Z){`x < y`}+{`x >= y`}
*)
Section VALUE_OF_BOOLEAN_VECTORS.
(*
Les calculs sont effectués dans la convention positive usuelle.
Les valeurs correspondent soit à l'écriture binaire (nat),
soit au complément à deux (int).
On effectue le calcul suivant le schéma de Horner.
Le complément à deux n'a de sens que sur les vecteurs de taille
supérieure ou égale à un, le bit de signe étant évalué négativement.
*)
Definition bit_value [b:bool] : Z :=
Cases b of
| true => `1`
| false => `0`
end.
Lemma binary_value : (n:nat) (Bvector n) -> Z.
Proof.
Induction n; Intros.
Exact `0`.
Inversion H0.
Exact (Zplus (bit_value a) (Zmult `2` (H H2))).
Defined.
Lemma two_compl_value : (n:nat) (Bvector (S n)) -> Z.
Proof.
Induction n; Intros.
Inversion H.
Exact (Zopp (bit_value a)).
Inversion H0.
Exact (Zplus (bit_value a) (Zmult `2` (H H2))).
Defined.
(*
Coq < Eval Compute in (binary_value (3) (Bcons true (2) (Bcons false (1) (Bcons true (0) Bnil)))).
= `5`
: Z
*)
(*
Coq < Eval Compute in (two_compl_value (3) (Bcons true (3) (Bcons false (2) (Bcons true (1) (Bcons true (0) Bnil))))).
= `-3`
: Z
*)
End VALUE_OF_BOOLEAN_VECTORS.
Section ENCODING_VALUE.
(*
On calcule la valeur binaire selon un schema de Horner.
Le calcul s'arrete à la longueur du vecteur sans vérification.
On definit une fonction Zmod2 calquee sur Zdiv2 mais donnant le quotient
de la division z=2q+r avec 0<=r<=1.
La valeur en complément à deux est calculée selon un schema de Horner
avec Zmod2, le paramètre est la taille moins un.
*)
Definition Zmod2 := [z:Z] Cases z of
| ZERO => `0`
| ((POS p)) => Cases p of
| (xI q) => (POS q)
| (xO q) => (POS q)
| xH => `0`
end
| ((NEG p)) => Cases p of
| (xI q) => `(NEG q) - 1`
| (xO q) => (NEG q)
| xH => `-1`
end
end.
V7only [
Notation double_moins_un_add_un :=
[p](sym_eq ? ? ? (double_moins_un_add_un_xI p)).
].
Lemma Zmod2_twice : (z:Z)
`z = (2*(Zmod2 z) + (bit_value (Zodd_bool z)))`.
Proof.
NewDestruct z; Simpl.
Trivial.
NewDestruct p; Simpl; Trivial.
NewDestruct p; Simpl.
NewDestruct p as [p|p|]; Simpl.
Rewrite <- (double_moins_un_add_un_xI p); Trivial.
Trivial.
Trivial.
Trivial.
Trivial.
Save.
Lemma Z_to_binary : (n:nat) Z -> (Bvector n).
Proof.
Induction n; Intros.
Exact Bnil.
Exact (Bcons (Zodd_bool H0) n0 (H (Zdiv2 H0))).
Defined.
(*
Eval Compute in (Z_to_binary (5) `5`).
= (Vcons bool true (4)
(Vcons bool false (3)
(Vcons bool true (2)
(Vcons bool false (1) (Vcons bool false (0) (Vnil bool))))))
: (Bvector (5))
*)
Lemma Z_to_two_compl : (n:nat) Z -> (Bvector (S n)).
Proof.
Induction n; Intros.
Exact (Bcons (Zodd_bool H) (0) Bnil).
Exact (Bcons (Zodd_bool H0) (S n0) (H (Zmod2 H0))).
Defined.
(*
Eval Compute in (Z_to_two_compl (3) `0`).
= (Vcons bool false (3)
(Vcons bool false (2)
(Vcons bool false (1) (Vcons bool false (0) (Vnil bool)))))
: (vector bool (4))
Eval Compute in (Z_to_two_compl (3) `5`).
= (Vcons bool true (3)
(Vcons bool false (2)
(Vcons bool true (1) (Vcons bool false (0) (Vnil bool)))))
: (vector bool (4))
Eval Compute in (Z_to_two_compl (3) `-5`).
= (Vcons bool true (3)
(Vcons bool true (2)
(Vcons bool false (1) (Vcons bool true (0) (Vnil bool)))))
: (vector bool (4))
*)
End ENCODING_VALUE.
Section Z_BRIC_A_BRAC.
(*
Bibliotheque de lemmes utiles dans la section suivante.
Utilise largement ZArith.
Meriterait d'etre reecrite.
*)
Lemma binary_value_Sn : (n:nat) (b:bool) (bv : (Bvector n))
(binary_value (S n) (Vcons bool b n bv))=`(bit_value b) + 2*(binary_value n bv)`.
Proof.
Intros; Auto.
Save.
Lemma Z_to_binary_Sn : (n:nat) (b:bool) (z:Z)
`z>=0`->
(Z_to_binary (S n) `(bit_value b) + 2*z`)=(Bcons b n (Z_to_binary n z)).
Proof.
NewDestruct b; NewDestruct z; Simpl; Auto.
Intro H; Elim H; Trivial.
Save.
Lemma binary_value_pos : (n:nat) (bv:(Bvector n))
`(binary_value n bv) >= 0`.
Proof.
NewInduction bv as [|a n v IHbv]; Simpl.
Omega.
NewDestruct a; NewDestruct (binary_value n v); Simpl; Auto.
Auto with zarith.
Save.
V7only [Notation add_un_double_moins_un_xO := is_double_moins_un.].
Lemma two_compl_value_Sn : (n:nat) (bv : (Bvector (S n))) (b:bool)
(two_compl_value (S n) (Bcons b (S n) bv)) =
`(bit_value b) + 2*(two_compl_value n bv)`.
Proof.
Intros; Auto.
Save.
Lemma Z_to_two_compl_Sn : (n:nat) (b:bool) (z:Z)
(Z_to_two_compl (S n) `(bit_value b) + 2*z`) =
(Bcons b (S n) (Z_to_two_compl n z)).
Proof.
NewDestruct b; NewDestruct z as [|p|p]; Auto.
NewDestruct p as [p|p|]; Auto.
NewDestruct p as [p|p|]; Simpl; Auto.
Intros; Rewrite (add_un_double_moins_un_xO p); Trivial.
Save.
Lemma Z_to_binary_Sn_z : (n:nat) (z:Z)
(Z_to_binary (S n) z)=(Bcons (Zodd_bool z) n (Z_to_binary n (Zdiv2 z))).
Proof.
Intros; Auto.
Save.
Lemma Z_div2_value : (z:Z)
` z>=0 `->
`(bit_value (Zodd_bool z))+2*(Zdiv2 z) = z`.
Proof.
NewDestruct z as [|p|p]; Auto.
NewDestruct p; Auto.
Intro H; Elim H; Trivial.
Save.
Lemma Zdiv2_pos : (z:Z)
` z >= 0 ` ->
`(Zdiv2 z) >= 0 `.
Proof.
NewDestruct z as [|p|p].
Auto.
NewDestruct p; Auto.
Simpl; Intros; Omega.
Intro H; Elim H; Trivial.
Save.
Lemma Zdiv2_two_power_nat : (z:Z) (n:nat)
` z >= 0 ` ->
` z < (two_power_nat (S n)) ` ->
`(Zdiv2 z) < (two_power_nat n) `.
Proof.
Intros.
Cut (Zlt (Zmult `2` (Zdiv2 z)) (Zmult `2` (two_power_nat n))); Intros.
Omega.
Rewrite <- two_power_nat_S.
NewDestruct (Zeven_odd_dec z); Intros.
Rewrite <- Zeven_div2; Auto.
Generalize (Zodd_div2 z H z0); Omega.
Save.
(*
Lemma Z_minus_one_or_zero : (z:Z)
`z >= -1` ->
`z < 1` ->
{`z=-1`} + {`z=0`}.
Proof.
NewDestruct z; Auto.
NewDestruct p; Auto.
Tauto.
Tauto.
Intros.
Right; Omega.
NewDestruct p.
Tauto.
Tauto.
Intros; Left; Omega.
Save.
*)
Lemma Z_to_two_compl_Sn_z : (n:nat) (z:Z)
(Z_to_two_compl (S n) z)=(Bcons (Zodd_bool z) (S n) (Z_to_two_compl n (Zmod2 z))).
Proof.
Intros; Auto.
Save.
Lemma Zeven_bit_value : (z:Z)
(Zeven z) ->
`(bit_value (Zodd_bool z))=0`.
Proof.
NewDestruct z; Unfold bit_value; Auto.
NewDestruct p; Tauto Orelse (Intro H; Elim H).
NewDestruct p; Tauto Orelse (Intro H; Elim H).
Save.
Lemma Zodd_bit_value : (z:Z)
(Zodd z) ->
`(bit_value (Zodd_bool z))=1`.
Proof.
NewDestruct z; Unfold bit_value; Auto.
Intros; Elim H.
NewDestruct p; Tauto Orelse (Intros; Elim H).
NewDestruct p; Tauto Orelse (Intros; Elim H).
Save.
Lemma Zge_minus_two_power_nat_S : (n:nat) (z:Z)
`z >= (-(two_power_nat (S n)))`->
`(Zmod2 z) >= (-(two_power_nat n))`.
Proof.
Intros n z; Rewrite (two_power_nat_S n).
Generalize (Zmod2_twice z).
NewDestruct (Zeven_odd_dec z) as [H|H].
Rewrite (Zeven_bit_value z H); Intros; Omega.
Rewrite (Zodd_bit_value z H); Intros; Omega.
Save.
Lemma Zlt_two_power_nat_S : (n:nat) (z:Z)
`z < (two_power_nat (S n))`->
`(Zmod2 z) < (two_power_nat n)`.
Proof.
Intros n z; Rewrite (two_power_nat_S n).
Generalize (Zmod2_twice z).
NewDestruct (Zeven_odd_dec z) as [H|H].
Rewrite (Zeven_bit_value z H); Intros; Omega.
Rewrite (Zodd_bit_value z H); Intros; Omega.
Save.
End Z_BRIC_A_BRAC.
Section COHERENT_VALUE.
(*
On vérifie que dans l'intervalle de définition les fonctions sont
réciproques l'une de l'autre.
Elles utilisent les lemmes du bric-a-brac.
*)
Lemma binary_to_Z_to_binary : (n:nat) (bv : (Bvector n))
(Z_to_binary n (binary_value n bv))=bv.
Proof.
NewInduction bv as [|a n bv IHbv].
Auto.
Rewrite binary_value_Sn.
Rewrite Z_to_binary_Sn.
Rewrite IHbv; Trivial.
Apply binary_value_pos.
Save.
Lemma two_compl_to_Z_to_two_compl : (n:nat) (bv : (Bvector n)) (b:bool)
(Z_to_two_compl n (two_compl_value n (Bcons b n bv)))=
(Bcons b n bv).
Proof.
NewInduction bv as [|a n bv IHbv]; Intro b.
NewDestruct b; Auto.
Rewrite two_compl_value_Sn.
Rewrite Z_to_two_compl_Sn.
Rewrite IHbv; Trivial.
Save.
Lemma Z_to_binary_to_Z : (n:nat) (z : Z)
`z >= 0 `->
`z < (two_power_nat n) `->
(binary_value n (Z_to_binary n z))=z.
Proof.
NewInduction n as [|n IHn].
Unfold two_power_nat shift_nat; Simpl; Intros; Omega.
Intros; Rewrite Z_to_binary_Sn_z.
Rewrite binary_value_Sn.
Rewrite IHn.
Apply Z_div2_value; Auto.
Apply Zdiv2_pos; Trivial.
Apply Zdiv2_two_power_nat; Trivial.
Save.
Lemma Z_to_two_compl_to_Z : (n:nat) (z : Z)
`z >= -(two_power_nat n) `->
`z < (two_power_nat n) `->
(two_compl_value n (Z_to_two_compl n z))=z.
Proof.
NewInduction n as [|n IHn].
Unfold two_power_nat shift_nat; Simpl; Intros.
Assert `z=-1`\/`z=0`. Omega.
Intuition; Subst z; Trivial.
Intros; Rewrite Z_to_two_compl_Sn_z.
Rewrite two_compl_value_Sn.
Rewrite IHn.
Generalize (Zmod2_twice z); Omega.
Apply Zge_minus_two_power_nat_S; Auto.
Apply Zlt_two_power_nat_S; Auto.
Save.
End COHERENT_VALUE.
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