1 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
2 | (* BitVector.ma: Fixed length bitvectors, and common operations on them. *) |
---|
3 | (* Most functions are specialised versions of those found in *) |
---|
4 | (* Vector.ma as a courtesy, or boolean functions lifted into *) |
---|
5 | (* BitVector variants. *) |
---|
6 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
7 | |
---|
8 | include "arithmetics/nat.ma". |
---|
9 | |
---|
10 | include "ASM/FoldStuff.ma". |
---|
11 | include "ASM/Vector.ma". |
---|
12 | |
---|
13 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
14 | (* Common synonyms. *) |
---|
15 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
16 | |
---|
17 | definition BitVector ≝ λn: nat. Vector bool n. |
---|
18 | definition Bit ≝ bool. |
---|
19 | definition Nibble ≝ BitVector 4. |
---|
20 | definition Byte7 ≝ BitVector 7. |
---|
21 | definition Byte ≝ BitVector 8. |
---|
22 | definition Word ≝ BitVector 16. |
---|
23 | definition Word11 ≝ BitVector 11. |
---|
24 | |
---|
25 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
26 | (* Inversion *) |
---|
27 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
28 | |
---|
29 | lemma BitVector_O: ∀v:BitVector 0. v ≃ VEmpty bool. |
---|
30 | #v lapply (refl … 0) cases v in ⊢ (??%? → ?%%??); // |
---|
31 | #n #hd #tl #abs @⊥ destruct (abs) |
---|
32 | qed. |
---|
33 | |
---|
34 | lemma BitVector_Sn: ∀n.∀v:BitVector (S n). |
---|
35 | ∃hd.∃tl.v ≃ VCons bool n hd tl. |
---|
36 | #n #v lapply (refl … (S n)) cases v in ⊢ (??%? → ??(λ_.??(λ_.?%%??))); |
---|
37 | [ #abs @⊥ destruct (abs) |
---|
38 | | #m #hd #tl #EQ <(injective_S … EQ) %[@hd] %[@tl] // ] |
---|
39 | qed. |
---|
40 | |
---|
41 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
42 | (* Lookup. *) |
---|
43 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
44 | |
---|
45 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
46 | (* Creating bitvectors from scratch. *) |
---|
47 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
48 | |
---|
49 | definition zero: ∀n:nat. BitVector n ≝ |
---|
50 | λn: nat. replicate bool n false. |
---|
51 | |
---|
52 | alias id "bv_zero" = "cic:/matita/cerco/ASM/BitVector/zero.def(2)". |
---|
53 | |
---|
54 | definition maximum: ∀n:nat. BitVector n ≝ |
---|
55 | λn: nat. replicate bool n true. |
---|
56 | |
---|
57 | definition pad ≝ |
---|
58 | λm, n: nat. |
---|
59 | λb: BitVector n. pad_vector ? false m n b. |
---|
60 | |
---|
61 | (* jpb: we already have bitvector_of_nat and friends in the library, maybe |
---|
62 | * we should unify this in some way *) |
---|
63 | let rec nat_to_bv (n : nat) (k : nat) on n : BitVector n ≝ |
---|
64 | match n with |
---|
65 | [ O ⇒ VEmpty ? |
---|
66 | | S n' ⇒ |
---|
67 | eqb (k mod 2) 1 ::: nat_to_bv n' (k ÷ 2) |
---|
68 | ]. |
---|
69 | |
---|
70 | let rec bv_to_nat (n : nat) (b : BitVector n) on b : nat ≝ |
---|
71 | match b with |
---|
72 | [ VEmpty ⇒ 0 |
---|
73 | | VCons n' x b' ⇒ (if x then 1 else 0) + bv_to_nat n' b' * 2]. |
---|
74 | |
---|
75 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
76 | (* Other manipulations. *) |
---|
77 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
78 | |
---|
79 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
80 | (* Logical operations. *) |
---|
81 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
82 | |
---|
83 | definition conjunction_bv: ∀n. ∀b, c: BitVector n. BitVector n ≝ |
---|
84 | λn: nat. |
---|
85 | λb: BitVector n. |
---|
86 | λc: BitVector n. |
---|
87 | zip_with ? ? ? n (andb) b c. |
---|
88 | |
---|
89 | interpretation "BitVector conjunction" 'conjunction b c = (conjunction_bv ? b c). |
---|
90 | |
---|
91 | definition inclusive_disjunction_bv ≝ |
---|
92 | λn: nat. |
---|
93 | λb: BitVector n. |
---|
94 | λc: BitVector n. |
---|
95 | zip_with ? ? ? n (orb) b c. |
---|
96 | |
---|
97 | interpretation "BitVector inclusive disjunction" |
---|
98 | 'inclusive_disjunction b c = (inclusive_disjunction_bv ? b c). |
---|
99 | |
---|
100 | definition exclusive_disjunction_bv ≝ |
---|
101 | λn: nat. |
---|
102 | λb: BitVector n. |
---|
103 | λc: BitVector n. |
---|
104 | zip_with ? ? ? n xorb b c. |
---|
105 | |
---|
106 | interpretation "BitVector exclusive disjunction" |
---|
107 | 'exclusive_disjunction b c = (xorb b c). |
---|
108 | |
---|
109 | definition negation_bv ≝ |
---|
110 | λn: nat. |
---|
111 | λb: BitVector n. |
---|
112 | map bool bool n (notb) b. |
---|
113 | |
---|
114 | interpretation "BitVector negation" 'negation b c = (negation_bv ? b c). |
---|
115 | |
---|
116 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
117 | (* Rotates and shifts. *) |
---|
118 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
119 | |
---|
120 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
121 | (* Conversions to and from lists and natural numbers. *) |
---|
122 | (* -=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= *) |
---|
123 | |
---|
124 | definition eq_b ≝ |
---|
125 | λb, c: bool. |
---|
126 | if b then |
---|
127 | c |
---|
128 | else |
---|
129 | notb c. |
---|
130 | |
---|
131 | lemma eq_b_refl: |
---|
132 | ∀b. |
---|
133 | eq_b b b = true. |
---|
134 | #b cases b // |
---|
135 | qed. |
---|
136 | |
---|
137 | lemma eq_b_eq: |
---|
138 | ∀b, c. |
---|
139 | eq_b b c = true → b = c. |
---|
140 | #b #c |
---|
141 | cases b |
---|
142 | cases c |
---|
143 | normalize // |
---|
144 | qed. |
---|
145 | |
---|
146 | definition eq_bv ≝ |
---|
147 | λn: nat. |
---|
148 | λb, c: BitVector n. |
---|
149 | eq_v bool n eq_b b c. |
---|
150 | |
---|
151 | lemma eq_bv_elim: ∀P:bool → Type[0]. ∀n. ∀x,y. |
---|
152 | (x = y → P true) → |
---|
153 | (x ≠ y → P false) → |
---|
154 | P (eq_bv n x y). |
---|
155 | #P #n #x #y #Ht #Hf whd in ⊢ (?%); @(eq_v_elim … Ht Hf) |
---|
156 | #Q * *; normalize /3/ |
---|
157 | qed. |
---|
158 | |
---|
159 | lemma eq_bv_true: ∀n,v. eq_bv n v v = true. |
---|
160 | @eq_v_true * @refl |
---|
161 | qed. |
---|
162 | |
---|
163 | lemma eq_bv_false: ∀n,v,v'. v ≠ v' → eq_bv n v v' = false. |
---|
164 | #n #v #v' #NE @eq_v_false [ * * #H try @refl normalize in H; destruct | @NE ] |
---|
165 | qed. |
---|
166 | |
---|
167 | lemma eq_bv_refl: |
---|
168 | ∀n,v. eq_bv n v v = true. |
---|
169 | #n #v |
---|
170 | elim v |
---|
171 | [ // |
---|
172 | | #n #hd #tl #ih |
---|
173 | normalize |
---|
174 | cases hd |
---|
175 | [ normalize |
---|
176 | @ ih |
---|
177 | | normalize |
---|
178 | @ ih |
---|
179 | ] |
---|
180 | ] |
---|
181 | qed. |
---|
182 | |
---|
183 | lemma eq_bv_sym: ∀n,v1,v2. eq_bv n v1 v2 = eq_bv n v2 v1. |
---|
184 | #n #v1 #v2 @(eq_bv_elim … v1 v2) [// | #H >eq_bv_false /2/] |
---|
185 | qed. |
---|
186 | |
---|
187 | lemma eq_eq_bv: |
---|
188 | ∀n, v, q. |
---|
189 | v = q → eq_bv n v q = true. |
---|
190 | #n #v |
---|
191 | elim v |
---|
192 | [ #q #h <h normalize % |
---|
193 | | #n #hd #tl #ih #q #h >h // |
---|
194 | ] |
---|
195 | qed. |
---|
196 | |
---|
197 | lemma eq_bv_eq: |
---|
198 | ∀n, v, q. |
---|
199 | eq_bv n v q = true → v = q. |
---|
200 | #n #v #q generalize in match v; |
---|
201 | elim q |
---|
202 | [ #v #h @BitVector_O |
---|
203 | | #n #hd #tl #ih #v' #h |
---|
204 | cases (BitVector_Sn ? v') |
---|
205 | #hd' * #tl' #jmeq >jmeq in h; |
---|
206 | #new_h |
---|
207 | change with ((andb ? ?) = ?) in new_h; |
---|
208 | cases(conjunction_true … new_h) |
---|
209 | #eq_heads #eq_tails |
---|
210 | whd in eq_heads:(??(??(%))?); |
---|
211 | cases(eq_b_eq … eq_heads) |
---|
212 | whd in eq_tails:(??(?????(%))?); |
---|
213 | change with (eq_bv ??? = ?) in eq_tails; |
---|
214 | <(ih tl') // |
---|
215 | ] |
---|
216 | qed. |
---|
217 | |
---|
218 | corollary refl_iff_eq_bv_true: |
---|
219 | ∀n: nat. |
---|
220 | ∀x: BitVector n. |
---|
221 | ∀y: BitVector n. |
---|
222 | eq_bv n x y = true ↔ x = y. |
---|
223 | #n #x #y whd in match iff; normalize nodelta |
---|
224 | @conj /2/ |
---|
225 | qed. |
---|
226 | |
---|
227 | lemma bitvector_3_cases: |
---|
228 | ∀w: BitVector 3. |
---|
229 | ∃b0,b1,b2: bool. |
---|
230 | w ≃ [[b0;b1;b2]]. |
---|
231 | #w |
---|
232 | repeat (cases (BitVector_Sn … w) #b0 * #w0 #EQ0 >EQ0 %{b0} -w lapply w0 -w0 #w) |
---|
233 | >(BitVector_O … w) % |
---|
234 | qed. |
---|
235 | |
---|
236 | lemma bitvector_11_cases: |
---|
237 | ∀w: BitVector 11. |
---|
238 | ∃b0,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7,b8,b9,b10: bool. |
---|
239 | w ≃ [[b0;b1;b2;b3;b4;b5;b6;b7;b8;b9;b10]]. |
---|
240 | #w |
---|
241 | repeat (cases (BitVector_Sn … w) #b0 * #w0 #EQ0 >EQ0 %{b0} -w lapply w0 -w0 #w) |
---|
242 | >(BitVector_O … w) % |
---|
243 | qed. |
---|
244 | |
---|
245 | lemma bitvector_3_elim_prop: |
---|
246 | ∀P: BitVector 3 → Prop. |
---|
247 | P [[false;false;false]] → P [[false;false;true]] → P [[false;true;false]] → |
---|
248 | P [[false;true;true]] → P [[true;false;false]] → P [[true;false;true]] → |
---|
249 | P [[true;true;false]] → P [[true;true;true]] → ∀v. P v. |
---|
250 | #P #H1 #H2 #H3 #H4 #H5 #H6 #H7 #H8 #H9 |
---|
251 | cases (bitvector_3_cases … H9) #l #assm cases assm |
---|
252 | -assm #c #assm cases assm |
---|
253 | -assm #r #assm cases assm destruct |
---|
254 | cases l cases c cases r assumption |
---|
255 | qed. |
---|