diff --git a/20191219/Tower_of_Hanoi.jpeg b/20191219/Tower_of_Hanoi.jpeg new file mode 120000 index 0000000000000000000000000000000000000000..a1a794afda08596ffa2f46f278db53455de25b6c --- /dev/null +++ b/20191219/Tower_of_Hanoi.jpeg @@ -0,0 +1 @@ +../common/Tower_of_Hanoi.jpeg \ No newline at end of file diff --git a/20191219/hp-20191219.pdf b/20191219/hp-20191219.pdf new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..fb487ba50708bae94bf806b250a27b08718975e3 Binary files /dev/null and b/20191219/hp-20191219.pdf differ diff --git a/20191219/hp-20191219.tex b/20191219/hp-20191219.tex new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..c5ac855ac2a97c9b0ab37e6f79db7200d6592d6c --- /dev/null +++ b/20191219/hp-20191219.tex @@ -0,0 +1,721 @@ +% hp-20191219.pdf - Lecture Slides on Low-Level Programming +% Copyright (C) 2012, 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019 Peter Gerwinski +% +% This document is free software: you can redistribute it and/or +% modify it either under the terms of the Creative Commons +% Attribution-ShareAlike 3.0 License, or under the terms of the +% GNU General Public License as published by the Free Software +% Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) +% any later version. +% +% This document is distributed in the hope that it will be useful, +% but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of +% MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the +% GNU General Public License for more details. +% +% You should have received a copy of the GNU General Public License +% along with this document. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>. +% +% You should have received a copy of the Creative Commons +% Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License along with this +% document. If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>. + +% README: Binärdarstellung negativer Zahlen, Speicherausrichtung - Alignment + +\documentclass[10pt,t]{beamer} + +\usepackage{pgslides} +\usepackage{pdftricks} +\usepackage{tikz} + +\begin{psinputs} + \usepackage[utf8]{inputenc} + \usepackage[german]{babel} + \usepackage[T1]{fontenc} + \usepackage{helvet} + \renewcommand*\familydefault{\sfdefault} + \usepackage{pstricks,pst-grad} +\end{psinputs} + +\title{Hardwarenahe Programmierung} +\author{Prof.\ Dr.\ rer.\ nat.\ Peter Gerwinski} +\date{19.\ Dezember 2019} + +\begin{document} + +\maketitleframe + +\nosectionnonumber{\inserttitle} + +\begin{frame} + + \shownosectionnonumber + + \begin{itemize} + \item[\textbf{1}] \textbf{Einführung} + \hfill\makebox(0,0)[br]{\raisebox{2.25ex}{\url{https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp}}} + \item[\textbf{2}] \textbf{Einführung in C} + \item[\textbf{3}] \textbf{Bibliotheken} + \begin{itemize} + \item[3.1] Der Präprozessor + \item[3.2] Bibliotheken einbinden + \item[3.3] Bibliotheken verwenden + \color{medgreen} + \item[3.4] Projekt organisieren: make + \end{itemize} + \vspace*{-\smallskipamount} + \item[\textbf{4}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung} + \begin{itemize} + \vspace*{-0.1cm} + \item[\dots] +% \item[4.3] Interrupts + \item[4.4] volatile-Variable + \color{medgreen} + \item[4.6] Byte-Reihenfolge -- Endianness + \item[4.7] Binärdarstellung negativer Zahlen + \item[4.8] Speicherausrichtung -- Alignment + \end{itemize} + \item[\textbf{5}] \textbf{Algorithmen} + \begin{itemize} + \item[5.1] Differentialgleichungen + \vspace*{-0.1cm} + \item[\dots] + \end{itemize} + \vspace*{-\smallskipamount} + \item[\textbf{\dots}] + \end{itemize} + +\end{frame} + +\setcounter{section}{2} +\section{Bibliotheken} +\setcounter{subsection}{3} +\subsection{Projekt organisieren: make} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsection + \begin{itemize} + \item + \only<4->{explizite und implizite} Regeln + \begin{onlyenv}<2> + \smallskip + \begin{lstlisting}[language=make,gobble=10] + hello-6: hello-6.o pruzzel.o + gcc hello-6.o pruzzel.o -o hello-6 + + pruzzel.o: pruzzel.c pruzzel.h + gcc -Wall -O pruzzel.c -c + + hello-6.o: hello-6.c pruzzel.h + gcc -Wall -O hello-6.c -c + \end{lstlisting} + \end{onlyenv} + \begin{onlyenv}<4> + \smallskip + \begin{lstlisting}[language=make,gobble=10] + TARGET = hello-6 + OBJECTS = hello-6.o pruzzel.o + HEADERS = pruzzel.h + CFLAGS = -Wall -O + + $(TARGET): $(OBJECTS) + gcc $(OBJECTS) -o $(TARGET) + + %.o: %.c $(HEADERS) + gcc $(CFLAGS) $< -c + + clean: + rm -f $(OBJECTS) $(TARGET) + \end{lstlisting} + \end{onlyenv} + \item + Makros + \begin{onlyenv}<3> + \smallskip + \begin{lstlisting}[language=make,gobble=10] + TARGET = hello-6 + OBJECTS = hello-6.o pruzzel.o + HEADERS = pruzzel.h + CFLAGS = -Wall -O + + $(TARGET): $(OBJECTS) + gcc $(OBJECTS) -o $(TARGET) + + pruzzel.o: pruzzel.c $(HEADERS) + gcc $(CFLAGS) pruzzel.c -c + + hello-6.o: hello-6.c $(HEADERS) + gcc $(CFLAGS) hello-6.c -c + + clean: + rm -f $(OBJECTS) $(TARGET) + \end{lstlisting} + \vspace*{-1cm} + \end{onlyenv} + \begin{onlyenv}<5-> + \smallskip + \arrowitem + 3 Sprachen: C, Präprozessor, make + \end{onlyenv} + \end{itemize} + +\end{frame} + +\setcounter{section}{3} +\section{Hardwarenahe Programmierung} +\setcounter{subsection}{3} +\subsection{volatile-Variable} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsection + + Was ist eigentlich \lstinline{PORTD}? + + \bigskip +% \pause + + \lstinline[style=cmd]{avr-gcc -Wall -Os -mmcu=atmega328p blink-3.c -E} + + \bigskip +% \pause + \lstinline{PORTD = 0x01;}\\ + \textarrow\quad + \lstinline[style=terminal]{(*(volatile uint8_t *)((0x0B) + 0x20)) = 0x01;}\\ +% \pause + \begin{picture}(0,2)(0,-1.7) + \color{red} + \put(5.75,0.3){$\underbrace{\rule{2.95cm}{0pt}}_{\mbox{Zahl: \lstinline|0x2B|}}$} +% \pause + \put(1.55,0.3){$\underbrace{\rule{4.0cm}{0pt}}_{\mbox{\shortstack[t]{Umwandlung in Zeiger\\ + auf \lstinline|volatile uint8_t|}}}$} +% \pause + \put(1.32,-1){\makebox(0,0)[b]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(0,1.3)}}} + \put(1.12,-1.1){\makebox(0,0)[tl]{Dereferenzierung des Zeigers}} + \end{picture} + +% \pause + \textarrow\quad + \lstinline|volatile uint8_t|-Variable an Speicheradresse \lstinline|0x2B| + +% \pause + \bigskip + \bigskip + + \textarrow\quad + \lstinline|PORTA = PORTB = PORTC = PORTD = 0| ist eine schlechte Idee. + +\end{frame} + +\subsection{Byte-Reihenfolge -- Endianness} +\subsubsection{Konzept} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsection + \showsubsubsection + + Eine Zahl geht über mehrere Speicherzellen.\\ + Beispiel: 16-Bit-Zahl in 2 8-Bit-Speicherzellen + + \smallskip + + Welche Bits liegen wo? + +% \pause + \bigskip + + $1027 = 1024 + 2 + 1 = 0000\,0100\,0000\,0011_2 = 0403_{16}$ + +% \pause + \bigskip + Speicherzellen: + + \medskip + \begin{tabular}{|c|c|l}\cline{1-2} + \raisebox{-0.25ex}{04} & \raisebox{-0.25ex}{03} & \strut Big-Endian "`großes Ende zuerst"' \\\cline{1-2} + \multicolumn{2}{c}{} & für Menschen leichter lesbar \\ + \multicolumn{3}{c}{} \\[-5pt]\cline{1-2} + \raisebox{-0.25ex}{03} & \raisebox{-0.25ex}{04} & \strut Little-Endian "`kleines Ende zuerst"' \\\cline{1-2} + \multicolumn{2}{c}{} & bei Additionen effizienter + \end{tabular} + +% \pause + \medskip + \textarrow\ Geschmackssache +% \pause\\ + \quad\textbf{\dots\ außer bei Datenaustausch!} + +% \pause +% \bigskip +% +% Aber: nicht verwechseln! \qquad $0304_{16} = 772$ + +\end{frame} + +\begin{frame} + + \showsubsection + \showsubsubsection + + Eine Zahl geht über mehrere Speicherzellen.\\ + Beispiel: 16-Bit-Zahl in 2 8-Bit-Speicherzellen + + \smallskip + + Welche Bits liegen wo? + + \medskip + + \textarrow\ Geschmackssache\\ + \textbf{\dots\ außer bei Datenaustausch!} + + \begin{itemize} + \item + Dateiformate + \item + Datenübertragung + \end{itemize} + +\end{frame} + +\subsubsection{Dateiformate} + +\begin{frame} + + \showsubsection + \showsubsubsection + + Audio-Formate: Reihenfolge der Bytes in 16- und 32-Bit-Zahlen + \begin{itemize} + \item + RIFF-WAVE-Dateien (\file{.wav}): Little-Endian + \item + Au-Dateien (\file{.au}): Big-Endian +% \pause + \item + ältere AIFF-Dateien (\file{.aiff}): Big-Endian + \item + neuere AIFF-Dateien (\file{.aiff}): Little-Endian + \end{itemize} + +% \pause + \bigskip + + Grafik-Formate: Reihenfolge der Bits in den Bytes + \begin{itemize} + \item + PBM-Dateien: Big-Endian\only<1->{, MSB first} + \item + XBM-Dateien: Little-Endian\only<1->{, LSB first} + \end{itemize} + \only<1->{MSB/LSB = most/least significant bit} + +\end{frame} + +\subsubsection{Datenübertragung} + +\begin{frame} + + \showsubsection + \showsubsubsection + + \begin{itemize} + \item + RS-232 (serielle Schnittstelle): LSB first + \item + I$^2$C: MSB first + \item + USB: beides +% \pause + \medskip + \item + Ethernet: LSB first + \item + TCP/IP (Internet): Big-Endian + \end{itemize} + +\end{frame} + +\subsection{Binärdarstellung negativer Zahlen} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsection + + Speicher ist begrenzt!\\ + \textarrow\ feste Anzahl von Bits + + \medskip + + 8-Bit-Zahlen ohne Vorzeichen: \lstinline{uint8_t}\\ + \textarrow\ Zahlenwerte von \lstinline{0x00} bis \lstinline{0xff} = 0 bis 255\\ + \pause + \textarrow\ 255 + 1 = 0 + + \pause + \medskip + + 8-Bit-Zahlen mit Vorzeichen: \lstinline{int8_t}\\ + \lstinline{0xff} = 255 ist die "`natürliche"' Schreibweise für $-1$.\\ + \pause + \textarrow\ Zweierkomplement + + \pause + \medskip + + Oberstes Bit = 1: negativ\\ + Oberstes Bit = 0: positiv\\ + \textarrow\ 127 + 1 = $-128$ + +\end{frame} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsection + + Speicher ist begrenzt!\\ + \textarrow\ feste Anzahl von Bits + + \medskip + + 16-Bit-Zahlen ohne Vorzeichen: + \lstinline{uint16_t}\hfill\lstinline{uint8_t}\\ + \textarrow\ Zahlenwerte von \lstinline{0x0000} bis \lstinline{0xffff} + = 0 bis 65535\hfill 0 bis 255\\ + \textarrow\ 65535 + 1 = 0\hfill 255 + 1 = 0 + + \medskip + + 16-Bit-Zahlen mit Vorzeichen: + \lstinline{int16_t}\hfill\lstinline{int8_t}\\ + \lstinline{0xffff} = 66535 ist die "`natürliche"' Schreibweise für $-1$.\hfill + \lstinline{0xff} = 255 = $-1$\\ + \textarrow\ Zweierkomplement + + \medskip + + Oberstes Bit = 1: negativ\\ + Oberstes Bit = 0: positiv\\ + \textarrow\ 32767 + 1 = $-32768$ + + \bigskip + Literatur: \url{http://xkcd.com/571/} + +\end{frame} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsection + + Frage: \emph{Für welche Zahl steht der Speicherinhalt\, + \raisebox{2pt}{% + \tabcolsep0.25em + \begin{tabular}{|c|c|}\hline + \rule{0pt}{11pt}a3 & 90 \\\hline + \end{tabular}} + (hexadezimal)?} + + \pause + \smallskip + Antwort: \emph{Das kommt darauf an.} ;--) + + \pause + \medskip + Little-Endian: + + \smallskip + + \begin{tabular}{lrl} + als \lstinline,int8_t,: & $-93$ & (nur erstes Byte)\\ + als \lstinline,uint8_t,: & $163$ & (nur erstes Byte)\\ + als \lstinline,int16_t,: & $-28509$\\ + als \lstinline,uint16_t,: & $37027$\\ + \lstinline,int32_t, oder größer: & $37027$ + & (zusätzliche Bytes mit Nullen aufgefüllt) + \end{tabular} + + \pause + \medskip + Big-Endian: + + \smallskip + + \begin{tabular}{lrl} + als \lstinline,int8_t,: & $-93$ & (nur erstes Byte)\\ + als \lstinline,uint8_t,: & $163$ & (nur erstes Byte)\\ + als \lstinline,int16_t,: & $-23664$\\ + als \lstinline,uint16_t,: & $41872$\\ + als \lstinline,int32_t,: & $-1550843904$ & (zusätzliche Bytes\\ + als \lstinline,uint32_t,: & $2744123392$ & mit Nullen aufgefüllt)\\ + als \lstinline,int64_t,: & $-6660823848880963584$\\ + als \lstinline,uint64_t,: & $11785920224828588032$\\ + \end{tabular} + + \vspace*{-1cm} + +\end{frame} + +\subsection{Speicherausrichtung -- Alignment} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsection + + \begin{lstlisting} + #include <stdint.h> + + uint8_t a; + uint16_t b; + uint8_t c; + \end{lstlisting} + + \pause + \bigskip + + Speicheradresse durch 2 teilbar -- "`16-Bit-Alignment"' + \begin{itemize} + \item + 2-Byte-Operation: effizienter + \pause + \item + \dots\ oder sogar nur dann erlaubt + \pause + \arrowitem + Compiler optimiert Speicherausrichtung + \end{itemize} + + \medskip + + \pause + \begin{minipage}{3cm} + \begin{lstlisting}[gobble=6] + ¡uint8_t a; + uint8_t dummy; + uint16_t b; + uint8_t c;¿ + \end{lstlisting} + \end{minipage} + \pause + \begin{minipage}{3cm} + \begin{lstlisting}[gobble=6] + ¡uint8_t a; + uint8_t c; + uint16_t b;¿ + \end{lstlisting} + \end{minipage} + + \pause + \vspace{-1.75cm} + \strut\hfill + \begin{minipage}{6.5cm} + Fazit: + \begin{itemize} + \item + \textbf{Adressen von Variablen\\ + sind systemabhängig} + \item + Bei Definition von Datenformaten\\ + Alignment beachten \textarrow\ effizienter + \end{itemize} + \end{minipage} + +\end{frame} + +\section{Algorithmen} +\setcounter{subsection}{1} +\subsection{Rekursion} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsection + + Vollständige Induktion: + \vspace*{-0.725cm} + \begin{displaymath} + \hspace*{4cm} + \left. + \begin{array}{r} + \mbox{Aussage gilt für $n = 1$}\\[2pt] + \mbox{Schluß von $n - 1$ auf $n$} + \end{array} + \right\} + \mbox{Aussage gilt für alle $n\in\mathbb{N}$} + \end{displaymath} + \vspace*{-0.5cm} + + \pause + + Türme von Hanoi + + \begin{onlyenv}<2> + \begin{center} + \includegraphics[width=12.2cm]{Tower_of_Hanoi.jpeg} + \end{center} + \end{onlyenv} + + \begin{onlyenv}<3-> + \begin{itemize} + \item + 64 Scheiben, 3 Plätze, + \only<3-4>{\hfill\makebox(0,0)[rt]{\includegraphics[width=6cm]{Tower_of_Hanoi.jpeg}}}\\ + immer 1 Scheibe verschieben + \item + Ziel: Turm verschieben + \item + Es dürfen nur kleinere Scheiben\\ + auf größeren liegen. + \bigskip + \pause + \pause + \item + $n = 1$ Scheibe: fertig + \item + Wenn $n - 1$ Scheiben verschiebbar:\\ + schiebe $n - 1$ Scheiben auf Hilfsplatz,\\ + verschiebe die darunterliegende,\\ + hole $n - 1$ Scheiben von Hilfsplatz + \end{itemize} + \begin{onlyenv}<5> + \vspace{-4.3cm} + \begin{lstlisting}[gobble=8,xleftmargin=6.4cm] + void move (int from, int to, int disks) + { + if (disks == 1) + move_one_disk (from, to); + else + { + int help = 0 + 1 + 2 - from - to; + move (from, help, disks - 1); + move (from, to, 1); + move (help, to, disks - 1); + } + } + \end{lstlisting} + \end{onlyenv} + \begin{onlyenv}<6-> + \vspace{-5.0cm} + \hspace*{7.4cm}\begin{minipage}[t]{5cm} + 32 Scheiben: + \begin{lstlisting}[gobble=10,style=terminal] + $ ¡time ./hanoi-9a¿ + ... + real 0m32,712s + user 0m32,708s + sys 0m0,000s + \end{lstlisting} + \pause[7] + \begin{itemize} + \arrowitem + etwas über 1 Minute\\ + für 64 Scheiben + \end{itemize} + \pause + \vspace*{-0.5cm} + \begin{picture}(0,0) + \color{red} + \put(0,0){\makebox(0,0)[bl]{\tikz[line width=1pt]{\draw(0,0)--(4,0.8);}}} + \put(0,0.8){\makebox(0,0)[tl]{\tikz[line width=1pt]{\draw(0,0)--(4,-0.8);}}} + \end{picture} + + Für jede zusätzliche Scheibe\\verdoppelt sich die Rechenzeit! + % 32.712 * 2^32 / 3600 / 24 / 365.25 = 4452.08032888280477602859 + \begin{itemize} + \arrowitem + $\frac{32,712\,\text{s}\,\cdot\,2^{32}}{3600\,\cdot\,24\,\cdot\,365,25} \approx 4452$ + Jahre\\[\smallskipamount] + für 64 Scheiben + \end{itemize} + \end{minipage} + \end{onlyenv} + \end{onlyenv} + +\end{frame} + +\subsection{Aufwandsabschätzungen \protect\color{gray}-- Komplexitätsanalyse} + +\begin{frame}[fragile] + + \newcommand{\w}{\hspace*{0.75pt}} + + \showsubsection + + \begin{picture}(0,0) + \put(7.8,-0.3){% + \begin{minipage}[t]{5.3cm} + \vspace*{-1.0cm}\includegraphics{landau-symbols.pdf} +% \vspace*{-1.0cm}\alt<2->{\includegraphics{landau-symbols-2.pdf}}% +% {\includegraphics{landau-symbols.pdf}} + \small + \begin{description}\itemsep0pt\leftskip-0.5cm + \item[$n$:] Eingabedaten + \item[$g(n)$:] Rechenzeit + \end{description} + \end{minipage}} + \end{picture} + + \vspace*{-1.5\bigskipamount} + + \begin{itemize} + \item + Türme von Hanoi: $\mathcal{O}(2^n)$ + \begin{onlyenv}<1> + \par\medskip + Für jede zusätzliche Scheibe\\verdoppelt sich die Rechenzeit! + % 32.712 * 2^32 / 3600 / 24 / 365.25 = 4452.08032888280477602859 + \begin{itemize} + \arrowitem + $\frac{32,712\,\text{s}\,\cdot\,2^{32}}{3600\,\cdot\,24\,\cdot\,365,25} \approx 4452$ + Jahre\\[\smallskipamount] + für 64 Scheiben + \end{itemize} + \end{onlyenv} + \end{itemize} + + \pause + + Beispiel: Sortieralgorithmen + + \begin{itemize} + \item + Minimum suchen: \alt<4->{$\mathcal{O}(n)$}{$\mathcal{O}(\textbf{\color{red}?})$} + \pause + \item + \dots\ mit Schummeln: $\mathcal{O}(1)$ + \pause + \pause + \begin{picture}(0,0) + \put(-4.742,-3.7){\begin{minipage}[t]{12cm} + Faustregel:\\Schachtelung der Schleifen zählen\\ + $x$ Schleifen \textarrow\ $\mathcal{O}(n\w^x)$ +% \pause +% \begin{tabbing} +% Verschlüsselung brechen (Primfaktorzerlegung):~\=\kill +% \textbf{\color{red}RSA}: Schlüsselerzeugung (Berechnung von $d\/$): +% \> \color{red}$\mathcal{O}\bigl((\log n)^2\bigr)$,\\[\smallskipamount] +% Ver- und Entschlüsselung (Exponentiation): +% \> \color{red}$\mathcal{O}\kern0.5pt(n\log n)$,\\[0.5\smallskipamount] +% Verschlüsselung brechen (Primfaktorzerlegung): +% \> \color{red}$\mathcal{O}\bigl(2^{\sqrt{\log n\,\cdot\,\log\log n}}\bigr)$ +% \end{tabbing} + \end{minipage}} + \end{picture} + \pause + \item + Minimum an den Anfang tauschen,\\ + nächstes Minimum suchen:\\ + \textarrow\ Selectionsort\pause: $\mathcal{O}(n\w^2)$ +% \pause +% \item +% Während Minimumsuche prüfen\\und abbrechen, falls schon sortiert\\ +% \textarrow\ Bubblesort\pause: $\mathcal{O}(n)$ bis $\mathcal{O}(n\w^2)$ +% \pause +% \item +% Rekursiv sortieren\\ +% \textarrow\ Quicksort\pause: $\mathcal{O}(n\log n)$ bis $\mathcal{O}(n\w^2)$\hfill + \end{itemize} + +\end{frame} + +\end{document} diff --git a/20191219/landau-symbols.pdf b/20191219/landau-symbols.pdf new file mode 120000 index 0000000000000000000000000000000000000000..ca145425bf07439c680632aa0663f84be601a565 --- /dev/null +++ b/20191219/landau-symbols.pdf @@ -0,0 +1 @@ +../common/landau-symbols.pdf \ No newline at end of file diff --git a/20191219/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf b/20191219/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..3725a72c764b4d9ab200553474e4262161f7a5b5 Binary files /dev/null and b/20191219/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf differ diff --git a/20191219/logo-hochschule-bochum.pdf b/20191219/logo-hochschule-bochum.pdf new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..8cad73dbb48a2b550bf29355b5a6ec895ce091f8 Binary files /dev/null and b/20191219/logo-hochschule-bochum.pdf differ diff --git a/20191219/pgscript.sty b/20191219/pgscript.sty new file mode 120000 index 0000000000000000000000000000000000000000..95c888478c99ea7fda0fd11ccf669ae91be7178b --- /dev/null +++ b/20191219/pgscript.sty @@ -0,0 +1 @@ +../common/pgscript.sty \ No newline at end of file