Update Hanoi-Beispielprogramme; Vorbereitung 21.11.2016

20161114/hanoi-0.c

@@ -22,4 +22,5 @@ int main (void)
   n[1] = 0;
   n[2] = 0;
   display ();
+  return 0;
 }

20161114/hanoi-1.c

@@ -26,4 +26,5 @@ int main (void)
   n[1] = 0;
   n[2] = 0;
   display ();
+  return 0;
 }

20161114/hanoi-2.c

@@ -24,4 +24,5 @@ int main (void)
   n[1] = 0;
   n[2] = 0;
   display ();
+  return 0;
 }

20161114/hanoi-3.c

@@ -40,4 +40,5 @@ int main (void)
   n[2] = 0;
   move (2, 0, 1);
   display ();
+  return 0;
 }

20161114/hanoi-4.c

@@ -40,4 +40,5 @@ int main (void)
   n[2] = 0;
   move (0, 2, 1);
   display ();
+  return 0;
 }

20161114/hanoi-5.c

@@ -41,4 +41,5 @@ int main (void)
   n[2] = 0;
   display ();
   move (0, 2, 1);
+  return 0;
 }

20161114/hanoi-6.c

@@ -48,4 +48,5 @@ int main (void)
   n[2] = 0;
   display ();
   move (0, 2, DISKS);
+  return 0;
 }

20161114/hanoi-7.c

@@ -48,4 +48,5 @@ int main (void)
   n[2] = 0;
   display ();
   move (0, 2, DISKS);
+  return 0;
 }

20161114/hanoi-8.c

@@ -48,4 +48,5 @@ int main (void)
   n[2] = 0;
   display ();
   move (0, 2, DISKS);
+  return 0;
 }

20161114/hanoi-9.c

@@ -54,4 +54,5 @@ int main (void)
   display ();
   move (0, 2, DISKS);
   display ();
+  return 0;
 }

20161121/Tower_of_Hanoi.jpeg

+../common/Tower_of_Hanoi.jpeg
\ No newline at end of file

20161121/hp-20161121.tex

+% hp-20161121.pdf - Lecture Slides on Low-Level Programming
+% Copyright (C) 2012, 2013, 2015, 2016  Peter Gerwinski
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+
+\documentclass[10pt,t]{beamer}
+
+\usepackage{pgslides}
+\usepackage{tikz}
+
+\title{Angewandte Informatik\\Hardwarenahe Programmierung}
+\author{Prof.\ Dr.\ rer.\ nat.\ Peter Gerwinski}
+\date{21.\ November 2016}
+
+\begin{document}
+
+\maketitleframe
+
+\title{Hardwarenahe Programmierung}
+
+\nosectionnonumber{\inserttitle}
+
+\begin{frame}
+
+  \shownosectionnonumber
+
+  \begin{itemize}
+    \item[\textbf{1}] \textbf{Einführung}
+    \item[\textbf{2}] \textbf{Einführung in C}
+    \item[\textbf{3}] \textbf{Bibliotheken}
+    \item[\textbf{4}] \textbf{Algorithmen}
+      \begin{itemize}
+        \item[4.1] Differentialgleichungen
+        \color{medgreen}
+        \item[4.2] Rekursion
+        \color{orange}
+        \item[4.3] Aufwandsabschätzungen
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{5}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung}
+      \begin{itemize}
+        \color{red}
+        \item[5.1] Bit-Operationen
+        \item[5.2] I/O-Ports
+        \item[5.3] Interrupts
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{6}] \textbf{Objektorientierte Programmierung}
+  \end{itemize}
+  \vspace*{-1cm}
+
+\end{frame}
+
+\setcounter{section}{3}
+\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}
+    \pause
+    \vspace{-4.3cm}
+    \begin{lstlisting}[gobble=6,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}
+
+\end{frame}
+
+\iffalse
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsection
+
+  Floodfill
+
+  \smallskip
+
+  \begin{lstlisting}
+    void fill (int x, int y, char c, char o)
+    {
+      if (get_point (x, y) == o)
+        {
+          put_point (x, y, c);
+          fill (x + 1, y, c, o);
+          fill (x - 1, y, c, o);
+          fill (x, y + 1, c, o);
+          fill (x, y - 1, c, o);
+        }
+    }
+  \end{lstlisting}
+
+\end{frame}
+
+\fi
+
+\subsection{Aufwandsabschätzungen}
+
+\begin{frame}[fragile]
+  \showsubsection
+
+  \newcommand{\w}{\hspace*{0.75pt}}
+
+  \begin{picture}(0,0)
+    \put(0,-4.5){\begin{minipage}[t]{12cm}
+                   \begin{onlyenv}<3->
+                     \medskip\par
+                     Faustregel:\\Schachtelung der Schleifen zählen\\
+                     $x$ Schleifen \textarrow\ $\mathcal{O}(n\w^x)$
+                   \end{onlyenv}
+                   \begin{onlyenv}<8->
+                     \medskip\par
+                     RSA: Schlüsselerzeugung $\approx\mathcal{O}(n^2)$,\\
+                     Ver- und Entschlüsselung (Exponentiation) $\approx\mathcal{O}(n\log n)$,\\
+                     Verschlüsselung brechen (Primfaktorzerlegung) 
+                     $\approx\mathcal{O}(2^{\sqrt{\log n\,\cdot\,\log\log n}})$
+                   \end{onlyenv}
+                 \end{minipage}}
+  \end{picture}%
+  Beispiel: Sortieralgorithmen
+
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Minimum suchen\only<3->{: $\mathcal{O}(n)$}
+      \hfill
+      \visible<3->{\begin{minipage}[t]{5.6cm}
+        \only<3-7>{\vspace*{-1.3cm}\includegraphics{landau-symbols.pdf}}
+        \only<8->{\vspace*{-1.618cm}\includegraphics{landau-symbols-2.pdf}}
+        \small
+        \begin{description}\itemsep0pt
+          \item[$n$:] Eingabedaten
+          \item[$g(n)$:] Rechenzeit
+        \end{description}
+        \vspace*{-10cm}\strut
+      \end{minipage}}
+    \pause
+    \item
+      Minimum an den Anfang tauschen,\\
+      nächstes Minimum suchen\\
+      \textarrow\ Selectionsort\pause[3]: $\mathcal{O}(n\w^2)$
+    \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}
+
+\nosectionnonumber{\inserttitle}
+
+\begin{frame}
+
+  \shownosectionnonumber
+
+  \begin{itemize}
+    \item[\textbf{1}] \textbf{Einführung}
+    \item[\textbf{2}] \textbf{Einführung in C}
+    \item[\textbf{3}] \textbf{Bibliotheken}
+    \item[\textbf{4}] \textbf{Algorithmen}
+      \begin{itemize}
+        \item[4.1] Differentialgleichungen
+        \color{medgreen}
+        \item[4.2] Rekursion
+        \item[4.3] Aufwandsabschätzungen
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{5}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung}
+      \begin{itemize}
+        \color{red}
+        \item[5.1] Bit-Operationen
+        \item[5.2] I/O-Ports
+        \item[5.3] Interrupts
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{6}] \textbf{Objektorientierte Programmierung}
+  \end{itemize}
+  \vspace*{-1cm}
+
+\end{frame}
+
+\section{Hardwarenahe Programmierung}
+\subsection{Bit-Operationen}
+\subsubsection{Zahlensysteme}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsection
+  \pause
+  \vspace*{-\smallskipamount}
+  \showsubsection
+  \pause
+  \vspace*{-\medskipamount}
+  \showsubsubsection
+  \pause
+
+  \begin{onlyenv}<4>
+    \begin{tabular}{rlr}
+      Basis & & Beispiel \\[\smallskipamount]
+        2 & Binärsystem & 1\,0000\,0011 \\
+        8 & Oktalsystem & \lstinline,0403, \\
+       10 & Dezimalsystem & \lstinline,259,\\
+       16 & Hexadezimalsystem & \lstinline,0x103, \\
+      256 & IP-Adressen (IPv4) & 0.0.1.3
+    \end{tabular}
+  \end{onlyenv}
+
+  \begin{onlyenv}<5>
+
+    Oktal- und Hexadezimal-Zahlen lassen sich ziffernweise\\
+    in Binär-Zahlen umrechnen:
+
+    \begin{verbatim}
+      000 0        0000 0  1000 8
+      001 1        0001 1  1001 9
+      010 2        0010 2  1010 A
+      011 3        0011 3  1011 B
+      100 4        0100 4  1100 C
+      101 5        0101 5  1101 D
+      110 6        0110 6  1110 E
+      111 7        0111 7  1111 F
+    \end{verbatim}
+
+  \end{onlyenv}
+
+\end{frame}
+
+\subsubsection{Bit-Operationen in C}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsubsection
+
+  \begin{tabular}{lll}
+    C-Operator     & Verknüpfung              & Anwendung                \\[\smallskipamount]
+    \lstinline,&,  & Und                      & Bits gezielt löschen     \\
+    \lstinline,|,  & Oder                     & Bits gezielt setzen      \\
+    \lstinline,^,  & Exklusiv-Oder            & Bits gezielt invertieren \\
+    \lstinline,~,  & Nicht                    & Alle Bits invertieren    \\[\smallskipamount]
+    \lstinline,<<, & Verschiebung nach links  & Maske generieren         \\
+    \lstinline,>>, & Verschiebung nach rechts & Bits isolieren
+  \end{tabular}
+
+  \bigskip
+
+  Aufgabe: Schreiben Sie C-Funktionen, die ein "`Array von Bits"' realisieren, z.\,B.
+
+  \smallskip
+
+  \begin{tabular}[t]{ll}
+    \lstinline|void set_bit (int i);|   & Bei Index $i$ auf 1 setzen \\
+    \lstinline|void clear_bit (int i);| & Bei Index $i$ auf 0 setzen \\
+    \lstinline|int get_bit (int i);|    & Bei Index $i$ lesen
+  \end{tabular}
+
+  \medskip
+
+  Hinweise:
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Die Größe des Bit-"`Arrays"' (z.\,B.\ 1000) dürfen Sie als \emph{vorher bekannt\/} voraussetzen.
+    \item
+      Sie benötigen ein Array, z.\,B.\ von \lstinline|char|- oder \lstinline|int|-Variablen.
+    \item
+      Sie benötigen eine Division (\lstinline|/|) sowie den Divisionsrest (Modulo: \lstinline|%|).
+  \end{itemize}
+\end{frame}
+
+\subsection{I/O-Ports}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+%  \showsection
+  \showsubsection
+  \vspace*{-1.5\medskipamount}
+  {\large\textbf{\color{structure}5.3\quad Interrupts}}
+
+  \bigskip
+
+  Kommunikation mit externen Geräten
+
+  \bigskip
+
+  \begin{center}
+    \includegraphics{io-ports-and-interrupts.pdf}
+  \end{center}
+
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsection
+
+  In Output-Port schreiben = Leitungen ansteuern
+
+  \medskip
+
+  Datei: \file{RP6Base/RP6Base\_Examples/RP6Examples\_20080915/\\
+  RP6Lib/RP6base/RP6RobotBaseLib.c}
+
+  Suchbegriff: \lstinline{setMotorDir}
+
+  \medskip
+
+  \begin{lstlisting}
+    void setMotorDir(uint8_t left_dir, uint8_t right_dir)
+    {
+      /* ... */
+      if(left_dir)
+        PORTC |= DIR_L;
+      else
+        PORTC &= ~DIR_L;
+      if(right_dir)
+        PORTC |= DIR_R;
+      else
+        PORTC &= ~DIR_R;
+    }
+  \end{lstlisting}
+  \begin{picture}(0,0)
+    \color{red}
+    \put(2.2,0.50){\vector(-2,1){0.5}}
+    \put(2.25,0.40){\makebox(0,0)[l]{Output-Port}}
+    \put(4.7,3.0){\vector(-2,1){0.75}}
+    \put(4.7,3.0){\vector(-2,-1){0.75}}
+    \put(4.8,3.0){\makebox(0,0)[l]{Manipulation einzelner Bits}}
+  \end{picture}
+
+  \vspace*{-1.5cm}
+  \strut\hfill\textarrow\ Steuerung der Motordrehrichtung
+
+\end{frame}
+
+\subsection{Interrupts}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsection
+
+  Externes Gerät ruft (per Stromsignal) Unterprogramm auf
+
+  Zeiger hinterlegen: "`Interrupt-Vektor"'
+
+  \medskip
+
+  Datei: \file{RP6Base/RP6Base\_Examples/RP6Examples\_20080915/\\
+  RP6Lib/RP6base/RP6RobotBaseLib.c}
+
+  Suchbegriff: \lstinline{ISR}
+
+  \vspace{2.0cm}
+
+  \begin{lstlisting}
+    ISR (INT0_vect)
+    {
+      mleft_dist++;
+      mleft_counter++;
+      /* ... */
+    }
+  \end{lstlisting}
+  \begin{picture}(0,0)
+    \color{red}
+    \put(1.9,4.3){\vector(-1,-1){1.4}}
+    \put(2.0,4.4){\makebox(0,0)[l]{"`Dies ist ein Interrupt-Handler."'}}
+    \put(2.3,3.6){\vector(-1,-1){0.7}}
+    \put(2.4,3.6){\makebox(0,0)[l]{Interrupt-Vektor 0 darauf zeigen lassen}}
+    \put(3.7,2.9){\makebox(0,0)[l]{Schreibweise herstellerspezifisch!}}
+  \end{picture}
+
+  \vspace*{-1.5cm}
+  \strut\hfill Aufruf durch Sensor an Encoder-Scheibe\\
+  \strut\hfill\textarrow\ Entfernungsmessung
+
+\end{frame}
+
+\nosectionnonumber{\inserttitle}
+
+\begin{frame}
+
+  \shownosectionnonumber
+
+  \begin{itemize}
+    \item[\textbf{1}] \textbf{Einführung}
+    \item[\textbf{2}] \textbf{Einführung in C}
+    \item[\textbf{3}] \textbf{Bibliotheken}
+    \item[\textbf{4}] \textbf{Algorithmen}
+      \begin{itemize}
+        \item[4.1] Differentialgleichungen
+        \item[4.2] Rekursion
+        \item[4.3] Aufwandsabschätzungen
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{5}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung}
+      \begin{itemize}
+        \color{medgreen}
+        \item[5.1] Bit-Operationen
+        \item[5.2] I/O-Ports
+        \item[5.3] Interrupts
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{6}] \textbf{Objektorientierte Programmierung}
+  \end{itemize}
+  \vspace*{-1cm}
+
+\end{frame}
+
+\end{document}

20161121/io-ports-and-interrupts.pdf

+../common/io-ports-and-interrupts.pdf
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20161121/landau-symbols-2.pdf

+../common/landau-symbols-2.pdf
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+../common/landau-symbols.pdf
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20161121/logo-hochschule-bochum-cvh-text.pdf

+../common/logo-hochschule-bochum-cvh-text.pdf
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20161121/logo-hochschule-bochum.pdf

+../common/logo-hochschule-bochum.pdf
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20161121/pgslides.sty

+../common/pgslides.sty
\ No newline at end of file