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Commit b5394ee0 authored by Peter Gerwinski's avatar Peter Gerwinski
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Vorbereitung 23.1.2020

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% hp-musterloesung-20191128.pdf - Solutions to the Exercises on Low-Level Programming
% Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019 Peter Gerwinski
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% document. If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
% README: Datum-Bibliothek, Text-Grafik-Bibliothek, LED-Blinkmuster
\documentclass[a4paper]{article}
\usepackage{pgscript}
\usepackage{sfmath}
\begin{document}
\section*{Hardwarenahe Programmierung\\
Musterlösung zu den Übungsaufgaben -- 28.\ November 2019}
\exercise{Datum-Bibliothek}
Zerlegen Sie die Datum-Bibliothek aus der Übungsaufgabe 2 vom 7.\,11.\,2019
in eine \file{.c}- und eine \file{.h}-Datei. \points{4}
Hinweis: Schreiben Sie zusätzlich ein Test-Programm.
\solution
Die Dateien \gitfile{hp}{20191128}{dates.c} und \gitfile{hp}{20191128}{dates.h} enthalten die Bibliothek,
die Datei \gitfile{hp}{20191128}{test-dates.c} ein Programm zum Testen der Bibliothek.
\exercise{Text-Grafik-Bibliothek}
Schreiben Sie eine Bibliothek für "`Text-Grafik"' mit folgenden Funktionen:\vspace*{-\medskipamount}
\begin{itemize}
\item
\lstinline|void clear (char c)|\\
Bildschirm auf Zeichen \lstinline|c| löschen,\\
also komplett mit diesem Zeichen (z.\,B.: Leerzeichen) füllen
\item
\lstinline|void put_point (int x, int y, char c)|\\
Punkt setzen (z.\,B.\ einen Stern (\lstinline{*}) an die Stelle $(x,y)$ "`malen"')
\item
\lstinline|char get_point (int x, int y)|\\
Punkt lesen
% \item
% \lstinline|void fill (int x, int y, char c, char o)|\\
% Fläche in der "`Farbe"' \lstinline|o|,
% die den Punkt \lstinline|(x, y)| enthält,
% mit der "`Farbe"' \lstinline|c| ausmalen
\item
\lstinline|void display (void)|\\
das Gezeichnete auf dem Bildschirm ausgeben
\end{itemize}
Hinweise:\vspace*{-\medskipamount}
\begin{itemize}
\item
Eine C-Bibliothek besteht aus (mindestens)
einer \file{.h}-Datei und einer \file{.c}-Datei.
\item
Verwenden Sie ein Array als "`Bildschirm"'.
Vor dem Aufruf der Funktion \lstinline|display()| ist nichts zu sehen;\\
alle Grafikoperationen erfolgen auf dem Array.
\item
Verwenden Sie Präprozessor-Konstante,
z.\,B.\ \lstinline{WIDTH} und \lstinline{HEIGHT},\\
um Höhe und Breite des "`Bildschirms"' festzulegen:
\begin{lstlisting}[gobble=8]
#define WIDTH 72
#define HEIGHT 24
\end{lstlisting}
\item
Schreiben Sie zusätzlich ein Test-Programm,
das alle Funktionen der Bibliothek benutzt,\\
um ein hübsches Bild (z.\,B.\ ein stilisiertes Gesicht -- "`Smiley"')
auszugeben.
\end{itemize}
\points{8}
\solution
Siehe die Dateien \gitfile{hp}{20191128}{textgraph.c} und \gitfile{hp}{20191128}{textgraph.h} (Bibliothek)
sowie \gitfile{hp}{20191128}{test-textgraph.c} (Test-Programm).
Diese Lösung erfüllt zusätzlich die Aufgabe,
bei fehlerhafter Benutzung (Koordinaten außerhalb des Zeichenbereichs)
eine sinnvolle Fehlermeldung auszugeben,
anstatt unkontrolliert Speicher zu überschreiben und abzustürzen.
Das Schlüsselwort \lstinline{static}
bei der Deklaration der Funktion \lstinline{check_coordinates()}
bedeutet, daß diese Funktion nur lokal (d.\,h.\ innerhalb der Bibliothek)
verwendet und insbesondere nicht nach außen
(d.\,h.\ für die Benutzung durch das Hauptprogramm) exportiert wird.
Dies dient dazu, nicht unnötig Bezeichner zu reservieren
(Vermeidung von "`Namensraumverschmutzung"').
Man beachte die Verwendung einfacher Anführungszeichen (Apostrophe)
bei der Angabe von \lstinline{char}-Kon"-stanten (\lstinline{'*'})
im Gegensatz zur Verwendung doppelter Anführungszeichen
bei der Angabe von String-Konstanten
(String = Array von \lstinline{char}s, abgeschlossen mit Null-Symbol).
Um das einfache Anführungszeichen selbst als \lstinline{char}-Konstante anzugeben,
ist ein vorangestellter Backslash erforderlich: \lstinline{'\''} ("`Escape-Sequenz"').
Entsprechendes gilt für die Verwendung doppelter Anführungszeichen
innerhalb von String-Konstanten:
\lstinline{printf ("Your name is: \"%s\"", name);}
\exercise{LED-Blinkmuster}
Wir betrachten das folgende Programm für einen ATmega32-Mikro-Controller
(Datei: \gitfile{hp}{20191128}{aufgabe-3.c}).
\begin{minipage}[t]{7cm}
\begin{lstlisting}[gobble=6]
#include <stdint.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
uint8_t counter = 1;
uint8_t leds = 0;
ISR (TIMER0_COMP_vect)
{
if (counter == 0)
{
leds = (leds + 1) % 8;
PORTC = leds << 4;
}
counter++;
}
\end{lstlisting}
\end{minipage}\hfill\begin{minipage}[t]{8.5cm}
\begin{lstlisting}[gobble=6]
void init (void)
{
cli ();
TCCR0 = (1 << CS01) | (1 << CS00);
TIMSK = 1 << OCIE0;
sei ();
DDRC = 0x70;
}
int main (void)
{
init ();
while (1)
; /* do nothing */
return 0;
}
\end{lstlisting}
\end{minipage}
An die Bits Nr.\ 4, 5 und 6 des Output-Ports C des Mikro-Controllers sind LEDs angeschlossen.\\
Sobald das Programm läuft, blinken diese in charakteristischer Weise:
\begin{quote}
\newcommand{\tdn}[1]{\raisebox{-2pt}{#1}}
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}\hline
\tdn{Phase} & \tdn{LED oben (rot)} & \tdn{LED Mitte (gelb)} & \tdn{LED unten (grün)} \\[2pt]\hline
1 & aus & aus & an \\\hline
2 & aus & an & aus \\\hline
3 & aus & an & an \\\hline
4 & an & aus & aus \\\hline
5 & an & aus & an \\\hline
6 & an & an & aus \\\hline
7 & an & an & an \\\hline
8 & aus & aus & aus \\\hline
\end{tabular}
\end{quote}
Jede Phase dauert etwas länger als eine halbe Sekunde.
Nach 8 Phasen wiederholt sich das Schema.
Erklären Sie das Verhalten des Programms anhand des Quelltextes:
\vspace{-\medskipamount}
\begin{itemize}\itemsep0pt
\item[(a)]
Wieso macht das Programm überhaupt etwas,
wenn doch das Hauptprogramm nach dem Initialisieren lediglich eine Endlosschleife ausführt,
in der \emph{nichts} passiert?
\points{1}
\item[(b)]
Wieso wird die Zeile \lstinline|PORTC = leds << 4;| überhaupt aufgerufen,
wenn dies doch nur unter der Bedingung \lstinline|counter == 0| passiert,
wobei die Variable \lstinline|counter| auf 1 initialisiert,
fortwährend erhöht und nirgendwo zurückgesetzt wird?
\points{2}
\item[(c)]
Wie kommt das oben beschriebene Blinkmuster zustande?
\points{2}
\item[(d)]
Wieso dauert eine Phase ungefähr eine halbe Sekunde?
\points{2}
\item[(e)]
Was bedeutet "`\lstinline|ISR (TIMER0_COMP_vect)|"'?
\points{1}
\end{itemize}
\goodbreak
Hinweis:
\vspace{-\medskipamount}
\begin{itemize}\itemsep0pt
\item
Die Funktion \lstinline|init()| sorgt dafür, daß der Timer-Interrupt Nr.\ 0 des Mikro-Controllers
etwa 488mal pro Sekunde aufgerufen wird.
Außerdem initialisiert sie die benötigten Bits an Port C als Output-Ports.
Sie selbst brauchen die Funktion \lstinline|init()| nicht weiter zu erklären.
\end{itemize}
\solution
\begin{itemize}\itemsep0pt
\item[(a)]
\textbf{Wieso macht das Programm überhaupt etwas,
wenn doch das Hauptprogramm nach dem Initialisieren lediglich eine Endlosschleife ausführt,
in der \emph{nichts} passiert?}
Das Blinken wird durch einen Interrupt-Handler implementiert.
Dieser wird nicht durch das Hauptprogramm,
sondern durch ein Hardware-Ereignis (hier: Uhr) aufgerufen.
\item[(b)]
\textbf{Wieso wird die Zeile \lstinline|PORTC = leds << 4;| überhaupt aufgerufen,
wenn dies doch nur unter der Bedingung \lstinline|counter == 0| passiert,
wobei die Variable \lstinline|counter| auf 1 initialisiert,
fortwährend erhöht und nirgendwo zurückgesetzt wird?}
Die vorzeichenlose 8-Bit-Variable \lstinline{counter} kann nur
Werte von 0 bis 255 annehmen; bei einem weiteren
INkrementieren springt sie wieder auf 0 (Überlauf),
und die \lstinline{if}-Bedingung ist erfüllt.
\item[(c)]
\textbf{Wie kommt das oben beschriebene Blinkmuster zustande?}
In jedem Aufruf des Interrupt-Handlers wird die Variable
\lstinline{leds} um 1 erhöht und anschließend modulo 8 genommen.
Sie durchläuft daher immer wieder die Zahlen von 0 bis 7.
Durch die Schiebeoperation \lstinline{leds << 4} werden die 3 Bits
der Variablen \lstinline{leds} an diejenigen Stellen im Byte
geschoben, an denen die LEDs an den Mikro-Controller
angeschlossen sind (Bits 4, 5 und 6).
Entsprechend durchläuft das Blinkmuster immer wieder
die Binärdarstellungen der Zahlen von 0 bis 7
(genauer: von 1 bis 7 und danach 0).
\item[(d)]
\textbf{Wieso dauert eine Phase ungefähr eine halbe Sekunde?}
Der Interrupt-Handler wird gemäß Hinweis 488mal pro Sekunde aufgerufen.
Bei jedem 256sten Aufruf ändert sich das LED-Muster.
Eine Phase dauert somit $\frac{256}{488} \approx 0.52$ Sekunden.
\item[(e)]
\textbf{Was bedeutet "`\lstinline|ISR (TIMER0_COMP_vect)|"'?}
Deklaration eines Interrupt-Handlers für den Timer-Interrupt Nr.\ 0
\end{itemize}
\end{document}
......@@ -31,7 +31,7 @@ Vortragsfolien und Beispiele:
* [02.01.2020: Quantencomputer, Datensicherheit und Datenschutz](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20200102/hp-20200102.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/tree/master/20200102/)
* [09.01.2020: Rekursion, Aufwandsabschätzungen, objektorientierte Programmierung](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20200109/hp-20200109.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/tree/master/20200109/)
* [16.01.2020: objektorientierte Programmierung, dynamische Speicherverwaltung](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20200116/hp-20200116.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/tree/master/20200116/)
* [23.01.2020: objektorientierte Programmierung, dynamische Speicherverwaltung](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20200123/hp-20200123.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/tree/master/20200123/)
* [23.01.2020: Objektorientierte Programmierung, Datenstrukturen](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20200123/hp-20200123.pdf) [**(Beispiele)**](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/tree/master/20200123/)
* [alle in 1 Datei](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/hp-slides-2019ws.pdf)
Übungsaufgaben:
......@@ -59,7 +59,8 @@ Musterlösungen:
* [07.11.2019: Arrays mit Zahlen, Datum-Bibliothek](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20191107/hp-musterloesung-20191107.pdf)
* [14.11.2019: Ausgabe von Hexadezimalzahlen, Einfügen in Strings, Länge von Strings](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20191114/hp-musterloesung-20191114.pdf)
* [21.11.2019: Zahlensysteme, Mikrocontroller](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20191121/hp-musterloesung-20191121.pdf)
* [28.11.2019: Datum-Bibliothek, Text-Grafik-Bibliothek, LED-Blinkmuster](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20191128/hp-musterloesung-20191121.pdf)
* [28.11.2019: Datum-Bibliothek, Text-Grafik-Bibliothek, LED-Blinkmuster](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20191128/hp-musterloesung-20191128.pdf)
* [23.01.2020: Datum-Bibliothek, Text-Grafik-Bibliothek, LED-Blinkmuster](https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp/raw/master/20200123/hp-musterloesung-20200123.pdf)
Tafelbilder:
------------
......
No preview for this file type
......@@ -38,4 +38,6 @@
\includepdf[pages=-]{20200109/hp-20200109.pdf}
\pdfbookmark[1]{16.01.2020: objektorientierte Programmierung, dynamische Speicherverwaltung}{20200116}
\includepdf[pages=-]{20200116/hp-20200116.pdf}
\pdfbookmark[1]{23.01.2020: Objektorientierte Programmierung, Datenstrukturen}{20200123}
\includepdf[pages=-]{20200123/hp-20200123.pdf}
\end{document}
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