Vorbereitung 9.11.2023

20231109/Makefile

+%.elf: %.c
+	avr-gcc -Wall -Os -mmcu=atmega328p $< -o $@
+
+%.hex: %.elf
+	avr-objcopy -O ihex $< $@
+
+download:
+	./download.sh

20231109/aufgabe-2.c

+#include <avr/io.h>
+
+int main (void)
+{
+  DDRA = 0xff;
+  DDRB = 0xff;
+  DDRC = 0xff;
+  DDRD = 0xff;
+  PORTA = 0x1f;
+  PORTB = 0x10;
+  PORTD = 0x10;
+  PORTC = 0xfc;
+  while (1);
+  return 0;
+}

20231109/aufgabe-3.c

+#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++;
+}
+
+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;
+}

20231109/download.sh

+port=$(ls -rt /dev/ttyACM* | tail -1)
+echo avrdude -P $port -c arduino -p m328p -U flash:w:$(ls -rt *.hex | tail -1)
+avrdude -P $port -c arduino -p m328p -U flash:w:$(ls -rt *.hex | tail -1) 2>/dev/null

20231109/hp-20231109.tex

+% hp-20231109.pdf - Lecture Slides on Low-Level Programming
+% Copyright (C) 2012, 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021, 2022, 2023  Peter Gerwinski
+%
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+% document.  If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
+
+% README: Hardwarenahe Programmierung
+
+\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}
+
+\newcommand{\redurl}[1]{\href{#1}{\color{red}\nolinkurl{#1}}}
+
+\title{Hardwarenahe Programmierung}
+\author{Prof.\ Dr.\ rer.\ nat.\ Peter Gerwinski}
+\date{9.\ November 2023}
+
+\begin{document}
+
+\maketitleframe
+
+\title{Hardwarenahe Programmierung}
+
+\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] Callbacks
+        \item[3.5] Projekt organisieren: make
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{4}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung}
+      \begin{itemize}
+        \color{orange}
+        \item[4.1] Bit-Operationen
+        \color{red}
+        \item[4.2] I/O-Ports
+        \item[4.3] Interrupts
+        \vspace*{-0.1cm}
+        \item[\dots]
+      \end{itemize}
+    \vspace*{-\smallskipamount}
+    \item[\textbf{\dots}]
+%    \item[\textbf{5}] \textbf{Algorithmen}
+%    \item[\textbf{6}] \textbf{Ergänzungen und Ausblicke}
+  \end{itemize}
+
+\end{frame}
+
+\setcounter{section}{2}
+\section{Bibliotheken}
+\setcounter{subsection}{3}
+\subsection{Callbacks}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsection
+
+  Selbst geschriebene Funktion übergeben: \newterm{Callback}
+
+  \bigskip
+
+  \begin{lstlisting}[xleftmargin=1em]
+    static void hello (GtkWidget *this, gpointer user_data)
+    {
+      char *world = user_data;
+      printf ("Hello, %s!\n", world);
+    }
+  
+    ...
+
+    g_signal_connect (button, "clicked", G_CALLBACK (hello), "world");
+  \end{lstlisting}
+
+  \medskip
+
+  \begin{itemize}
+    \arrowitem 
+      GTK ruft immer dann, wenn der Button betätigt wurde,\\
+      die Funktion \lstinline{hello} auf.
+  \end{itemize}
+
+%  \pause
+  \begin{picture}(0,0)(1.1,0.8)
+    \color{red}
+    \put(9.7,5.1){\makebox(0,0)[br]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-0.3,0.5);}}}
+    \put(10.0,5.0){\makebox(0,0)[t]{\shortstack{\strut optionale Zusatzinformationen\\
+                     \strut für hello(), hier ein String\\
+                     \strut oft ein Zeiger auf ein struct}}}
+    \put(10.5,3.5){\makebox(0,0)[tl]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(0.3,-0.5);}}}
+  \end{picture}
+
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsection
+
+  Selbst geschriebene Funktion übergeben: \newterm{Callback}
+
+  \bigskip
+
+  \begin{lstlisting}[xleftmargin=1em]
+    static void draw (GtkDrawingArea *drawing_area, cairo_t *c,
+                      int width, int height, gpointer user_data)
+    {
+      /* Zeichenbefehle */
+      ...
+    }
+  
+    ...
+
+    gtk_drawing_area_set_draw_func (GTK_DRAWING_AREA (drawing_area),
+                                       draw, NULL, NULL);
+  \end{lstlisting}
+
+  \medskip
+
+  \begin{itemize}
+    \arrowitem 
+      GTK ruft immer dann, wenn es etwas zu zeichnen gibt,\\
+      die Funktion \lstinline{draw} auf.
+  \end{itemize}
+
+%  \pause
+  \begin{picture}(0,0)
+    \color{red}
+    \put(10.0,4.9){\makebox(0,0)[br]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-0.3,0.9);}}}
+    \put(10.0,4.8){\makebox(0,0)[t]{\shortstack{\strut repräsentiert den\\
+                     \strut Bildschirm, auf den\\
+                     \strut gezeichnet werden soll}}}
+  \end{picture}
+
+\end{frame}
+
+\iffalse
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsection
+
+  Selbst geschriebene Funktion übergeben: \newterm{Callback}
+
+  \bigskip
+
+  \begin{lstlisting}[xleftmargin=1em]
+    gboolean timer (GtkWidget *widget)
+    {
+      /* Rechenbefehle */
+      ...
+
+      gtk_widget_queue_draw_area (widget, 0, 0, WIDTH, HEIGHT);
+      g_timeout_add (50, (GSourceFunc) timer, widget);
+      return FALSE;
+    }
+  
+    ...
+
+    g_timeout_add (50, (GSourceFunc) timer, drawing_area);
+  \end{lstlisting}
+
+  \medskip
+
+  \begin{itemize}
+    \arrowitem 
+      GTK+ ruft nach 50 Millisekunden
+      die Funktion \lstinline{timer} auf.
+  \end{itemize}
+
+  \pause
+  \begin{picture}(0,0)(-0.07,0.2)
+    \color{red}
+    \put(9.7,6.7){\makebox(0,0)[t]{\shortstack{\strut Dieser Bereich soll\\
+                    \strut neu gezeichnet werden.}}}
+    \put(9.7,5.7){\makebox(0,0)[tr]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-0.6,-0.8);}}}
+    \pause
+    \put(4.3,3.2){\makebox(0,0)[br]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-0.7,0.6);}}}
+    \put(4.3,3.1){\makebox(0,0)[t]{\shortstack{\strut In weiteren 50 Millisekunden soll\\
+                    \strut die Funktion erneut aufgerufen werden.}}}
+    \pause
+    \put(9.3,2.9){\makebox(0,0)[br]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-3.3,0.9);}}}
+    \put(9.8,2.8){\makebox(0,0)[t]{\shortstack{\strut Explizite Typumwandlung\\
+                    \strut eines Zeigers (später)}}}
+  \end{picture}
+
+\end{frame}
+
+\fi
+
+\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]
+          philosophy: philosophy.o answer.o
+                  gcc philosophy.o answer.o -o philosophy
+
+          answer.o: answer.c answer.h
+                  gcc -Wall -O answer.c -c
+
+          philosophy.o: philosophy.c answer.h
+                  gcc -Wall -O philosophy.c -c
+        \end{lstlisting}
+      \end{onlyenv}
+      \begin{onlyenv}<4>
+        \smallskip
+        \begin{lstlisting}[language=make,gobble=10]
+          TARGET = philosophy
+          OBJECTS = philosophy.o answer.o
+          HEADERS = answer.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 = philosophy
+          OBJECTS = philosophy.o answer.o
+          HEADERS = answer.h
+          CFLAGS = -Wall -O
+
+          $(TARGET): $(OBJECTS)
+                  gcc $(OBJECTS) -o $(TARGET)
+
+          answer.o: answer.c $(HEADERS)
+                  gcc $(CFLAGS) answer.c -c
+
+          philosophy.o: philosophy.c $(HEADERS)
+                  gcc $(CFLAGS) philosophy.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}
+
+\section{Hardwarenahe Programmierung}
+\subsection{Bit-Operationen}
+\subsubsection{Zahlensysteme}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsection
+  \vspace*{-\smallskipamount}
+  \showsubsection
+  \vspace*{-\medskipamount}
+  \showsubsubsection
+
+  \begin{tabular}{rlrl}
+    Basis & Name & Beispiel & Anwendung \\[\smallskipamount]
+      2 & Binärsystem & 1\,0000\,0011 & Bit-Operationen \\
+      8 & Oktalsystem & \lstinline,0403, & Dateizugriffsrechte (Unix) \\
+     10 & Dezimalsystem & \lstinline,259, & Alltag \\
+     16 & Hexadezimalsystem & \lstinline,0x103, & Bit-Operationen \\
+    256 & (keiner gebräuchlich) & 0.0.1.3 & IP-Adressen (IPv4)
+  \end{tabular}
+
+  \bigskip
+
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Computer rechnen im Binärsystem.
+    \item
+      Für viele Anwendungen (z.\,B.\ I/O-Ports, Grafik, \dots) ist es notwendig,\\
+      Bits in Zahlen einzeln ansprechen zu können.
+  \end{itemize}
+
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsubsection
+
+  \begin{tabular}{rlrlrc}
+    \qquad 000 & \bf 0 \hspace*{1.5cm} & 0000 & \bf 0 & \quad 1000 & \bf 8\\
+           001 & \bf 1                 & 0001 & \bf 1 &       1001 & \bf 9\\
+           010 & \bf 2                 & 0010 & \bf 2 &       1010 & \bf A\\
+           011 & \bf 3                 & 0011 & \bf 3 &       1011 & \bf B\\[\smallskipamount]
+           100 & \bf 4                 & 0100 & \bf 4 &       1100 & \bf C\\
+           101 & \bf 5                 & 0101 & \bf 5 &       1101 & \bf D\\
+           110 & \bf 6                 & 0110 & \bf 6 &       1110 & \bf E\\
+           111 & \bf 7                 & 0111 & \bf 7 &       1111 & \bf F\\
+  \end{tabular}
+
+  \medskip
+
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Oktal- und Hexadezimalzahlen lassen sich ziffernweise\\
+      in Binär-Zahlen umrechnen.
+    \item
+      Hexadezimalzahlen sind eine Kurzschreibweise für Binärzahlen,\\
+      gruppiert zu jeweils 4 Bits.
+    \item
+      Oktalzahlen sind eine Kurzschreibweise für Binärzahlen,\\
+      gruppiert zu jeweils 3 Bits.
+    \item
+      Trotz Taschenrechner u.\,ä.\ lohnt es sich,\\
+      die o.\,a.\ Umrechnungstabelle \textbf{auswendig} zu kennen.
+  \end{itemize}
+
+\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
+
+  Numerierung der Bits: von rechts ab 0
+
+  \medskip
+
+  \begin{tabular}{ll}
+    Bit Nr.\ 3 auf 1 setzen: &
+    \lstinline,a |= 1 << 3;, \\
+    Bit Nr.\ 4 auf 0 setzen: &
+    \lstinline,a &= ~(1 << 4);, \\
+    Bit Nr.\ 0 invertieren: &
+    \lstinline,a ^= 1 << 0;,
+  \end{tabular}
+
+  \smallskip
+
+  ~~Abfrage, ob Bit Nr.\ 1 gesetzt ist:\quad
+  \lstinline{if (a & (1 << 1))}
+
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsubsection
+
+  C-Datentypen für Bit-Operationen:
+  \smallskip\par
+  \lstinline{#include <stdint.h>}
+  \medskip\par
+  \begin{tabular}{lllll}
+                    & 8 Bit & 16 Bit & 32 Bit & 64 Bit \\
+    mit Vorzeichen  & \lstinline,int8_t,
+                    & \lstinline,int16_t,
+                    & \lstinline,int32_t,
+                    & \lstinline,int64_t, \\
+    ohne Vorzeichen & \lstinline,uint8_t,
+                    & \lstinline,uint16_t,
+                    & \lstinline,uint32_t,
+                    & \lstinline,uint64_t,
+  \end{tabular}
+
+  \bigskip
+  \bigskip
+
+  Ausgabe:
+  \smallskip\par
+  \begin{lstlisting}
+    #include <stdio.h>
+    #include <stdint.h>
+    #include <inttypes.h>
+    ...
+    uint64_t x = 42;
+    printf ("Die Antwort lautet: %" PRIu64 "\n", x);
+  \end{lstlisting}
+
+\end{frame}
+
+\subsection{I/O-Ports}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+%  \showsection
+  \showsubsection
+  \vspace*{-1.5\medskipamount}
+  {\large\textbf{\color{structure}4.3\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 = Aktoren ansteuern
+
+  Beispiel: LED
+
+  \medskip
+
+  \begin{lstlisting}
+    #include <avr/io.h>
+    ...
+    DDRC = 0x70;
+    PORTC = 0x40;
+  \end{lstlisting}
+  \begin{picture}(0,0)
+    \put(3,0.67){\begin{minipage}{3cm}
+                \color{red}%
+                binär: 0111\,0000\\
+                binär: 0100\,0000
+              \end{minipage}}
+    \put(10,0.67){\makebox(0,0)[r]{\color{red}Herstellerspezifisch!}}
+  \end{picture}
+
+  \bigskip
+
+  \lstinline{DDR} = Data Direction Register\\
+  Bit = 1 für Output-Port\\
+  Bit = 0 für Input-Port
+
+  \bigskip
+
+  \emph{Details: siehe Datenblatt und Schaltplan}
+
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsection
+
+  Aus Input-Port lesen = Sensoren abfragen
+
+  Beispiel: Taster
+
+  \medskip
+
+  \begin{lstlisting}
+    #include <avr/io.h>
+    ...
+    DDRC = 0xfd;
+    while ((PINC & 0x02) == 0)
+      ; /* just wait */
+  \end{lstlisting}
+  \begin{picture}(0,0)(-1.5,-0.42)
+    \put(3,0.67){\begin{minipage}{3cm}
+                \color{red}%
+                binär: 1111\,1101\\
+                binär: 0000\,0010
+              \end{minipage}}
+    \put(10,0.67){\makebox(0,0)[r]{\color{red}Herstellerspezifisch!}}
+  \end{picture}
+
+  \bigskip
+
+  \lstinline{DDR} = Data Direction Register\\
+  Bit = 1 für Output-Port\\
+  Bit = 0 für Input-Port
+
+  \bigskip
+
+  \emph{Details: siehe Datenblatt und Schaltplan}
+  
+  \bigskip
+
+  Praktikumsaufgabe: Druckknopfampel
+
+\end{frame}
+
+\subsection{Interrupts}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsection
+
+  Externes Gerät ruft (per Stromsignal) Unterprogramm auf
+
+  Zeiger hinterlegen: "`Interrupt-Vektor"'
+
+  Beispiel: eingebaute Uhr\hfill
+  \makebox(0,0)[tr]{%
+    \only<1->{\begin{minipage}[t]{4.7cm}
+        \vspace*{-0.3cm}%
+        statt Zählschleife (\lstinline{_delay_ms}):\\
+        Hauptprogramm kann\\
+        andere Dinge tun
+      \end{minipage}}%
+    }
+
+  \medskip
+
+  \begin{lstlisting}
+    #include <avr/interrupt.h>
+
+    ...
+
+
+    ISR (TIMER0B_COMP_vect)
+    {
+      PORTD ^= 0x40;
+    }
+  \end{lstlisting}
+  \begin{picture}(0,0)
+    \color{red}
+    \put(1.9,3.1){\makebox(0,0)[tr]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-1.4,-1.0);}}}
+    \put(2.0,3.2){\makebox(0,0)[l]{"`Dies ist ein Interrupt-Handler."'}}
+    \put(2.3,2.6){\makebox(0,0)[tr]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-0.6,-0.55);}}}
+    \put(2.4,2.6){\makebox(0,0)[l]{Interrupt-Vektor darauf zeigen lassen}}
+  \end{picture}
+
+  Initialisierung über spezielle Ports:
+  \lstinline{TCCR0B}, \lstinline{TIMSK0}
+
+  \bigskip
+
+  \emph{Details: siehe Datenblatt und Schaltplan}
+
+  \vspace*{-2.5cm}\hfill
+  {\color{red}Herstellerspezifisch!}%
+  \hspace*{1cm}
+
+\end{frame}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsection
+
+  Externes Gerät ruft (per Stromsignal) Unterprogramm auf
+
+  Zeiger hinterlegen: "`Interrupt-Vektor"'
+
+  Beispiel: Taster\hfill
+  \makebox(0,0)[tr]{%
+    \begin{minipage}[t]{4.7cm}
+      \vspace*{-0.3cm}%
+      statt \newterm{Busy Waiting\/}:\\
+      Hauptprogramm kann\\
+      andere Dinge tun
+    \end{minipage}}
+
+  \medskip
+
+  \begin{lstlisting}
+    #include <avr/interrupt.h>
+    ...
+
+    ISR (INT0_vect)
+    {
+      PORTD ^= 0x40;
+    }
+  \end{lstlisting}
+
+  \medskip
+
+  Initialisierung über spezielle Ports:
+  \lstinline{EICRA}, \lstinline{EIMSK}
+
+  \bigskip
+
+  \emph{Details: siehe Datenblatt und Schaltplan}
+
+  \vspace*{-2.5cm}\hfill
+  {\color{red}Herstellerspezifisch!}%
+  \hspace*{1cm}
+
+\end{frame}
+
+\subsection{volatile-Variable}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+  \showsubsection
+
+  Externes Gerät ruft (per Stromsignal) Unterprogramm auf
+
+  Zeiger hinterlegen: "`Interrupt-Vektor"'
+
+  Beispiel: Taster
+
+  \vspace*{-2.5pt}
+
+  \begin{minipage}[t]{5cm}
+    \begin{onlyenv}<1>
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+        ¡#include <avr/interrupt.h>
+        ...
+
+        uint8_t key_pressed = 0;
+
+        ISR (INT0_vect)
+        {
+          key_pressed = 1;
+        }¿
+      \end{lstlisting}
+    \end{onlyenv}
+    \begin{onlyenv}<2>
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+        ¡#include <avr/interrupt.h>
+        ...
+
+        volatile uint8_t key_pressed = 0;
+
+        ISR (INT0_vect)
+        {
+          key_pressed = 1;
+        }¿
+      \end{lstlisting}
+    \end{onlyenv}
+  \end{minipage}\hfill
+  \begin{minipage}[t]{6cm}
+    \begin{lstlisting}[gobble=6]
+      ¡int main (void)
+      {
+        ...
+
+        while (1)
+          {
+            while (!key_pressed)
+              ;  /* just wait */
+            PORTD ^= 0x40;
+            key_pressed = 0;
+          }
+        return 0;
+      }¿
+    \end{lstlisting}
+  \end{minipage}
+
+  \pause
+  \begin{picture}(0,0)
+    \color{red}
+    \put(10.3,4.0){\makebox(0,0)[b]{\begin{minipage}{6cm}
+        \begin{center}
+          \textbf{volatile}:\\
+          Speicherzugriff\\
+          nicht wegoptimieren
+        \end{center}
+      \end{minipage}}}
+    \put(10.3,3.95){\makebox(0,0)[tr]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(-0.5,-0.9);}}}
+  \end{picture}
+
+\end{frame}
+
+\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}
+\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}
+    \item[\textbf{4}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung}
+      \begin{itemize}
+        \item[4.1] Bit-Operationen
+        \color{medgreen}
+        \item[4.2] I/O-Ports
+        \item[4.3] Interrupts
+        \item[4.4] volatile-Variable
+        \color{red}
+        \item[4.5] Byte-Reihenfolge -- Endianness
+        \item[4.6] Binärdarstellung negativer Zahlen
+        \item[4.7] Binärdarstellung von Gleitkommazahlen
+        \item[4.8] Speicherausrichtung -- Alignment
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{5}] \textbf{Algorithmen}
+    \item[\textbf{6}] \textbf{Objektorientierte Programmierung}
+    \item[\textbf{7}] \textbf{Datenstrukturen}
+  \end{itemize}
+
+\end{frame}
+
+\iffalse
+
+\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}{} & \pause für Menschen leichter lesbar \pause \\
+    \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}{} & \pause 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<4->{, MSB first}
+    \item
+      XBM-Dateien: Little-Endian\only<4->{, LSB first}
+  \end{itemize}
+  \only<4->{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}
+
+\fi
+
+\end{document}

20231109/hp-20231109.toc

+\babel@toc {german}{}\relax 
+\beamer@sectionintoc {3}{Bibliotheken}{3}{0}{1}
+\beamer@subsectionintoc {3}{4}{Callbacks}{3}{0}{1}
+\beamer@subsectionintoc {3}{5}{Projekt organisieren: make}{5}{0}{1}
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20231109/hp-musterloesung-20231109.tex

+% hp-musterloesung-20231109.pdf - Solutions to the Exercises on Low-Level Programming / Applied Computer Sciences
+% Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021, 2022, 2023  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
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+% 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: Text-Grafik-Bibliothek, Mikrocontroller, LED-Blinkmuster
+
+\documentclass[a4paper]{article}
+
+\usepackage{pgscript}
+\renewcommand{\breath}{\bigskip}
+
+\begin{document}
+
+  \section*{Hardwarenahe Programmierung\\
+            Musterlösung zu den Übungsaufgaben -- 9.\ November 2023}
+
+  \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}
+
+  \goodbreak
+
+  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}{2023ws/20231109}{textgraph.c} und \gitfile{hp}{2023ws/20231109}{textgraph.h} (Bibliothek)
+  sowie \gitfile{hp}{2023ws/20231109}{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{Mikrocontroller}
+
+  \begin{minipage}[t]{10cm}
+    An die vier Ports eines ATmega16-Mikrocontrollers sind Leuchtdioden angeschlossen:
+    \begin{itemize}
+      \item
+        von links nach rechts an die Ports A, B, C und D,
+      \item
+        von oben nach unten an die Bits Nr.\ 0 bis 7.
+    \end{itemize}
+
+    Wir betrachten das folgende Programm (\gitfile{hp}{2023ws/20231109}{aufgabe-2.c}):
+
+    \begin{lstlisting}[gobble=6]
+      #include <avr/io.h>
+
+      int main (void)
+      {
+        DDRA = 0xff;
+        DDRB = 0xff;
+        DDRC = 0xff;
+        DDRD = 0xff;
+        PORTA = 0x1f;
+        PORTB = 0x10;
+        PORTD = 0x10;
+        PORTC = 0xfc;
+        while (1);
+        return 0;
+      }
+    \end{lstlisting}
+  \end{minipage}\hfill
+  \begin{minipage}[t]{3cm}
+    \strut\\[-\baselineskip]
+    \includegraphics[width=3cm]{leds.jpg}
+  \end{minipage}
+
+  \vspace*{-3cm}
+
+  \strut\hfill
+  \begin{minipage}{11.8cm}
+    \begin{itemize}
+      \item[(a)]
+        Was bewirkt dieses Programm? \points{4}
+      \item[(b)]
+        Wozu dienen die ersten vier Zeilen des Hauptprogramms? \points{2}
+      \item[(c)]
+        Was würde stattdessen die Zeile \lstinline{DDRA, DDRB, DDRC, DDRD = 0xff;} bewirken?
+        \points{2}
+      \item[(d)]
+        Schreiben Sie das Programm so um,
+        daß die durch das Programm dargestellte Figur spiegelverkehrt erscheint. \points{3}
+      \item[(e)]
+        Wozu dient das \lstinline{while (1)}? \points{2}
+      \item
+        Alle Antworten bitte mit Begründung.
+    \end{itemize}
+  \end{minipage}
+
+  \solution
+
+  \begin{itemize}
+    \item[(a)]
+      \textbf{Was bewirkt dieses Programm?}
+
+      \newcommand{\x}{$\bullet$}
+      \renewcommand{\o}{$\circ$}
+
+      \begin{minipage}[t]{0.75\textwidth}\parskip\smallskipamount
+        Es läßt die LEDs in dem rechts abgebildeten Muster aufleuchten,\\
+        das z.\,B.\ als die Ziffer 4 gelesen werden kann.
+
+        (Das Zeichen \x\ steht für eine leuchtende, \o\ für eine nicht leuchtende LED.)
+
+        Die erste Spalte (Port A) von unten nach oben gelesen (Bit 7 bis 0)\\
+        entspricht der Binärdarstellung von \lstinline{0x1f}: 0001\,1111.
+
+        Die dritte Spalte (Port C) von unten nach oben gelesen (Bit 7 bis 0)\\
+        entspricht der Binärdarstellung von \lstinline{0xfc}: 1111\,1100.
+
+        Die zweite und vierte Spalte (Port B und D) von unten nach oben gelesen\\
+        (Bit 7 bis 0) entsprechen der Binärdarstellung von \lstinline{0x10}: 0001\,0000.
+
+        Achtung: Die Zuweisung der Werte an die Ports erfolgt im Programm\\
+        \emph{nicht\/} in der Reihenfolge A B C D, sondern in der Reihenfolge A B D C.
+      \end{minipage}\hfill
+      \begin{minipage}[t]{0.15\textwidth}
+        \vspace*{-0.5cm}%
+        \begin{tabular}{cccc}
+          \x & \o & \o & \o \\
+          \x & \o & \o & \o \\
+          \x & \o & \x & \o \\
+          \x & \o & \x & \o \\
+          \x & \x & \x & \x \\
+          \o & \o & \x & \o \\
+          \o & \o & \x & \o \\
+          \o & \o & \x & \o \\
+        \end{tabular}
+      \end{minipage}
+
+    \item[(b)]
+      \textbf{Wozu dienen die ersten vier Zeilen des Hauptprogramms?}
+
+      Mit diesen Zeilen werden alle jeweils 8 Bits aller 4 Ports
+      als Output-Ports konfiguriert.
+
+    \item[(c)]
+      \textbf{Was würde stattdessen die Zeile \lstinline{DDRA, DDRB, DDRC, DDRD = 0xff;} bewirken?}
+
+      Der Komma-Operator in C bewirkt, daß der erste Wert berechnet
+      und wieder verworfen wird und stattdessen der zweite Wert weiterverarbeitet wird.
+      Konkret hier hätte das zur Folge,
+      daß \lstinline{DDRA}, \lstinline{DDRB} und \lstinline{DDRC}
+      gelesen und die gelesenen Werte ignoriert werden;
+      anschließend wird \lstinline{DDRD} der Wert \lstinline{0xff} zugewiesen.
+      Damit würde also nur einer von vier Ports überhaupt konfiguriert.
+
+      Da es sich bei den \lstinline{DDR}-Variablen
+      um \lstinline{volatile}-Variable handelt,
+      nimmt der Compiler an, daß der Lesezugriff schon irgendeinen Sinn hätte.
+      Der Fehler bliebe also unbemerkt.
+
+    \item[(d)]
+      \textbf{Schreiben Sie das Programm so um,
+      daß die durch das Programm dargestellte Figur spiegelverkehrt erscheint.}
+
+      Hierzu vertauschen wir die Zuweisungen
+      an \lstinline{PORTA} und \lstinline{PORTD}
+      sowie die Zuweisungen
+      an \lstinline{PORTB} und \lstinline{PORTC}:
+
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+          PORTD = 0x1f;
+          PORTC = 0x10;
+          PORTA = 0x10;
+          PORTB = 0xfc;
+      \end{lstlisting}
+
+      Damit ergibt sich eine Spiegelung an der vertikalen Achse.
+
+      Alternativ kann man auch an der horizontalen Achse spiegeln.
+      Dafür muß man die Bits in den Hexadezimalzahlen umdrehen:
+
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+          PORTA = 0xf8;
+          PORTB = 0x08;
+          PORTD = 0x08;
+          PORTC = 0x3f;
+      \end{lstlisting}
+
+      Die Frage, welche der beiden Spiegelungen gewünscht ist,
+      wäre übrigens \emph{auch in der Klausur zulässig}.
+
+    \item[(e)]
+      \textbf{Wozu dient das \lstinline{while (1)}?}
+
+      Mit dem \lstinline{return}-Befehl am Ende des Hauptprogramms
+      gibt das Programm die Kontrolle an das Betriebssystem zurück.
+
+      Dieses Programm jedoch läuft auf einem Mikrocontroller,
+      auf dem es kein Betriebssystem gibt.
+      Wenn das \lstinline{return} ausgeführt würde,
+      hätte es ein undefiniertes Verhalten zur Folge.
+
+      Um dies zu verhindern, endet das Programm in einer Endlosschleife,
+      mit der wir den Mikrocontroller anweisen,
+      nach der Ausführung des Programms \emph{nichts mehr\/} zu tun
+      (im Gegensatz zu: \emph{irgendetwas Undefiniertes\/} zu tun).
+
+  \end{itemize}
+
+  \exercise{LED-Blinkmuster}
+
+  Wir betrachten das folgende Programm für einen ATmega32-Mikro-Controller
+  (Datei: \gitfile{hp}{2023ws/20231109}{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}

20231109/hp-uebung-20231109.tex

+% hp-uebung-20231109.pdf - Exercises on Low-Level Programming / Applied Computer Sciences
+% Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021, 2022, 2023  Peter Gerwinski
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+%
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+% Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License along with this
+% document.  If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
+
+% README: Text-Grafik-Bibliothek, Mikrocontroller, LED-Blinkmuster
+
+\documentclass[a4paper]{article}
+
+\usepackage{pgscript}
+
+\begin{document}
+
+  \thispagestyle{empty}
+
+  \section*{Hardwarenahe Programmierung\\
+            Übungsaufgaben -- 9.\ November 2023}
+
+  Diese Übung enthält Punkteangaben wie in einer Klausur.
+  Um zu "`bestehen"', müssen Sie innerhalb von 80 Minuten
+  unter Verwendung ausschließlich zugelassener Hilfsmittel
+  14 Punkte (von insgesamt \totalpoints) erreichen.
+
+  \exercise{Text-Grafik-Bibliothek}
+
+  \begin{minipage}[t]{0.45\textwidth}
+    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}
+    \points{8}
+  \end{minipage}\hfill
+  \begin{minipage}[t]{0.45\textwidth}
+    \strut\\[-1.2cm]
+    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, z.\,B.:
+        \begin{lstlisting}[gobble=8]
+          #define WIDTH 72
+          #define HEIGHT 24
+        \end{lstlisting}
+      \item
+       Schreiben Sie zusätzlich ein Test-Pro\-gramm,
+       das alle Funktionen der Bibliothek benutzt,
+       um ein hübsches Bild (z.\,B.\ ein stilisiertes Gesicht -- "`Smiley"')
+       auszugeben.
+    \end{itemize}
+  \end{minipage}
+
+  \exercise{Mikrocontroller}
+
+  \begin{minipage}[t]{10cm}
+    An die vier Ports eines ATmega16-Mikrocontrollers sind Leuchtdioden angeschlossen:
+    \begin{itemize}
+      \item
+        von links nach rechts an die Ports A, B, C und D,
+      \item
+        von oben nach unten an die Bits Nr.\ 0 bis 7.
+    \end{itemize}
+
+    Wir betrachten das folgende Programm (\gitfile{hp}{2023ws/20231109}{aufgabe-2.c}):
+
+    \begin{lstlisting}[gobble=6]
+      #include <avr/io.h>
+
+      int main (void)
+      {
+        DDRA = 0xff;
+        DDRB = 0xff;
+        DDRC = 0xff;
+        DDRD = 0xff;
+        PORTA = 0x1f;
+        PORTB = 0x10;
+        PORTD = 0x10;
+        PORTC = 0xfc;
+        while (1);
+        return 0;
+      }
+    \end{lstlisting}
+  \end{minipage}\hfill
+  \begin{minipage}[t]{3cm}
+    \strut\\[-\baselineskip]
+    \includegraphics[width=3cm]{leds.jpg}
+  \end{minipage}
+
+  \vspace*{-3cm}
+
+  \strut\hfill
+  \begin{minipage}{11.8cm}
+    \begin{itemize}
+      \item[(a)]
+        Was bewirkt dieses Programm? \points{4}
+      \item[(b)]
+        Wozu dienen die ersten vier Zeilen des Hauptprogramms? \points{2}
+      \item[(c)]
+        Was würde stattdessen die Zeile \lstinline{DDRA, DDRB, DDRC, DDRD = 0xff;} bewirken?
+        \points{2}
+      \item[(d)]
+        Schreiben Sie das Programm so um,
+        daß die durch das Programm dargestellte Figur spiegelverkehrt erscheint. \points{3}
+      \item[(e)]
+        Wozu dient das \lstinline{while (1)}? \points{2}
+      \item
+        Alle Antworten bitte mit Begründung.
+    \end{itemize}
+  \end{minipage}
+
+  \exercise{LED-Blinkmuster}
+
+  Wir betrachten das folgende Programm für einen ATmega32-Mikro-Controller
+  (Datei: \gitfile{hp}{2023ws/20231109}{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{enumerate}[\quad(a)]
+    \item
+      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
+      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
+      Wie kommt das oben beschriebene Blinkmuster zustande?
+      \points{2}
+    \item
+      Wieso dauert eine Phase ungefähr eine halbe Sekunde?
+      \points{2}
+    \item
+      Was bedeutet "`\lstinline|ISR (TIMER0_COMP_vect)|"'?
+      \points{1}
+  \end{enumerate}
+
+  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}
+
+  \begin{flushright}
+    \textit{Viel Erfolg!}
+  \end{flushright}
+
+  \makeatletter
+    \immediate\write\@mainaux{\string\gdef\string\totalpoints{\arabic{points}}}
+  \makeatother
+
+\end{document}

20231109/io-ports-and-interrupts.pdf

+../common/io-ports-and-interrupts.pdf
\ No newline at end of file

20231109/leds.jpg

+../common/leds.jpg
\ No newline at end of file

20231109/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf

+../common/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf
\ No newline at end of file

20231109/logo-hochschule-bochum.pdf

+../common/logo-hochschule-bochum.pdf
\ No newline at end of file

20231109/pgscript.sty

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

20231109/pgslides.sty

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

20231109/test-textgraph.c

+#include <stdio.h>
+#include "textgraph.h"
+
+int main (void)
+{
+  clear (' ');
+  put_point (-5, 10, 'X');
+  for (int i = 17; i < 23; i++)
+    put_point (i, 5, '*');
+  put_point (15, 6, '*');
+  put_point (14, 7, '*');
+  put_point (13, 8, '*');
+  put_point (13, 9, '*');
+  put_point (14, 10, '*');
+  put_point (15, 11, '*');
+  for (int i = 17; i < 23; i++)
+    put_point (i, 12, '*');
+  put_point (24, 11, '*');
+  put_point (25, 10, '*');
+  put_point (26, 9, '*');
+  put_point (26, 8, '*');
+  put_point (25, 7, '*');
+  put_point (24, 6, '*');
+  put_point (18, 8, 'O');
+  put_point (21, 8, 'O');
+  put_point (17, 10, '`');
+  for (int i = 18; i < 22; i++)
+    put_point (i, 10, '-');
+  put_point (22, 10, '\'');
+  put_point (13, 42, 'Y');
+  printf ("get_point (%d, %d): '%c'\n", 13, 9, get_point (13, 9));
+  printf ("get_point (%d, %d): '%c'\n", 14, 9, get_point (14, 9));
+  printf ("get_point (%d, %d): '%c'\n", 94, 9, get_point (94, 9));
+  display ();
+  return 0;
+}

20231109/textgraph.c

+#include <stdio.h>
+#include "textgraph.h"
+
+char buffer[HEIGHT][WIDTH];
+
+void clear (char c)
+{
+  for (int y = 0; y < HEIGHT; y++)
+    for (int x = 0; x < WIDTH; x++)
+      buffer[y][x] = c;
+}
+
+static int check_coordinates (int x, int y, char *function)
+{
+  if (x >= 0 && x < WIDTH && y >= 0 && y < HEIGHT)
+    return 1;
+  else
+    {
+      fprintf (stderr, "coordinates (%d,%d) out of range in %s\n", x, y, function);
+      return 0;
+    }
+}
+
+void put_point (int x, int y, char c)
+{
+  if (check_coordinates (x, y, "put_point"))
+    buffer[y][x] = c;
+}
+
+char get_point (int x, int y)
+{
+  if (check_coordinates (x, y, "get_point"))
+    return buffer[y][x];
+  else
+    return 0;
+}
+
+void display (void)
+{
+  for (int y = 0; y < HEIGHT; y++)
+    {
+      for (int x = 0; x < WIDTH; x++)
+        printf ("%c", buffer[y][x]);
+      printf ("\n");
+    }
+}

20231109/textgraph.h

+#ifndef TEXTGRAPH_H
+#define TEXTGRAPH_H
+
+#define WIDTH 40
+#define HEIGHT 20
+
+extern void clear (char c);
+extern void put_point (int x, int y, char c);
+extern char get_point (int x, int y);
+extern void display (void);
+
+#endif