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% README: Bibliotheken
\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{2.\ November 2023}
\begin{document}
\maketitleframe
%\date{\begin{picture}(0,0)
% \color{red}
% \put(0.65,1.05){\makebox(0,0)[t]{$\underbrace{\rule{1.45cm}{0pt}}_{%
% \mbox{\emph{rerum naturalium\/} = der natürlichen Dinge (lat.)}}$}}
% \put(1.65,-3){\makebox(0,0)[bl]{\redurl{https://www.peter.gerwinski.de/physik/}}}
% \end{picture}%
% 12.\ Oktober 2023}
%
%\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}
\begin{itemize}
\vspace{-1.5\smallskipamount}
\item[\dots]
\item[2.11] Arrays und Strings
\item[2.12] Strukturen
\item[2.13] Dateien und Fehlerbehandlung
\item[2.14] Parameter des Hauptprogramms
\color{medgreen}
\item[2.15] String-Operationen
\end{itemize}
\item[\textbf{3}] \textbf{Bibliotheken}
\begin{itemize}
\color{medgreen}
\item[3.1] Der Präprozessor
\item[3.2] Bibliotheken einbinden
\item[3.3] Bibliotheken verwenden
\color{orange}
\item[3.4] Callbacks
\color{red}
\item[3.5] Projekt organisieren: make
\end{itemize}
\item[\textbf{4}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung}
\vspace*{-\smallskipamount}
\item[\textbf{\dots}]
% \item[\textbf{5}] \textbf{Algorithmen}
% \item[\textbf{6}] \textbf{Ergänzungen und Ausblicke}
\end{itemize}
\end{frame}
\section{Einführung}
\section{Einführung in C}
\setcounter{subsection}{14}
\subsection{String-Operationen}
\begin{frame}[fragile]
\showsubsection
% \vspace*{-0.4cm}
\begin{lstlisting}
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main (void)
{
char hello[] = "Hello, world!\n";
printf ("%s\n", hello);
printf ("%zd\n", strlen (hello));
printf ("%s\n", hello + 7);
printf ("%zd\n", strlen (hello + 7));
hello[5] = 0;
printf ("%s\n", hello);
printf ("%zd\n", strlen (hello));
return 0;
}
\end{lstlisting}
\vspace*{-1cm}
\end{frame}
\begin{frame}[fragile]
\showsubsection
% \vspace*{-0.4cm}
\begin{lstlisting}
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main (void)
{
char *anton = "Anton";
char *zacharias = "Zacharias";
printf ("%d\n", strcmp (anton, zacharias));
printf ("%d\n", strcmp (zacharias, anton));
printf ("%d\n", strcmp (anton, anton));
char buffer[100] = "Huber ";
strcat (buffer, anton);
printf ("%s\n", buffer);
return 0;
}
\end{lstlisting}
\vspace*{-1cm}
\end{frame}
\begin{frame}[fragile]
\showsubsection
% \vspace*{-0.4cm}
\begin{lstlisting}
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main (void)
{
char buffer[100] = "";
sprintf (buffer, "Die Antwort lautet: %d", 42);
printf ("%s\n", buffer);
char *answer = strstr (buffer, "Antwort");
printf ("%s\n", answer);
printf ("found at: %zd\n", answer - buffer);
return 0;
}
\end{lstlisting}
\vspace*{-1cm}
\end{frame}
\begin{frame}[fragile]
\showsubsection
% \vspace*{-0.4cm}
\begin{lstlisting}
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main (void)
{
char buffer[100] = "";
snprintf (buffer, 100, "Die Antwort lautet: %d", 42);
printf ("%s\n", buffer);
char *answer = strstr (buffer, "Antwort");
printf ("%s\n", answer);
printf ("found at: %zd\n", answer - buffer);
return 0;
}
\end{lstlisting}
\end{frame}
\begin{frame}
\showsection
Sprachelemente weitgehend komplett
\bigskip
Es fehlen:
\begin{itemize}
\item
Ergänzungen (z.\,B.\ ternärer Operator, \lstinline{union}, \lstinline{unsigned}, \lstinline{volatile})
\item
Bibliotheksfunktionen (z.\,B.\ \lstinline{malloc()})
\arrowitem
werden eingeführt, wenn wir sie brauchen
\bigskip
\item
Konzepte (z.\,B.\ rekursive Datenstrukturen, Klassen selbst bauen)
\arrowitem
werden eingeführt, wenn wir sie brauchen, oder:
\arrowitem
Literatur\\[\smallskipamount]
(z.\,B.\ Wikibooks: C-Programmierung,\\
Dokumentation zu Compiler und Bibliotheken)
\bigskip
\item
Praxiserfahrung
\arrowitem
Übung und Praktikum: nur Einstieg
\arrowitem
selbständig arbeiten
\end{itemize}
\end{frame}
\section{Bibliotheken}
\subsection{Der Präprozessor}
\begin{frame}[fragile]
\showsection
\showsubsection
\lstinline{#include}: %\pause:
Text einbinden
\begin{itemize}
% \pause
\item
\lstinline{#include <stdio.h>}: Standard-Verzeichnisse -- Standard-Header
% \pause
\item
\lstinline{#include "answer.h"}: auch aktuelles Verzeichnis -- eigene Header
\end{itemize}
% \pause
\bigskip
\lstinline{#define SIX 6}: Text ersetzen lassen -- Konstante definieren
\begin{itemize}
% \pause
\item
Kein Semikolon!
% \pause
\item
Berechnungen in Klammern setzen:\\ \lstinline{#define SIX (1 + 5)}
% \pause
\item
Konvention: Großbuchstaben
\end{itemize}
\end{frame}
\subsection{Bibliotheken einbinden}
\begin{frame}[fragile]
\showsection
\showsubsection
Inhalt der Header-Datei: externe Deklarationen
% \pause
\smallskip
\lstinline{extern int answer (void);}
% \pause
\smallskip
\lstinline{extern int printf (__const char *__restrict __format, ...);}
% \pause
\bigskip
Funktion wird "`anderswo"' definiert
\begin{itemize}
% \pause
\item
separater C-Quelltext: mit an \lstinline[style=terminal]{gcc} übergeben
% \pause
\item
Zusammenfügen zu ausführbarem Programm durch den \newterm{Linker}
% \pause
\item
vorcompilierte Bibliothek: \lstinline[style=terminal]{-lfoo}\\
% \pause
= Datei \file{libfoo.a} in Standard-Verzeichnis
\end{itemize}
\end{frame}
\subsection{Bibliothek verwenden (Beispiel: GTK)}
\begin{frame}[fragile]
\showsubsection
\begin{itemize}
\item
\lstinline{#include <gtk/gtk.h>}
\pause
\smallskip
\item
Mit \lstinline[style=cmd]{pkg-config --cflags --libs gtk4} erfährt man,\\
welche Optionen und Bibliotheken man an \lstinline[style=cmd]{gcc}
übergeben muß\alt<4->{.}{:}
\pause
\begin{onlyenv}<3>
\begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=10]
$ ¡pkg-config --cflags --libs gtk4¿
-I/usr/include/gtk-4.0 -I/usr/include/pango-1.0 -I/usr/
include/glib-2.0 -I/usr/lib/x86_64-linux-gnu/glib-2.0/i
nclude -I/usr/include/harfbuzz -I/usr/include/freetype2
-I/usr/include/libpng16 -I/usr/include/libmount -I/usr/
include/blkid -I/usr/include/fribidi -I/usr/include/cai
ro -I/usr/include/pixman-1 -I/usr/include/gdk-pixbuf-2.
0 -I/usr/include/x86_64-linux-gnu -I/usr/include/graphe ne-1.0 -I/usr/lib/x86_64-linux-gnu/graphene-1.0/include
-mfpmath=sse -msse -msse2 -pthread -lgtk-4 -lpangocairo
-1.0 -lpango-1.0 -lharfbuzz -lgdk_pixbuf-2.0 -lcairo-go
bject -lcairo -lgraphene-1.0 -lgio-2.0 -lgobject-2.0 -l
glib-2.0
\end{lstlisting}
\vspace*{-3cm}
\end{onlyenv}
\pause
\arrowitem
Compiler-Aufruf:
\begin{onlyenv}<4>
\begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=10]
$ ¡gcc -Wall -O hello-gtk.c -I/usr/include/gtk-4.0 -I/u
sr/include/pango-1.0 -I/usr/include/glib-2.0 -I/usr/lib
/x86_64-linux-gnu/glib-2.0/include -I/usr/include/harfb
uzz -I/usr/include/freetype2 -I/usr/include/libpng16 -I
/usr/include/libmount -I/usr/include/blkid -I/usr/inclu
de/fribidi -I/usr/include/cairo -I/usr/include/pixman-1
-I/usr/include/gdk-pixbuf-2.0 -I/usr/include/x86_64-lin
ux-gnu -I/usr/include/graphene-1.0 -I/usr/lib/x86_64-li
nux-gnu/graphene-1.0/include -mfpmath=sse -msse -msse2
-pthread -lgtk-4 -lpangocairo -1.0 -lpango-1.0 -lharfbu
zz -lgdk_pixbuf-2.0 -lcairo-gobject -lcairo -lgraphene-
1.0 -lgio-2.0 -lgobject-2.0 -l glib-2.0 -o hello-gtk¿
\end{lstlisting}
\vspace*{-2cm}
\end{onlyenv}
\begin{onlyenv}<5->
\begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=10]
$ ¡gcc -Wall -O hello-gtk.c $(pkg-config --cflags --libs
gtk4) -o hello-gtk¿
\end{lstlisting}
\end{onlyenv}
\begin{onlyenv}<5>
\begin{picture}(0,0)(0.3,0.3)
\color{red}
\put(6.6,-0.6){\makebox(0,0)[bl]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(3,1.5);}}}
\put(6.3,-0.7){\makebox(0,0)[t]{\shortstack{\strut Optionen:\\
\strut u.\,a.\ viele Include-Verzeichnisse:\\
\lstinline[style=cmd]{-I/usr/include/gtk-4.0}}}}
\put(10.0,-2.1){\makebox(0,0)[bl]{\tikz{\draw[-latex](0,0)--(1.5,3);}}}
\put(10.3,-2.2){\makebox(0,0)[t]{\shortstack{\strut Bibliotheken:\\
\strut u.\,a.\ \lstinline[style=cmd]{-lgtk-4}}}}
\end{picture}
\end{onlyenv}
\pause
\pause
\item
Auf manchen Plattformen kommt es auf die Reihenfolge an:
\begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=8]
$ ¡gcc -Wall -O $(pkg-config --cflags gtk4) \
hello-gtk.c $(pkg-config --libs gtk4) \
-o hello-gtk¿
\end{lstlisting}
(Backslash = "`Es geht in der nächsten Zeile weiter."')
\end{itemize}
\end{frame}
\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
\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}
\begin{itemize}
\vspace{-1.5\smallskipamount}
\item[\dots] \item[2.11] Arrays und Strings
\item[2.12] Strukturen
\item[2.13] Dateien und Fehlerbehandlung
\item[2.14] Parameter des Hauptprogramms
\color{medgreen}
\item[2.15] String-Operationen
\end{itemize}
\item[\textbf{3}] \textbf{Bibliotheken}
\begin{itemize}
\color{medgreen}
\item[3.1] Der Präprozessor
\item[3.2] Bibliotheken einbinden
\item[3.3] Bibliotheken verwenden
\color{orange}
\item[3.4] Callbacks
\color{red}
\item[3.5] Projekt organisieren: make
\end{itemize}
\item[\textbf{4}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung}
\vspace*{-\smallskipamount}
\item[\textbf{\dots}]
% \item[\textbf{5}] \textbf{Algorithmen}
% \item[\textbf{6}] \textbf{Ergänzungen und Ausblicke}
\end{itemize}
\end{frame}
\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}
\end{document}