Übungsaufgaben 3.12.2018

20181203/aufgabe-1.xbm

+#define aufgabe_1_width 14
+#define aufgabe_1_height 14
+static unsigned char aufgabe_1_bits[] = {
+   0x00, 0x00, 0xf0, 0x03, 0x08, 0x04, 0x04, 0x08, 0x02, 0x10, 0x32, 0x13,
+   0x22, 0x12, 0x02, 0x10, 0x0a, 0x14, 0x12, 0x12, 0xe4, 0x09, 0x08, 0x04,
+   0xf0, 0x03, 0x00, 0x00 };

20181203/aufgabe-2.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;
+}

20181203/hp-uebung-20181203.tex

+% hp-uebung-20181203.pdf - Exercises on Low-Level Programming / Applied Computer Sciences
+% Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018  Peter Gerwinski
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+%
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+% document.  If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
+
+% README: XBM-Grafik, LED-Blinkmuster
+
+\documentclass[a4paper]{article}
+
+\usepackage{pgscript}
+
+\begin{document}
+
+%  \thispagestyle{empty}
+
+  \section*{Hardwarenahe Programmierung\\
+            Übungsaufgaben -- 3.\ Dezember 2018}
+
+  Diese Übung enthält Punkteangaben wie in einer Klausur.
+  Um zu "`bestehen"', müssen Sie innerhalb von 45 Minuten
+  unter Verwendung ausschließlich zugelassener Hilfsmittel
+  8 Punkte (von insgesamt \totalpoints) erreichen.
+
+  \exercise{XBM-Grafik}
+
+  Bei einer XBM-Grafikdatei handelt es sich
+  um ein als C-Quelltext abgespeichertes Array,
+  das die Bildinformationen enthält:
+  \begin{itemize}\itemsep0pt
+    \item Jedes Bit entspricht einem Pixel.
+    \item Nullen stehen für Weiß, Einsen für Schwarz.
+    \item Das Bit mit Zahlenwert 1 steht für einen Bildpunkt ganz links im Byte,
+          das Bit mit Zahlenwert 128 für einen Bildpunkt ganz rechts.
+          (Diese Bit-Reihenfolge heißt \newterm{LSB first}.)
+    \item Jede Zeile des Bildes wird auf ganze Bytes aufgefüllt.
+    \item Breite und Höhe des Bildes sind als Konstantendefinitionen
+          (\lstinline{#define}) in der Datei enthalten.
+  \end{itemize}
+  Sie können eine XBM-Datei sowohl mit einem Texteditor
+  als auch mit vielen Grafikprogrammen öffnen und bearbeiten.
+
+  Beispiel (\gitfile{hp}{20171204}{aufgabe-1.xbm}):\hfill
+  \makebox(0,0)[tr]{\framebox{\includegraphics[scale=3]{aufgabe-1.png}}}
+  \begin{lstlisting}
+    #define aufgabe_1_width 14
+    #define aufgabe_1_height 14
+    static unsigned char aufgabe_1_bits[] = {
+       0x00, 0x00, 0xf0, 0x03, 0x08, 0x04, 0x04, 0x08, 0x02, 0x10, 0x32, 0x13,
+       0x22, 0x12, 0x02, 0x10, 0x0a, 0x14, 0x12, 0x12, 0xe4, 0x09, 0x08, 0x04,
+       0xf0, 0x03, 0x00, 0x00 };
+  \end{lstlisting} 
+  Ein C-Programm, das eine XBM-Grafik nutzen will,
+  kann die \file{.xbm}-Datei mit \lstinline{#include "..."} direkt einbinden.
+
+  Schreiben Sie ein Programm, das die XBM-Datei als ASCII-Grafik ausgibt, z.\,B.:
+  \begin{lstlisting}[style=terminal,lineskip=-4pt]
+                  
+        ******    
+       *      *   
+      *        *  
+     *          * 
+     *  **  **  * 
+     *   *   *  * 
+     *          * 
+     * *      * * 
+     *  *    *  * 
+      *  ****  *  
+       *      *   
+        ******    
+    ¡              ¿
+  \end{lstlisting}
+  \points{8}
+
+  (Hinweis für die Klausur: Abgabe auf Datenträger ist erlaubt und erwünscht,
+  aber nicht zwingend.)
+
+  \clearpage
+  \exercise{LED-Blinkmuster}
+
+  Wir betrachten das folgende Programm für einen ATmega32-Mikro-Controller
+  (Datei: \gitfile{hp}{20180108}{aufgabe-2.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}
+  % 8000000 / 64 = 125000
+  % 8000000 / 64 / 256 = 488.28125
+  % 8000000 / 64 / 256 / 256 = 1.9073486328125
+  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}
+
+  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 % schaltet sie eventuell an Port B angeschlossene weitere LEDs aus und
+      initialisiert sie die benötigten Bits an Port C als Output-Ports.
+      Sie selbst brauchen die Funktion \lstinline|init()| nicht weiter zu erklären.
+%    \item
+%      Während der Übung können Sie sich das Verhalten des Programms
+%      an einem RP6-Roboter vorführen lassen.
+  \end{itemize}
+
+\iffalse
+
+  \exercise{Lauflicht}
+
+  \begin{minipage}[t]{8cm}
+    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.
+
+        \bigskip
+
+        \includegraphics[width=3cm]{leds.jpg}
+    \end{itemize}
+  \end{minipage}\hfill
+  \begin{minipage}[t]{7cm}
+    Wir betrachten das folgende C-Programm (Datei: \gitfile{hp}{20171127}{aufgabe-2.c})
+    für diesen Mikrocontroller:
+
+    \begin{lstlisting}[gobble=6]
+      #include <avr/io.h>
+      #include <avr/interrupt.h>
+
+      int counter = 0;
+
+      ISR (TIMER0_COMP_vect)
+      {
+        PORTA = 1 << ((counter++ >> 6) & 7);
+      }
+
+      int main (void)
+      {
+        cli ();
+        TCCR0 = (1 << CS01) | (1 << CS00);
+        TIMSK = 1 << OCIE0;
+        sei ();
+        DDRA = 0xff;
+        while (1);
+        return 0;
+      }
+    \end{lstlisting}
+  \end{minipage}
+
+  \medskip
+
+  Das Programm bewirkt ein periodisches Lauflicht in der linken Spalte von oben nach unten.
+  Eine Animation davon finden Sie in der Datei \gitfile{hp}{20161127}{aufgabe-2.gif}.
+
+  \begin{itemize}
+    \item[(a)]
+      Wieso bewirkt das Programm überhaupt etwas, wenn doch das Hauptprogramm
+      nach dem Initialisieren lediglich eine Endlosschleife ausführt,
+      in der \emph{nichts\/} passiert? \points 3
+    \item[(b)]
+      Erklären Sie, wie die Anweisung
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+        PORTA = 1 << ((counter++ >> 6) & 7);
+      \end{lstlisting}
+      \vspace{-\medskipamount}
+      das LED-Blinkmuster hervorruft. \points 6
+
+      Hinweis: Zerlegen Sie die eine lange Anweisung in mehrere kürzere.\\
+      Wenn nötig, verwenden Sie zusätzliche Variable für Zwischenergebnisse.
+    \item[(c)]
+      Was bedeutet "`\lstinline{ISR (TIMER0_COMP_vect)}"'? \points 1
+    \item[(d)]
+      Wieso leuchten die Leuchtdioden PB2 und PD1? \points 2
+  \end{itemize}
+
+\fi
+
+  \begin{flushright}
+    \textit{Viel Erfolg!}
+  \end{flushright}
+
+  \makeatletter
+    \immediate\write\@mainaux{\string\gdef\string\totalpoints{\arabic{points}}}
+  \makeatother
+
+\end{document}