Vorbereitung 29.11.2021

20211122/hp-musterloesung-20211122.tex

-% hp-musterloesung-20211115.pdf - Solutions to the Exercises on Low-Level Programming
+% hp-musterloesung-20211122.pdf - Solutions to the Exercises on Low-Level Programming
 % Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021  Peter Gerwinski
 %
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@@ -20,7 +20,7 @@
 % Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License along with this
 % document.  If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
 
-% README: Ausgabe von Hexadezimalzahlen, Einfügen in Strings, LED-Blinkmuster
+% README: Ausgabe von Hexadezimalzahlen, Länge von Strings, LED-Blinkmuster
 
 \documentclass[a4paper]{article}
 

20211122/hp-uebung-20211122.tex

@@ -20,7 +20,7 @@
 % Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License along with this
 % document.  If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
 
-% README: Ausgabe von Hexadezimalzahlen, Einfügen in Strings, LED-Blinkmuster
+% README: Ausgabe von Hexadezimalzahlen, Länge von Strings, LED-Blinkmuster
 
 \documentclass[a4paper]{article}
 

20211129/aufgabe-1.c

+#include <stdio.h>
+#include <stdint.h>
+
+int main (void)
+{
+  uint64_t x = 4262939000843297096;
+  char *s = &x;
+  printf ("%s\n", s);
+  return 0;
+}

20211129/aufgabe-3.c

+#include <stdio.h>
+#include <stdint.h>
+
+typedef struct
+{
+  uint32_t a;
+  uint64_t b;
+  uint8_t c;
+} three_numbers;
+
+int main (void)
+{
+  three_numbers xyz = { 1819042120, 2410670883059281007, 0 };
+  printf ("%s\n", &xyz);
+  return 0;
+}

20211129/hp-2021ws-p3.tex

+% hp-2021ws-p3.pdf - Labor Notes on Low-Level Programming
+% Copyright (C) 2014, 2015, 2018, 2019, 2020, 2021  Peter Gerwinski
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+% any later version.
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+% but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+% MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
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+%
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+% document.  If not, see <http://creativecommons.org/licenses/>.
+
+% README: Versuch 3: Weltraum-Simulation
+
+\documentclass[a4paper]{article}
+
+\usepackage{pgscript}
+\usepackage{multicol}
+%\usepackage{sfmath}
+
+\sloppy
+\raggedcolumns
+\pagestyle{empty}
+\addtolength{\textheight}{1cm}
+\newcommand{\sep}{~$\cdot$~}
+\newcommand{\mylicense}{CC BY-SA (Version 4.0) oder GNU GPL (Version 3 oder höher)}
+
+\begin{document}
+
+  \makebox(0,0.005)[tl]{\includegraphics[scale=0.72]{logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf}}\hfill
+  \makebox(0,0)[tr]{\includegraphics[scale=0.5]{logo-hochschule-bochum.pdf}}
+  \par\bigskip\bigskip
+  \begin{center}
+    \Large\textbf{Praktikumsversuch 3: Weltraum-Simulation}
+    \par\medskip
+    \normalsize Hardwarenahe Programmierung\sep
+    Wintersemester 2021/22\sep
+    Prof.~Dr.~Peter Gerwinski
+  \end{center}
+
+  Aufgabe: Schreiben Sie ein C-Programm,
+  das die Bahnen von beliebig vielen Massenpunkten unter Einfluß der Gravitation
+  simuliert und in bewegter Grafik darstellt.
+
+  \begin{multicols}{2}
+
+    \begin{itemize}
+      \item
+        Zwei Massenpunkte ("`Himmelskörper"') mit den Massen $m_i$ und $m_j$
+        an den Orten $\vec{r}_i$ und $\vec{r}_j$ ziehen einander an.
+        Diese Kraft heißt Gravitation. Sie hat den Betrag:
+        \begin{equation}
+          |\vec{F}_{ij}| = \frac{m_j\cdot m_i\cdot G}{|\vec{r}_j - \vec{r}_i|^2}
+        \end{equation}
+        Hierbei ist $G$ eine Konstante (Gravitationskonstante).
+
+      \item
+        Die auf einen Himmelskörper wirkende Gesamtkraft $\vec{F}_i$
+        ergibt sich als Summe der von allen anderen Himmelskörpern herrührenden
+        Gravitationskräfte:
+        \begin{equation}
+          \vec{F}_i = \sum_{j=0,\,j\ne i}^{N - 1} \vec{F}_{ij}
+        \end{equation}
+
+      \item
+        Die Gravitationskraft beschleunigt jeden Himmelskörper gemäß:
+        \begin{equation}
+          \vec{F_i} = m_i\cdot \vec{a_i}
+        \end{equation}
+
+      \item
+        Beispiel: Wir betrachten zwei Himmelskörper. Einer davon ("`Zentralgestirn"')
+        ruht im Zentrum ($\vec{r}_0 = 0$, $\vec{v}_0 = 0$)
+        und hat eine wesentlich größere Masse als der andere
+        ("`Satellit"', $m_1 \ll m_0$).  Mit geeignetem Anfangsort $\vec{r}_1$
+        und geeigneter Anfangsgeschwindigkeit $\vec{v}_1$ beschreibt dann
+        der Satellit eine elliptische Umlaufbahn um das Zentralgestirn.
+
+      \item
+        Wir rechnen in zwei Dimensionen $x$ und $y$.
+
+      \item
+        Für die Zerlegung einer Kraft $\vec{F}_{ij}$ in $x$- und $y$-Komponenten
+        benötigen Sie nur die Grundrechenarten und die Wurzelfunktion,
+        jedoch insbesondere \emph{keine} trigonometrischen Funktionen:
+        \begin{equation}
+          \vec{F}_{ij} = |\vec{F}_{ij}| \cdot \frac{\vec{r}_j - \vec{r}_i}{|\vec{r}_j - \vec{r}_i|}
+        \end{equation}
+
+      \item
+        Die Wurzelfunktion \lstinline{sqrt()} finden Sie
+        in der Mathematik-Bibliothek.
+        Um diese zu nutzen, verwenden Sie \lstinline{#include <math.h>} im Quelltext,
+        und geben Sie beim \lstinline[style=cmd]{gcc}-Aufruf
+        \lstinline[style=cmd]{-lm} mit an.
+
+      \columnbreak
+
+      \item
+        Für die Simulation betrachten wir das System in kurzen Zeitintervallen $dt$
+        und berechnen die Änderungen des Ortes $\vec{r}_i = (x_i,y_i)$
+        und der Geschwindigkeit $\vec{v}_i = (v_{xi},v_{yi})$ jedes Himmelskörpers
+        mit Hilfe des expliziten Eulerschen Polygonzugverfahrens.
+        \par
+        (Wer möchte, darf natürlich auch andere Verfahren anwenden,
+        beispielsweise das klassische Runge-Kutta-Verfahren 4.~Ordnung.)
+
+      \item
+        Für eine derartige Simulation
+        einschließlich ihrer Darstellung als bewegte Grafik
+        können Sie sich von dem Beispiel-Programm \gitfile{hp}{2020ws/20201217}{gtk-16.c}
+        inspirieren lassen.
+%        (Compilieren mit:
+%        \lstinline[style=cmd]{gcc}
+%        \lstinline[style=cmd]{-Wall}
+%        \lstinline[style=cmd]{-O}
+%        \lstinline[style=cmd]{gtk-16.c}
+%        \lstinline[style=cmd]{$(pkg-config}
+%        \lstinline[style=cmd]{--cflags}
+%        \lstinline[style=cmd]{--libs}
+%        \lstinline[style=cmd]{gtk+-3.0)}
+%        \lstinline[style=cmd]{-o}
+%        \lstinline[style=cmd]{gtk-16})
+
+      \item
+        In einer \file{GTK+}-\lstinline{drawing_area}
+        liegt der Nullpunkt der Zeichnung oben links,
+        eine Längeneinheit entspricht einem Pixel,
+        und die $y$-Koordinate wächst nach unten.
+        Es empfiehlt sich, die Koordinaten so umzurechnen,
+        daß der Nullpunkt in der Mitte der Zeichnung liegt,
+        die Längeneinheit Ihrem persönlichen Geschmack entspricht
+        und die $y$-Koordinate nach oben wächst.
+
+      \item
+        Beispiel-Szenarien für 3 oder mehr Körper:
+        \vspace{-\smallskipamount}
+        \begin{itemize}\itemsep0pt
+          \item 
+            Planet mit Mond umkreist Sonne
+          \item
+            Sonne mit mehreren Planeten, die sich gegenseitig beeinflussen
+          \item
+            zwei Sonnen umkreisen sich gegenseitig, Planet kreist drumherum
+          \item
+            Raumsonde besucht nacheinander mehrere Planeten
+        \end{itemize}
+
+      \item
+        \textbf{Hinweis:}
+        Speichern Sie die verschiedenen Körper nicht als separate Variable,
+        sondern in einem Array. Ihr Programm wird dadurch nicht nur flexibler,
+        sondern auch übersichtlicher und weniger fehleranfällig.
+
+      \item
+        \textbf{Online-Abgabe:}
+        Ihre Quelltexte mit den Lösungen der Praktikumsaufgabe schicken Sie bitte
+        per E-Mail an \file{peter.gerwinski@hs-bochum.de}
+        mit dem \textbf{Betreff:} \lstinline[style=terminal]{Poo6va2U}
+        unter Angabe von Name, Matrikel-Nummer,
+        Studiengang (MI/MP/TI) und Studienmodell (KIA/KIS/GS).
+
+    \end{itemize}
+
+  \end{multicols}
+
+  \vspace*{-\bigskipamount}
+
+  \strut\hfill\emph{Viel Erfolg!}\qquad\qquad
+
+  \vfill
+
+  \begingroup
+
+    \small
+
+    \setlength{\leftskip}{3cm}
+
+    Stand: 29.\ November 2021
+
+%    Soweit nicht anders angegeben:\\
+    Copyright \copyright\ 2014, 2015, 2018, 2019, 2020, 2021\quad Peter Gerwinski\\
+    Lizenz: \mylicense
+
+    Sie können diese Praktikumsunterlagen einschließlich \LaTeX-Quelltext
+    und Beispielprogramm herunterladen unter:
+    \url{https://gitlab.cvh-server.de/pgerwinski/hp}
+
+  \endgroup
+
+\end{document}

20211129/hp-uebung-20211129.tex

+% hp-uebung-20211122.pdf - Exercises on Low-Level Programming
+% Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021  Peter Gerwinski
+%
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+%
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+
+% README: Trickprogrammierung, Thermometer-Baustein an I²C-Bus
+
+\documentclass[a4paper]{article}
+
+\usepackage{pgscript}
+\usepackage{gensymb}
+
+\newcommand{\ItwoC}{I\raisebox{0.5ex}{\footnotesize 2}C}
+\newcommand{\ITWOC}{I\raisebox{0.5ex}{\normalsize 2}C}
+
+\begin{document}
+
+%  \thispagestyle{empty}
+
+  \section*{Hardwarenahe Programmierung\\
+            Übungsaufgaben -- 22.\ November 2021}
+
+  Diese Übung enthält Punkteangaben wie in einer Klausur.
+  Um zu "`bestehen"', müssen Sie innerhalb von 90 Minuten
+  unter Verwendung ausschließlich zugelassener Hilfsmittel
+  15 Punkte (von insgesamt \totalpoints) erreichen.
+
+  \exercise{Trickprogrammierung}
+
+  Wir betrachten das folgende Programm (Datei: \gitfile{hp}{2021ws/20211129}{aufgabe-1.c}):
+  \begin{lstlisting}
+    #include <stdio.h>
+    #include <stdint.h>
+
+    int main (void)
+    {
+      uint64_t x = 4262939000843297096;
+      char *s = &x;
+      printf ("%s\n", s);
+      return 0;
+    }
+  \end{lstlisting}
+  Das Programm wird compiliert und auf einem 64-Bit-Little-Endian-Computer ausgeführt:
+  \begin{lstlisting}[style=terminal]
+    $ ¡gcc -Wall -O aufgabe-1.c -o aufgabe-1¿
+    aufgabe-1.c: In function `main':
+    aufgabe-1.c:7:13: warning: initialization from incompatible pointer type [...]
+    $ ¡./aufgabe-1¿
+    Hallo
+  \end{lstlisting}
+
+  \begin{itemize}
+    \item[(a)]
+      Erklären Sie die Warnung beim Compilieren. \points{2}
+    \item[(b)]
+      Erklären Sie die Ausgabe des Programms. \points{5}
+    \item[(c)]
+      Wie würde die Ausgabe des Programms auf einem 64-Bit-Big-Endian-Computer lauten? \points{3}
+  \end{itemize}
+  Hinweis: Modifizieren Sie das Programm
+  und lassen Sie sich Speicherinhalte ausgeben.
+
+  \exercise{Thermometer-Baustein an \ITWOC-Bus}
+
+  Eine Firma stellt einen elektronischen Thermometer-Baustein her,
+  den man über die serielle Schnittstelle (RS-232) an einen PC anschließen kann,
+  um die Temperatur auszulesen.
+  Nun wird eine Variante des Thermo"-meter-Bausteins entwickelt,
+  die die Temperatur zusätzlich über einen \ItwoC-Bus bereitstellt.
+
+  Um das neue Thermometer zu testen, wird es in ein Gefäß mit heißem Wasser gelegt,
+  das langsam auf Zimmertemperatur abkühlt.
+  Alle 10 Minuten liest ein Programm, das auf dem PC läuft,
+  die gemessene Temperatur über beide Schnittstellen aus
+  und erzeugt daraus die folgende Tabelle:
+
+  \begin{center}
+    \renewcommand{\arraystretch}{1.2}
+    \begin{tabular}{|c|c|c|}\hline
+      Zeit /\,min. & Temperatur per RS-232 /\,\degree C & Temperatur per \ItwoC\ /\,\degree C \\\hline\hline
+      \phantom{0}0 & 94 & 122 \\\hline
+      10 & 47 & 244 \\\hline
+      20 & 30 & 120 \\\hline
+      30 & 24 & \phantom{0}24 \\\hline
+      40 & 21 & 168 \\\hline
+    \end{tabular}
+  \end{center}
+
+  \begin{itemize}
+    \item[(a)]
+      Aus dem Vergleich der Meßdaten läßt sich
+      auf einen Fehler bei der \ItwoC-Übertragung schließen.\\
+      Um welchen Fehler handelt es sich,
+      und wie ergibt sich dies aus den Meßdaten?
+      \points{5}
+    \item[(b)]
+      Schreiben Sie eine C-Funktion \lstinline{uint8_t repair (uint8_t data)},
+      die eine über den \ItwoC-Bus empfangene fehlerhafte Temperatur \lstinline{data} korrigiert.
+      \points{5}
+  \end{itemize}
+
+  \exercise{Speicherformate von Zahlen}
+
+  Wir betrachten das folgende Programm (\gitfile{hp}{2021ws/20211129}{aufgabe-3.c}):
+  \begin{lstlisting}
+    #include <stdio.h>
+    #include <stdint.h>
+
+    typedef struct
+    {
+      uint32_t a;
+      uint64_t b;
+      uint8_t c;
+    } three_numbers;
+
+    int main (void)
+    {
+      three_numbers xyz = { 1819042120, 2410670883059281007, 0 };
+      printf ("%s\n", &xyz);
+      return 0;
+    }
+  \end{lstlisting}
+
+  Das Programm wird für einen 32-Bit-Rechner compiliert und ausgeführt.\\
+  (Die \lstinline[style=cmd]{gcc}-Option \lstinline[style=cmd]{-m32} sorgt dafür,
+  daß \lstinline[style=cmd]{gcc} Code für einen 32-Bit-Prozessor erzeugt.)
+
+  \begin{lstlisting}[style=terminal]
+    $ ¡gcc -Wall -m32 aufgabe-2.c -o aufgabe-2¿
+    aufgabe-2.c: In function "main":
+    aufgabe-2.c:14:13: warning: format "%s" expects argument of type "char *", but
+    argument 2 has type "three_numbers * {aka struct <anonymous> *}" [-Wformat=]
+       printf ("%s\n", &xyz);
+                 ^
+    $ ¡./aufgabe-2¿
+    Hallo, Welt!
+  \end{lstlisting}
+
+  \begin{enumerate}[\quad(a)]
+    \item
+      Erklären Sie die beim Compilieren auftretende Warnung.
+      \points{2}
+    \item
+      Erklären Sie die Ausgabe des Programms.
+      \points{4}
+    \item
+      Welche Endianness hat der verwendete Rechner?
+      Wie sähe die Ausgabe auf einem Rechner mit entgegengesetzter Endianness aus?
+      \points{2}
+    \item
+      Dasselbe Programm wird nun für einen 64-Bit-Rechner compiliert und ausgeführt.\\
+      (Die \lstinline[style=cmd]{gcc}-Option \lstinline[style=cmd]{-m64} sorgt dafür,
+      daß \lstinline[style=cmd]{gcc} Code für einen 64-Bit-Prozessor erzeugt.)
+      \begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=8]
+        $ ¡gcc -Wall -m64 aufgabe-2.c -o aufgabe-2¿
+        aufgabe-2.c: In function "main":
+        aufgabe-2.c:14:13: warning: format "%s" expects argument of type "char *",
+        but argument 2 has type "three_numbers * {aka struct <anonymous> *}"
+        [-Wformat=]
+           printf ("%s\n", &xyz);
+                     ^
+        $ ¡./aufgabe-2¿
+        Hall5V
+      \end{lstlisting}
+      (Es ist möglich, daß die konkrete Ausgabe auf Ihrem Rechner anders aussieht.)\par
+      Erklären Sie die geänderte Ausgabe des Programms.
+      \points{3}
+  \end{enumerate}
+
+  \begin{flushright}
+    \textit{Viel Erfolg!}
+  \end{flushright}
+
+  \makeatletter
+    \immediate\write\@mainaux{\string\gdef\string\totalpoints{\arabic{points}}}
+  \makeatother
+
+\end{document}

20211129/io-ports-and-interrupts.pdf

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

20211129/loesung-1-1.c

+#include <stdio.h>
+#include <stdint.h>
+#include <inttypes.h>
+
+int main (void)
+{
+  uint64_t x = 4262939000843297096;
+  char *s = &x;
+  printf ("%lx\n", x);
+  printf ("%" PRIx64 "\n", x);
+  printf ("%s\n", s);
+  return 0;
+}

20211129/loesung-1-2.c

+#include <stdio.h>
+#include <stdint.h>
+#include <inttypes.h>
+
+int main (void)
+{
+  uint64_t x = 4262939000843297096;
+  char *s = &x;
+  printf ("%lx\n", x);
+  printf ("%" PRIx64 "\n", x);
+  printf ("%c %c %c %c %c %c %c %c\n",
+          0x48, 0x61, 0x6c, 0x6c, 0x6f, 0x00, 0x29, 0x3b);
+  printf ("%s\n", s);
+  return 0;
+}

20211129/loesung-1-3.c

+#include <stdio.h>
+#include <stdint.h>
+#include <inttypes.h>
+
+int main (void)
+{
+  uint64_t x = 0x48616c6c6f00293b;
+  char *s = &x;
+  printf ("%s\n", s);
+  return 0;
+}

20211129/loesung-2.c

+#include <stdio.h>
+#include <stdint.h>
+
+uint8_t repair (uint8_t data)
+{
+  uint8_t result = 0;
+  uint8_t mask_data = 0x01;
+  uint8_t mask_result = 0x80;
+  while (mask_data)
+    {
+      if (data & mask_data)
+        result |= mask_result;
+      mask_data <<= 1;
+      mask_result >>= 1;
+    }
+  return result;
+}
+
+int main (void)
+{
+  int data[] = { 122, 244, 120, 24, 168, -1 };
+  int i = 0;
+  while (data[i] >= 0)
+    printf ("%d\n", repair (data[i++]));
+  return 0;
+}

20211129/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf

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

20211129/logo-hochschule-bochum.pdf

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

20211129/pendulum-0.c

+#include <gtk/gtk.h>
+#include <math.h>
+
+int width = 320;
+int height = 240;
+int gap = height / 20;
+int r = gap;
+double visual_length = height - 2 * gap - r;
+
+double phi0 = -0.5;
+double omega0 = 0.0;
+double t0 = 0.0;
+double g = 9.81;
+double l = 1.0;
+double dt = 0.02;
+
+double t = t0;
+double phi = phi0;
+double omega = omega0;
+
+gboolean draw (GtkWidget *widget, cairo_t *c, gpointer data)
+{
+  GdkRGBA blue = { 0.0, 0.5, 1.0, 1.0 };
+
+  int x = width / 2 + visual_length * sin (phi);
+  int y = gap + visual_length * cos (phi);
+
+  gdk_cairo_set_source_rgba (c, &blue);
+  cairo_move_to (c, width / 2, gap);
+  cairo_line_to (c, x, y);
+  cairo_stroke (c);
+  cairo_arc (c, x, y, r, 0, 2 * G_PI);
+  cairo_fill (c);
+
+  return FALSE;  /* TRUE to stop other handlers from being invoked for the event.
+                    FALSE to propagate the event further. */
+}
+
+gboolean timer (GtkWidget *widget)
+{
+  t += dt;
+  phi += omega * dt;
+  omega += - dt * g / l * sin (phi);
+
+  gtk_widget_queue_draw_area (widget, 0, 0, width, height);
+  g_timeout_add (50, (GSourceFunc) timer, widget);
+  return FALSE;
+}
+
+int main (int argc, char **argv)
+{
+  gtk_init (&argc, &argv);
+
+  GtkWidget *window = gtk_window_new (GTK_WINDOW_TOPLEVEL);
+  gtk_widget_show (window);
+  gtk_window_set_title (GTK_WINDOW (window), "Hello");
+  g_signal_connect (window, "destroy", G_CALLBACK (gtk_main_quit), NULL);
+
+  GtkWidget *drawing_area = gtk_drawing_area_new ();
+  gtk_widget_show (drawing_area);
+  gtk_container_add (GTK_CONTAINER (window), drawing_area);
+  gtk_widget_set_size_request (drawing_area, width, height);
+  g_signal_connect (drawing_area, "draw", G_CALLBACK (draw), NULL);
+
+  g_timeout_add (50, (GSourceFunc) timer, drawing_area);
+
+  gtk_main ();
+  return 0;
+}