Musterlösung 12.11.2018

20181112/hp-musterloesung-20181112.tex

+% hp-musterloesung-20181112.pdf - Solutions to the Exercises on Low-Level Programming / Applied Computer Sciences
+% Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018  Peter Gerwinski
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+
+% README: Text-Grafik-Bibliothek, Datum-Bibliothek, Kondensator
+
+\documentclass[a4paper]{article}
+
+\usepackage{pgscript}
+
+\begin{document}
+
+  \section*{Hardwarenahe Programmierung\\
+            Musterlösung zu den Übungsaufgaben -- 12.\ November 2018}
+
+  \exercise{Text-Grafik-Bibliothek}
+
+  Schreiben Sie eine Bibliothek für "`Text-Grafik"' mit folgenden Funktionen:\vspace*{-\medskipamount}
+  \begin{itemize}
+    \item
+      \lstinline|void clear (char c)|\\
+      Bildschirm auf Zeichen \lstinline|c| löschen,\\
+      also komplett mit diesem Zeichen (z.\,B.: Leerzeichen) füllen
+    \item
+      \lstinline|void put_point (int x, int y, char c)|\\
+      Punkt setzen (z.\,B.\ einen Stern (\lstinline{*}) an die Stelle $(x,y)$ "`malen"')
+    \item
+      \lstinline|char get_point (int x, int y)|\\
+      Punkt lesen
+%    \item
+%      \lstinline|void fill (int x, int y, char c, char o)|\\
+%      Fläche in der "`Farbe"' \lstinline|o|,
+%      die den Punkt \lstinline|(x, y)| enthält,
+%      mit der "`Farbe"' \lstinline|c| ausmalen
+    \item
+      \lstinline|void display (void)|\\
+      das Gezeichnete auf dem Bildschirm ausgeben
+  \end{itemize}
+
+  Hinweise:\vspace*{-\medskipamount}
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Eine C-Bibliothek besteht aus (mindestens)
+      einer \file{.h}-Datei und einer \file{.c}-Datei.
+    \item
+      Verwenden Sie ein Array als "`Bildschirm"'.
+
+      Vor dem Aufruf der Funktion \lstinline|display()| ist nichts zu sehen;\\
+      alle Grafikoperationen erfolgen auf dem Array.
+    \item
+      Verwenden Sie Präprozessor-Konstante,
+      z.\,B.\ \lstinline{WIDTH} und \lstinline{HEIGHT},\\
+      um Höhe und Breite des "`Bildschirms"' festzulegen:
+      \begin{lstlisting}[gobble=8]
+        #define WIDTH 72
+        #define HEIGHT 24
+      \end{lstlisting}
+    \item
+     Schreiben Sie zusätzlich ein Test-Programm,
+     das alle Funktionen der Bibliothek benutzt,\\
+     um ein hübsches Bild (z.\,B.\ ein stilisiertes Gesicht -- "`Smiley"')
+     auszugeben.
+  \end{itemize}
+
+  \solution
+
+  Siehe die Dateien \gitfile{hp}{20181112}{textgraph.c} und \gitfile{hp}{20181112}{textgraph.h} (Bibliothek)
+  sowie \gitfile{20181112}{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{Datum-Bibliothek}
+
+  Zerlegen Sie die Datum-Bibliothek aus der Übungsaufgabe 3 vom 29.\,10.\,2018
+  in eine \file{.c}- und eine \file{.h}-Datei.
+
+  Hinweis: Schreiben Sie auch hierfür zusätzlich ein Test-Programm.
+
+  \exercise{Kondensator}
+
+  Ein Kondensator der Kapazität $C = 100\,\mu{\rm F}$
+  ist auf die Spannung $U = 5\,{\rm V}$ aufgeladen
+  und wird über einen Widerstand $R = 33\,{\rm k}\Omega$ entladen.
+  \begin{enumerate}[(a)]
+    \item
+      Stellen Sie den zeitlichen Spannungsverlauf in einer Tabelle dar.
+    \item
+      Wie lange dauert es, bis die Spannung unter $0.1\,{\rm V}$ gefallen ist?
+    \item
+      Vergleichen Sie die berechneten Werte mit der exakten theoretischen Entladekurve:
+      \begin{math}
+        U(t) = U_0 \cdot e^{-\frac{t}{RC}}
+      \end{math}
+  \end{enumerate}
+
+  Hinweise:
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Für die Simulation zerlegen wir den Entladevorgang in kurze Zeitintervalle $dt$.
+      Innerhalb jedes Zeitintervalls betrachten wir den Strom $I$ als konstant
+      und berechnen, wieviel Ladung $Q$ innerhalb des Zeitintervalls
+      aus dem Kondensator herausfließt.
+      Aus der neuen Ladung berechnen wir die Spannung am Ende des Zeitintervalls.
+    \item
+      Für den Vergleich mit der exakten theoretischen Entladekurve
+      benötigen Sie die Exponentialfunktion \lstinline{exp()}.
+      Diese finden Sie in der Mathematik-Bibliothek:
+      \lstinline{#include <math.h>} im Quelltext,
+      beim \lstinline[style=cmd]{gcc}-Aufruf \lstinline[style=cmd]{-lm} mit angeben.
+    \item
+      $Q = C \cdot U$,\quad $U = R \cdot I$,\quad $I = \frac{dQ}{dt}$
+  \end{itemize}
+
+  \solution
+
+  Siehe die Datei: \gitfile{hp}{20181112}{loesung-3.c}
+
+\end{document}

20181112/loesung-3.c

+#include <stdio.h>
+#include <math.h>
+
+int main (void)
+{
+  double C = 0.0001;
+  double U0 = 5.0;
+  double U = U0;
+  double R = 33000.0;
+  double t = 0.1;
+  double dt = 0.01;
+  double Q = C * U;
+  while (U > 0.1)
+    {
+      printf ("%10.3lf%10.3lf%10.3lf\n", t, U, U0 * exp (-t / (R * C)));
+      double I = U / R;
+      Q -= I * dt;
+      U = Q / C;
+      t += dt;
+    }
+  return 0;
+}

20181112/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;
+}

20181112/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");
+    }
+}

20181112/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