Vorbereitung 21.1.2021

20210121/Makefile

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

20210121/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;
+}

20210121/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;
+}

20210121/blink-10.c

+#include <avr/io.h>
+#include <avr/interrupt.h>
+#include <stdint.h>
+
+#define F_CPU 16000000l
+#include <util/delay.h>
+
+volatile uint8_t key_pressed = 0;
+
+ISR (INT0_vect)  /* PD2 */
+{
+  key_pressed = 1;
+}
+
+int main (void)
+{
+  cli ();
+  EICRA = 1 << ISC00 | 1 << ISC01;  /* INT0: steigende Flanke */
+  EIMSK = 1 << INT0;  /* INT0 einschalten */
+  sei ();
+  DDRD = 0xfb;   /* binär: 1111 1011 */
+  PORTD = 0x40;  /* binär: 0100 0000 */
+  while (1)
+    {
+      while (!key_pressed)
+        ;  /* just wait */
+      PORTD ^= 0x40;
+      key_pressed = 0;
+    }
+  return 0;
+}

20210121/blink-11.c

+#include <avr/io.h>
+#include <avr/interrupt.h>
+#include <stdint.h>
+
+#define F_CPU 16000000l
+#include <util/delay.h>
+
+volatile uint8_t key_pressed = 0;
+
+ISR (INT0_vect)  /* PD2 */
+{
+  key_pressed = 1;
+}
+
+int main (void)
+{
+  cli ();
+  EICRA = 1 << ISC00 | 1 << ISC01;  /* INT0: steigende Flanke */
+  EIMSK = 1 << INT0;  /* INT0 einschalten */
+  sei ();
+  DDRD = 0xfb;   /* binär: 1111 1011 */
+  PORTD = 0x40;  /* binär: 0100 0000 */
+  while (1)
+    {
+      while (!key_pressed)
+        ;  /* just wait */
+      _delay_ms (1);
+      PORTD ^= 0x40;
+      key_pressed = 0;
+    }
+  return 0;
+}

20210121/blink-4.c

+#include <avr/io.h>
+
+#define F_CPU 16000000
+#include <util/delay.h>
+
+int main (void)
+{
+  DDRD = 0x01;
+  PORTD = 0x01;
+  while (1)
+    {
+      while ((PIND & 0x02) == 0)
+        ; /* just wait */
+      PORTD ^= 0x01;
+      _delay_ms (200);
+    }
+  return 0;
+}

20210121/blink-5.c

+#include <avr/io.h>
+#include <avr/interrupt.h>
+
+ISR (TIMER0_COMPB_vect)
+{
+  PORTD ^= 0x40;
+}
+
+int main (void)
+{
+  cli ();
+  TCCR0B = (1 << CS01) | (1 << CS00);  /* Takt durch 64 dividieren */
+  TIMSK0 = 1 << OCIE0B;  /* Interrupt einschalten */
+  sei ();
+  DDRD = 0xfd;   /* binär: 1111 1101 */
+  PORTD = 0x40;  /* binär: 0100 0000 */
+  while (1);
+  return 0;
+}

20210121/blink-6.c

+#include <avr/io.h>
+#include <avr/interrupt.h>
+#include <stdint.h>
+
+ISR (TIMER0_COMPB_vect)
+{
+  static uint8_t counter = 0;
+  if (counter++ == 0)
+    PORTD ^= 0x40;
+}
+
+int main (void)
+{
+  cli ();
+  TCCR0B = (1 << CS01) | (1 << CS00);  /* Takt durch 64 dividieren */
+  TIMSK0 = 1 << OCIE0B;  /* Interrupt einschalten */
+  sei ();
+  DDRD = 0xfd;   /* binär: 1111 1101 */
+  PORTD = 0x40;  /* binär: 0100 0000 */
+  while (1);
+  return 0;
+}

20210121/blink-7.c

+#include <avr/io.h>
+#include <avr/interrupt.h>
+#include <stdint.h>
+
+ISR (INT0_vect)  /* PD2 */
+{
+  PORTD ^= 0x40;
+}
+
+int main (void)
+{
+  cli ();
+  EICRA = 1 << ISC00 | 1 << ISC01;  /* INT0: steigende Flanke */
+  EIMSK = 1 << INT0;  /* INT0 einschalten */
+  sei ();
+  DDRD = 0xfb;   /* binär: 1111 1011 */
+  PORTD = 0x40;  /* binär: 0100 0000 */
+  while (1);
+  return 0;
+}

20210121/blink-8.c

+#include <avr/io.h>
+#include <avr/interrupt.h>
+#include <stdint.h>
+
+ISR (INT0_vect)  /* PD2 */
+{
+  PORTD ^= 0x40;
+}
+
+int main (void)
+{
+  cli ();
+  EICRA = 1 << ISC00 | 1 << ISC01;  /* INT0: steigende Flanke */
+  EIMSK = 1 << INT0;  /* INT0 einschalten */
+  sei ();
+  DDRD = 0xff;   /* binär: 1111 1111 */
+  PORTD = 0x40;  /* binär: 0100 0000 */
+  while (1);
+  return 0;
+}

20210121/blink-9.c

+#include <avr/io.h>
+#include <avr/interrupt.h>
+#include <stdint.h>
+
+#define F_CPU 16000000l
+#include <util/delay.h>
+
+uint8_t key_pressed = 0;
+
+ISR (INT0_vect)  /* PD2 */
+{
+  key_pressed = 1;
+}
+
+int main (void)
+{
+  cli ();
+  EICRA = 1 << ISC00 | 1 << ISC01;  /* INT0: steigende Flanke */
+  EIMSK = 1 << INT0;  /* INT0 einschalten */
+  sei ();
+  DDRD = 0xfb;   /* binär: 1111 1011 */
+  PORTD = 0x40;  /* binär: 0100 0000 */
+  while (1)
+    {
+      while (!key_pressed)
+        ;  /* just wait */
+      PORTD ^= 0x40;
+      key_pressed = 0;
+    }
+  return 0;
+}

20210121/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

20210121/hp-20210121.tex

+% hp-20210121.pdf - Lecture Slides on Low-Level Programming
+% Copyright (C) 2012, 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021  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
+% MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+% GNU General Public License for more details.
+%
+% You should have received a copy of the GNU General Public License
+% 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: Hardwarenahe Programmierung: Interrupts, volatile-Variable, Byte-Reihenfolge – Endianness, Binärdarstellung negativer Zahlen, Speicherausrichtung – Alignment
+
+\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}
+
+\title{Hardwarenahe Programmierung}
+\author{Prof.\ Dr.\ rer.\ nat.\ Peter Gerwinski}
+\date{21.\ Januar 2021}
+
+\begin{document}
+
+\maketitleframe
+
+\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{Algorithmen}
+    \item[\textbf{5}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung}
+      \begin{itemize}
+        \color{medgreen}
+        \item[5.1] Bit-Operationen
+        \item[5.2] I/O-Ports
+        \color{red}
+        \item[5.3] Interrupts
+        \item[5.4] volatile-Variable
+        \item[5.6] Byte-Reihenfolge -- Endianness
+        \item[5.7] Binärdarstellung negativer Zahlen
+        \item[5.8] Speicherausrichtung -- Alignment
+      \end{itemize}
+    \vspace*{-\smallskipamount}
+    \item[\textbf{\dots}]
+  \end{itemize}
+
+\end{frame}
+
+\setcounter{section}{4}
+\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}
+
+\iffalse
+
+  \bigskip
+
+  Aufgabe: Schreiben Sie C-Funktionen, die ein "`Array von Bits"' realisieren, z.\,B.
+
+  \smallskip
+
+  \begin{tabular}[t]{ll}
+    \lstinline|void set_bit (int i);|   & Bei Index $i$ auf 1 setzen \\
+    \lstinline|void clear_bit (int i);| & Bei Index $i$ auf 0 setzen \\
+    \lstinline|int get_bit (int i);|    & Bei Index $i$ lesen
+  \end{tabular}
+
+  \medskip
+
+  Hinweise:
+  \begin{itemize}
+    \item
+      Die Größe des Bit-"`Arrays"' (z.\,B.\ 1000) dürfen Sie als \emph{vorher bekannt\/} voraussetzen.
+    \item
+      Sie benötigen ein Array, z.\,B.\ von \lstinline|char|- oder \lstinline|int|-Variablen.
+    \item
+      Sie benötigen eine Division (\lstinline|/|) sowie den Divisionsrest (Modulo: \lstinline|%|).
+  \end{itemize}
+
+\fi
+
+\end{frame}
+
+\subsection{I/O-Ports}
+
+\begin{frame}[fragile]
+
+%  \showsection
+  \showsubsection
+  \vspace*{-1.5\medskipamount}
+  {\large\textbf{\color{structure}5.3\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}
+
+\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}
+
+\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{Algorithmen}
+      \begin{itemize}
+        \item[4.1] Differentialgleichungen
+        \item[4.2] Rekursion
+        \item[4.3] Aufwandsabschätzungen
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{5}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung}
+      \begin{itemize}
+        \item[5.1] Bit-Operationen
+        \item[5.2] I/O-Ports
+        \color{medgreen}
+        \item[5.3] Interrupts
+        \item[5.4] volatile-Variable
+        \item[5.6] Byte-Reihenfolge -- Endianness
+        \item[5.7] Binärdarstellung negativer Zahlen
+        \item[5.8] Speicherausrichtung -- Alignment
+      \end{itemize}
+    \item[\textbf{\dots}]
+  \end{itemize}
+
+\end{frame}
+
+\end{document}

20210121/hp-musterloesung-20210121.tex

+% hp-musterloesung-20210121.pdf - Solutions to the Exercises on Low-Level Programming
+% Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021  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
+% MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+% GNU General Public License for more details.
+%
+% You should have received a copy of the GNU General Public License
+% 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: Trickprogrammierung, Thermometer-Baustein an I²C-Bus, LED-Blinkmuster
+
+\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}
+
+  \section*{Hardwarenahe Programmierung\\
+            Musterlösung zu den Übungsaufgaben -- 21.\ Januar 2021}
+
+  \exercise{Trickprogrammierung}
+
+  Wir betrachten das folgende Programm (Datei: \gitfile{hp}{2020ws/20210121}{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.
+
+  \solution
+
+  \begin{itemize}
+    \item[(a)]
+      \textbf{Erklären Sie die Warnung beim Compilieren.}
+
+      Zeile 7 des Programms enthält eine Zuweisung von \lstinline{&x}
+      an die Variable \lstinline{s}.
+      Der Ausdruck \lstinline{&x} steht für die Speicheradresse der Variablen \lstinline{x},
+      ist also ein Zeiger auf \lstinline{x},
+      also ein Zeiger auf eine \lstinline{uint64_t}.
+      Die Variable \lstinline{s} hingegen ist ein Zeiger auf \lstinline{char},
+      also ein Zeiger auf eine viel kleinere Zahl,
+      also ein anderer Zeigertyp.
+
+    \item[(b)]
+      \textbf{Erklären Sie die Ausgabe des Programms.}
+
+      Die 64-Bit-Zahl (\lstinline{uint64_t}) \lstinline{x}
+      belegt 8 Speicherzellen (Bytes) von jeweils 8 Bit.
+      Um herauszufinden, was diese enthalten,
+      lassen wir uns \lstinline{x} als Hexadezimalzahl ausgeben,
+      z.\,B.\ mittels \lstinline{printf ("%lx\n", x)}
+      (auf 32-Bit-Rechnern: \lstinline{"%llx\n"})
+      oder mittels \lstinline{printf ("%" PRIx64 "\n", x)}
+      (erfordert \lstinline{#include <inttypes.h>}
+      -- siehe die Datei \gitfile{hp}{2020ws/20210121}{loesung-1-1.c}).
+      Das Ergebnis lautet:
+      \begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=8]
+        3b29006f6c6c6148
+      \end{lstlisting}
+      Auf einzelne Bytes verteilt:
+      \begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=8]
+        3b 29 00 6f 6c 6c 61 48
+      \end{lstlisting}
+      Auf einem Little-Endian-Rechner
+      ist die Reihenfolge der Bytes in den Speicherzellen genau umgekehrt:
+      \begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=8]
+        48 61 6c 6c 6f 00 29 3b
+      \end{lstlisting}
+      Wenn wir uns diese Bytes als Zeichen ausgeben lassen
+      (\lstinline{printf()} mit \lstinline{%c} -- siehe die Datei \gitfile{hp}{2020ws/20210121}{loesung-1-2.c}),
+      erhalten wir:
+      \begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=8]
+        H a l l o  ) ;
+      \end{lstlisting}
+      Das Zeichen hinter "`Hallo"' ist ein Null-Symbol (Zahlenwert 0)
+      und wird von \lstinline{printf ("%s")} als Ende des Strings erkannt.
+      Damit ist die Ausgabe \lstinline[style=terminal]{Hallo}
+      des Programms erklärt.
+
+    \goodbreak
+    \item[(c)]
+      \textbf{Wie würde die Ausgabe des Programms auf einem 64-Bit-Big-Endian-Computer lauten?}
+
+      Auf einem Big-Endian-Computer (egal, wieviele Bits die Prozessorregister haben)
+      ist die Reihenfolge der Bytes in den Speicherzellen genau umgekehrt
+      wie auf einem Little-Endian-Computer, hier also:
+      \begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=8]
+        3b 29 00 6f 6c 6c 61 48
+      \end{lstlisting}
+      \lstinline{printf ("%s")} gibt in diesem Fall die Hexadezimalzahlen
+      \lstinline[style=terminal]{3b} und \lstinline[style=terminal]{29}
+      als Zeichen aus. Danach steht das String-Ende-Symbol mit Zahlenwert 0,
+      und die Ausgabe bricht ab.
+      Da, wie oben ermittelt, die Hexadezimalzahl \lstinline[style=terminal]{3b}
+      für das Zeichen \lstinline[style=terminal]{;}
+      und \lstinline[style=terminal]{29}
+      für das Zeichen \lstinline[style=terminal]{)} steht,
+      lautet somit die Ausgabe:
+      \begin{lstlisting}[style=terminal,gobble=8]
+        ;)
+      \end{lstlisting}
+      Um die Aufgabe zu lösen, können Sie übrigens auch
+      auf einem Little-Endian-Computer (Standard-Notebook)
+      einen Big-Endian-Computer simulieren,
+      indem Sie die Reihenfolge der Bytes in der Zahl \lstinline{x} umdrehen
+      -- siehe die Datei \gitfile{hp}{2020ws/20210121}{loesung-1-3.c}.
+  \end{itemize}
+
+  \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}
+
+  \solution
+
+  \begin{itemize}
+    \item[(a)]
+      \textbf{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?}
+
+      Sowohl RS-232 als auch \ItwoC\ übertragen die Daten Bit für Bit.
+      Für die Fehlersuche ist es daher sinnvoll,
+      die Meßwerte als Binärzahlen zu betrachten:
+
+      \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$_{10}$ = 01011110$_2$ & 122$_{10}$           = 01111010$_2$ \\\hline
+          10           & 47$_{10}$ = 00101111$_2$ & 244$_{10}$           = 11110100$_2$ \\\hline
+          20           & 30$_{10}$ = 00011110$_2$ & 120$_{10}$           = 01111000$_2$ \\\hline
+          30           & 24$_{10}$ = 00011000$_2$ & \phantom{0}24$_{10}$ = 00011000$_2$ \\\hline
+          40           & 21$_{10}$ = 00010101$_2$ & 168$_{10}$           = 10101000$_2$ \\\hline
+        \end{tabular}
+      \end{center}
+
+      Man erkennt, daß die Reihenfolge der Bits in den (fehlerhaften) \ItwoC-Meßwerten
+      genau die umgekehrte Reihenfolge der Bits in den (korrekten) RS-232-Mewßwerten ist.
+      Der Übertragungsfehler besteht also darin,
+      daß die Bits in der falschen Reihenfolge übertragen wurden.
+
+      Dies paßt gut damit zusammen,
+      daß die Bit-Reihenfolge von \ItwoC\ \emph{MSB First}, die von RS-232 hingegen \emph{LSB First\/} ist.
+      Offenbar haben die Entwickler der \ItwoC-Schnittstelle dies übersehen
+      und die \ItwoC-Daten ebenfalls \emph{LSB First\/} übertragen.
+
+    \goodbreak
+    \item[(b)]
+      \textbf{Schreiben Sie eine C-Funktion \lstinline{uint8_t repair (uint8_t data)},
+      die eine über den \ItwoC-Bus empfangene fehlerhafte Temperatur \lstinline{data} korrigiert.}
+
+      Die Aufgabe der Funktion besteht darin,
+      eine 8-Bit-Zahl \lstinline{data} entgegenzunehmen,
+      die Reihenfolge der 8 Bits genau umzudrehen
+      und das Ergebnis mittels \lstinline{return} zurückzugeben.
+
+      Zu diesem Zweck gehen wir die 8 Bits in einer Schleife durch
+      -- siehe die Datei \gitfile{hp}{2020ws/20210121}{loesung-2.c}.
+      Wir lassen eine Lese-Maske \lstinline{mask_data} von rechts nach links
+      und gleichzeitig eine Schreib-Maske \lstinline{mask_result}
+      von links nach rechts wandern.
+      Immer wenn die Lese-Maske in \lstinline{data} eine 1 findet,
+      schreibt die Schreib-Maske diese in die Ergebnisvariable \lstinline{result}.
+
+      Da \lstinline{result} auf 0 initialisiert wurde,
+      brauchen wir Nullen nicht hineinzuschreiben.
+      Ansonsten wäre dies mit \lstinline{result &= ~mask_result} möglich.
+
+      Um die Schleife bis 8 zählen zu lassen,
+      könnte man eine weitere Zähler-Variable von 0 bis 7 zählen lassen,
+      z.\,B.\ \lstinline{for (int i = 0; i < 8; i++)}.
+      Dies ist jedoch nicht nötig, wenn man beachtet,
+      daß die Masken den Wert 0 annehmen,
+      sobald das Bit aus der 8-Bit-Variablen herausgeschoben wurde.
+      In \gitfile{hp}{2020ws/20210121}{loesung-2.c} wird \lstinline{mask_data} auf 0 geprüft;
+      genausogut könnte man auch \lstinline{mask_result} prüfen.
+
+      Das \lstinline{return result} ist notwendig.
+      Eine Ausgabe des Ergebnisses per \lstinline{printf()} o.\,ä.\
+      erfüllt \emph{nicht\/} die Aufgabenstellung.
+      (In \gitfile{hp}{2020ws/20210121}{loesung-2.c} erfolgt entsprechend \lstinline{printf()}
+      nur im Testprogramm \lstinline{main()}.)
+  \end{itemize}
+
+  \exercise{LED-Blinkmuster}
+
+  Wir betrachten das folgende Programm für einen ATmega32-Mikro-Controller
+  (Datei: \gitfile{hp}{2020ws/20210121}{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}

20210121/hp-uebung-20210121.tex

+% hp-uebung-20210121.pdf - Exercises on Low-Level Programming
+% Copyright (C) 2013, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021  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
+% MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+% GNU General Public License for more details.
+%
+% You should have received a copy of the GNU General Public License
+% 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: Trickprogrammierung, Thermometer-Baustein an I²C-Bus, LED-Blinkmuster
+
+\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 -- 21.\ Januar 2021}
+
+  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{Trickprogrammierung}
+
+  Wir betrachten das folgende Programm (Datei: \gitfile{hp}{2020ws/20210121}{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{LED-Blinkmuster}
+
+  Wir betrachten das folgende Programm für einen ATmega32-Mikro-Controller
+  (Datei: \gitfile{hp}{2020ws/20210121}{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}
+
+  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}

20210121/io-ports-and-interrupts.pdf

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

20210121/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;
+}