diff --git a/20230530/io-ports-and-interrupts.pdf b/20230530/io-ports-and-interrupts.pdf new file mode 120000 index 0000000000000000000000000000000000000000..bcd46f7afb35605b20bdb05637e6de0a039893ec --- /dev/null +++ b/20230530/io-ports-and-interrupts.pdf @@ -0,0 +1 @@ +../common/io-ports-and-interrupts.pdf \ No newline at end of file diff --git a/20230530/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf b/20230530/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf new file mode 120000 index 0000000000000000000000000000000000000000..4aa99b8f81061aca6dcaf43eed2d9efef40555f8 --- /dev/null +++ b/20230530/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf @@ -0,0 +1 @@ +../common/logo-hochschule-bochum-cvh-text-v2.pdf \ No newline at end of file diff --git a/20230530/logo-hochschule-bochum.pdf b/20230530/logo-hochschule-bochum.pdf new file mode 120000 index 0000000000000000000000000000000000000000..b6b9491e370e499c9276918182cdb82cb311bcd1 --- /dev/null +++ b/20230530/logo-hochschule-bochum.pdf @@ -0,0 +1 @@ +../common/logo-hochschule-bochum.pdf \ No newline at end of file diff --git a/20230530/morse-00.c b/20230530/morse-00.c new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..69ff94def65c14d76c6829d8d1a31aaeda41ef6c --- /dev/null +++ b/20230530/morse-00.c @@ -0,0 +1,44 @@ +https://stackoverflow.com/questions/28045172/morse-code-converter-in-c + + +static const char *alpha[] = { + ".-", //A + "-...", //B + "-.-.", //C + "-..", //D + ".", //E + "..-.", //F + "--.", //G + "....", //H + "..", //I + ".---", //J + "-.-", //K + ".-..", //L + "--", //M + "-.", //N + "---", //O + ".--.", //P + "--.-", //Q + ".-.", //R + "...", //S + "-", //T + "..-", //U + "...-", //V + ".--", //W + "-..-", //X + "-.--", //Y + "--..", //Z +}; +static const char *num[] = { + "-----", //0 + ".----", //1 + "..---", //2 + "...--", //3 + "....-", //4 + ".....", //5 + "-....", //6 + "--...", //7 + "---..", //8 + "----.", //9 +}; +static const char **table[] = { alpha, num }; diff --git a/20230530/morse-01.c b/20230530/morse-01.c new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..249bdd9ea4f18cf073182bed7d4a4965e94fd2a0 --- /dev/null +++ b/20230530/morse-01.c @@ -0,0 +1,64 @@ +static const char *morse[256] = { + ['0'] = "-----", + ['1'] = ".----", + ['2'] = "..---", + ['3'] = "...--", + ['4'] = "....-", + ['5'] = ".....", + ['6'] = "-....", + ['7'] = "--...", + ['8'] = "---..", + ['9'] = "----.", + ['A'] = ".-", + ['B'] = "-...", + ['C'] = "-.-.", + ['D'] = "-..", + ['E'] = ".", + ['F'] = "..-.", + ['G'] = "--.", + ['H'] = "....", + ['I'] = "..", + ['J'] = ".---", + ['K'] = "-.-", + ['L'] = ".-..", + ['M'] = "--", + ['N'] = "-.", + ['O'] = "---", + ['P'] = ".--.", + ['Q'] = "--.-", + ['R'] = ".-.", + ['S'] = "...", + ['T'] = "-", + ['U'] = "..-", + ['V'] = "...-", + ['W'] = ".--", + ['X'] = "-..-", + ['Y'] = "-.--", + ['Z'] = "--..", + ['a'] = ".-", + ['b'] = "-...", + ['c'] = "-.-.", + ['d'] = "-..", + ['e'] = ".", + ['f'] = "..-.", + ['g'] = "--.", + ['h'] = "....", + ['i'] = "..", + ['j'] = ".---", + ['k'] = "-.-", + ['l'] = ".-..", + ['m'] = "--", + ['n'] = "-.", + ['o'] = "---", + ['p'] = ".--.", + ['q'] = "--.-", + ['r'] = ".-.", + ['s'] = "...", + ['t'] = "-", + ['u'] = "..-", + ['v'] = "...-", + ['w'] = ".--", + ['x'] = "-..-", + ['y'] = "-.--", + ['z'] = "--.." +}; diff --git a/20230530/pgslides.sty b/20230530/pgslides.sty new file mode 120000 index 0000000000000000000000000000000000000000..5be1416f4216f076aa268901f52a15d775e43f64 --- /dev/null +++ b/20230530/pgslides.sty @@ -0,0 +1 @@ +../common/pgslides.sty \ No newline at end of file diff --git a/20230530/rtech-20230530.pdf b/20230530/rtech-20230530.pdf new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..7a44f13a36f83d09295d0108dbd61730746d53ce Binary files /dev/null and b/20230530/rtech-20230530.pdf differ diff --git a/20230530/rtech-20230530.tex b/20230530/rtech-20230530.tex new file mode 100644 index 0000000000000000000000000000000000000000..5fa1dc9e7d551a195c01fddebef2d39d1c5f1f08 --- /dev/null +++ b/20230530/rtech-20230530.tex @@ -0,0 +1,1004 @@ +% rtech-20230530.pdf - Lecture Slides on Computer Technology +% Copyright (C) 2012, 2013, 2014, 2021, 2022, 2023 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: I/O, Endianness, Alignment + +\documentclass[10pt,t]{beamer} + +\usepackage{pgslides} +\usepackage{pdftricks} +%\usepackage[obeyfamily=false,mathrm=mathsf,textrm=sffamily]{siunitx} +%\usepackage{eurosym} +\usepackage{tikz} + +\newcommand{\Cin}{C\raisebox{-0.5ex}{\footnotesize in}} +\newcommand{\Cout}{C\raisebox{-0.5ex}{\footnotesize out}} + +\lstdefinestyle{asm}{basicstyle=\color{structure}, + language={}, + gobble=4} + +\begin{psinputs} + \usepackage[utf8]{inputenc} + \usepackage[german]{babel} + \usepackage[T1]{fontenc} + \usepackage{helvet} + \renewcommand*\familydefault{\sfdefault} + \usepackage{pstricks,pst-grad,pst-circ-pg} + \newcommand{\invisible}{\tiny\color{white}} + \psset{unit=1cm} + \psset{logicLabelstyle=\invisible} + \newcommand{\logicSymbol}{\small\boldmath\bf\rule{0pt}{0.5cm}} + \psset{logicSymbolstyle=\logicSymbol} + \newcommand{\Cin}{C\raisebox{-0.5ex}{\footnotesize in}} + \newcommand{\Cout}{C\raisebox{-0.5ex}{\footnotesize out}} +\end{psinputs} + +\title{Rechnertechnik} +\author{Prof.\ Dr.\ rer.\ nat.\ Peter Gerwinski} +\date{30.\ Mai 2022} + +\begin{document} + +\maketitleframe + +\nosectionnonumber{\inserttitle} + +\begin{frame} + + \shownosectionnonumber + + \begin{itemize} + \item[\textbf{1}] \textbf{Einführung} + \item[\textbf{2}] \textbf{Vom Schaltkreis zum Computer} + \item[\textbf{3}] \textbf{Assember-Programmierung} + \begin{itemize} + \item[3.1] Struktur von Assembler-Programmen + \item[3.2] Beispiel: Redcode + \item[3.3] Architekturmerkmale von Prozessore + \item[3.4] Der CPU-Stack + \color{medgreen} + \item[3.5] Computer-Sprachen + \end{itemize} +% \color{gray} + \item[\textbf{4}] \textbf{Hardwarenahe Programmierung} + \begin{itemize} + \color{orange} + \item[4.1] Bit-Operationen + \color{red} + \item[4.1] I/O-Ports + \item[4.1] Interrupts + \item[4.1] volatile-Variable + \item[4.1] Byte-Reihenfolge -- Endianness + \item[4.1] Speicherausrichtung -- Alignment + \end{itemize} +% \item[\textbf{6}] \textbf{Anwender-Software} +% \item[\textbf{7}] \textbf{Bus-Systeme} +% \item[\textbf{8}] \textbf{Pipelining} +% \item[\textbf{9}] \textbf{Ausblick} + \item[\textbf{\dots\hspace{-0.75em}}] + \end{itemize} + +\end{frame} + +\setcounter{section}{2} +\section{Assembler-Programmierung} +\setcounter{subsection}{4} +\subsection{Computer-Sprachen} +\subsubsection{Maschinensprache} + +\begin{frame} + + \showsubsection + \showsubsubsection + + \begin{itemize} + \item + Lade- und Speicher-Befehle\\ + arithmetische Befehle\\ + unbedingte und bedingte Sprungbefehle + \arrowitem + Der Computer kann "`alles"' -- \newterm{Turing-Vollständigkeit} + \bigskip + \item + Maschinensprache = Zahlen \textarrow\ für Menschen schwer handhabbar + \arrowitem + Namen für die Befehle: \newterm{Mnemonics} + \arrowitem + \newterm{Assembler\/}-Sprache + \end{itemize} + +\end{frame} + +\subsubsection{\strut{\protect\color{gray}Maschinensprache \protect\textarrow\ }Assembler} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsubsection + + Beispiel: Intel-x86-16-Bit-Assembler + + \begin{itemize} + \item + Lade- und Speicher-Befehle\hfill + \lstinline{mov}, \dots\\ + arithmetische Befehle\hfill + \lstinline{add}, \lstinline{sub}, \lstinline{inc}, \lstinline{dec}, + \lstinline{xor}, \lstinline{cmp}, \dots\\ + unbedingte und bedingte Sprungbefehle\hfill + \lstinline{jmp}, \lstinline{jz}, \lstinline{jae}, \dots + \item + Register\hfill + \lstinline{ax}, \lstinline{bx}, \dots + \end{itemize} + +% \begin{onlyenv}<1> +% \begin{center} +%% \includegraphics[width=10cm]{programm-screenshot.png} +% \vspace*{-0.5cm} +% \end{center} +% \end{onlyenv} +% \begin{onlyenv}<2-> + + \bigskip + + Beispiel: Atmel-AVR-8-Bit-Assembler + + \begin{itemize} + \item + Lade- und Speicher-Befehle\hfill + \lstinline{ldi}, \lstinline{lds}, \lstinline{sti}, \dots\\ + arithmetische Befehle\hfill + \lstinline{add}, \lstinline{sub}, \lstinline{subi}, + \lstinline{eor}, \lstinline{cp}, \dots\\ + unbedingte und bedingte Sprungbefehle\hfill + \lstinline{rjmp}, \lstinline{brsh}, \lstinline{brlo}, \dots + \item + Register\hfill + \lstinline{r0}, \lstinline{r1}, \dots + \end{itemize} + + \bigskip + + \textarrow\ für jeden Prozessor anders + +% \end{onlyenv} + +\end{frame} + +\subsubsection{\strut{\protect\color{gray}Maschinensprache \protect\textarrow\ Assembler \protect\textarrow\ }Hochsprachen} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsubsection + + Beispiel: Intel-x86-16-Bit-Assembler + + \begin{itemize} + \item + Lade- und Speicher-Befehle\hfill + \lstinline{mov}, \dots\\ + arithmetische Befehle\hfill + \lstinline{add}, \lstinline{sub}, \lstinline{inc}, \lstinline{dec}, + \lstinline{xor}, \lstinline{cmp}, \dots\\ + unbedingte und bedingte Sprungbefehle\hfill + \lstinline{jmp}, \lstinline{jz}, \lstinline{jae}, \dots + \item + Register\hfill + \lstinline{ax}, \lstinline{bx}, \dots + \end{itemize} + + \bigskip + + Beispiel: Atmel-AVR-8-Bit-Assembler + + \begin{itemize} + \item + Lade- und Speicher-Befehle\hfill + \lstinline{ldi}, \lstinline{lds}, \lstinline{sti}, \dots\\ + arithmetische Befehle\hfill + \lstinline{add}, \lstinline{sub}, \lstinline{subi}, + \lstinline{eor}, \lstinline{cp}, \dots\\ + unbedingte und bedingte Sprungbefehle\hfill + \lstinline{rjmp}, \lstinline{brsh}, \lstinline{brlo}, \dots + \item + Register\hfill + \lstinline{r0}, \lstinline{r1}, \dots + \end{itemize} + + \bigskip + + \textarrow\ für jeden Prozessor anders + + \bigskip + + Hochsprache \textarrow\ für jeden Prozessor gleich + +\end{frame} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsubsection + + Compiler-Sprachen + \begin{itemize} + \item + \newterm{Compiler\/} übersetzt Hochsprachen-\newterm{Quelltext\/} in die Assembler-Sprache + \item + \newterm{Assembler\/} übersetzt Assembler-Quelltext in die Maschinensprache + \item + Compiler und Assembler sind Programme,\\ + geschrieben in Maschinensprache, Assembler oder einer Hochsprache + \item + Beispiele: Fortran, Algol, Pascal, Ada, C, C++, \dots + \end{itemize} + + \pause + \medskip + Interpreter- oder Skript-Sprachen + \begin{itemize} + \item + \newterm{Interpreter\/} liest Hochsprachen-\newterm{Quelltext\/} und führt ihn sofort aus + \item + Der Interpreter ist ein Programm,\\ + geschrieben in Maschinensprache, Assembler oder einer Hochsprache + \item + Beispiele: Unix-Shell, BASIC, Perl, Python, \dots + \end{itemize} + + \pause + \medskip + Kombinationen + \begin{itemize} + \item + \newterm{Compiler\/} erzeugt \newterm{Zwischencode\/} für eine \newterm{virtuelle Maschine} + \item + \newterm{Interpreter\/} liest Hochsprachen-\newterm{Zwischencode\/} und führt ihn sofort aus + \item + Die virtuelle Maschine ist ein Programm, + geschrieben in Maschinensprache, Assembler, einer Hoch- oder Skript-Sprache + \item + Beispiele: UCSD-Pascal, Java, \dots + \end{itemize} + \medskip + +\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 Assembler} + +\begin{frame}[fragile] + + \showsubsubsection + + \begin{tabular}{lll} + Operation & Verknüpfung & Anwendung \\[\smallskipamount] + \lstinline,and, & Und & Bits gezielt löschen \\ + \lstinline,or, & Oder & Bits gezielt setzen \\ + \lstinline,eor, & Exklusiv-Oder & Bits gezielt invertieren \\[\smallskipamount] + \lstinline,com, & Nicht (Einer-Komplement) & Alle Bits invertieren \\[\smallskipamount] + \lstinline,lsl, & Verschiebung nach links & Maske generieren \\ +% \lstinline,lsr, & 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;, \\ + Oder-Verknüpfung mit einer\\&um 3 nach links geschobenen 1 + \hfill\lstinline|0000|\,\lstinline|1000|\\[\smallskipamount] + Bit Nr.\ 4 auf 0 setzen: & +% \lstinline,a &= ~(1 << 4);, \\ + Und-Verknüpfung mit dem Einer-Komplement \qquad\quad\strut\\&einer um 4 nach links geschobenen 1 + \hfill\lstinline|1110|\,\lstinline|1111|\\[\smallskipamount] + Bit Nr.\ 0 invertieren: & +% \lstinline,a ^= 1 << 0;, + Exklusiv-Oder-Verknüpfung mit einer\\&um 0 nach links geschobenen 1 + \hfill\lstinline|0000|\,\lstinline|0001|\\[\smallskipamount] + Ist Bit Nr.\ 1 eine Null? & + Ergibt eine Und-Verknüpfung mit einer um 1\\&nach links geschobenen 1 den Wert 0? + \hfill\lstinline|0000|\,\lstinline|0010| + \end{tabular} + +% \smallskip +% +% ~~Abfrage, ob Bit Nr.\ 1 gesetzt ist:\quad +% \lstinline{if (a & (1 << 1))} + +\end{frame} + +\iffalse + +\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} + +\fi + +\subsection{I/O-Ports} + +\begin{frame}[fragile] + +% \showsection + \showsubsection + \vspace*{-1.5\medskipamount} + {\large\textbf{\color{structure}4.3\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<1->{, MSB first} + \item + XBM-Dateien: Little-Endian\only<1->{, LSB first} + \end{itemize} + \only<1->{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} + +\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} + +\end{document}