embedded C und C++ · Arlt/Pahnke TUI/EI/ESS emsys eC CPP-I 9 1. Entstehung von C † Bell-LABs Entwicklung der Sprache B aus BCPL † 1972: Kernighan/Ritchie Sprache C 2. Eigenschaften

embedded C und C++

S. Arlt/K. Pahnke

Fakultät EI

Fachbereich Elektronische Schaltungen und Systeme

emsys GmbH

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Arlt/Pahnke TUI/EI/ESS emsys eC CPP-I 1

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Inhalt I

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Teil I Programmiersprache C

1. Grundlagen

• Einführung• Syntax• Programmstruktur• Konstanten, Variablen (Basistypen, abgeleitet)• Operatoren• Ablaufsteuerung• Arbeit mit Zeigern

2. Funktionen der ANSI-C Library

• Ein–/Ausgabe, Filearbeit• String–Funktionen• Arbeit mit dem Freispeicher

3. Werkzeuge

• make• ctags, etags• compiler, linker, assembler

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Inhalt II

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Teil II Praktische Algorithmen in C

1. Einführung

2. Elementare Datenstrukturen

• verkettete Listen (einfach / doppelt)• Stapel (Stack)• Schlangen (Queue)• dynamische Felder (Arrays)

3. Bäume

• binäre Bäume• allgemeine Bäume• ausgeglichene Bäume• Traversierung mittels Rekursion

4. Suchalgorithmen und gestreute Speicherung

• elementare Suchverfahren (Binärsuche)• Hashing• assoziative Speicherung (Dictionaries)

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Inhalt III

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Teil III Object Oriented Programming

1. C++ Basics

• Data Abstraction• Inheritance

2. Object Oriented Programming for Embedded Systems

• C++ as better C• Embedded C++• Embedded C++ Library

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Inhalt IV

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Teil IV Accessing and Modelling Hardware in C/C++

1. C++ Basics

• Basics of Hardware Manipulation using C/C++• Common Techniques for Controlling Devices written in ANSI-C/C++• Portability• Blinking LED in C• Blinking LED in C++

2. Programming EVA Board LPCEB2000

• Hardware• Software• Program Samples

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Inhalt V

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Teil V Embedded OS

1. Basic Concepts of Embedded (RT)OS

• Tasks as basic blocks• Task synchronisation (Mutex/Semaphore)• Task communication (Message Queue)

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Literatur

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Einsteiger:

Lowes/Paulik”Programmieren mit C“, Teubner Stuttgart, 1992

Kernighan, B.; Ritchie, D.”The C Programming Language“

Wollenstein; Florian”C++ Programmierung für Anfänger“, Books on Demand GmbH

2004

Fortgeschrittene:

Clauß/Fischer”Programmieren mit C“ Reihe Technische Informatik, Verlag Technik GmbH

Berlin 1988

Stroustrup; Bjarne”Die C++ Programmiersprache“, Addison-Wesley

Barr; Michael”Programming Embedded Systems“, O‘Reiley 1999

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Einführung I

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“I think there is a world market for maybe five computers”

Thomas Watson, Chairman of IBM, 1943

“There is no reason anyone would want a computer in their home”

Ken Olsen, President of Digital Equipment Corporation, 1977

Begriff:

Bei Embedded Systems handelt es sich um einen oder mehrere durch Software kontrollier-

te(n) Computer oder Mikrocontroller, die Teil eines größeren Systems sind und deren primäre

Funktionen, meist steuerungstechnischer Art, für definierte Aufgaben fixiert sind. Anwen-

dungen finden sich z.B. im Automobilbau (Motorsteuerung, Navigation, ABS, Bedienung),

im Haushalt (Waschmaschine, Heizung, Mikrowelle, Hausbus, ...) und in peripheren einheiten

der Computer (Festplatte, Netzwerkkarte, CD, ...)

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Einführung II

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1. Entstehung von C

• Bell-LABs Entwicklung der Sprache B aus BCPL• 1972: Kernighan/Ritchie Sprache C

2. Eigenschaften

• Hochsprache, für maschinennahe Arbeit geeignet• leistungsfähig und effizient• kurz, für ,,schreibfaule” Programmierer• keine E/A-Konstrukte und dadurch portabel

3. Verbreitung

• Betriebssystem UNIX in C geschrieben• neben COBOL und FORTRAN ein Industriestandard

4. Weiterentwicklung

• ANSI–Standard• Objektorientierte Programmierung C++

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Programmstruktur

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C–Programm := Menge von Funktionen

Die verschiedenen Funktionen können auf mehrere Dateien verteilt sein. Funk-

tionen dürfen nicht verschachtelt sein (vgl. PASCAL).

Die Abarbeitung eines Programms beginnt in der Funktion main().

int main(void) /* Ausgabe: Mein erstes C-Programm */

{printf(’’Mein erstes C-Programm \n ’’);return 0;

}

int main(void) /* Ausgabe: Mein erstes C-Programm */

{printf(’’Mein erstes’’);

printf(’’C-Programm\n ’’);return 0;

}

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Aufbau einer Funktion

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• Funktionsnamemuß mit Buchstaben oder beginnen

• Parameterlistein runde Klammern eingeschlossen, kann leer sein

• Anweisungsblockin geschweifte Klammern eingeschlossen, kann leer sein

Beispiel des einfachsten Programms:

main() { }

Beispiel einer Funktion:

int max(int a, int b) /* Kopf mit formalen Parametern */

{ /* Anweisungsblock */if( a > b )

return a;

else

return b;

}

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Schlüsselworte in C

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auto default for short union

assert do goto signed unsigned

break double if sizeof void

case enum int static volatile

char extern long struct while

const else register switch

continue float return typedef

Trennzeichen:

• Leerzeichen

• Tabulator

• Newline

• Kommentar /* Text... */

Es sind keine geschachtelten Kommentare zugelassen !

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Grunddatentypen

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Speicherplatzbedarf:

Typ 16 Bit 32 Bit Wertevorrat Beispiel

char 8 8 −27...27 − 1 char c, *cptr;int 16 32 min.−215...215 − 1 int i, *iptr;short 16 16 −215...215 − 1 short s, *sptr;long 32 32 −231...231 − 1 long l, *lptr;unsigned 16 32 min.0...216 − 1 unsigned u, *uptr;float 32 32 float f, *fptr;

double 64 64 double d, *dptr;

Achtung:

unsigned steht für unsigned int,

und ist weiterhin kombinierbar mit

unsigned short

unsigned long

unsigned char

long double (nur ANSI–C–Compiler)

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Konstanten

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1. Integer

• dezimal123,

123L, 123456 /* long */

• hexadezimal0x0f3,

0xffe3f /* long */,

• oktal017,

017L /* long */

2. Real

12., 1E+12, 1.0E+12, 0.23, .23

Achtung:

alle Real-Konstanten sind grundsätzlich vom Typ double.

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Zeichenkonstanten

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Eine Zeichenkonstante wird in Apostrophe eingeschlossen.

Ihr Wert entspricht dem verwendeten Zeichensatz (z.Bsp. ASCII).

Buchstaben und Zeichen:

’A’ /* Buchstabe A, Wert=65 */

’0’ /* Ziffer 0, Wert=48 */

’@’ /* Zeichen @, Wert=64 */

Ersatzdarstellungen nicht darstellbarer Zeichen:

’\a’ /* bell */’\n’ /* Newline */’\r’ /* Carrige return */’\t’ /* Tabulator */’\b’ /* Backspace */’\v’ /* Vertikaltabulator */’\\’ /* Backslash */’\0’ /* (ASCII)0 */’\377’ /* Bitmuster oktal */

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Zeichenkettenkonstanten

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Zeichenketten werden in Quoten (” ”) eingeschlossen.

Beispiel:

”Mein erstes C–Programm”

Jede Zeichenkette ist durch eine (ASCII)Null abgeschlossen, die bei der Re-

präsentation berücksichtigt werden muß!

Somit ist die Zeichenkettenkonstante:

”Datum”

identisch zu

’D’ ’a’ ’t’ ’u’ ’m’ ’\0’

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Variablen

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Variablen sind durch Typ und Speicherklasse beschriebene Bezeichner.

(Zeichenvorrat: [ A-Za-z][ A-Za-z0-9]*)

Je Compiler sind 8 bis 32 Zeichen relevant.

• Variablentyp:Basistyp oder abgeleiteter Typ

• Speicherklasse:auto

static

extern

register

Hinweis:

Deklaration

Ein Bezeichner wird mit einem Typ versehen (bekannt gemacht), aber nicht

physisch angelegt.

Definition

Wie Deklaration und zusätzlich reservieren von Speicherplatz.

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Typkonvertierungen

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char

short

doublefloat

int

long

unsigned long

unsigned int

unsigned char

unsigned short

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Operatoren

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1. Deklarationsoperatoren

* Zeiger

[ ] Vektor

( ) Funktion

2. unäre Operatoren

+ Vorzeichen (nur Exponent)

– Vorzeichen

* Zeigeroperator (dereferenziert Zeiger)

& Adreßoperator (liefert Adresse einer Instanz)

++ Inkrement–Operator

– – Dekrement–Operator

sizeof Größe eines Objektes/Typs in Byte ermitteln

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Operatoren

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3. binäre Operatoren

• arithmetisch

% Modulo, Rest der ganzzahligen Division

* Multiplikation (Integer und Real)

/ Division (Integer und Real)

+ Addition

– Subtraktion

• Vergleichsoperatoren

>, >= größer, größer gleich

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Operatoren

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• bitorienterte Operatoren

& UND (z.Bsp Maskieren von Bits)

| ODER (z.Bsp Setzen von Bits)ˆ Exklusiv-ODER

> Bit-shift rechts

˜ Einerkomplement (unär)

• logische Operatoren

&& logisches UND

| | logisches ODER! logische Negation (unär)

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Entscheidungsoperator

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Sollte bei der Ermittlung eines Wertes nach einer Entscheidung verwendet

werden.

Syntax:

ausdruck1 ? ausdruck2 : ausdruck3

Der Wert des Gesamtausdrucks ist vom Wahrheitswert des

ausdruck1 abhängig.

Beispiel:

if( a > b )

max = a;

else

max = b;

kann verkürzt werden zu

max = a > b ? a : b;

auch als Return-Wert verwendbar

int abs(int x) /* Absolutwert */

{return ( x > 0 ? x : -x);

}

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spezielle Operatoren

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Komma-Operator

Syntax: ausdruck1 , ausdruck2

• Auswertung von links nach rechts

• Typ und Wert werden durch rechten Ausdruck bestimmt

x = 1, y += x /* Wert des Ausdrucks ist y */

Inkremet-Operator

int x = 0, y;

y = x++; /* y = x; x = x + 1; */

y = ++x; /* x = x + 1; y = x; */

Dekremet-Operator

int x = 0, y;

y = x--; /* y = x; x = x - 1; */

y = --x; /* x = x - 1; y = x; */

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Vorrang und Assoziativität

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Es ist vom konkreten Compiler abhängig, in welcher Reihenfolge die Auswer-

tung von gleichberechtigten Operanden erfolgt:

x = f(y++) + g(y);

() ] -> . L

! ++ -- * & - sizeof(typcast) R

* / % L

+ - L

> L

< >= L

== != L

& L

^ L

| L&& L

|| L? : R

= op= R

, L

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Ablaufsteuerung

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Block := Folge von Anweisungen

• Vereinbarungen nur am Blockanfang

• nach schließender Klammer kein Semikolon

• Block wird als eine Anweisung betrachtet

• anstelle einer Anweisung kann also ein Block stehen

• Schachteln von Blöcken ist möglich

int main(void) /* Ablauf ohne Verzweigung */

{int i; /* Definition der Variablen i */

char c;

...

i = 0; /* Anweisung */

...

return 0;

}

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Entscheidung

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switch–Anweisung

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Schleifen

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for–Anweisung

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unbedingte Sprünge

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1. goto

• Vereinbarung einer (Ziel-)Marke notwendig• Sprünge nur innerhalb einer Funktion möglich• sinnvoll zum schnellen Verlassen mehrfach geschachtelter Schleifen

Beispiel:

marke: /* Endlosschleife */

goto marke;

2. return

• zurück an übergeordnetes Programm• Wertübergabe ist möglich (Ausnahme void)• zum vorzeitigen Verlassen von ,,main” ist der

Exit-Handler mit

exit(parameter);

zu rufen

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Zeiger

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• uneingeschränkte Verwendung möglich

• Zeigerkonzept besonders gut unterstützt

• zwei sinnvolle Werte für Zeiger:

– (Hauptspeicher-)Adresse eines Objekts vom gleichen Typ

– NULL

• Operatoren:

– & lvalue Zeiger auf Objekt, “Adresse von ...”

– * zeiger indirekter Zugriff, “Inhalt von ...”

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Zeiger-Arithmetik

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Folgende Operationen sind zugelassen:

Zeiger + Integer Ergebnis Zeiger

Zeiger − Integer Ergebnis ZeigerZeiger − Zeiger Ergebnis Integer

Vergleich

Zeiger mit NULL

Achtung:

Die Integerwerte sind als Feld-Indizees zu interpretieren !

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Standard-Bibliothek

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Leistungen:

• Ein/Ausgabe zeilen– und zeichenweise

• formatgesteuerte Ein/Ausgabe

• Dateizugriff

• dynamische Speicherverwaltung

• Stringmanipulationen

• Klassifizierung von Zeichen (upper, lower, ...)

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Formatgesteuerte Ausgabe

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int printf(char *format, ...);

Ausgabe auf stdout

int sprintf(char *buf, char *format, ...);

Ausgabe in Hauptspeicher

int fprintf(FILE *fp, char *format, ...);

Ausgabe auf Datei oder stderr

Formatstring:

1. darstellbare, nicht zu interpretierende Zeichen werden kopiert

2. nicht darstellbare Zeichen lösen Steuervorgänge aus

3. interpretierbare Zeichen repräsentieren Konvertierungen

Aufbau:

% [flags] [ [0] Feldbreite ] [.[Genauigkeit] ] [ l ]konv.Zeichen

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Dateifunktionen

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1. Datei eröffnen

FILE *fopen(char *filename, char *mode);

mode Zugriffsrechte existiert existiert nicht

”r” read ok Fehler

”w” write löschen Eröffnen

”a” append ok Eröffnen

”r+” read + write ok Fehler

”w+” write + read löschen Eröffnen

Achtung:

Unter MS–Win werden CR-LF in Texten als Newline verwendet. Die Defaultein-

stellung eröffnet eine Datei im Textmodus, was zu einer Konvertierung dieser

Zeichenkombination führt.

Binärmodus:

”rb”,”r+b”,”wb”,”w+”,”ab”

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Dateifunktionen

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2. Datei schließen

int fclose(FILE *fp);

leeren des Dateipuffers und schließen der Datei.

int fcloseall();

schließen aller Dateien.

3. Dateipuffer leeren

int fflush(FILE *fp);

Ausgabe aller gepufferten Daten erzwingen.

4. Positionieren in Datei

long ftell(FILE *fp);

Liefert Offset von Dateianfang in Byte

int fseek(FILE *fp, long offset, int mode);

Setzen des Dateizeigers auf bestimmte Position

SEEK SET zum Dateianfang

SEEK CUR zur aktuellen Position

SEEK END zum Dateiende

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Stringfunktionen (Auswahl)

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int strlen(char *s);

ermittelt die Länge der Zeichenkette in Byte (ohne ′\0′ )

int strcmp(char *s1, char *s2);

vergleicht zwei Zeichenketten lexikographisch.

int strncmp(char *s1, char *s2, int n);

vergleicht ’n’ Zeichen zweier Zeichenketten lexikographisch.

char *strcat(char *s1, char *s2);

hängt Zeichenkette s2 an s1 an (Achtung: Speicherplatz !)

char *strncat(char *s1, char *s2, int n);

hängt ’n’ Zeichen von s2 an s1 an

char *strcpy(char *s1, char *s2);

kopieren von s2 auf s1 an (Achtung: Speicherplatz !)

char *strncpy(char *s1, char *s2, int n);

’n’ Zeichen von s2 auf s1 kopieren

char *strchr(char *s, char c);

Suche des Zeichens ’c’ in ’s’ (von vorn)

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Memoryfunktionen

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char *memcpy(char *dest, char *source, int anz bytes);

Kopieren von Speicherbereichen (Vorsicht bei Überlappung)

char *memccpy(char *dest, char *source, int c, int anz bytes);

Kopiert bis einschließlich ’c’ (Adresse zurück)

char *memchr(char *buf, int c, int anz bytes);

Suche von ’c’ (Adresse zurück)

char *memset(char *buf, int c, int anz bytes);

Initialisieren mit ’c’

int memcmp(char *s1, char *s2, int anz bytes);

Vergleich zweier Speicherbereiche

Die Benutzung dieser Funktionen ergibt sehr schnelle Programme.

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Speicherverwaltung

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1. Speicher anfordern

char *malloc(int anz bytes);

allocieren von anz Bytes

char *calloc(int block anz, int size);

allocieren von block anz Blöcken der Größe size

2. Speicher verändern

char *realloc(char *oldbuf, int anz bytes);

Grösse von oldbuf auf anz Bytes verändern

3. Speicher freigeben

void free(char *buf);

Rückgabe des angeforderten Speichers

Hinweise:

• immer den Rückgabewert mit NULL vergleichen

• nur abgeforderten Speicher wieder freigeben (sonst Beule ! )

• nicht kleckern, sondern klotzen !

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Preprozessor

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• wird vor jedem Compilerlauf gestartet

• verarbeitet Zeilen mit ’#’ an erster Position

Befehle

#include < datei >

#define Makroname

#undef Makroname

Bedingte Compilierungg

#ifdef Makroname

#ifndef Makroname

#else

#endif

Weitere Preprozessor-Befehle:

#line Konstante ”dateiname”

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ANSI–C Preprozessor

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Erweiterung der bedingten Compilierung:

#if defined (Makroname)

#elif defined (Makroname)

#else

#endif

implementierungsabhängige Aktionen:

#pragma (Sequenz)

• eingebaute Makros:

LINE Nummer der aktuellen Quelltextzeile

FILE Name der aktuell compilierten Datei

DATE aktuelles Datum der Form ”Mmm dd yyy”

TIME aktuelle Uhrzeit der Form ”hh:mm:ss”

STDC Konstante (Wert 1), wenn ANSI-kompatibel

• Bildung von Zeichenketten, wenn Ersatzsymbolfolge mit ’#’ beginnt

• Verkettung von Symbolen mittels ’##’

• vor dem ’#’ dürfen Lerrzeichen/Tabulatoren stehen

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allgemeine Hinweise

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• Include Dateien– eine für Projekt − > keine Wiederverwendung von Teilen+ Module nach ,,Objekten” bilden, (ev. mit Testrahmen)

• Variablen– globale sind zur Kommunikation unübersichtlich

+ Lokalität bietet Abgeschlossenheit, als Parameter übergeben

• Kommantare– zukommentiertes Programm, undokumentierte Seiteneffekte

+ selbstkommentierende Symbolnamen, Modul/Fkt.kommentar

• Strukturierung– keine oder freie

+ Blockbildung mit Tabulatoren

• Codegestaltung– Spaghetti-Code (elend lange Funktionen...)

+ Eine Funktion nicht länger als eine Bildschirmseite

• Namenskonventionen– bunt gemischt

+ symbol. Konstanten groß, Variablen klein, Funktionsname dürfen Groß-

buchstaben als Worttrenner enthalten,

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Tools

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• make

– Automatische Generierung von Programmen (compile, link)

–”build“-Kriterium ≡

”time stamps“

– Vermeidung von Redundanz

• ctags/etags

– Generierung eines”tag- (index-) files“- tags/TAGS für vi(vim)/emacs

– Auffinden von Deklarationen und Definitionen durch

–”cross references“

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