this page¼berblick Teil A: Konzept und Organisation 1 Einführung 2 Organisation Teil B: Einführung in C 3 Java versus C 4 Softwareschichten und Abstraktion 5 …

Systemnahe Programmierungin C (SPiC)

Jrgen Kleinder, Daniel Lohmann, Volkmar Sieh

Lehrstuhl fr Informatik 4Verteilte Systeme und Betriebssysteme

Friedrich-Alexander-UniversittErlangen-Nrnberg

Sommersemester 2018

http://www4.cs.fau.de/Lehre/SS18/V_SPIC

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Referenzen

[1] ATmega328PB 8-bit AVR Microcontroller with 32K Bytes In-SystemProgrammable Flash. Atmel Corporation. Okt. 2015.

[GDI] Frank Bauer. Grundlagen der Informatik. Vorlesung.Friedrich-Alexander-Universitt Erlangen-Nrnberg, Lehrstuhl fr Informatik 5,2015 (jhrlich). URL: https://gdi.cs.fau.de/w15/material.

[2] Manfred Dausmann, Ulrich Brckl, Dominic Schoop u. a. C als ersteProgrammiersprache: Vom Einsteiger zum Fortgeschrittenen. (Als E-Book ausdem Uninetz verfgbar; PDF-Version unter /proj/i4gspic/pub).Vieweg+Teubner, 2010. ISBN: 978-3834812216. URL:https://www.springerlink.com/content/978-3-8348-1221-

6/#section=813748&page=1.

[3] Brian W. Kernighan und Dennis MacAlistair Ritchie. The C ProgrammingLanguage. Englewood Cliffs, NJ, USA: Prentice Hall PTR, 1978.

[4] Brian W. Kernighan und Dennis MacAlistair Ritchie. The C ProgrammingLanguage (2nd Edition). Englewood Cliffs, NJ, USA: Prentice Hall PTR, 1988.ISBN: 978-8120305960.

[5] Dennis MacAlistair Ritchie und Ken Thompson. The Unix Time-SharingSystem. In: Communications of the ACM 17.7 (Juli 1974), S. 365370. DOI:10.1145/361011.361061.

c kls SPiC (SS 18)

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https://gdi.cs.fau.de/w15/material/proj/i4gspic/pubhttps://www.springerlink.com/content/978-3-8348-1221-6/#section=813748&page=1https://www.springerlink.com/content/978-3-8348-1221-6/#section=813748&page=1http://dx.doi.org/10.1145/361011.361061

Referenzen (Forts.)

[6] David Tennenhouse. Proactive Computing. In: Communications of the ACM(Mai 2000), S. 4345.

[7] Jim Turley. The Two Percent Solution. In: embedded.com (Dez. 2002).http://www.embedded.com/story/OEG20021217S0039, visited 2011-04-08.

c kls SPiC (SS 18)

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http://www.embedded.com/story/OEG20021217S0039

Veranstaltungsberblick

Teil A: Konzept und Organisation

1 Einfhrung

2 Organisation

Teil B: Einfhrung in C

3 Java versus C

4 Softwareschichten und Abstraktion

5 Sprachberblick

6 Einfache Datentypen

7 Operatoren und Ausdrcke

8 Kontrollstrukturen

9 Funktionen

10 Variablen

11 Prprozessor

Teil C: Systemnahe Softwareentwicklung

12 Programmstruktur und Module

13 Zeiger und Felder

14 C-Systemarchitektur

Teil D: Betriebssystemabstraktionen

15 Nebenlufigkeit

16 Ergnzungen zur Einfhrung in C

17 Betriebssysteme

18 Dateisysteme

19 Programme und Prozesse

20 Speicherorganisation

21 Nebenlufige Prozesse

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Teil A Konzept und Organisation




Sommersemester 2018


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berblick: Teil A Konzept und Organisation

1 EinfhrungZiele der LehrveranstaltungWarum -Controller?Warum C?Literatur

2 OrganisationVorlesungbungLtabendPrfungSemesterberblick

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Lernziele

Vertiefen des Wissens ber Konzepte und Technikender Informatik fr die Softwareentwicklung

Ausgangspunkt: Grundlagen der Informatik (GdI)Schwerpunkt: Systemnahe Softwareentwicklung in C

Entwickeln von Software in C fr einen -Controller (C)und eine Betriebssystem-Plattform (Linux)

SPiCboard-Lehrentwicklungsplattform mit ATmega-CPraktische Erfahrungen in hardware- und systemnaherSoftwareentwicklung machen

Verstehen der technologischen Sprach- und Hardwaregrundlagenfr die Entwicklung systemnaher Software

Die Sprache C verstehen und einschtzen knnenUmgang mit Nebenlufigkeit und HardwarenheUmgang mit den Abstraktionen eines Betriebssystems(Dateien, Prozesse, . . . )

c kls SPiC (Teil A, SS 18) 1 Einfhrung Ziele der Lehrveranstaltung 11

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Motivation: Eingebettete Systeme

Omniprsent: 9899 Prozent aller Prozessoren wurden im Jahr2000 in einem eingebetteten System verbaut [6]

Kostensensitiv: 7080 Prozent aller produzierten Prozessoren sindDSPs und -Controller, 8-Bit oder kleiner [6, 7]

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Marktanteil (Umsatz/Stckzahl) im Jahr 2002 [7]

http://stepstone.com

Motivation: Eingebettete Systeme

Omniprsent: 9899 Prozent aller Prozessoren wurden im Jahr2000 in einem eingebetteten System verbaut [6]

Kostensensitiv: 7080 Prozent aller produzierten Prozessoren sindDSPs und -Controller, 8-Bit oder kleiner [6, 7]

Relevant: 25 Prozent der Stellenanzeigen fr EE-Ingenieureenthalten die Stichworte embedded oder automo-tive (http://stepstone.com, 4. April 2011)

Bei den oberen Zahlen ist gesunde Skepsis gebotenDie Verffentlichungen [6, 7] sind mehr als 10 Jahre alt!

Man kann dennoch davon ausgehen, dass dierelativen Grenordnungen nach wie vor stimmen

2016 liegt der Anteil an 8-Bittern (vermutlich) noch bei 40 Prozent4-Bitter drften inzwischen jedoch weitgehend ausgestorben sein


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http://stepstone.com

Motivation: Die ATmega-C-Familie (8-Bit)

Type Flash SRAM IO Timer 8/16 UART SPI ADC PWM EUR

ATTINY13 1 KiB 64 B 6 1/- - - 1*4 - 0,86

ATTINY2313 2 KiB 128 B 18 1/1 - 1 - - 0,99

ATMEGA48 4 KiB 512 B 23 2/1 1 1 8*10 6 1,40

ATMEGA16 16 KiB 1024 B 32 2/1 1 1 8*10 4 2,05

ATMEGA32 32 KiB 2048 B 32 2/1 1 1 8*10 4 3,65

ATMEGA64 64 KiB 4096 B 53 2/2 2 1 8*10 8 5,70

ATMEGA128 128 KiB 4096 B 53 2/2 2 1 8*10 8 7,35

ATMEGA256 256 KiB 8192 B 86 2/2 4 1 16*10 16 8,99

ATmega-Varianten (Auswahl) und Handelspreise (Reichelt Elektronik, April 2015)

Sichtbar wird: RessourcenknappheitFlash (Speicher fr Programmcode und konstante Daten) ist knappRAM (Speicher fr Laufzeit-Variablen) ist extrem knappWenige Bytes Verschwendung ; signifikant hhere Stckzahlkosten


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Motivation: Die Sprache C

Systemnahe Softwareentwicklung erfolgt berwiegend in CWarum C? (und nicht Java/Cobol/Scala/)

C steht fr eine Reihe hier wichtiger EigenschaftenLaufzeiteffizienz (CPU)

bersetzter C-Code luft direkt auf dem ProzessorKeine Prfungen auf Programmierfehler zur Laufzeit

Platzeffizienz (Speicher)Code und Daten lassen sich sehr kompakt ablegenKeine Prfung der Datenzugriffe zur Laufzeit

Direktheit (Maschinennhe)C erlaubt den direkten Zugriff auf Speicher und Register

PortabilittEs gibt fr jede Plattform einen C-CompilerC wurde erfunden (1973), um das BetriebssystemUNIX portabel zu implementieren [3, 5]

; C ist die lingua franca der systemnahen Softwareentwicklung!

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Motivation: SPiC Stoffauswahl und Konzept

Lehrziel: Systemnahe Softwareentwicklung in CDas ist ein sehr umfangreiches Feld: Hardware-Programmierung,Betriebssysteme, Middleware, Datenbanken, Verteilte Systeme,bersetzerbau, . . .Dazu kommt dann noch das Erlernen der Sprache C selber

AnsatzKonzentration auf zwei Domnen

-Controller-ProgrammierungSoftwareentwicklung fr die Linux-Systemschnittstelle

Gegensatz C-Umgebung Betriebssystemplattform erfahrenKonzepte und Techniken an kleinen Beispielen lehr- und erfahrbarHohe Relevanz fr die Zielgruppe (ME)

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Vorlesungsskript

Das Handout der Vorlesungsfolien wird online und als4 1-Ausdruck auf Papier zur Verfgung gestellt

Ausdrucke werden vor der Vorlesung verteiltOnline-Version wird vor der Vorlesung aktualisiertHandout enthlt (in geringem Umfang) zustzliche Informationen

Das Handout kann eine eigene Mitschrift nicht ersetzen!

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Literaturempfehlungen

[2] Fr den Einstieg empfohlen:

Manfred Dausmann, Ulrich Brckl, Dominic Schoopu. a. C als erste Programmiersprache: Vom Einsteigerzum Fortgeschrittenen. (Als E-Book aus dem Uninetzverfgbar; PDF-Version unter /proj/i4gspic/pub).Vieweg+Teubner, 2010. ISBN: 978-3834812216. URL:https://www.springerlink.com/content/978- 3-

8348-1221-6/#section=813748&page=1

[4] Der Klassiker (eher als Referenz geeignet):

Brian W. Kernighan und Dennis MacAlistair Ritchie.The C Programming Language (2nd Edition). Engle-wood Cliffs, NJ, USA: Prentice Hall PTR, 1988. ISBN:978-8120305960

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/proj/i4gspic/pubhttps://www.springerlink.com/content/978-3-8348-1221-6/#section=813748&page=1https://www.springerlink.com/content/978-3-8348-1221-6/#section=813748&page=1

berblick: Teil A Konzept und Organisation

1 Einfhrung

2 Organisation

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Vorlesung

Inhalt und ThemenGrundlegende Konzepte der systemnahen ProgrammierungEinfhrung in die Programmiersprache C

Unterschiede zu JavaModulkonzeptZeiger und Zeigerarithmetik

Softwareentwicklung auf der nackten Hardware (ATmega-C)Abbildung Speicher SprachkonstrukteUnterbrechungen (interrupts) und Nebenlufigkeit

Softwareentwicklung auf einem Betriebssystem (Linux)Betriebssystem als Ausfhrungsumgebung fr ProgrammeAbstraktionen und Dienste eines Betriebssystems

Termin: Dienstag, 08:15 09:45, H7Einzeltermin am 12. April (Do), 10:15 11:45, H7insgesamt 13 Vorlesungstermine 28

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bungen

Tafelbung und RechnerbungTafelbungen

Ausgabe und Erluterung der ProgrammieraufgabenGemeinsame Entwicklung einer LsungsskizzeBesprechung der Lsungen

Rechnerbungenselbststndige ProgrammierungUmgang mit Entwicklungswerkzeug (Atmel Studio)Betreuung durch bungsbetreuer

Termin: 9 Gruppen zur AuswahlAnmeldung ber Waffel (siehe Webseite) ab heute (Dienstag), 19:30nach dem Windhundverfahren.Bei zu wenigen Teilnehmern behalten wir uns eine Verteilung auf andereGruppen vor. Ihr werdet in diesem Fall per E-Mail angeschrieben.

Zur bungsteilnahme wird ein gltiger Login im Linux-CIP gebraucht!

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https://waffel.informatik.uni-erlangen.de/

Programmieraufgaben

Praktische Umsetzung des VorlesungsstoffsAcht Programmieraufgaben 28Bearbeitung teilweise alleine / mit bungspartner

Lsungen mit Abgabeskript am Rechner abgebenLsung wird durch Skripte berprftWir korrigieren und bepunkten die Abgaben und geben sie zurck

Abgabe der bungsaufgaben ist freiwillig; 27es knnen jedoch bis zu 10% Bonuspunktefr die Prfungsklausur erarbeitet werden!

Plagiate knnen zum Verlust aller Bonus-punkte fhren.

Unabhngig davon ist dieTeilnahme an den bun-gen dringend empfohlen!


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Bestehensquote der Klausur

nach Aktivitt der Teilnehmer bei den bungsaufgaben

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73% (mit 2,4)

72% (mit 2,8)

90% (mit 1,9)

89% (mit 2,3)

94% (mit 2,4)

6% (mit 3,8)

33% (mit 3,7)

59% (mit 2,9)

38% (mit 3,3)

37% (mit 3,4)

Bestehensquote

keine oder weniger als die Hlfte der bungsaufgaben abgegeben

mindestens die Hlfte der bungsaufgaben abgegeben


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bungsplattform: Das SPiCboard

ATmega328-C

USB-Anschluss

8 LEDs

2 7-Seg-Elemente

2 Taster

1 Potentiometer

1 Fotosensor

optional:

OLED Display

Ausleihe whrend Rechnerbung oder von der FSI ME mglichOder noch besser selber Lten


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SPiCboard-Ltabend

Die FSI EEI, FSI ME sowie das FabLab bieten einen Ltabend frdie Teilnehmer der Veranstaltung an

Teilnahme ist freiwillig

(Erste) Lterfahrung sammeln beim Lten eines eigenen SPiCboards

Voraussichtlich insgesamt 6 Termine (in KW 16 & 17)

Anmeldung: ber Waffel notwendig, da begrenzte Pltze:

Heute (Dienstag), 20:15 Freitag, 11:00

Kostenbeitrag: kostenlos (fr Teilnehmer dieser Veranstaltung),

finanziert aus Studienzuschssen

Der bei der Anmeldung gewhlte Termin ist verbindlich!

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https://eei.fsi.uni-erlangen.de/https://mechatronik.fsi.fau.dehttps://fablab.fau.de/

Prfung und Modulnote

Prfung (Klausur)

Termin: voraussichtlich Ende Juli / Anfang August

Dauer: 90 min

Inhalt: Fragen zum Vorlesungsstoff + Programmieraufgabe

Klausurnote 7 Modulnote

Bestehensgrenze (in der Regel): 50% der mglichen Klausurpunkte (KP)

Falls bestanden ist eine Notenverbesserung mglichdurch Bonuspunkte aus den Programmieraufgaben

Basis (Minimum): 50% der mglichen bungspunkte (P)

Jede weiteren 5% der mglichen P 7 +1% der mglichen KP

; 100% der mglichen P 7 +10% der mglichen KP

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Bei Fragen oder Problemen

Vorlesungs- und bungsfolien konsultieren

Hufig gestellte Fragen (FAQ) und Antworten siehe Webseite http://www4.cs.fau.de/Lehre/SS18/V_SPIC bungen FAQ

Allgemeine Fragen zu bungsaufgaben etc. im EEI-Forum posten https://eei.fsi.uni-erlangen.de/forum/forum/16

Bei speziellen Fragen Mail an Mailingliste (alle bungsleiter) [email protected]

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http://www4.cs.fau.de/Lehre/SS18/V_SPIChttps://eei.fsi.uni-erlangen.de/forum/forum/16mailto:[email protected]


Teil B Einfhrung in C




Sommersemester 2018


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berblick: Teil B Einfhrung in C

3 Java versus C


5 Sprachberblick




9 Funktionen

10 Variablen

11 Prprozessor03-

Java

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Das erste C-Programm

Das berhmteste Programm der Welt in C

#include

int main(int argc, char **argv) {/* greet user */printf("Hello World!\n");return 0;

}

bersetzen und Ausfhren (auf einem UNIX-System)

~> gcc -o hello hello.c~> ./helloHello World!~>

Gar nicht soschwer :-)

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 3 Java versus C Ausgabe 31

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Das erste C-Programm Vergleich mit Java

Das berhmteste Programm der Welt in C

1 #include 2

3 int main(int argc, char **argv) {4 /* greet user */5 printf("Hello World!\n");6 return 0;7 }

Das berhmteste Programm der Welt in Java

1 import java.lang.System;2 class Hello {3 public static void main(String[] args) {4 /* greet user */5 System.out.println("Hello World!");6 return;7 }8 }


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Das erste C-Programm Erluterungen [Handout]

C-Version zeilenweise erlutert1 Fr die Benutzung von printf() wird die Funktionsbibliothek stdio.h mit

der Prprozessor-Anweisung #include eingebunden.3 Ein C-Programm startet in main(), einer globalen Funktion vom Typ int,

die in genau einer Datei definiert ist.5 Die Ausgabe einer Zeichenkette erfolgt mit der Funktion printf(). (\n ;

Zeilenumbruch)6 Rckkehr zum Betriebssystem mit Rckgabewert. 0 bedeutet hier, dass

kein Fehler aufgetreten ist.

Java-Version zeilenweise erlutert1 Fr die Benutzung der Klasse out wird das Paket System mit der

import-Anweisung eingebunden.2 Jedes Java-Programm besteht aus mindestens einer Klasse.3 Jedes Java-Programm startet in main(), einer statischen Methode vom

Typ void, die in genau einer Klasse definiert ist.5 Die Ausgabe einer Zeichenkette erfolgt mit der Methode println() aus

der Klasse out aus dem Paket System. [ GDI, 01-10]6 Rckkehr zum Betriebssystem.


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Das erste C-Programm fr einen -Controller

Hello World fr AVR ATmega (SPiCboard)

#include

void main() {// initialize hardware: LED on port D pin 6, active lowDDRD |= (1

Das erste C-Programm fr einen -Controller

Hello World fr AVR ATmega (vgl. 31 )

1 #include 2

3 void main() {4 // initialize hardware: LED on port D pin 6, active low5 DDRD |= (1

-Controller-Programm Erluterungen [Handout]

-Controller-Programm zeilenweise erlutert(Beachte Unterschiede zur Linux-Version 33 )

1 Fr den Zugriff auf Hardware-Register (DDRD, PORTD, bereitgestellt alsglobale Variablen) wird die Funktionsbibliothek avr/io.h mit #includeeingebunden.

3 Die main()-Funktion hat keinen Rckgabewert (Typ void). Ein-Controller-Programm luft endlos ; main() terminiert nie.

5-6 Zunchst wird die Hardware initialisiert (in einen definierten Zustandgebracht). Dazu mssen einzelne Bits in bestimmten Hardware-Registernmanipuliert werden.

9 Die Interaktion mit der Umwelt (hier: LED einschalten) erfolgt ebenfallsber die Manipulation einzelner Bits in Hardware-Registern.

12-13 Es erfolgt keine Rckkehr zum Betriebssystem (wohin auch?). DieEndlosschleife stellt sicher, dass main() nicht terminiert.


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Das zweite C-Programm Eingabe unter Linux

Benutzerinteraktion (Lesen eines Zeichens) unter Linux:

#include

int main(int argc, char** argv){

printf("Press key: ");int key = getchar();

printf("You pressed %c\n", key);return 0;

}

Die getchar()-Funktion liest ein Zeichenvon der Standardeingabe (hier: Tastatur).Sie wartet gegebenenfalls, bis ein Zeichenverfgbar ist. In dieser Zeit entzieht das Be-triebssystem den Prozessor.

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 3 Java versus C Eingabe 37

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Das zweite C-Programm Eingabe mit -Controller

Benutzerinteraktion (Warten auf Tasterdruck) auf dem SPiCboard:

1 #include 2

3 void main() {4 // initialize hardware: button on port D pin 25 DDRD &= ~(1

Warten auf Tasterdruck Erluterungen [Handout]

Benutzerinteraktion mit SPiCboard zeilenweise erlutert5 Wie die LED ist der Taster mit einem digitalen IO-Pin des -Controllers

verbunden. Hier konfigurieren wir Pin 2 von Port D als Eingang durchLschen des entsprechenden Bits im Register DDRD.

6 Durch Setzen von Bit 2 im Register PORTD wird der internePull-Up-Widerstand (hochohmig) aktiviert, ber den VCC anliegt ; PD2 =high.

13-14 Aktive Warteschleife: Wartet auf Tastendruck, d. h. solange PD2 (Bit 2im Register PIND) high ist. Ein Tasterdruck zieht PD2 auf Masse ; Bit 2im Register PIND wird low und die Schleife verlassen.


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Zum Vergleich: Benutzerinteraktion als Java-Programm

1 import java.lang.System;2 import javax.swing.*;3 import java.awt.event.*;4

5 public class Input implements ActionListener {6 private JFrame frame;7

8 public static void main(String[] args) {9 // create input, frame and button objects

10 Input input = new Input();11 input.frame = new JFrame("Java-Programm");12 JButton button = new JButton("Klick mich");13

14 // add button to frame15 input.frame.add(button);16 input.frame.setSize(400, 400);17 input.frame.setVisible(true);18

19 // register input as listener of button events20 button.addActionListener(input);21 }22

23 public void actionPerformed(ActionEvent e) {24 System.out.println("Knopfdruck!");25 System.exit(0);26 }27 }


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Eingabe als typischesJava-Programm(objektorientiert, grafisch)

Benutzerinteraktion als Java-Programm Erluterungen [Handout]

Das Programm ist mit der C-Variante nicht unmittelbar vergleichbarEs verwendet das in Java bliche (und Ihnen bekannte)objektorientierte Paradigma.Dieser Unterschied soll hier verdeutlicht werden.

Benutzerinteraktion in Java zeilenweise erlutert5 Um Interaktionsereignisse zu empfangen, implementiert die Klasse Input

ein entsprechendes Interface.10-12 Das Programmverhalten ist implementiert durch eine Menge von Objekten

(frame, button, input), die hier bei der Initialisierung erzeugt werden.20 Das erzeugte button-Objekt schickt nun seine Nachrichten an das

input-Objekt.23-26 Der Knopfdruck wird durch eine actionPerformed()-Nachricht

(Methodenaufruf) signalisiert.


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Ein erstes Fazit: Von Java C (Syntax)

Syntaktisch sind Java und C sich sehr hnlich(Syntax: Wie sehen gltige Programme der Sprache aus?)

C-Syntax war Vorbild bei der Entwicklung von Java; Viele Sprachelemente sind hnlich oder identisch verwendbar

Blcke, Schleifen, Bedingungen, Anweisungen, LiteraleWerden in den folgenden Kapiteln noch im Detail behandelt

Wesentliche Sprachelemente aus Java gibt es in C jedoch nichtKlassen, Pakete, Objekte, Ausnahmen (Exceptions), . . .

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 3 Java versus C Erstes Fazit 312

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Ein erstes Fazit: Von Java C (Idiomatik)

Idiomatisch gibt es sehr groe Unterschiede(Idiomatik: Wie sehen bliche Programme der Sprache aus?)

Java: Objektorientiertes ParadigmaZentrale Frage: Aus welchen Dingen besteht das Problem?Gliederung der Problemlsung in Klassen und ObjekteHierarchiebildung durch Vererbung und AggregationProgrammablauf durch Interaktion zwischen ObjektenWiederverwendung durch umfangreiche Klassenbibliothek

C: Imperatives ParadigmaZentrale Frage: Aus welchen Aktivitten besteht das Problem?Gliederung der Problemlsung in Funktionen und VariablenHierarchiebildung durch Untergliederung in TeilfunktionenProgrammablauf durch Aufrufe zwischen FunktionenWiederverwendung durch Funktionsbibliotheken


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Ein erstes Fazit: Von Java C (Philosophie)

Philosophisch gibt es ebenfalls erhebliche Unterschiede(Philosophie: Grundlegende Ideen und Konzepte der Sprache)

Java: Sicherheit und Portabilitt durch Maschinenfernebersetzung fr virtuelle Maschine (JVM)Umfangreiche berprfung von Programmfehlern zur Laufzeit

Bereichsberschreitungen, Division durch 0, . . .

Problemnahes SpeichermodellNur typsichere Speicherzugriffe, automatische Bereinigung zur Laufzeit

C: Effizienz und Leichtgewichtigkeit durch Maschinennhebersetzung fr konkrete HardwarearchitekturKeine berprfung von Programmfehlern zur Laufzeit

Einige Fehler werden vom Betriebssystem abgefangen falls vorhanden

Maschinennahes SpeichermodellDirekter Speicherzugriff durch ZeigerGrobgranularer Zugriffsschutz und automatische Bereinigung(auf Prozessebene) durch das Betriebssystem falls vorhanden


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Ein erstes Fazit: -Controller-Programmierung

C 7 Maschinennhe 7 C-ProgrammierungDie Maschinennhe von C zeigt sich insbesondereauch bei der -Controller-Programmierung!

Es luft nur ein ProgrammWird bei RESET direkt aus dem Flash-Speicher gestartet

Muss zunchst die Hardware initialisieren

Darf nie terminieren (z. B. durch Endlosschleife in main())

Die Problemlsung ist maschinennah implementiertDirekte Manipulation von einzelnen Bits in Hardwareregistern

Detailliertes Wissen ber die elektrische Verschaltung erforderlich

Keine Untersttzung durch Betriebssystem (wie etwa Linux)

Allgemein geringes Abstraktionsniveau ; fehleranfllig, aufwndig

Ansatz: Mehr Abstraktion durch problemorientierte Bibliotheken


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3 Java versus C


5 Sprachberblick




9 Funktionen

10 Variablen

11 Prprozessor04-

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Abstraktion durch Softwareschichten: SPiCboard

Hardwaresicht Softwareschichten

ATmega32 ATmega64

abstractATmega

SPiCboard

LED Button

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ATmega32Register, . . .


Register, . . .

avr-libc: abstrahiert von ATmega-Ausprgung und Register-Adressen

...

libspicboard: abstrahiertvon C und Verschaltung ...

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 4 Softwareschichten und Abstraktion Funktionsbibliotheken 41

04-A

bstr

aktion

:20

18-0

4-05

Pro

blem

nhe

Maschinennhe

Abstraktion durch Softwareschichten: LED on im Vergleich



Register, . . .

avr-libc: abstrahiert von ATmega-Ausprgung und Register-Adressen

...

libspicboard: abstrahiertvon C und Verschaltung ...

ATmega32-Programm

ATmega-Programm

SPiCboard-Programm

Ziel: Schalte LED RED0 aufSPiCboard an:

Programm luft nur auf ATmega32. Esverwendet ATmega32-spezifische Regis-teradressen (wie 0x12) und Merkmale:

...

(*(unsigned char*)(0x11)) |= (1

Abstraktion durch Softwareschichten: Vollstndiges Beispiel

Bisher: Entwicklung mit avr-libc

#include

void main(void) {// initialize hardware

// button0 on PD2DDRD &= ~(1

Abstraktionen der libspicboard: Kurzberblick

Ausgabe-Abstraktionen (Auswahl)LED-Modul (#include )

LED einschalten: sb_led_on(BLUE0) ;R0 Y0 G0 B0 R1 Y1 G1 B1

LED ausschalten: sb_led_off(BLUE0) ;

Alle LEDs ein-/ausschalten:sb_led_set_all_leds(0x0f) ;

0 1 2 3 4 5 6 7

7-Seg-Modul (#include )Ganzzahl n {9 . . . 99} ausgeben:sb_7seg_showNumber(47) ;

Eingabe-Abstraktionen (Auswahl)Button-Modul (#include )

Button-Zustand abfragen:sb_button_getState(BUTTON0) 7 BUTTONSTATE_{PRESSED,RELEASED}

ADC-Modul (#include )Potentiometer-Stellwert abfragen:sb_adc_read(POTI) 7 {0. . . 1023}

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 4 Softwareschichten und Abstraktion Funktionsbibliotheken 44

04-A

bstr

aktion

:20

18-0

4-05

Softwareschichten im Allgemeinen

Diskrepanz: Anwendungsproblem Ablufe auf der Hardware

Grafik-Workstation

Klassenbibliotheken

Java Byte-Code

Assemblerprogr.

CAD-System

JVM

Maschinenprogr.

bersetzung

Interpretation

C-Programm

Java-Programm

bersetzung

bersetzung

AusfhrungProzessor

Funktionsbibliotheken

Betriebssystem

Interpretation von Systemaufrufen

C-Programm

Ziel: Ausfhrbarer Maschinencode

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 4 Softwareschichten und Abstraktion Allgemein 45

04-A

bstr

aktion

:20

18-0

4-05

Pro

blem

nhe

Maschinennhe

Die Rolle des Betriebssystems

Anwendersicht: Umgebung zum Starten, Kontrollieren undKombinieren von Anwendungen

Shell, grafische Benutzeroberflchez. B. bash, Windows

Datenaustausch zwischen Anwendungen und Anwendernz. B. ber Dateien

Anwendungssicht: Funktionsbibliothek mit Abstraktionen zurVereinfachung der Softwareentwicklung

Generische Ein-/Ausgabe von Datenz. B. auf Drucker, serielle Schnittstelle, in Datei

Permanentspeicherung und bertragung von Datenz. B. durch Dateisystem, ber TCP/IP-Sockets

Verwaltung von Speicher und anderen Betriebsmittelnz. B. CPU-Zeit


04-A

bstr

aktion

:20

18-0

4-05

Die Rolle des Betriebssystems (Forts.)

Systemsicht: Softwareschicht zum Multiplexen derHardware ( Mehrbenutzerbetrieb)

Parallele Abarbeitung von Programminstanzen durch ProzesskonzeptVirtueller Speicher eigener 32-/64-Bit-AdressraumVirtueller Prozessor wird transparent zugeteilt und entzogenVirtuelle Ein-/Ausgabe-Gerte umlenkbar in Datei, Socket, . . .

Isolation von Programminstanzen durch ProzesskonzeptAutomatische Speicherbereinigung bei ProzessendeErkennung/Vermeidung von Speicherzugriffen auf fremde Prozesse

Partieller Schutz vor schwereren ProgrammierfehlernErkennung einiger ungltiger Speicherzugriffe (z. B. Zugriff auf Adresse 0)Erkennung einiger ungltiger Operationen (z. B. div/0)

C-Programmierung ohne Betriebssystemplattform ; kein SchutzEin Betriebssystem schtzt weit weniger vor Programmierfehlern als z. B. Java.

Selbst darauf mssen wir jedoch bei der C-Programmierung i. a. verzichten.

Bei 8/16-Bit-C fehlt i. a. die fr Schutz erforderliche Hardware-Untersttzung.


04-A

bstr

aktion

:20

18-0

4-05

Beispiel: Fehlererkennung durch Betriebssystem

Linux: Division durch 0

1 #include 23

4 int main(int argc, char** argv) {5 int a = 23;6 int b = 0;7

8 b = 4711 / (a-23);9 printf("Ergebnis: %d\n", b);

10

11 return 0;12 }

SPiCboard: Division durch 0

#include #include

void main() {int a = 23;int b = 0;sei();b = 4711 / (a-23);sb_7seg_showNumber(b);

while(1){}}

bersetzen und Ausfhren ergibt:gcc error-linux.c -o error-linux./error-linuxFloating point exception

; Programm wird abgebrochen.

Ausfhren ergibt:

; Programm setztBerechnung fort

mit falschen Daten.


04-A

bstr

aktion

:20

18-0

4-05


3 Java versus C


5 Sprachberblick




9 Funktionen

10 Variablen

11 Prprozessor05-

Spr

achu

eber

blic

k:20

18-0

2-21

Struktur eines C-Programms allgemein

1 // include files2 #include . . .3

4 // global variables5 . . . variable1 = . . .6

7 // subfunction 18 . . . subfunction_1(. . .) {9 // local variables

10 . . . variable1 = . . .11 // statements12 . . .13 }

14 // subfunction n15 . . . subfunction_n(. . .) {1617 . . .18

19 }20

21 // main function22 . . . main(. . .) {2324 . . .25

26 }

Ein C-Programm besteht (blicherweise) ausMenge von globalen VariablenMenge von (Sub-)Funktionen

Menge von lokalen VariablenMenge von Anweisungen

Der Funktion main(), in der die Ausfhrung beginnt

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 5 Sprachberblick Grundstruktur eines C-Programms 51

05-S

prac

hueb

erbl

ick:

2018

-02-

21

Struktur eines C-Programms am Beispiel

1 // include files2 #include 3

4 // global variables5 LED nextLED = RED0;6

7 // subfunction 18 LED lightLED(void) {9 if (nextLED

Bezeichner [=Java]




Schlsselwrter [Java]




Schlsselwrter in C99 [Handout]

Referenz: Liste der Schlsselwrter (bis einschlielich C99)auto, _Bool, break, case, char, _Complex, const, continue, default,do, double, else, enum, extern, float, for, goto, if, _Imaginary,inline, int, long, register, restrict, return, short, signed,sizeof, static, struct, switch, typedef, union, unsigned, void,volatile, while

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 5 Sprachberblick Syntaktische Grundelemente 55

05-S

prac

hueb

erbl

ick:

2018

-02-

21

Literale [=Java]




Anweisungen [=Java]




Ausdrcke [=Java]





3 Java versus C


5 Sprachberblick




9 Funktionen

10 Variablen

11 Prprozessor06-

Dat

enty

pen:

2018

-02-

21

Was ist ein Datentyp? [ GDI, 03-2]

Datentyp := (, )Literal Wert im Quelltext 56Konstante Bezeichner fr einen WertVariable Bezeichner fr Speicherplatz,

der einen Wert aufnehmen kannFunktion Bezeichner fr Sequenz von Anweisungen,

die einen Wert zurckgibt

; Literale, Konstanten, Variablen, Funktionen haben einen (Daten-)Typ

Datentyp legt festReprsentation der Werte im SpeicherGre des Speicherplatzes fr VariablenErlaubte Operationen

Datentyp wird festgelegtExplizit, durch Deklaration, Typ-Cast oder Schreibweise (Literale)Implizit, durch Auslassung (; int schlechter Stil!)

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 6 Einfache Datentypen Einfhrung 61

06-D

aten

type

n:20

18-0

2-21

Primitive Datentypen in C

Ganzzahlen/Zeichen char, short, int, long, long long (C99)Wertebereich: implementierungsabhngig [ 6=Java]Es gilt: char short int long long long

Jeweils als signed- und unsigned-Variante verfgbar

Fliekommazahlen float, double, long doubleWertebereich: implementierungsabhngig [ 6=Java]Es gilt: float double long doubleAb C99 auch als _Complex-Datentypen verfgbar (fr komplexe Zahlen)

Leerer Datentyp voidWertebereich:

Boolescher Datentyp _Bool (C99)Wertebereich: {0, 1} ( letztlich ein Integertyp)Bedingungsausdrcke (z. B. if(. . .)) sind in C vom Typ int! [ 6=Java]

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 6 Einfache Datentypen Einfhrung 62

06-D

aten

type

n:20

18-0

2-21

Integertypen [Java][ GDI, 03-2]

Integertyp Verwendung Literalformenchar kleine Ganzzahl oder Zeichen A, 65, 0x41, 0101short [int] Ganzzahl (int ist optional) s. o.int Ganzzahl natrlicher Gre s. o.long [int] groe Ganzzahl 65L, 0x41L, 0101Llong long [int] sehr groe Ganzzahl 65LL, 0x41LL, 0101LL

Typ-Modifizierer werden vorangestellt Literal-Suffixsigned Typ ist vorzeichenbehaftet (Normalfall) -unsigned Typ ist vorzeichenlos Uconst Variable des Typs kann nicht verndert werden -

Beispiele (Variablendefinitionen)char a = A; // char-Variable, Wert 65 (ASCII: A)const int b = 0x41; // int-Konstante, Wert 65 (Hex: 0x41)long c = 0L; // long-Variable, Wert 0unsigned long int d = 22UL; // unsigned-long-Variable, Wert 22

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 6 Einfache Datentypen Ganzahltypen: int und Co 63

06-D

aten

type

n:20

18-0

2-21

Integertypen: Gre und Wertebereich [ 6=Java]

Die interne Darstellung (Bitbreite) ist implementierungsabhngig

Datentyp-Breite in BitJava C-Standard gccIA32 gccIA64 gccAVR

char 16 8 8 8 8short 16 16 16 16 16int 32 16 32 32 16long 64 32 32 64 32long long - 64 64 64 64

Der Wertebereich berechnet sich aus der Bitbreitesigned (2Bits11) +(2Bits1 1)unsigned 0 +(2Bits 1)

Hier zeigt sich die C-Philosophie: Effizienz durch Maschinennhe 314

Die interne Reprsentation der Integertypen ist definiert durch die Hardware(Registerbreite, Busbreite, etc.). Das fhrt im Ergebnis zu effizientem Code.


06-D

aten

type

n:20

18-0

2-21

Integertypen: Maschinennhe Problemnhe

Problem: Breite (; Wertebereich) der C-Standardtypen istimplementierungsspezifisch 7 Maschinennhe

Oft bentigt: Integertyp definierter Gre 7 ProblemnheWertebereich sicher, aber mglichst kompakt darstellen

Register definierter Breite n bearbeiten

Code unabhngig von Compiler und Hardware halten (; Portierbarkeit)

Lsung: Modul stdint.hDefiniert Alias-Typen: intn_t und uintn_t fr n {8, 16, 32, 64}Wird vom Compiler-Hersteller bereitgestellt

Wertebereich stdint.h-Typenuint8_t 0 255 int8_t 128 +127uint16_t 0 65.535 int16_t 32.768 +32.767uint32_t 0 4.294.967.295 int32_t 2.147.483.648 +2.147.483.647uint64_t 0 > 1, 8 1019 int64_t < 9, 2 1018 > +9, 2 1018


06-D

aten

type

n:20

18-0

2-21

Typ-Aliase mit typedef [ 6=Java]

Mit dem typedef-Schlsselwort definiert man einen Typ-Alias:typedef Typausdruck Bezeichner;

Bezeichner ist nun ein alternativer Name fr TypausdruckKann berall verwendet werden, wo ein Typausdruck erwartet wird

// stdint.h (avr-gcc)typedef unsigned char uint8_t;typedef unsigned int uint16_t;

// stdint.h (x86-gcc, IA32)typedef unsigned char uint8_t;typedef unsigned short uint16_t;

// main.c#include

uint16_t counter = 0; // global 16-bit counter, range 0-65535 typedef uint8_t Register; // Registers on this machine are 8-bit

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 6 Einfache Datentypen Typ-Pseudonyme: typedef 66

06-D

aten

type

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2-21

Typ-Aliase mit typedef (Forts.) [ 6=Java]

Typ-Aliase ermglichen einfache problembezogene AbstraktionenRegister ist problemnher als uint8_t; Sptere nderungen (z. B. auf 16-Bit-Register) zentral mglichuint16_t ist problemnher als unsigned charuint16_t ist sicherer als unsigned char

Definierte Bitbreiten sind bei der C-Entwicklung sehr wichtig!Groe Unterschiede zwischen Plattformen und Compilern; Kompatibilittsprobleme

Um Speicher zu sparen, sollte immer der kleinstmglicheIntegertyp verwendet werden

Regel: Bei der systemnahen Programmierung werdenTypen aus stdint.h verwendet!

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 6 Einfache Datentypen Typ-Pseudonyme: typedef 67

06-D

aten

type

n:20

18-0

2-21

Aufzhlungstypen mit enum [Java]

Mit dem enum-Schlsselwort definiert man einen Aufzhlungstypber eine explizite Menge symbolischer Werte:

enum Bezeichneropt { KonstantenListe } ;

Beispiel

Definition: enum eLED {RED0, YELLOW0, GREEN0, BLUE0,RED1, YELLOW1, GREEN1, BLUE1};

Verwendung:enum eLED myLed = YELLOW0; // enum necessary here! sb_led_on(BLUE1);

Vereinfachung der Verwendung durch typedef

Definition: typedef enum eLED {RED0, YELLOW0, GREEN0, BLUE0,RED1, YELLOW1, GREEN1, BLUE1} LED;

Verwendung: LED myLed = YELLOW0; // LED --> enum eLED

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 6 Einfache Datentypen Aufzhlungstypen: enum 68

06-D

aten

type

n:20

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2-21

enum 7 int [ 6=Java]

Technisch sind enum-Typen Integers (int)enum-Konstanten werden von 0 an durchnummeriert

typedef enum { RED0, // value: 0YELLOW0, // value: 1GREEN0, // value: 2 } LED;

Es ist auch mglich, Werte direkt zuzuweisen

typedef enum { BUTTON0 = 4, BUTTON1 = 8 } BUTTON;

Man kann sie verwenden wie ints (z. B. mit ihnen rechnen)

sb_led_on(RED0 + 2); // -> LED GREEN0 is onsb_led_on(1); // -> LED YELLOW0 is onfor( int led = RED0, led

Fliekommatypen [Java]

Fliekommatyp Verwendung Literalformenfloat einfache Genauigkeit ( 7 St.) 100.0F, 1.0E2Fdouble doppelte Genauigkeit ( 15 St.) 100.0, 1.0E2long double erweiterte Genauigkeit 100.0L 1.0E2L

Genauigkeit / Wertebereich sind implementierungsabhngig [6=Java]Es gilt: float double long doublelong double und double sind auf Effizienz durch

Maschinennhe 314vielen Plattformen identisch

Fliekommazahlen + C-Plattform = $$$Oft keine Hardwareuntersttzung fr float-Arithmetik; sehr teure Emulation in Software (langsam, viel zustzlicher Code)

Speicherverbrauch von float- und double-Variablen ist sehr hoch; mindestens 32/64 Bit (float/double)

Regel: Bei der -Controller-Programmierung istauf Fliekommaarithmetik zu verzichten!

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 6 Einfache Datentypen Fliekommazahltypen: float und double 610

06-D

aten

type

n:20

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2-21

Zeichen 7 Integer [Java]

Zeichen sind in C ebenfalls Ganzzahlen (Integers) 63char gehrt zu den Integer-Typen (blicherweise 8 Bit = 1 Byte)

Reprsentation erfolgt durch den ASCII-Code 6127-Bit-Code 7 128 Zeichen standardisiert(die verbleibenden 128 Zeichen werden unterschiedlich interpretiert)Spezielle Literalform durch HochkommataA 7 ASCII-Code von ANichtdruckbare Zeichen durch Escape-Sequenzen

Tabulator \tZeilentrenner \nBackslash \\

Zeichen 7 Integer ; man kann mit Zeichen rechnenchar b = A + 1; // b: B

int lower(int ch) { // lower(X): xreturn ch + 0x20;

}

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 6 Einfache Datentypen Zeichen und Zeichenketten 611

06-D

aten

type

n:20

18-0

2-21

ASCII-Code-Tabelle (7 Bit)

ASCII 7 American Standard Code for Information InterchangeSPiC

NUL00

SOH01

STX02

ETX03

EOT04

ENQ05

ACK06

BEL07

BS08

HT09

NL0A

VT0B

NPOC

CR0D

SO0E

SI0F

DLE10

DC111

DC212

DC313

DC414

NAK15

SYN16

ETB17

CAN18

EM19

SUB1A

ESC1B

FS1C

GS1D

RS1E

US1F

SP20

!21

"22

#23

$24

%25

&26

27

(28

)29

*2A

+2B

,2C

-2D

.2E

/2F

030

131

232

333

434

535

636

737

838

939

:3A

;3B

3E

?3F

@40

A41

B42

C43

D44

E45

F46

G47

H48

I49

J4A

K4B

L4C

M4D

N4E

O4F

P50

Q51

R52

S53

T54

U55

V56

W57

X58

Y59

Z5A

[5B

\5C

]5D

^5E

_5F

60

a61

b62

c63

d64

e65

f66

g67

h68

i69

j6A

k6B

l6C

m6D

n6E

o6F

p70

q71

r72

s73

t74

u75

v76

w77

x78

y79

z7A

{7B

|7C

}7D

~7E

DEL7F


06-D

aten

type

n:20

18-0

2-21

Zeichenketten (Strings) [ 6=Java]

Ein String ist in C ein Feld (Array) von ZeichenReprsentation: Folge von Einzelzeichen, terminiert durch

(letztes Zeichen): NUL (ASCII-Wert 0)Speicherbedarf: (Lnge + 1) Bytes

Spezielle Literalform durch doppelte Hochkommata:

"Hi!" 7 H i ! 0 abschlieendes 0-Byte

Beispiel (Linux)

#include

char string[] = "Hello, World!\n";

int main(void) {printf("%s", string);return 0;

}


06-D

aten

type

n:20

18-0

2-21

Zeichenketten brauchen vergleichswei-se viel Speicher und grere Ausga-begerte (z. B. LCD-Display).; Bei der C-Programmierung spie-len sie nur eine untergeordnete Rolle.

Ausblick: Komplexe Datentypen

Aus einfachen Datentypen lassen sich (rekursiv) auchkomplexe(re) Datentypen bilden

Felder (Arrays) Sequenz von Elementen gleichen Typs [Java]

int intArray[4]; // allocate array with 4 elementsintArray[0] = 0x4711; // set 1st element (index 0)

Zeiger vernderbare Referenzen auf Variablen [ 6=Java]

int a = 0x4711; // a: 0x4711int *b = &a; // b: -->a (memory location of a)int c = *b; // pointer dereference (c: 0x4711)

*b = 23; // pointer dereference (a: 23)

Strukturen Verbund von Elementen bel. Typs [ 6=Java]

struct Point { int x; int y; };struct Point p; // p is Point variablep.x = 0x47; // set x-componentp.y = 0x11; // set y-component

Wir betrachten diese detailliert in spteren Kapiteln

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 6 Einfache Datentypen Ausblick: Felder und Zeiger, Verbundtypen 614

06-D

aten

type

n:20

18-0

2-21


3 Java versus C


5 Sprachberblick




9 Funktionen

10 Variablen

11 Prprozessor07-

Ope

rato

ren:

2018

-02-

21

Arithmetische Operatoren [=Java]

Stehen fr alle Ganzzahl- und Fliekommatypen zur Verfgung

+ Addition Subtraktion Multiplikation/ Divisionunres negatives Vorzeichen (z. B. a) ; Multiplikation mit 1unres + positives Vorzeichen (z. B. +3) ; kein Effekt

Zustzlich nur fr Ganzzahltypen:

% Modulo (Rest bei Division)

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 7 Operatoren und Ausdrcke Arithmetische Operatoren 71

07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Inkrement-/Dekrement-Operatoren [=Java][ GDI, 07-02]

Stehen fr Ganzzahltypen und Zeigertypen zur Verfgung

++ Inkrement (Erhhung um 1) Dekrement (Verminderung um 1)

Linksseitiger Operator (Prfix) ++x bzw. --xErst wird der Inhalt von x verndertDann wird der (neue) Inhalt von x als Ergebnis geliefert

Rechtsseitiger Operator (Postfix) x++ bzw. x--Erst wird der (alte) Inhalt von x als Ergebnis geliefertDann wird der Inhalt von x verndert

Beispielea = 10;b = a++; // b: 10, a: 11c = ++a; // c: 12, a: 12

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 7 Operatoren und Ausdrcke Arithmetische Operatoren 72

07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Vergleichsoperatoren [=Java][ GDI, 03-09]

Vergleichen von zwei Ausdrcken

< kleiner grer>= grer gleich== gleich (zwei Gleichheitszeichen!)! = ungleich

Beachte: Ergebnis ist vom Typ int [ 6=Java]Ergebnis: falsch 7 0

wahr 7 1Man kann mit dem Ergebnis rechnen

Beispieleif (a >= 3) { }if (a == 3) { }return a * (a > 0); // return 0 if a is negative

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 7 Operatoren und Ausdrcke Relationale Operatoren 73

07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Logische Operatoren [Java][ GDI, 03-10]

Verknpfung von Wahrheitswerten (wahr / falsch), kommutativ

&& und wahr && wahr wahr(Konjunktion) wahr && falsch falsch

falsch && falsch falsch

|| oder wahr || wahr wahr(Disjunktion) wahr || falsch wahr

falsch || falsch falsch

! nicht ! wahr falsch(Negation, unr) ! falsch wahr

Beachte: Operanden und Ergebnis sind vom Typ int [ 6=Java]Operanden(Eingangsparameter):

0 7 falsch6=0 7 wahr

Ergebnis: falsch 7 0wahr 7 1


07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Logische Operatoren Auswertung [=Java]

Die Auswertung eines logischen Ausdrucks wird abgebrochen,sobald das Ergebnis feststeht

Sei int a = 5; int b = 3; int c = 7;

a > b

1

|| a > c

?

1

wird nicht ausgewertet, da dererste Term bereits wahr ergibt

a > c

0

&& a > b

?

0

wird nicht ausgewertet, da dererste Term bereits falsch ergibt

Kann berraschend sein, wenn Teilausdrcke Nebeneffekte haben

int a = 5; int b = 3; int c = 7;if ( a > c && !func(b) ) { } // func() will not be called


07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Zuweisungsoperatoren [=Java]

Allgemeiner Zuweisungsoperator (=)

Zuweisung eines Wertes an eine Variable

Beispiel: a = b + 23

Arithmetische Zuweisungsoperatoren (+=, =, . . . )

Abgekrzte Schreibweise zur Modifikation des Variablenwerts

Beispiel: a += 23 ist quivalent zu a = a + 23

Allgemein: a op= b ist quivalent zu a = a op b

fr op { +,, , %, ,&, , | }Beispiele

int a = 8;a += 8; // a: 16a %= 3; // a: 1

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 7 Operatoren und Ausdrcke Zuweisungsoperatoren 76

07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Zuweisungen sind Ausdrcke!

Zuweisungen knnen in komplexere Audrcke geschachtelt werdenDas Ergebnis eines Zuweisungsausdrucks ist der zugewiesene Wert

int a, b, c;a = b = c = 1; // c: 1, b: 1, a: 1

Die Verwendung von Zuweisungen in beliebigen Ausdrcken fhrtzu Nebeneffekten, die nicht immer offensichtlich sind

a += b += c; // Value of a and b?

Besonders gefhrlich: Verwendung von = statt ==

In C sind Wahrheitswerte Integers: 0 7 falsch, /0 7 wahr

Typischer Anfngerfehler in Kontrollstrukturen:if (a = 6) { } else { } // BUG: if-branch is always taken!!!

Compiler beanstandet das Konstrukt nicht, es handelt sich umeinen gltigen Ausdruck! ; Fehler wird leicht bersehen!

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 7 Operatoren und Ausdrcke Zuweisungsoperatoren 77

07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Bitoperationen [=Java]

Bitweise Verknpfung von Ganzzahltypen, kommutativ

& bitweises Und 1& 1 1(Bit-Schnittmenge) 1& 0 0

0& 0 0

| bitweises Oder 1 | 1 1(Bit-Vereinigungsmenge) 1 | 0 1

0 | 0 0

bitweises Exklusiv-Oder 1 1 0(Bit-Antivalenz) 1 0 1

0 0 0

bitweise Inversion 1 0(Einerkomplement, unr) 0 1

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 7 Operatoren und Ausdrcke Bitoperatoren 78

07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Bitoperationen (Forts.) [=Java]

Schiebeoperationen auf Ganzzahltypen, nicht kommutativ

> bitweises Rechtsschieben (links werden 0-Bits nachgefllt)

Beispiele (x sei vom Typ uint8_t)

Bit# 7 6 5 4 3 2 1 0

x=156 1 0 0 1 1 1 0 0 0x9c

~x 0 1 1 0 0 0 1 1 0x63

7 0 0 0 0 0 1 1 1 0x07

x | 7 1 0 0 1 1 1 1 1 0x9f

x & 7 0 0 0 0 0 1 0 0 0x04

x ^ 7 1 0 0 1 1 0 1 1 0x9B

x > 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0x4e


07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Bitoperationen Anwendung

Durch Verknpfung lassen sich gezielt einzelne Bits setzen/lschen

Bit# 7 6 5 4 3 2 1 0

PORTD ? ? ? ? ? ? ? ? Bit 7 soll verndert werden, dieanderen Bits jedoch erhalten bleiben!

0x80 1 0 0 0 0 0 0 0 Setzen eines Bits durch Ver-odern mitMaske, in der nur das Zielbit 1 istPORTD |= 0x80 1 ? ? ? ? ? ? ?

~0x80 0 1 1 1 1 1 1 1 Lschen eines Bits durch Ver-undenmit Maske, in der nur das Zielbit 0 istPORTD &= ~0x80 0 ? ? ? ? ? ? ?

0x08 0 0 0 0 1 0 0 0 Invertieren eines Bits durch Ver-xodernmit Maske, in der nur das Zielbit 1 istPORTD ^= 0x08 ? ? ? ? ? ? ?


07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Bitoperationen Anwendung (Forts.)

Bitmasken werden gerne als Hexadezimal-Literale angegeben

Bit# 7 6 5 4 3 2 1 0

0x8f 1 0 0 0

8

1 1 1 1

f

Jede Hex-Ziffer reprsentiert genau einHalb-Byte (Nibble) ; Verstndlichkeit

Fr Dezimal-Denker bietet sich die Linksschiebe-Operation an

PORTD |= (1

Bedingte Auswertung [Java][ GDI, 07-10]

Formulierung von Bedingungen in AusdrckenAusdruck1 ? Ausdruck2 : Ausdruck3

Zunchst wird Ausdruck1 ausgewertetAusdruck1 6= 0 (wahr) ; Ergebnis ist Ausdruck2Ausdruck1 = 0 (falsch) ; Ergebnis ist Ausdruck3

?: ist der einzige ternre (dreistellige) Operator in C

Beispiel

int abs(int a) {// if (a

Sequenzoperator [ 6=Java]

Reihung von AusdrckenAusdruck1 , Ausdruck2

Zunchst wird Ausdruck1 ausgewertet; Nebeneffekte von Ausdruck1 werden sichtbarErgebnis ist der Wert von Ausdruck2

Verwendung des Komma-Operators ist selten erforderlich!(Prprozessor-Makros mit Nebeneffekten)

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 7 Operatoren und Ausdrcke Weitere Operatoren 713

07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Vorrangregeln bei Operatoren [Java][ GDI, 03-07]

Klasse Operatoren Assoziativitt

1 Funktionsaufruf, FeldzugriffStrukturzugriffPost-Inkrement/-Dekrement

x() x[]

x.y x->y

x++ x--

links rechts

2 Pr-Inkrement/-Dekrementunre OperatorenAdresse, Verweis (Zeiger)Typkonvertierung (cast)Typgre

++x --x

+x -x ~x !x

& *()x

sizeof(x)

rechts links

3 Multiplikation, Division, Modulo * / % links rechts4 Addition, Subtraktion + - links rechts5 Bitweises Schieben >> = links rechts7 Gleichheitsoperatoren == != links rechts8 Bitweises UND & links rechts9 Bitweises OR | links rechts

10 Bitweises XOR ^ links rechts11 Konjunktion && links rechts12 Disjunktion || links rechts13 Bedingte Auswertung ?:= rechts links14 Zuweisung = op= rechts links15 Sequenz , links rechts

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 7 Operatoren und Ausdrcke Ausdrcke 714

07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Typumwandlung in Ausdrcken

Eine Operation wird mindestens mit int-Wortbreite berechnetshort- und signed char-Operanden werden implizit aufgewertet( Integer Promotion)Erst das Ergebnis wird auf den Zieldatentyp abgeschnitten/erweitert

int8_t a=100, b=3, c=4, res; // range: -128 --> +127

res

int8_t: 75

= a

int: 100

* b

int: 3

int: 300

/ c

int: 4

;

int: 75

// promotion to int: 300 fits in!


07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Typumwandlung in Ausdrcken (Forts.)

Generell wird die grte beteiligte Wortbreite verwendet 63

int8_t a=100, b=3, res; // range: -128 --> +127int32_t c=4; // range: -2147483648 --> +2147483647

res

int8_t: 75

= a

int: 100

* b

int: 3

int: 300

int32_t: 300

/ c;

int32_t: 75

// promotion to int32_t


07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21


Fliekomma-Typen gelten dabei als grer als Ganzzahl-Typen

Alle Fliekomma-Operationen werden mindestens mitdouble-Wortbreite berechnet

int8_t a=100, b=3, res; // range: -128 --> +127

res

int8_t: 75

= a

int: 100

* b

int: 3

int: 300

double: 300.0

/ 4.0f

double 4.0

;

double: 75.0

// promotion to double


07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21


unsigned-Typen gelten dabei als grer als signed-Typen

int s = -1, res; // range: -32768 --> +32767unsigned u = 1; // range: 0 --> 65535

res

int: 0

= s

unsigned: 65535

< u;

unsigned: 0

// promotion to unsigned: -1 --> 65535

; berraschende Ergebnisse bei negativen Werten!; Mischung von signed- und unsigned-Operanden vermeiden!


07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21

Typumwandlung in Ausdrcken Typ-Casts

Durch den Typ-Cast-Operator kann man einen Ausdruckgezielt in einen anderen Typ konvertieren

(Typ) Ausdruck

int s = -1, res; // range: -32768 --> +32767unsigned u = 1; // range: 0 --> 65535

res

int: 1

= s < (int) u

int: 1

;

int: 1

// cast u to int


07-O

pera

tore

n:20

18-0

2-21


3 Java versus C


5 Sprachberblick




9 Funktionen

10 Variablen

11 Prprozessor08-

Kon

trol

lstr

uktu

ren:

2018

-04-

05

Bedingte Anweisung [=Java][ GDI, 07-02]

if-Anweisung (bedingte Anweisung)

if (Bedingung)Anweisung;

ja nein

Bedingung

Anweisung

if-else-Anweisung (einfache Verzweigung)

if (Bedingung)Anweisung1;

else

Anweisung2;

ja nein

Bedingung

Anweisung_1 Anweisung_2

if-else-if-Kaskade (mehrfache Verzweigung)

if (Bedingung1)Anweisung1;

else if (Bedingung2)Anweisung2;

else

Anweisung3;Anweisung_2

Bedingung_2

Bedingung_1

ja nein

ja nein

Anweisung_3Anweisung_1

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 8 Kontrollstrukturen Verzweigungen 81

08-K

ontr

ollstr

uktu

ren:

2018

-04-

05

Fallunterscheidung [=Java]

switch-Anweisung (Fallunterscheidung)Alternative zur if-Kaskade bei Test auf Ganzzahl-Konstanten

verschiedene Flle in Abhngigkeit von einem ganzzahligen Ausdruck

Wert1 Wert2

Anw. 1 Anw. 2 Anw. n

sonst

Anw. x

ganzzahliger Ausdruck = ?

switch (Ausdruck) {case Wert1:

Anweisung1;break;

case Wert2:Anweisung2;break;

case Wertn:

Anweisungn;break;

default:

Anweisungx;}

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 8 Kontrollstrukturen Verzweigungen 82

08-K

ontr

ollstr

uktu

ren:

2018

-04-

05

Abweisende und nicht-abweisende Schleife [=Java]

Abweisende Schleife[ GDI, 08-05]

while-SchleifeNull- oder mehrfach ausgefhrt

Bedingung

Anweisung

Nicht-abweisende Schleife[ GDI, 08-07]

do-while-SchleifeEin- oder mehrfach ausgefhrt

Bedingung

Anweisung

while(Bedingung)Anweisung;

do

Anweisung;while(Bedingung);

while (sb_button_getState(BUTTON0)

== BUTTONSTATE_RELEASED) { // do unless button press.

}

do { // do at least once

} while (sb_button_getState(BUTTON0)

== BUTTONSTATE_RELEASED);

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 8 Kontrollstrukturen Schleifen 83

08-K

ontr

ollstr

uktu

ren:

2018

-04-

05

Zhlende Schleife [=Java][ GDI, 08-02]

for-Schleife (Laufanweisung)

for (Startausdruck;Endausdruck;InkrementAusdruck)

Anweisung;

v Startausdruck (Inkrement) Endausdruck

Anweisung

Beispiel (bliche Verwendung: n Ausfhrungen mit Zhlvariable)

uint8_t sum = 0; // calc sum 1+...+10for (uint8_t n = 1; n < 11; n++) {

sum += n;}sb_7seg_showNumber( sum );

AnmerkungenDie Deklaration von Variablen (n) im Startausdruckist erst ab C99 mglich

Die Schleife wird wiederholt, solange Endausdruck 6= 0 (wahr); die for-Schleife ist eine verkappte while-Schleife


08-K

ontr

ollstr

uktu

ren:

2018

-04-

05

Schleifensteuerung [=Java][ GDI, 08-09]

Die continue-Anweisung beendet den aktuellen Schleifendurchlauf; Schleife wird mit dem nchsten Durchlauf fortgesetzt

for( uint8_t led=0; led < 8; ++led ) {if( led == RED1 ) {continue; // skip RED1

}sb_led_on(led);

}

0

R0

1

Y0

2

G0

3

B0

4

R1

5

Y1

6

G1

7

B1

Die break-Anweisung verlsst die (innerste) Schleife; Programm wird nach der Schleife fortgesetzt

for( uint8_t led=0; led < 8; ++led ) {if( led == RED1 ) {break; // break at RED1

}sb_led_on(led);

}

0

R0

1

Y0

2

G0

3

B0

4

R1

5

Y1

6

G1

7

B1


08-K

ontr

ollstr

uktu

ren:

2018

-04-

05


3 Java versus C


5 Sprachberblick




9 Funktionen

10 Variablen

11 Prprozessor09-

Funk

tion

en:20

18-0

2-21

Was ist eine Funktion?

Funktion := Unterprogramm [ GDI, 11-01]Programmstck (Block) mit einem BezeichnerBeim Aufruf knnen Parameter bergeben werdenBei Rckkehr kann ein Rckgabewert zurckgeliefert werden

Funktionen sind elementare ProgrammbausteineGliedern umfangreiche Aufgaben in kleine, beherrschbare KomponentenErmglichen die einfache Wiederverwendung von KomponentenErmglichen den einfachen Austausch von KomponentenVerbergen Implementierungsdetails (Black-Box-Prinzip)

Funktion 7 Abstraktion 41Bezeichner und Parameter abstrahieren

Vom tatschlichen ProgrammstckVon der Darstellung und Verwendung von Daten

Ermglicht schrittweise Abstraktion und Verfeinerung

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 9 Funktionen Einfhrung 91

09-F

unkt

ione

n:20

18-0

2-21

Beispiel

Funktion (Abstraktion) sb_led_set_all_leds()#include void main() {sb_led_set_all_leds( 0xaa );

0 1 2 3 4 5 6 7

while(1) {}}

Implementierung in der libspicboardvoid sb_led_set_all_leds(uint8_t setting) Sichtbar: Bezeichner und

formale Paramter

{uint8_t i = 0;for (i = 0; i < 8; i++) {if (setting & (1

Funktionsdefinition [Java]

Syntax: Typ Bezeichner ( FormaleParamopt ) {Block}Typ Typ des Rckgabewertes der Funktion, [=Java]

void falls kein Wert zurckgegeben wird

Bezeichner Name, unter dem die Funktion 53aufgerufen werden kann [=Java]

FormaleParamopt Liste der formalen Parameter:Typ1 Bez1 opt , . . ., Typn Bezn opt [=Java](Parameter-Bezeichner sind optional)void, falls kein Parameter erwartet wird [ 6=Java]

{Block} Implementierung; formale Parameterstehen als lokale Variablen bereit [=Java]

Beispiele:

int max(int a, int b) {if (a > b) return a;return b;

}

void wait(void) {volatile uint16_t w;for (w = 0; w < 0xffff; w++) {}

}

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 9 Funktionen Definition 93

09-F

unkt

ione

n:20

18-0

2-21

Funktionsaufruf [=Java]

Syntax: Bezeichner ( TatParam )Bezeichner Name der Funktion,

in die verzweigt werden soll [=Java]

TatParam Liste der tatschlichen Parameter (bergebene [=Java]Werte, muss anzahl- und typkompatibel seinzur Liste der formalen Parameter)

Beispiele:

int x = max(47, 11);

Aufruf der max()-Funktion. 47 und 11 sinddie tatschlichen Parameter, welche nunden formalen Parametern a und b der max()-Funktion ( 93 ) zugewiesen werden.

char text[] = "Hello, World";int x = max(47, text);

Fehler: text ist nicht int-konvertierbar (tatschlicher Parameter 2 passt nicht zuformalem Parameter b 93 )

max(48, 12); Der Rckgabewert darf ignoriert werden(was hier nicht wirklich Sinn ergibt)

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 9 Funktionen Aufruf 94

09-F

unkt

ione

n:20

18-0

2-21

Funktionsaufruf Parameterbergabe [ 6=Java]

Generelle Arten der Parameterbergabe [ GDI, 14-01]Call-by-value Die formalen Parameter sind Kopien der tatschli-

chen Parameter. nderungen in den formalen Para-metern gehen mit Verlassen der Funktion verloren.Dies ist der Normalfall in C.

Call-by-reference Die formalen Parameter sind Verweise (Referenzen)auf die tatschlichen Parameter. nderungen in denformalen Parametern betreffen auch die tatschli-chen Parameter.In C nur indirekt ber Zeiger mglich. 135

Des weiteren giltArrays werden in C immer by-reference bergeben [=Java]

Die Auswertungsreihenfolge der Parameter ist undefiniert! [6=Java]


09-F

unkt

ione

n:20

18-0

2-21

Funktionsaufruf Rekursion [=Java]

Funktionen knnen sich auch selber aufrufen (Rekursion)int fak(int n) {if (n > 1)return n * fak(n - 1);

return 1;}

Rekursive Definition der Fakulttsfunktion.

Ein anschauliches, aber mieses Beispielfr den Einsatz von Rekursion!

Rekursion 7 $$$Rekursion verursacht erhebliche Laufzeit- und Speicherkosten!Pro Rekursionsschritt muss:

Speicher bereit gestellt werden fr Rcksprungadresse,Parameter und alle lokalen Variablen

Parameter kopiert und ein Funktionsaufruf durchgefhrt werden

Regel: Bei der systemnahen Softwareentwicklung wirdmglichst auf Rekursion verzichtet!


09-F

unkt

ione

n:20

18-0

2-21

Funktionsdeklaration [ 6=Java]

Funktionen mssen vor ihrem ersten Aufruf im Quelltextdeklariert ( 7 bekannt gemacht) worden sein

Eine voranstehende Definition beinhaltet bereits die DeklarationAnsonsten (falls die Funktion weiter hinten im Quelltext oder in einemanderen Modul definiert wird) muss sie explizit deklariert werden

Syntax: Bezeichner ( FormaleParam ) ;

Beispiel:// Deklaration durch Definitionint max(int a, int b) {if (a > b) return a;return b;

}

void main(void) {int z = max(47, 11);

}

// Explizite Deklarationint max(int, int);

void main(void) {int z = max(47, 11);

}

int max(int a, int b) {if (a > b) return a;return b;

}

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 9 Funktionen Deklaration 97

09-F

unkt

ione

n:20

18-0

2-21

Funktionsdeklaration (Forts.) [ 6=Java]

Funktionen mssen sollten vor ihrem ersten Aufruf im Quelltextdeklariert ( 7 bekannt gemacht) worden sein

Achtung: C erzwingt dies nicht!Es ist erlaubt nicht-deklarierte Funktionen aufzurufen( implizite Deklaration)Derartige Aufrufe sind jedoch nicht typsicher

Compiler kennt die formale Parameterliste nicht; kann nicht prfen, ob die tatschlichen Parameter passenMan kann irgendwas bergeben

Moderne Compiler generieren immerhin eine Warnung; Warnungen des Compilers immer ernst nehmen!


09-F

unkt

ione

n:20

18-0

2-21



Beispiel:

1 #include 2

3 int main(void) {4 double d = 47.11;5 foo(d);6 return 0;7 }8

9 void foo(int a, int b) {10 printf("foo: a:%d, b:%d\n", a, b);11 }

5 Funktion foo() ist nicht deklariert ; der Compiler warnt, aber akzeptiertbeliebige tatschliche Parameter

9 foo() ist definiert mit den formalen Parmetern (int, int). Was immer antatschlichen Parametern bergeben wurde, wird entsprechend interpretiert!

10 Was wird hier ausgegeben?


09-F

unkt

ione

n:20

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2-21



Eine Funktion, die mit leerer formaler Parameterliste deklariertwurde, akzeptiert ebenfalls beliebige Parameter ; keine TypsicherheitIn diesem Fall warnt der Compiler nicht! Die Probleme bleiben!

Beispiel:

#include

void foo(); // "open" declaration

int main(void) {double d = 47.11;foo(d);return 0;

}

void foo(int a, int b) {printf("foo: a:%d, b:%d\n", a, b);

}


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2-21

Funktion foo wurde mit leererformaler Parameterliste deklariert; dies ist formal ein gltigerAufruf!



Eine Funktion, die mit leerer formaler Parameterliste deklariertwurde, akzeptiert ebenfalls beliebige Parameter ; keine TypsicherheitIn diesem Fall warnt der Compiler nicht! Die Probleme bleiben!

Achtung: VerwechslungsgefahrIn Java deklariert void foo() eine parameterlose Methode

In C muss man dafr void foo(void) schreiben 93

In C deklariert void foo() eine offene FunktionDas macht nur in (sehr seltenen) Ausnahmefllen Sinn!Schlechter Stil ; Punktabzug

Regel: Funktionen werden stets vollstndig deklariert!


09-F

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2-21


3 Java versus C


5 Sprachberblick




9 Funktionen

10 Variablen

11 Prprozessor10-

Var

iabl

en:20

18-0

2-21

Variablendefinition [Java]

Variable := Behlter fr Werte (7 Speicherplatz)

Syntax (Variablendefinition):SKopt Typopt Bez1 [ = Ausdr1]opt [, Bez2 [ = Ausdr2]opt , . . .]opt ;

SKopt Speicherklasse der Variable, [Java]auto, static, oder leer

Typ Typ der Variable, [=Java]int falls kein Typ angegeben wird [ 6=Java]( 7 schlechter Stil!)

Bezi Name der Variable [=Java]

Ausdri Ausdruck fr die initiale Wertzuweisung;wird kein Wert zugewiesen so ist der Inhaltvon nicht-static-Variablen undefiniert [ 6=Java]

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 10 Variablen Einfhrung 101

10-V

aria

blen

:20

18-0

2-21

Variablendefinition (Forts.)

Variablen knnen an verschiedenen Positionen definiert werdenGlobal auerhalb von Funktionen,

blicherweise am Kopf der Datei

Lokal zu Beginn eines { Blocks }, C89direkt nach der ffnenden Klammer

Lokal berall dort, wo eine Anweisung stehen darf C99

int a = 0; // a: globalint b = 47; // b: global

void main() {int a = b; // a: local to function, covers global aprintf("%d", a);int c = 11; // c: local to function (C99 only!)for(int i=0; i


3 Java versus C


5 Sprachberblick




9 Funktionen

10 Variablen

11 Prprozessor11-

Pra

epro

zess

or:20

18-0

2-21

Der C-Prprozessor [6=Java]

Bevor eine C-Quelldatei bersetzt wird, wird sie zunchst durcheinen Makro-Prprozessor bearbeitet

Historisch ein eigenstndiges Programm (CPP = C PreProcessor)Heutzutage in die blichen Compiler integriert

Der CPP bearbeitet den Quellcode durch TexttransformationAutomatische Transformationen (Aufbereiten des Quelltextes)

Kommentare werden entferntZeilen, die mit \ enden, werden zusammengefgt

Steuerbare Transformationen (durch den Programmierer)Prprozessor-Direktiven werden evaluiert und ausgefhrtPrprozessor-Makros werden expandiert

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 11 Prprozessor Einfhrung 111

11-P

raep

roze

ssor

:20

18-0

2-21

Prprozessor-Direktiven [ 6=Java]

Prprozessor-Direktive := Steueranweisung an den Prprozessor#include Inklusion: Fgt den Inhalt von Datei an der aktuellen

Stelle in den Token-Strom ein.

#define Makro Ersetzung Makrodefinition: Definiert ein Prprozessor-MakroMakro. In der Folge wird im Token-Strom jedesAuftreten des Wortes Makro durch Ersetzungsubstituiert. Ersetzung kann auch leer sein.

#if(Bedingung),#elif, #else, #endif

Bedingte bersetzung: Die folgenden Code-Zeilen werdenin Abhngigkeit von Bedingung dem Compiler berreichtoder aus dem Token-Strom entfernt.

#ifdef Makro,#ifndef Makro

Bedingte bersetzung in Abhngigkeit davon, ob Makro(z. B. mit #define) definiert wurde.

#error Text Abbruch: Der weitere bersetzungsvorgang wird mit derFehlermeldung Text abgebrochen.

Der Prprozessor definiert letztlich eine eingebettete Meta-Sprache.Die Prprozessor-Direktiven (Meta-Programm) verndern dasC-Programm (eigentliches Programm) vor dessen bersetzung.

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 11 Prprozessor Einfhrung 112

11-P

raep

roze

ssor

:20

18-0

2-21

Prprozessor Verwendungsbeispiele [ 6=Java]

Einfache Makro-DefinitionenLeeres Makro (Flag) #define USE_7SEG

Quelltext-Konstante #define NUM_LEDS (4)

Prprozessor-Anweisungenwerden nicht mit einemStrichpunkt abgeschlossen!

Inline-Funktion #define SET_BIT(m, b) (m | (1 (4)mask = SET_BIT(mask, i); // SET_BIT(mask, i) --> (mask | (1

#ifdef USE_7SEGsb_show_HexNumber(mask); // -->

#endif

}

c kls SPiC (Teil B, SS 18) 11 Prprozessor Verwendung 113

11-P

raep

roze

ssor

:20

18-0

2-21

Prprozessor Gefahren [6=Java]

Funktionshnliche Makros sind keine Funktionen!Parameter werden nicht evaluiert, sondern textuell eingefgtDas kann zu unangenehmen berraschungen fhren#define POW2(a) 1


Teil C Systemnahe Softwareentwicklung




Sommersemester 2018


V_

SPIC

_ha

ndou

t


berblick: Teil C Systemnahe Softwareentwicklung

12 Programmstruktur und Module

13 Zeiger und Felder

14 C-Systemarchitektur

12-M

odul

e:20

18-0

2-21

Softwareentwurf

Softwareentwurf: Grundstzliche berlegungen ber die Struktureines Programms vor Beginn der Programmierung

Ziel: Zerlegung des Problems in beherrschbare Einheiten

Es gibt eine Vielzahl von Softwareentwurfs-MethodenObjektorientierter Entwurf [ GDI, 01-01]

Stand der KunstDekomposition in Klassen und ObjekteAn Programmiersprachen wie C++ oder Java ausgelegt

Top-Down-Entwurf / Funktionale DekompositionBis Mitte der 80er Jahre fast ausschlielich verwendetDekomposition in Funktionen und FunktionsaufrufeAn Programmiersprachen wie Fortran, Cobol, Pascal oder C orientiert

Systemnahe Software wird oft(noch) mit Funktionaler Dekompo-sition entworfen und entwickelt.

c kls SPiC (Teil C, SS 18) 12 Programmstruktur und Module Einfhrung 121

12-M

odul

e:20

18-0

2-21

Beispiel-Projekt: Eine Wetterstation

Typisches eingebettetes SystemMehrere Sensoren 0+&1

2#$3

45676

-)#''8)#

95:

;?4@

;#' 4?)-9 4?)-9; 4?)-9< 4?)-9& 4?)-9= 4?)-9" 4?)-9> 4?)-96 4?)-97 9996 9997 4,096 4,097 #' (49) $(4,$9JHJ$)BK@LHBC 6=&

[1, S. 327]

c kls SPiC (Teil C, SS 18) 14 C-Systemarchitektur Peripherie 147

14-M

C:20

18-0

2-21

Peripheriegerte Register (Forts.)

Memory-mapped Register ermglichen einen komfortablen ZugriffRegister 7 Speicher 7 Variable

Alle C-Operatoren stehen direkt zur Verfgung (z. B. PORTD++)

Syntaktisch wird der Zugriff oft durch Makros erleichtert:

#define PORTD ( * (volatile uint8_t *) 0x12

Adresse: int

Adresse: volatile uint8_t *(Cast 719 )

Wert: volatile uint8_t (Dereferenzierung 134 )

) PORTD ist damit(syntaktisch)quivalent zueiner volatileuint8_t-Variablen,die an Adresse0x12 liegtBeispiel

#define PORTD (*(volatile uint8_t *) 0x12)

PORTD |= (1

Registerzugriff und Nebenlufigkeit

Peripheriegerte arbeiten nebenlufig zur Software; Wert in einem Hardwareregister kann sich jederzeit ndernDies widerspricht einer Annahme des Compilers

Variablenzugriffe erfolgen nur durch die aktuell ausgefhrte Funktion; Variablen knnen in Registern zwischengespeichert werden

// C code#define PIND (*(uint8_t*) 0x10)void foo(void) { if (! (PIND & 0x2)) {

// button0 pressed

}if (! (PIND & 0x4)) {

// button 1 pressed

}}

// Resulting assembly code

foo:lds r24, 0x0010 // PIND->r24sbrc r24, 1 // test bit 1rjmp L1// button0 pressed

L1:sbrc r24, 2 // test bit 2rjmp L2

PIND wird nicht erneut ausdem Speicher geladen. DerCompiler nimmt an, dassder Wert in r24 aktuell ist.

L2:ret

c kls SPiC (Teil C, SS 18) 14 C-Systemarchitektur Exkurs: volatile 149

14-M

C:20

18-0

2-21

Der volatile-Typmodifizierer

Lsung: Variable volatile (flchtig, unbestndig) deklarierenCompiler hlt Variable nur so kurz wie mglich im Register; Wert wird unmittelbar vor Verwendung gelesen; Wert wird unmittelbar nach Vernderung zurckgeschrieben

// C code#define PIND \(*(volatile uint8_t*) 0x10)

void foo(void) { if (! (PIND & 0x2)) {

// button0 pressed

}

if (! (PIND & 0x4)) {

// button 1 pressed

}}

// Resulting assembly code

foo:lds r24, 0x0010 // PIND->r24sbrc r24, 1 // test bit 1rjmp L1// button0 pressed

L1:lds r24, 0x0010 // PIND->r24sbrc r24, 2 // test bit 2rjmp L2

PIND ist volatile und wirddeshalb vor dem Test er-neut aus dem Speichergeladen.

L2:ret


14-M

C:20

18-0

2-21

Der volatile-Typmodifizierer (Forts.)

Die volatile-Semantik verhindert viele Code-Optimierungen(insbesondere das Entfernen von scheinbar unntzem Code)

Kann ausgenutzt werden, um aktives Warten zu implementieren:

// C codevoid wait(void) {for (uint16_t i = 0; i < 0xffff; i++);

volatile!}

// Resulting assembly codewait:// compiler has optimized// "unneeded" loopret

Achtung: volatile 7 $$$Die Verwendung von volatile verursacht erhebliche Kosten

Werte knnen nicht mehr in Registern gehalten werden

Viele Code-Optimierungen knnen nicht durchgefhrt werden

Regel: volatile wird nur in begrndeten Fllen verwendet


14-M

C:20

18-0

2-21

Peripheriegerte: Ports

Port := Gruppe von (blicherweise 8) digitalen Ein-/AusgngenDigitaler Ausgang: Bitwert 7 Spannungspegel an C-PinDigitaler Eingang: Spannungspegel an C-Pin 7 BitwertExterner Interrupt:(bei Pegelwechsel)

Spannungspegel an C-Pin 7 Bitwert; Prozessor fhrt Interruptprogramm aus

Die Funktion ist blicherweise pro Pin konfigurierbarEingangAusgangExterner Interrupt (nur bei bestimmten Eingngen)Alternative Funktion (Pin wird von anderem Gert verwendet)

c kls SPiC (Teil C, SS 18) 14 C-Systemarchitektur Ports 1412

14-M

C:20

18-0

2-21

Beispiel ATmega328PB: Port/Pin-Belegung5. Pin Configurations

Figure 5-132 TQFP Pinout ATmega328PB

1

2

3

4

32 31 30 29 28 27 26

5

6

7

8

24

23

22

21

20

19

18

1725

9 10 11 12 13 14 15 16

PD0

(PTC

XY/O

C3A

/RXD

0)

PD1

(PTC

XY/O

C4A

/TXD

0)

PD2

(PTC

XY/IN

T0/O

C3B

/OC

4B)

PC6

(RES

ET)

PC2

(AD

C2/

PTC

Y)

PC3

(AD

C3/

PTC

Y)

PC4

(AD

C4/

PTC

Y/SD

A0)

PC5

(AD

C5/

PTC

Y/SC

L0)

PC0 (ADC0/PTCY/MISO1)

PC1 (ADC1/PTCY/SCK1)

GND

PE2 (ADC6/PTCY/ICP3/SS1)

AVCC

PB5 (PTCXY/XCK0/SCK0)

AREF

PE3 (ADC7/PTCY/T3/MOSI1)

(XCK0/T0/PTCXY) PD4

GND

VCC

(SDA1/ICP4/ACO/PTCXY) PE0

(SCL1/T4/PTCXY) PE1

(XTAL1/TOSC1) PB6

(XTAL2/TOSC2) PB7

(PTC

XY/A

IN1)

PD

7

(OC

1A/P

TCXY

) PB1

(SS0

/OC

1B/P

TCXY

) PB2

(MIS

O0/

RXD

1/PT

CXY

) PB4

(OC2B/INT1/PTCXY) PD3(O

C0B

/T1/

PTC

XY) P

D5

(OC

0A/P

TCXY

/AIN

0) P

D6

(ICP1

/CLK

O/P

TCXY

) PB0

(MO

SI0/

TXD

1/O

C2A

/PTC

XY) P

B3

Power

Ground

Programming/debug

Digital

Analog

Crystal/CLK

Atmel ATmega328PB [DATASHEET]Atmel-42397C-8-bit AVR-ATmega328PB_Datasheet_Complete-10/2015

13

Aus Kostengrnden istnahezu jeder Pin doppeltbelegt, die Konfigurationder gewnschten Funk-tion erfolgt durch dieSoftware.

Beim SPiCboard werdenz. B. Pins 2324 alsADCs konfiguriert, umPoti und Photosensoranzuschlieen.

PORTC steht daherfr diese Pins nicht zurVerfgung.


14-M

C:20

18-0

2-21

Beispiel ATmega32: Port-Register

Pro Port x sind drei Register definiert (Beispiel fr x = D)

DDRx Data Direction Register: Legt fr jeden Pin i fest, ob er als Eingang(Bit i=0) oder als Ausgang (Bit i=1) verwendet wird.

18.4.9. Port D Data Direction RegisterWhen addressing I/O Registers as data space using LD and ST instructions, the provided offset must beused. When using the I/O specific commands IN and OUT, the offset is reduced by 0x20, resulting in anI/O address offset within 0x00 - 0x3F.

Name: DDRDOffset: 0x2AReset: 0x00Property:

When addressing as I/O Register: address offset is 0x0A

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 DDRD7 DDRD6 DDRD5 DDRD4 DDRD3 DDRD2 DDRD1 DDRD0

Access R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W Reset 0 0 0 0 0 0 0 0

Bits 7:0 DDRDn:Port D Data Direction [n = 7:0]


121

PORTx Data Register: Ist Pin i als Ausgang konfiguriert, so legt Bit i den Pegelfest (0=GND sink, 1=Vcc source). Ist Pin i als Eingang konfiguriert, soaktiviert Bit i den internen Pull-Up-Widerstand (1=aktiv).

18.4.8. Port D Data RegisterWhen addressing I/O Registers as data space using LD and ST instructions, the provided offset must beused. When using the I/O specific commands IN and OUT, the offset is reduced by 0x20, resulting in anI/O address offset within 0x00 - 0x3F.

Name: PORTDOffset: 0x2BReset: 0x00Property:

When addressing as I/O Register: address offset is 0x0B

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 PORTD7 PORTD6 PORTD5 PORTD4 PORTD3 PORTD2 PORTD1 PORTD0

Access R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W Reset 0 0 0 0 0 0 0 0

Bits 7:0 PORTDn:Port D Data [n = 7:0]


120

PINx Input Register: Bit i reprsentiert den Pegel an Pin i (1=high, 0=low),unabhngig von der Konfiguration als Ein-/Ausgang.

18.4.10. Port D Input Pins AddressWhen addressing I/O Registers as data space using LD and ST instructions, the provided offset must beused. When using the I/O specific commands IN and OUT, the offset is reduced by 0x20, resulting in anI/O address offset within 0x00 - 0x3F.

Name: PINDOffset: 0x29Reset: N/AProperty:

When addressing as I/O Register: address offset is 0x09

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 PIND7 PIND6 PIND5 PIND4 PIND3 PIND2 PIND1 PIND0

Access R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W Reset x x x x x x x x

Bits 7:0 PINDn:Port D Input Pins Address [n = 7:0]Writing to the pin register provides toggle functionality for IO. Refer to Toggling the Pin on page 93.


122

Verwendungsbeispiele: 35 und 38 [1, S. 92]


14-M

C:20

18-0

2-21

Strukturen: Motivation

Jeder Port wird durch drei globale Variablen verwaltetEs wre besser diese zusammen zu fassenproblembezogene Abstraktionen 41Trennung der Belange 124

Dies geht in C mit Verbundtypen (Strukturen)

// Structure declarationstruct Student {char lastname[64];char firstname[64];long matnum;int passed;

};

// Variable definitionstruct Student stud;

Ein Strukturtyp fasst eine Menge von Daten zueinem gemeinsamen Typ zusammen.

Die Datenelemente w

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this page¼berblick Teil A: Konzept und Organisation 1 Einführung 2 Organisation Teil B: Einführung in C 3 Java versus C 4 Softwareschichten und Abstraktion 5 …