Betriebssystembau (BSB)

Transkript

1 Betriebssystembau (BSB) 1. Übung Olaf Spinczyk AG Eingebettete System Informatik 12, TU Dortmund

2 Überblick Organisatorisches C++ Crashkurs (Teil 1) CGA-Programmierung und in einer Woche: C++ Crashkurs (Teil 2) Tastatur-Programmierung 2

3 Betriebssystembau: Übungen 2 SWS Tafel übung (hier :-)) und 2 SWS Rechnerübung Die Tafelübung vermittelt... Grundlagen der PC-Hardware-Architektur Grundwissen zur Bearbeitung der Rechnerübungen C++-Programmierkenntnisse...und dient der Abgabe der Aufgaben! Die Rechnerübung... dient zum Bearbeiten der Rechneraufgaben ist zum Fragen stellen da Es gibt keine theoretischen Aufgaben! 3

4 Betriebssystembau: Aufgaben Aufgaben alle 2-3 Wochen, insgesamt 7 Aufgaben Wettbewerb: 7. Aufgabe eine OOStuBS-Anwendung Bearbeitung in Dreiergruppen Anwesenheit zu den Abgabeterminen erforderlich! Abgabe innerhalb der Gruppe soll reihum erfolgen Jeder Gruppenteilnehmer sollte also die Lösung zu jeweils 2 der 6 Aufgaben demonstrieren und erläutern Demonstration auf echter PC-Hardware, nicht im Emulator Bearbeitung der Aufgaben auch zu Hause möglich auf Linux (ggf. VM installieren) 4

5 Überblick Organisatorisches C++ Crashkurs (Teil 1) CGA-Programmierung und in einer Woche: C++ Crashkurs (Teil 2) Tastatur-Programmierung 5

6 Betriebssystembau: Einführung C++ Grundlage für die Rechnerübungen Voraussetzungen: Programmierkenntnisse in einer objektorientierten Sprache (z.b. Java) Wir konzentrieren uns auf die Unterschiede zwischen Java und C++...und die kleinen Eigenheiten, auf die man achten muss, wenn man C++ für Systemprogrammierung einsetzt... 6

7 Literatur Es gibt jede Menge Bücher und Tutorials zu C++... Eine gute Einführung ( 17,95) ist Kostenlos und gut Folien und Skript von Prof. Ring, Uni Siegen: Marko Meyer: C++ programmieren im Klartext Pearson Verlag, ISBN außerdem der Kurs Von Java nach C++ von Prof. Müller und Frank Weichert die Basis für diese Folien 2C.pdf 7

8 C++ Wie so üblich: Hello, World in C++ #include <iostream> int main() { cout << "Hello, world" << endl; return 0; } Java-Version: import whatever.u.like.*; class Test { public static void main(string[] argv) { System.out.println("Hello, world"); } } 8

9 C++-Konzepte Kontrollstrukturen und Variablentypen in C++ Komplexe Datentypen (structs) Zeiger (Pointer) und Referenzen Quelltextorganisation Vererbung und Mehrfachvererbung Virtuelle Funktionen Überladen von Operatoren 9

10 Kontrollstrukturen und Variablentypen bedingte Anweisungen, Schleifen, Verbundanweisungen (Blöcke) sind identisch in C++ und Java! In C++ sind globale Funktionen möglich, in Java dagegen müssen Methoden immer innerhalb einer Klasse stehen insbesondere lassen sich in C++ auch normale C- und Assembler-Funktionen aufrufen...und man kann C++-Funktionen als von C und Assembler aufrufbar deklarieren mittels extern C (wird für OOStuBS aber nicht benötigt) eine wichtige globale Funktion ist die main -Funktion :-) 10

11 Kontrollstrukturen und Variablentypen Arrays (Felder) werden in C++ wie folgt definiert: Es findet keine Überprüfung der Array-Grenzen statt! int a[4]; // oder mit Initialisierung int a[] = { 1, 2, 3 }; Potentiell großes Sicherheitsproblem: Buffer Overflows, bei denen z.b. über die Grenzen von Arrays hinaus Werte (andere Variableninhalte, Rücksprungadressen auf dem Stack etc.) überschrieben werden Variablen haben keine Default-Werte, müssen also immer explizit initialisiert werden. Erfolgt das nicht, generiert der Compiler eine warning (aber keinen error!) Die Speicherverwaltung muss durch den Programmierer erfolgen. Ein Garbage Collector wie in Java ist nicht vorhanden 11

12 Typwandlung (type casting) In C++ können Typen wie in Java explizit gewandelt werden: (Typ) Ausdruck, z.b.: int a=3; double b=(double)a/2; // b==1.5 Eine weitere Möglichkeit, die nur in C++ verfügbar ist: Typ(Ausdruck), z.b.: int a=3; double b=double(a)/2; // b==1.5 12

13 Wertebereiche In C++ existieren vorzeichenbehaftete und nicht vorzeichenbehaftete Typen (char, short, int, long), z.b.: int von -2^31 bis 2^31-1 unsigned int von 0 bis 2^32-1 Bei arithmetischen Operationen erfolgt keine Überprüfung auf Overflow bzw. Underflow! Sicherheitsproblem! Die Wertebereiche sind maschinenabhängig! unsigned int i=0; i = i 1; // i== z.b. kann ein int 32 oder 64 Bit lang sein Mittels typedef lassen sich neue Namen für Datentypen definieren: typedef int Index; Index a = 3; 13

14 Komplexe Datentypen enums: Aufzählungstypen enum { caps_lock = 4, num_lock = 2, scroll_lock = 1 }; Oft Alternative zu #defines structs: Benutzerdefinierte zusammengesetzte Datentypen struct Rechteck { int xp, yp; int width, height; int color;... }; Verwendung: Rechteck r; r.xp = 100; r.yp = 200; r.width = 20; r.height = 40; 14

15 Klassen in C++ Eine Klasse in C++ besteht aus Deklaration in Headerdatei (z.b. keyctrl.h) class Keyboard_Controller {... }; und Implementierungsdatei (keyctrl.cc) #include machine/keyctrl.h... Name der.h/.cc-files und Name der Klasse müssen nicht übereinstimmen! 15

16 Aufbau der Headerdatei Ausschnitt aus keyctrl.h: class Keyboard_Controller { private: unsigned char code; // Attribute unsigned char prefix;... public: Keyboard_Controller (); // Konstruktor ~Keyboard_Controller (); // Destruktor Key key_hit (); // Methoden void reboot (); void set_repeat_rate (int speed, int delay);... }; 16

17 Aufbau der Headerdatei Beginn der Klassendefinition mit Schlüsselwort class Klassen sind immer public Attribute (Instanz-)Variablen dürfen bei der Deklaration nicht initialisiert werden Konstruktoren und Destrukturen Konstruktoren: Instanziierung von Objekten Destruktoren: Löschen instanziierter Objekte Deklaration von Methoden Klassendefinition wird mit Semikolon beendet! 17

18 Aufbau der Implementierungsdatei Einbinden der Header-Datei mit #include Durch den Klassennamen und den Bereichsoperator :: wird die Zugehörigkeit zur Klasse gekennzeichnet: #include keyctrl.h Keyboard_Controller::Keyboard_Controller () {... } Keyboard_Controller::~Keyboard_Controller () {} void Keyboard_Controller::reboot () {... } 18

19 Pointer (Zeiger) Jede Speicherstelle, die einem Objekt (einer Variablen) zugeordnet ist, hat eine eindeutige Adresse Bei der Betriebssystemprogrammierung kann dies auch die Speicherstelle sein, an der ein bestimmtes Gerät Speicher oder Kontrollregister einblendet z.b. der Bildschirmspeicher Ein Pointer ist eine Variable, deren Wert die Speicheradresse einer Variablen, einer Struktur oder eines Objekts ist Pointer sind typisiert, z.b. Typ Zeiger auf int Zeiger-Typen sind durch das Symbol * gekennzeichnet, z.b.: int a; // kein Pointer int *int_zeiger; // Zeiger auf Integer-Variable 19

20 Pointer (Zeiger) Der Inhalt eines Zeigers ist der Wert, der an einer referenzierten Speicherstelle gespeichert ist Die Größe des Inhalts (in Bytes) ist vom jeweiligen zugeordneten Datentyp abhängig z.b. 1 Byte für char, 2 Byte für short usw. Diese Größen sind in C/C++ architektur- und compilerabhängig, also nicht portabel!!! 20

21 Pointer (Zeiger) Es existieren zwei Operatoren zu Pointern: Adressoperator & Liefert die zu einer Variablen gehörende Speicheradresse int_zeiger = &a; Dereferenzierungsoperator * Gibt den Wert zurück, der an der Adresse gespeichert ist, auf die die Pointervariable zeigt (den Inhalt) *int_zeiger = 42; 21

22 Pointer (Zeiger): Beispiel Anlegen einer Zeigervariablen CGA_START (Zeiger auf char) Umwandlung einer konstanten Adresse in einen Zeiger char *CGA_START = (char *)0xb8000; char *pos; int x=20, y=20; pos = CGA_START + 2*(x + y*80); *pos = 'Q'; Dereferenzierung: Das Zeichen an Position (x, y) wird durch ein 'Q' überschrieben. Zeigerarithmetik: 'pos' zeigt nun auf die Speicherstelle, in der der Zeichencode des Zeichens an Position (x, y) abgelegt ist. 22

23 Referenzen als Parameter Neben den Zeigern gibt es in C++ auch Referenzen. Diese werden häufig für Funktionsparameter benutzt: int& max(int& a, int& b) { if (a>b) return a; else return b; } Dies entspricht einem call by reference, d.h. es wird eine Referenz auf die entsprechende Variable übergeben und auch zurückgegeben. Der Aufruf erfolgt dann so: int a=5, b=7; max(a,b)++; // erhöht b um 1! 23

24 Überladen von Operatoren Operatoren funktionieren abhängig vom Datentyp, auf dem sie operieren (in Java nicht realisiert) Beispiel: Operator + für int, float, double-variablen wird die jeweilige Additionsfunktion für den entsprechenden Zahlentyp aufgerufen für String-Objekte werden die beiden Operanden konkateniert In OOStuBS: Operator << für int-werte bewirkt der << -Operator, dass der in der Variablen enthaltene Zahlenwert um n Bits (2. Operand) nach links geschoben wird z.b. ist 2 << 3 == 16 für Ausgabestreams siehe Hello World : cout << "Hello" << endl; Operator >> entsprechend für Eingabe-Streams 24

25 Überladen von Operatoren Es können nur von der Sprache definierte Operatoren überladen, die Definition neuer Operatoren ist nicht möglich Unterstützt werden dabei unäre Operatoren: + - * & ~! > ->* binäre Operatoren: + - * / % ^ & << >> += -= *= /= %= ^= &= = <<= >>= < <= > >= ==!= &&, [] () new new[] delete delete[] 25

26 Überladen von Operatoren: Beispiel Addition von ganzen Zahlen zu einem Datum: class tdatum { public: //... tdatum operator+(int Tage); }; tdatum tdatum::operator+(int Tage) { // Berechnung des Datums return *this; } Die Addition liefert ein neues Datum zurück und als rechter Operand ist eine ganze Zahl zulässig. So kann das Datum durch einfache Addition um 14 Tage weitergeschoben werden: tdatum heute; heute = heute + 14; 26

27 Systemprogrammierung in C++ Keine Laufzeitumgebung vorhanden! Damit sind auch keine Objekte dynamisch instanziierbar! kein new und delete möglich......woher soll auch die passende Speicherverwaltung dazu kommen? Für Spezialisten... das geht auch nicht: man muss alles selber von Hand bauen... Exceptions, Assertions, runtime type information Ein falscher Pointer kann das Ende sein... der Rechner hängt und das war's keine segmentation violation, keine core dumps 27

28 Überblick Organisatorisches C++ Crashkurs (Teil 1) CGA-Programmierung und in einer Woche: C++ Crashkurs (Teil 2) Tastatur-Programmierung 28

29 Ausgabestream Stringbuffer: put(c), flush() Sinn der Pufferung? Sinnvolle Puffergröße? O_Stream: ähnlich C++-std::ostream Formatierung, Zahlendarstellung verwendet Stringbuffer::put(c) CGA_Stream: flush() 29

30 CGA_Screen (1) wird von CGA_Stream beim flush() verwendet show(x,y,c,attrib) Zeichen c mit Attribut attrib an Position x/y Code aus dem C++-Crashkurs: char *CGA_START = (char *)0xb8000; char *pos; int x = 20, y = 20; pos = CGA_START + 2*(x + y*80); *pos = 'Q'; Was fehlt hier? 30

31 CGA_Screen (2) 31

32 CGA_Screen (3) je zwei Bytes im Bildspeicher pro Bildposition! gerade Adressen: ASCII-Code ungerade Adressen: Attributbyte char *CGA_START = (char *)0xb8000; char *pos; int x = 20, y = 20; pos = CGA_START + 2*(x + y*80); *pos = 'Q'; *(pos + 1) = 0x0f; // weiss auf schwarz Was passiert ohne diese zusätzliche Zeile? 32

33 CGA_Screen (4) setpos/getpos ändern internen Zustand von CGA_Screen aktuelle Position wird in print() benötigt! positionieren den CGA-Cursor allgemein: Zugriff auf PC-Peripherie zwei Adressräume: Speicher-Adressraum, E/A-Adressraum Speicher: direkt über Pointer adressierbar (Graphikspeicher) E/A: über CPU-Befehle in/out (inb/inw/inl; outb/outw/outl) in OOStuBS gekapselt in der Klasse IO_Port manche Geräte verwenden sogar beides (z.b. eben CGA) Performance vs. einfachere Dekodierschaltung 33

34 CGA_Screen (5) speziell CGA: Speicher und E/A in Speicher-Adressraum eingeblendeter Graphikspeicher CGA-Register im E/A-Adressraum mehr Register als E/A-Adressen Multiplexing über Index-/Datenport 34

35 CGA_Screen (6) print(char *text, int length, unsigned char attrib) baut auf show() und setpos() auf unten angekommen? scrollen! 35