Einleitung Technische Informatik 2 Rechnerorganisation

Transkript

1 Einleitung Tutorium für Technische Informatik 2 (4. Semester, Diplom Studiengänge) und Rechnerorganisation (2. Semester, Bachelor Studiengänge) Termin: Freitags , Seminarraum 108 (Informatikgebäude am Fasanengarten) Erster Tutoriums Termin am letzten Freitag ist ausgefallen, daher (gekürztes) Nachholen des (Wiederholungs )Stoffes der letzten Tutorienwoche heute

2 Vorstellung Mein Name: Christian Mandery Studiengang: Diplom Informatik im 4. Semester (ich höre also im Moment selbst noch Technische Informatik 2) E Mail (bei Fragen und zum Senden von Programmieraufgaben Lösungen): tutorium@chrismandery.de Jabber/XMPP (alternativ): chrism2711@jabber.ccc.de Tutoriums Homepage: tut.chrismandery.de/ Mailing Liste kann bei Bedarf/Interesse eingerichtet werden Wichtig: Wenn ihr Fragen habt, fragt einfach in das Tutorium hinein. Es gibt keine dummen Fragen! => Vorstellungsrunde

3 Übungsblätter Übungsblätter erscheinen freitags und müssen/dürfen am darauf folgenden Freitag abgegeben werden Bezug der Übungsblätter über TI Homepage: Abgabe von mindestens acht der Übungsblätter und Erzielung von 50% der erreichbaren Gesamtpunktzahl ist für Übungsschein erforderlich Aufgaben, die auf einem Übungsblatt gelöst wurden, müssen im Tutorium vorgerechnet bzw. erläutert werden können!

4 Übungsschein Übungsschein gibt einen halben nicht bestehensrelevanten Bonuspunkt für die Klausur, ist aber zum Schreiben der Klausur nicht zwingend erforderlich (Information für Diplom Studiengang, Bachelor: Noch abklären) Voraussetzungen: Bearbeitung von acht der Übungsblätter Erzielung von 50% der Gesamtpunktzahl auf den Übungsblättern Teilnahme am Tutorium und gezeigte Bereitschaft zur Mitarbeit Vorrechnen Können aller gelösten Aufgaben der Übungsblätter im Tutorium (bei zweimaligem Verstoß: Kein Übungsschein) Mehr Information zum Übungsschein: Merkblatt auf TI Homepage Für zusätzliche Bonuspunkte (max. 2) wird eine Probeklausur stattfinden.

5 Themen heute Themen letzter Woche (Tutorium fand nicht statt): Zahlendarstellung in verschiedenen Zahlensystemen Repräsentation vorzeichenbehafteter Zahlen im Rechner Boolsche Algebra/Funktionen (Gleitkommazahlen aus Zeitgründen ausgelassen, werden bei Bedarf in einem folgenden Tutorium nochmals erklärt) Themen dieser Woche: Ein paar Worte zu einer C Buildumgebung für Linux/Windows, grundsätzliche Funktionsweise der einzelnen Programme (Compiler mit Präprozessor, Linker) C Basics (Datentypen, Funktionen, Verzweigungen, Schleifen) kurz wiederholen (an der Tafel) Zeiger/Arrays (Schwerpunkt) Bitweise Operatoren Ternärer Operator Tipps zur C Programmierung

6 Zahlendarstellung in verschiedenen Zahlensystemen Besonders gebräuchlich sind die Zahlensysteme zur Basis 2 (binäre Darstellung), 8 (oktale Darstellung), 10 (dezimale Darstellung) und 16 (hexadezimale Darstellung) Warum ist gerade die hexadezimale Darstellung so gebräuchlich? Zum Umrechnen zwischen den Zahlensystemen gibt es verschiedene Methoden, einige sind generisch, andere erleichtern bestimmte Umrechnung (z.b. wenn eine Basis eine Potenz der anderen Basis ist, Bsp. 2 < > 4/8/16) sehr stark

7 Zahlendarstellung in verschiedenen Zahlensystemen (2) Aufgaben Dezimaler Wert von Wandeln Sie die Zahl 86,22 10 in eine Zahl zur Basis 5 um. Wandeln Sie die Zahl 435, in eine Zahl zur Basis 16 um. Gleiche Zahl ins Binärsystem: Wie hilft einem hier die jetzt ja bekannte Hexadezimaldarstellung? Zahl aus erster Aufgabe in BCD Darstellung

8 Repräsentation vorzeichenbehafteter Zahlen im Rechner Es gibt verschiedene Verfahren zur Darstellung eines Vorzeichens im Rechner Vorzeichenbit Einerkomplement Darstellung Zweierkomplement Darstellung Vor und Nachteile der Darstellungsformen? Welche Darstellung verwendet eine normale x86/x86_64 CPU, wie sie heutzutage verkauft wird?

9 Repräsentation vorzeichenbehafteter Zahlen im Rechner (2) Aufgaben interpretiert als... Betrag Vorzeichen Darstellung Einerkomplement Darstellung Zweierkomplement Darstellung Stellen Sie in der Zweierkomplement Darstellung als 16 Bit Zahl dar.

10 Boolsche Algebra/Funktionen Menge, auf welcher zwei abgeschlossene (!) Verknüpfungen so definiert sind, dass die vier sogenannten Huntingtonschen Axiome erfüllt: Kommutativgesetze Distributivgesetze Existenz neutraler Elemente Existenz inverser Elemente

11 Boolsche Algebra/Funktionen (2) Neben den sicher bekannten Operationen UND/ODER auch noch andere Operationen, bei denen schon eine Operation genügt, um ein vollständige Operatiorensystem zu erhalten, welches also die gleiche Mächtigkeit hat Beispiel: NAND Operatorensystem Warum ist es (v.a. für die industrielle Fertigung) hilfreich, bei Schaltungen ein Operatorensystem mit möglichst wenigen Verknüpfungen zu verwenden?

12 Boolsche Algebra/Funktionen (3) Eine Boolsche Funktion ist eine Funktion, die einem beliebigen Tupel von Werten aus der Menge der unterliegenden Boolschen Algebra wieder einen Wert dieser Menge zuordnet Wir betrachten hier vor allem Funktionen der binären boolschen Algebra. Diese ordnen folglich eine gewissen Anzahl an binären Werten (0/1, bzw. wahr/falsch) einen binären Funktionswert zu. Wenn im folgenden die Menge nicht weiter spezifiziert wurde, ist immer die binäre Menge gemeint! Einfaches Beispiel einer binären boolschen Funktion: f(c, b, a) = c ODER (b UND a) (Vollständige) Funktionstabelle kann auch zur Definition einer boolschen Funktion verwendet werden

13 Boolsche Algebra/Funktionen (4) Aufgaben Gesucht sind alle boolschen Funktionen g(b, a) mit zwei Parameter a und b, die g(b, a) = g(nicht b, NICHT a) erfüllen Mögliche Funktionstabellen bestimmen Zumindest eine der möglichen Funktionen in symbolischer Schreibweise schreiben

14 C Buildumgebung Für Linux: Erstmal nur Compiler (gcc) und libc Header Weitere Buildtools wie autotools, make etc. dürfen in eventuellen Lösungen, die an mich gesendet werden, eingesetzt werden, sind aber keine Pflicht und für uns auch eher Overkill Für Debian/Ubuntu: Einfach build essential Paket installieren (sudo apt get install build essential) Falls noch nicht vorhanden, Entwickler Man Pages installieren (unter Debian/Ubuntu: manpages dev Paket) Texteditor auswählen (vim, emacs, Kate)

15 C Buildumgebung (2) Für Windows: Entweder Cygwin installieren (Linuxumgebung unter Win) Oder MinGW (gcc für Windows) installieren, möglich auch direkt in Kombination mit Dev C++ Oder Visual Studio bzw. Visual C++ kaufen oder über die Microsoft Leute an der Uni als Student beziehen Falls keine IDE, Texteditor auswählen (Notepad reicht für die allerersten Versuche, später dann bei Bedarf einen Besseren wie Notepad++) Eventuelle Lösungsprogramme vor dem Einschicken bitte auf Portabilität prüfen, insbesondere keine WinAPI verwenden (d.h. nirgends windows.h includen!)

16 C Basics An der Tafel: Datentypen Funktionen Verzweigungen Schleifen

17 Zeiger/Arrays Zeigervariable erhält man durch Anhängen eines Sterns an den Typ, der referenziert werden soll. Die Zeigervariable speichert keinen Wert, sondern eine Speicheradresse einer Variable des entsprechenden Typs Beispiele: short* ist ein Zeiger auf eine short Variable void* ist ein Zeiger, der auch ohne Cast eine beliebige Speicheradressen referenzieren kann (sollte im Interesse der Typsicherheit vermieden werden!) int** ist ein Zeiger auf einen Zeiger auf einen Integer Wert (eine mögliche Interpretation: Zweidimensionales int Feld, wobei nicht erzwungen wird, dass alle Zeilen gleich lang sind) char** ist ein Zeiger auf einen Zeiger auf einen Char (Buchstabe, i.d.r. 1 Byte, eine mögliche Interpretation: Liste von C Strings, d.h. Zero Terminated Strings) Häufige Konvention für Deklaration: int *a statt int* a (Stern zum Variablennamen)

18 Zeiger/Arrays (2) Adresse einer Variablen erhält man durch den (unären) Ampersand Operator, der vor den Variablennamen gesetzt wird Dereferenzierung (anschaulich: dem Zeiger folgen ) durch den Stern Operator Beispiel lesen und nachvollziehen: int a = 5, b = 10; int* x = &a; b = *x + 3; /* b ist nun 8 */ a = **(&x) 2; /* a ist nun 3 */ Demonstration am Rechner: Zeiger enthält wirklich eine Speicheradresse (wenn genug Zeit) Wozu sind Zeiger eigentlich gut? Kann ich nicht einfach immer direkt auf die Variable zugreifen? (siehe auch nächste Folie) ( Für Experten: Pfeil Operator a >b als Kurzschreibweise für (*a).b, dies macht Code bei Strukturen sehr viel lesbarer )

19 Zeiger/Arrays (3) Funktionen in C werden standardmäßig Call by value aufrufen, hierbei werden die Parameter einer Funktion auf den neuen Stackabschnitt der aufgerufenen Funktion kopiert, die Originale in der aufrufenden Funktion bleiben also unverändert Beispiel zur praktischen Anwendung von Zeigern: Call by reference: int foo(int* x) { int a = *x; *x *= 2; return a + 3; } int x = 10; foo(&x); /* Was ist der Rückgabewert? */ /* Was steht jetzt in der Variablen x in diesem Scope? */ Was wird hier gemacht? Warum ist es nötig, dies so machen?

20 Zeiger/Arrays (4) Selbstverständlich können Zeiger auch gecastet werden, hierzu verwendet man die normale Castschreibweise: (Neuer Typ)wert ( In C++ kann als bessere C++ Alternative hierfür auch reinterpret_cast<neuer Typ>(wert) verwendet werden, falls ihr es mal irgendwo in einem Code seht. ) Zeigercasts unbedingt vermeiden, wenn sie nicht unbedingt nötig sind (also fast immer!), da sich sehr leicht Fehler einschleichen Zeiger genießen in C zur Laufzeit keinerlei Schutz, sondern sitzen direkt auf der Hardware Ebene Keine Garantie, dass Zeiger auf deklarierten Typ zeigt Keine Garantie, dass Zeiger bei ausgerichteten Datentypen auf eine entsprechend alignte Speicheradresse zeigt Keine Garantie, dass Zeiger überhaupt auf gültigen Speicher, insbesondere Speicher, der der Anwendung gehört, zeigt. Beim Zugriff Schutzverletzung (= Absturz ). Insbesondere sind auch Nullzeiger möglich und werden oft explizit gesetzt, um festzuhalten, dass ein Zeiger momentan kein gültiges Objekt referenziert.

21 Zeiger/Arrays (5) Beispiel für Zeigercast: int a = 1337; int* p = &a; char* q = (char*)p; printf( %x, q[1]); /* Hexadezimale Ausgabe des zweiten Bytes der (i.d.r.!) 32 Bit Zahl a */ Und was wird hier wohl passieren? int* a = 0xdeadbeef; /* beliebige 32 Bit Adresse */ *a = 0; /* Zugriff auf unsere beliebige Adresse */

22 Zeiger/Arrays (6) Arrays sind mit Zeigern stark verwandt, insbesondere lässt sich jede Array Operation auch durch Dereferenzierungen und Addition ausdrücken. Ein Beispiel: int array[10]; array[3] =... /* Zugriff auf 4. Element */ *(array + 3*sizeof(int)) =... /* dito! */ Was wird hier gemacht (letzte Zeile)? Auf welcher Ebene findet die Addition statt bzw. was wird addiert?

23 Bitweise Operatoren &: Bitweises UND : Bitweises ODER ^: Bitweises XOR ( Antivalenz ) <<: Linksshift >>: Rechtsshift Wie kann man einen Shift bei einer vorzeichenlosen Zahl interpretieren? Zum konkreten Ausrechnung von bitweisen Operationen zweier Zahlen auf Papier kann man diese in eine Binärzahl umrechnen, dort dann sehr leicht die Operation ausführen und das Ergebnis zurück in die dezimale Darstellung umwandeln In einigen Fällen kann man das Ergebnis aber einfach sehen, z.b.: 7 & 3 oder 1 5 Merkhilfe für logische (boolsche) Operatoren und &&: Wie binäre Operatoren, nur Zeichen doppelt geschrieben, führt die Operation mit boolschen Werten als Parametern aus

24 Bitweise Operatoren (2) Binäre C Operatoren gibt es auch als Zuweisungsform: a += b <=> a = a + b a &= b <=> a = a & b An dieser Stelle ein Tipp an die Optimierer : Am Anfang lieber den Quellcode einfach halten und keine Shifts statt Multiplikation mit Zweierpotenz o.ä. zur (vermeintlichen) Optimierung einsetzen; der Compiler weiß relativ gut selbst, wo er optimieren kann, ohne den Wert von Berechnungen zu beeinflussen (wenn man es ihm erlaubt) Es macht daher auch in fast allen praktisch denkbaren Fällen keinen Sinn, die register Speicherklasse zu verwenden.

25 Ternärer Operator Schreibweise: a? b : c Der Ausdruck wertet zu b aus, wenn a wahr ist, ansonsten wird der Ausdruck zu c ausgewertet Beispiel: /* int x... */ printf(x % 2? ungerade : gerade ); Am Rande: Warum reicht hier x % 2 statt x % 2 == 1?

26 Tipps zur C Programmierung Compiler auf höchstmöglichem Warnlevel betreiben (für gcc als Parameter angeben: Wall Wextra pedantic ) (Einzelne) Warnungen niemals einfach mit #pragma unterdrücken, zumindest solange man nicht genau versteht, warum die Warnung entsteht und warum man sie ohne Risiko ignorieren darf Im Zweifelsfalle Google und/oder Dokumentation benutzen (Linux: Man Pages, auch im Web verfügbar; Windows: z.b. MSDN) Benutzung mit einem Debugger (z.b. gdb) zumindest in sehr groben Grundzügen erlernen, um Segfaults und ähnliches lokalisieren zu können Ausprobieren und bei Fragen einfach bei mir nachfragen!

27 Fertig! Wir sind fertig! Übungsblattabgabe der letzten Woche bis heute um Uhr am Einwurfkasten im Keller des Informatik Gebäudes am Fasanengarten Nächstes Tutorium: Freitag, , 9.45 Uhr, SR 108