Computerorientierte Physik

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1 Computerorientierte Physik VORLESUNG und Übungen Vorlesung, Übung Zeit: Mo., , Ort: Hörsaal 5.01, Institut für Physik, Universitätsplatz 5, A-8010 Graz EDV-Raum (Keller): Di Übungen: als Projektarbeiten in Gruppen (ca. 5 Studierende) allg. Besprechung nach der Vorlesung ( Uhr) detaillierte Projektbesprechungen: wöchentlich ca. 1 Stunde, Vereinbarung mit jeder Projektgruppe einzeln.

2 Inhalt Einleitung: Beispiele (Datenerfassung, Messgeräte, Analysen, Simulationen) Einführung in die Windowsprogrammierung (Visual Basic) Grundlagen: Hardware (Aufbau und Komponenten eines Computers) Software (Betriebssysteme, Programmiertechniken, etc.) Signaltheorie Abtasttheorem, digitale Signalverarbeitung, Signalübertragung Vorstellung der durchgeführten Projekte Präsentationen in der letzten Vorlesung

3 Grundlagen Software verschiedene Datenformate (Bits und Bytes) Datenstrukturen (Arrays, Strukturen, etc.) Programmstrukturen (Spagetticode, strukturierte Programmierung, Prozeduren, Objekte, Klassen) Betriebssysteme (CP/M, DOS, Linux, Windows) Programmiersprachen (Assembler, Basic, Fortran, Pascal, Cobol, C++, Java, VisualStudio etc.) Besonderheiten der Windowsprogrammierung (MFC, API, COM, ActiveX, OLE, ATL, etc.) Zusammenwirken Hardware-Software Beispiele

4 Grundlagen Software: Datenformate Bit(1), Byte(8), Word(16), DoubleWord(32), QuadWord(64) Darstellung von (druckbaren) Zeichen char: Zeichen im ANSI ASCII Format (1Byte) Zeichen im MBCS (MultiByteCharacterSet, 1-2Byte) Wide Character: Zeichen in Unicode (2Byte) String: Zeichenfolge (variable Länge) Darstellung von (mathematischen) Zahlen Integer: maschinenabhängig meist 2 Byte 2er-Kompliment short: 1-Byte Integer long: 4-Byte Integer float,real,single: Fließkommazahl (Mantisse, Exponent) 4 Byte double: Fließkommazahl mit doppelter Genauigkeit (8 Byte) Sonderformen logische Variable (Boolean, 2 B), Datum (8 B), Währung (8 B)

5 Zeichen Codes ANSI (American National Standard Institut), ASCII (American Standard Code for Information Interchange) ISO (International Standardization Organisation): 646(7Bit), 8859(8Bit,Latin), 10646(MBUCS) Sonderzeichen, nicht darstellbar (0-31): Dezimal Oktal Hex Binär Zeichen Darstellung Symbol Code A Ctrl-@ NUL URL Beschreibung Encode Null prompt, Null character, Null, Nul Ctrl-A SOH %01 Start of header, Kopfbeginn Ctrl-B STX %02 Start of text, Textstart Ctrl-C ETX %03 End of text, Textende Ctrl-D EOT %04 End of transmission, Ende der Übertragung Ctrl-E ENQ %05 Enquiry, Anfrage Ctrl-F ACK %06 Acknowledge, Bestätigung Ctrl-G BEL %07 BELL, Klingeln (Tonsignal), BEL bell Ctrl-H BS %08 GET Backspace, Rückschritt Ctrl-I HAT %09 Ctrl-J LF, NL %0A Horizontal tab, Horizontaltabulator, TCT HT Tab Line feed, Zeilenvorschub, new line

6 B C D E F A B C D E F C trl-k V T % 0B V ertical tab, V ertikaltabulator C trl-l F F, N P % 0C F orm feed, S eitenvorschub, new page C trl-m C R % 0D C arriage return, W agenrücklauf C trl-n S O % 0 E S hift o ut, B re itschrift Ctrl-O SI %0F Shift in, Enge Schrift C trl-p D LE % 10 Ctrl-Q DC1 %11 Ctrl-R DC2 %12 Ctrl-S DC3 %13 Ctrl-T DC4 %14 C trl-u N A K % 15 C trl-v S YN % 16 Ctrl-W ETB %17 D a ta link esca p e, V erb ind u ng s- Steuerung D e vice contro l 1, L LO, g o, X O N, xo n, Gerätesteuerung 1 Device control 2, c-r, c-r, Gerätesteuerung 2 D e vice contro l 3, sto p, X O F F, xoff, c-s, c- s, Gerätesteuerung 3 D e vice contro l 4, D C L, c-t, c-t, Gerätesteuerung 4 PPU, Negative acknowledge, Negative Bestätigung Synchronous idle, c-v, c-v, synchronisierter Leerlauf End of transmission blocks, Ende des Übertragungsblocks Ctrl-X CAN %18 Cancel, SPE c-x, c-x, Abbruch C trl-y E M % 19 End of m edium, SPD, c-y, c-y, Ende des Mediums Ctrl-Z SUB %1A Substitute, Suspend, c-z, c-z, Ersetzen Ctrl-[ ESC %1B Escape, c-[ c-{ m-, Steuerung, Strg C trl-\ F S % 1C F ile S eparator, D atei-trenner C trl-] G S % 1D G roup S eparator, G ruppen-trenner C trl-^ R S % 1E R ecord S eparator, D atensatz-trenner C trl-_ U S % 1F U nit S eparator, E inheiten-trenner

7 Sonderzeichen und Ziffern (32-63): Dezimal Oktal Hex Binär Zeichen HTML Encode URL Encode Beschreibung Leerzeichen, SPC, space, spc ! ! oder! %21 Ausrufungszeichen, exclamation mark, exclamation-point " " oder " %22 (Doppeltes) Anführungszeichen, straight-doublequotation-mark, (double) quotation mark, APL Quote # # oder # %23 Nummernzeichen, Doppelkreuz, Hash, number-sign she sharp crosshatch octothorpe $ $ oder $ %24 Dollarzeichen % % oder % %25 Prozentzeichen & & oder & %26 Kaufmännisches UND, Ampersand, Et- Zeichen, Und-Zeichen ' ' oder ' %27 Apostroph, Einfaches Anführungszeichen, quote tick prime

8 ( &lpar; oder ( %28 Runde Klammer auf ) &rpar; oder ) %29 Runde Klammer zu A * &ast; oder * Stern, Asterisk, star, %2A wildcard, times, Hale Pluszeichen, B &plus; oder + %2B Additions-Zeichen, And C , &comma; oder, %2C Komma Minuszeichen, Subtraktions-Zeichen, D &hyphen; oder oder - %2D Negativ(-Zeichen), hyphen Punkt, period, dot, E &period; oder. %2E decimal, radix, fullstop F / &sol; oder / %2F Schrägstrich, Slash oder 0 0 Zahl oder 1 1 Zahl oder 2 2 Zahl oder 3 3 Zahl oder 4 4 Zahl oder 5 5 Zahl oder 6 6 Zahl oder 7 7 Zahl oder 8 8 Zahl oder 9 9 Zahl A : &colon; oder : %3A Doppelpunkt, Colon B ; &semi; oder ; %3B Semikolon C < < oder < %3C Kleiner-als-Zeichen D = &equals; oder = %3D Gleichheitszeichen, equals E > > oder > %3E Grösser-als-Zeichen F ? &quest; oder? %3F Fragezeichen, UNL,

9 Großbuchstaben (64-95): Dezimal Oktal Hex Binär Zeichen HTML Encode URL Encode Beschreibung &commat; %40 Klammeraffe bzw. "at", commercial at sign A A oder A A Grossbuchstabe A B B oder B B Grossbuchstabe B C C oder C C Grossbuchstabe C D D oder D D Grossbuchstabe D E E oder E E Grossbuchstabe E F F oder F F Grossbuchstabe F G G oder G G Grossbuchstabe G H H oder H H Grossbuchstabe H I I oder I I Grossbuchstabe I A J J oder J J Grossbuchstabe J B K K oder K K Grossbuchstabe K C L L oder L L Grossbuchstabe L D M M oder M M Grossbuchstabe M E N N oder N N Grossbuchstabe N F O O oder O O Grossbuchstabe O P P oder P P Grossbuchstabe P Q Q oder Q Q Grossbuchstabe Q R R oder R R Grossbuchstabe R

10 S S oder S S Grossbuchstabe S T T oder T T Grossbuchstabe T U U oder U U Grossbuchstabe U V V oder V V Grossbuchstabe V W W oder W W Grossbuchstabe W X X oder X X Grossbuchstabe X Y Y oder Y Y Grossbuchstabe Y A Z Z oder Z Z Grossbuchstabe Z B [ &lsqb; oder [ %5B Eckige Klammer auf C \ &bsol; oder \ %5C Backslash, left-slash, bash D ] &rsqb; oder ] Eckige Klammer zu, right-bracket, %5D close-square E ^ ˆ oder ^ %5E Caret, Hut, circumflex Unterstrich, spacing underscore, F _ &lowbar; oder &horbar; oder _ %5F low line, horizontal bar

11 Kleinbuchstaben (96-127): Dezimal Oktal Hex Binär Zeichen HTML Encode URL Encode ` oder ` %60 Beschreibung Back quote, Accent-grave, Backprime, spacing grave, accent, back apostrophe a a oder a a Kleinbuchstabe a, alpha b b oder b b Kleinbuchstabe b, bravo c c oder c c Kleinbuchstabe c, charlie d d oder d d Kleinbuchstabe d, delta e e oder e e Kleinbuchstabe e, echo f f oder f f Kleinbuchstabe f, foxtrot (fox) g g oder g g Kleinbuchstabe g, golf h h oder h h Kleinbuchstabe h, hotel i i oder i i Kleinbuchstabe i, india A j j oder j j Kleinbuchstabe j, juliett B k k oder k k Kleinbuchstabe k, kilo C l l oder l l Kleinbuchstabe l, lima D m m oder m m Kleinbuchstabe m, mike E n n oder n n Kleinbuchstabe n, november F o o oder o o Kleinbuchstabe o, oscar p p oder p p Kleinbuchstabe p, papa q q oder q q Kleinbuchstabe q, quebec r r oder r r Kleinbuchstabe r, romeo

12 s s oder s s Kleinbuchstabe s, sierra t t oder t t Kleinbuchstabe t, tango u u oder u u Kleinbuchstabe u, uniform v v oder v v Kleinbuchstabe v, victor w w oder w w Kleinbuchstabe w, whiskey x x oder x x Kleinbuchstabe x, x-ray y y oder y y Kleinbuchstabe y, yankee A z z oder z z Kleinbuchstabe z, zulu B { &lcub; oder { Geschweifte Klammer auf, left brace, curly %7B bracket, begin, leftit C &verbar; oder %7C Vertikale Linie, Logisches oder, vertical bar D } &rcub; oder } Geschweifte Klammer zu, right-brace, end, %7D rightit E ~ oder ~ %7E Tilde, similar, tilde accent F %7F Delete or rubout

13 Grundlagen Software: Datenstrukturen Array: data (4,3,126) Strukturen: Verschiede Typen zusammengefasst Pointer: Zeiger auf Adresse Queues: z.b. Druckerschlange (FIFO) Stacks: FILO

14 Grundlagen Software: Programmstrukturen Spagetticode Strukturierte Programmierung Klassen, Instanzen Objektorientierte Programmierung Oberflächenorientierte Programmierung (Windowsprogrammierung)

15 Grundlagen Software: Betriebssysteme Allgemeiner Aufbau (Shells) CP/M, DOS (Single Tasking, Single User) primitive Systemroutinen (Assembler) für Befehlstexteingabe und standardisierte I/O Befehle, File-Operationen, etc. Aufrufe durch Softwareinterrupts. Linux (Multitasking, Multiuser) in Berkley entwickelt, zunächst Befehlszeilen-orientiert, später X11 graphische Oberfläche (Windows), gutes mulittaskingmultiuser Konzept, schlechte Mnemonics, Erweiterungen mit OpenGL, Graphics, etc. Windows (Multitasking, Single/Multiuser) Windows 3.1, Windows95,98,ME (Multitasking) Windows NT, 2000, XP (Multiuser) viele neue Informatikkonzepte (gewöhnungsbedürftig, oberflächenorientiert), schlechtes Multitaskingkonzept (Regestry)

16 Beispiel Pc: Prozessorspezifische Vorgaben Reset (FFF)FFFF0 Segment Descriptoren Memory Paging Tables Interrupttable 3FF 000

17 Allgemeiner Aufbau eines Betriebssystems Shell Kernel Benutzeroberfläche (ksh, csh, tcsh, Command.com, Windows Manager etc.) System Routinen, z.b. Diskverwaltung, DLLs, etc. BIOS Hardware spezifische Input/Output Routinen, Interruptroutinen, Driver, etc.

18 Multitasking und Multiuser Anforderung an Systemroutinen: reentrance Memory Management: Zugriffsberechtigung, Privilegien Prozessorbefehle: Sonderbefehle für Superuser Task Management: Priorities User Verwaltung: Taskzuordnung, UID, GID, Passwords

19 Grundlagen Software: Programmiersprachen Assembler: Basic (Interpreter, Compiler) Fortran Cobol Pascal C, C++ Java, J++ In speziellen Benutzerumgebungen: Excel, Word, Origin, Mathematica, Matlab, Testpoint, Labwindows, Labview, etc. Managed Code, Native Code

20 Die wichtigsten Sprachelemente Variablendeklaration (Prozedurendeklaration) Zuweisungen (Formatumwandlungen) Arithmetische, Logische Operatoren Subroutinen und Funktionen Kontrollstrukturen (Schleifen)

21 Grundlagen Software: Microsoft Windows Programmierung Objektorientierte Programmierung Verbinden von Objekten mit Eigenschaften und Methoden Ereignis gesteuert (Interrupts) Benutzeroberflächenorientiert (Windows) Optimale Nutzung bereits programmierter Objekte und Routinen API-Systeme (Application Program Interface, DLL-Dateien) COM-Schnittstelle (Component Object Modul), DCOM (Distributed COM) ActivX-Steuerelemente, OLE (Object Linking and Embedding), MFC (Microsoft Foundation Classes), ATL (Active Template Library) DDE (Dynamic Data Exchange) Nachteile: Betriebssystem oberste Priorität, Benutzer der Microsoftentwicklung hilflos ausgeliefert (weltweites Monopol)

22 Übungsaufgaben: Autopilot (Linux C++) Bungee Jumping. Beschleunigung/Puls Intelligente Fahrzeugsteuerung Lasermikrofon Lichtschranke für genaue Zeitmessung Spektrometerinterface und Computersteuerung Infraschall von Windrädern