Software ubiquitärer Systeme 1. Übung

Transkript

1 Software ubiquitärer Systeme 1. Übung Christoph Borchert AG Eingebettete Systemsoftware Informatik 12, TU Dortmund

2 Überblick Organisatorisches Mark Weiser C++ Crashkurs LCD-Programmierung

3 Übungen zu SuS 1 SWS Tafel übung (hier :-)) und 1 SWS Rechnerübung wöchentlich abwechselnd (je 2 SWS) Die Tafelübung vermittelt... Grundlagen der MSP430-Hardware-Architektur Grundwissen zur Bearbeitung der Rechnerübungen C++-Programmierkenntnisse Die Rechnerübung (OH16 E07)... dient zum Bearbeiten der Rechneraufgaben ist zum Fragen stellen da

4 SuS: Aufgaben Rechneraufgaben alle 2 Wochen, insgesamt 6 Aufgaben Bearbeitung in Dreiergruppen MSP430-Microcontroller programmieren Theoretische Aufgabe alle 2 Wochen, insgesamt 5 Aufgaben Lesen von Papers Verstehen von Konzepten (vorlesungsbegleitend) Jede Woche eine neue Aufgabe!

5 Überblick Organisatorisches Mark Weiser C++ Crashkurs LCD-Programmierung

6 Ubiquitous Computing Mark Weiser: Pionier des Ubiquitous Computing Erste Ideen Anfang der 90er Jahre Wissenschaftler bei Xerox PARC, der Heimat von... Grafischen Benutzeroberflächen, Ethernet, Aspektorientierter Programmierung, Wegweisendes Paper: The Computer for the 21st Century Wird permanent zitiert

7 The Computer for the 21st Century Was sind die wesentlichen Thesen des Papers? Was ist der status quo? Was waren die Visionen für heute (2013)? Welche Klassen von Geräten werden vorgestellt? Fallbeispiel für Ubiquitous Computing?

8 Überblick Organisatorisches Mark Weiser C++ Crashkurs LCD-Programmierung

9 SuS: 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...

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

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

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

13 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 die Rechnerübungen aber nicht benötigt) eine wichtige globale Funktion ist die main -Funktion :-)

14 Kontrollstrukturen und Variablentypen Arrays (Felder) werden in C++ wie folgt definiert: int a[4]; // oder mit Initialisierung int a[] = { 1, 2, 3 }; Es findet keine Überprüfung der Array-Grenzen statt! 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

15 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

16 Wertebereiche In C++ existieren vorzeichenbehaftete und nicht vorzeichenbehaftete Typen (char, short, int, long), z.b.: int von -2^15 bis 2^15-1 unsigned int von 0 bis 2^16-1 Bei arithmetischen Operationen erfolgt keine Überprüfung auf Overflow bzw. Underflow! Sicherheitsproblem! Die Wertebereiche sind maschinenabhängig! unsigned int i=0; i = i 1; // i==65535 z.b. kann ein int 16, 32 oder 64 Bit lang sein Mittels typedef lassen sich neue Namen für Datentypen definieren: typedef int Index; Index a = 3;

17 Komplexe Datentypen enums: Aufzählungstypen enum { BUTTON_DOWN = (1<<0), BUTTON_UP = (1<<4) }; 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;

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

19 Aufbau der Headerdatei Ausschnitt aus lcd.h: class LCD { private: unsigned char mode; // Attribute... public: LCD (); // Konstruktor ~LCD (); // Destruktor void clear(); // Methoden void show_number(int line, int number); };

20 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!

21 Aufbau der Implementierungsdatei Einbinden der Header-Datei mit #include Durch den Klassennamen und den Bereichsoperator :: wird die Zugehörigkeit zur Klasse gekennzeichnet: #include lcd.h LCD::LCD () {... } LCD::~LCD () {} void LCD::clear () {... }

22 Pointer (Zeiger) Jede Speicherstelle, die einem Objekt (einer Variablen) zugeordnet ist, hat eine eindeutige Adresse Bei der Systemprogrammierung 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: int a; // kein Pointer int *int_zeiger; // Zeiger auf Integer-Variable

23 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!!!

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

25 Pointer (Zeiger): Beispiel Anlegen einer Zeigervariablen LCD_BASE (Zeiger auf char) char *LCD_BASE = (char *)0x0a00; char *pos; int offset=0x20, x=1; pos = LCD_BASE + offset + x; *pos = 0; Umwandlung einer konstanten Adresse in einen Zeiger Dereferenzierung: Das Zeichen an Position x wird durch eine 0 überschrieben. Zeigerarithmetik: 'pos' zeigt nun auf die Speicherstelle, in der der Zeichencode des Zeichens an Position x abgelegt ist.

26 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!

27 Systemprogrammierung in C++ Keine Laufzeitumgebung vorhanden! man muss alles selber von Hand bauen... 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: Exceptions, Assertions, runtime type information Ein falscher Pointer kann das Ende sein... der Microcontroller hängt und das war's keine segmentation violation, keine core dumps

28 Überblick Organisatorisches Mark Weiser C++ Crashkurs LCD-Programmierung

29 LCD-Controller Direkte Kontrolle von LCDs Anzeigespeicher Autom. Signalerzeugung und -wiederholung Autom. Blinken Software-Kontrastkontrolle

30 LCD-Controller (2) Bildschirm- Speicher für Segmentinhalte Kein permanenter Refresh in Software notwendig! Memory-mapped I/O char *LCD_BASE = (char *)0x0a00; char *pos; int offset=0x20, x=1; pos = LCD_BASE + offset + x; *pos = 0;