Betriebssystembau (BSB)

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

2 Überblick Organisatorisches C++ Crashkurs (Teil 1) CGA-Programmierung und in einer Woche: C++ Crashkurs (Teil 2) Tastatur-Programmierung 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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 Fragenstellen da Es gibt keine theoretischen Aufgaben! 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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 fertiges VirtualBox-Image auf der BSB-Homepage!) 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 4

5 Überblick Organisatorisches C++ Crashkurs (Teil 1) CGA-Programmierung und in einer Woche: C++ Crashkurs (Teil 2) Tastatur-Programmierung 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 6

7 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: und außerdem der Kurs Von Java nach C++ von Prof. Müller und Frank Weichert die Basis für diese Folien Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 7

8 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"); } } 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 8

9 C++-Konzepte Kontrollstrukturen und Variablentypen in C++ Komplexe Datentypen (structs) Zeiger (Pointer) und Referenzen Überladen von Operatoren Quelltextorganisation Vererbung und Mehrfachvererbung Virtuelle Funktionen 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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"... eine wichtige globale Funktion ist die main -Funktion :-) 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 10

11 Kontrollstrukturen und Variablentypen Arrays (Felder) werden in C++ wie folgt definiert: int a[4]; // oder mit Initialisierung int a[] = { 1, 2, 3 }; Sie liegen nicht notwendigerweise auf dem Heap! auch Stack / Data / BSS 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 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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== Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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 long 32 oder 64 Bit lang sein Mittels typedef lassen sich neue Namen für Datentypen definieren: typedef int Index; Index a = 3; 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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; 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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! 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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! 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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 () {... } 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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! 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 20

21 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; 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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. 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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! 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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[] 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 25

26 Überladen von Operatoren: Beispiel Addition von ganzen Zahlen zu einem Datum: class tdatum { public: //... void operator+=(int Tage); }; void tdatum::operator+=(int Tage) { // [ Berechnung des Datums ] } Die Addition aktualisiert das Datum und als rechter Operand ist eine ganze Zahl zulässig. So kann das Datum durch einfache Addition um 14 Tage weitergeschoben werden: tdatum heute; heute += 14; 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 26

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 Rechner hängt und das war's keine segmentation violation, keine core dumps 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 27

28 Überblick Organisatorisches C++ Crashkurs (Teil 1) CGA-Programmierung und in einer Woche: C++ Crashkurs (Teil 2) Tastatur-Programmierung 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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() IO_Port CGA_Screen Key machine Keyboard_Controller Stringbuffer O_Stream object CGA_Stream 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 29 device

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? 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 30

31 CGA_Screen (2) 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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? 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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) 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 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 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 34

35 CGA_Screen (6) print(char *text, int length, unsigned char attrib) baut auf show() und setpos() auf unten angekommen? scrollen! 16. Okt 2017 Betriebssystembau: 1. Übung 35