CEN1112 Labor Software-Entwicklung

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1 Dipl.-Ing. (FH) Peter Bitterlich M.Sc. Joachim Storz Fakultät für Technik STUDIENGANG MEDIZINTECHNIK CEN1112 Labor Software-Entwicklung Vorbereitungsaufgaben zu Versuch 4 C-Programmierung Rekursion Wintersemester 2016/

2 Vorbemerkungen Literatur Sie können gerne Literatur und Bücher zur Programmierung in C verwenden und mit in das Labor bringen. Insbesondere das Nachschlagewerk C Die Programmiersprache C. Ein Nachschlagewerk, Regionales Rechenzentrum für Niedersachsen / Leibnitz Universität Hannover (RRZN) ist inklusive handschriftlicher Ergänzungen sowohl im Labor als auch in der Prüfung als Hilfsmittel zugelassen. Was Sie in den Versuchen 1, 2 und 3 gelernt haben (sollten ) Sie sollten vertraut und geübt sein im Umgang mit der graphischen Darstellung von Algorithmen durch Programmablaufpläne, mit der Definition und Initialisierung von Variablen in der Programmiersprache C, mit dem Umgang mit den Datentypen int, float und double mit dem Zuweisungsoperator und den mathematischen Operatoren, mit den Betriebssystemfunktionen zur Eingabe und Ausgabe und mit der mathematischen Bibliothek, mit der Blockanweisung, den Schleifen und den Auswahlanweisungen, mit der Deklaration und dem Aufruf von Funktionen und Unterprogrammen und mit der Verwendung von Funktionsparametern und Rückgabewerten mit Feldern (Arrays) und mit den Datentypen enum und struct mit der Eingabe und Speicherung von Text in C (Strings) mit Zeigern und deren Verwendung Allgemeine Vorbereitung Wiederholen Sie die neuen Inhalte der Vorlesung und machen Sie sich vertraut mit dem Konzept der Rekursion und rekursiven Funktionen, mit der Wirkungsweise der Präprozessor-Direktiven, mit globalen, lokalen und statischen Variablen. Lesen Sie weiterhin die Hinweise auf der Internetseite des Labors. Hinweise zu den Vorbereitungsaufgaben Die Bearbeitung der Vorbereitungsaufgaben sowie die Teilnahme an den Softwarelaboren dienen Ihrem persönlichen Einstieg in das Programmieren mit der Programmiersprache C. Hierbei ist die selbstständige Bearbeitung der jeweiligen Aufgaben eine wichtige Prüfungsvorbereitung. Versuchen Sie nicht, diese Vorbereitung durch Nachschlagen der Lösungen im Internet oder Abschreiben abzukürzen. Spätestens in der Prüfung werden Sie sich darüber freuen können, dass Sie die Aufgaben selbst gelöst haben. Die Lösungen der Vorbereitungsaufgaben sind zum Labortermin in handschriftlicher Form vorzulegen; pflegen Sie hierfür einen Ordner oder Schnellhefter bzw. USB-Stick für Quelltexte. Insbesondere werden Programmablaufpläne, die mit anderen Hilfsmitteln als Papier, Stift und Lineal angefertigt wurden, nicht akzeptiert. Programmablaufpläne sollen Algorithmen unabhängig von einer Programmiersprache veranschaulichen und keinen C-Code enthalten. Die nicht zwingend alleine, aber eigenständig bearbeiteten Vorbereitungsaufgaben sind Teilnahmevoraussetzung zum Laborversuch und werden ggf. vor Abnahme überprüft. Beachten Sie etwaige Rahmenbedingungen, insbesondere die auf der Laborseite verfügbaren Laborregeln. Labor Software-Entwicklung Vorbereitungsaufgaben zu Versuch 4 Seite 2 von 7

3 Vorbereitungsaufgabe 1: Zufallszahlen Die Messgröße eines zu automatisierenden technischen Prozesses kann ganze Zahlen des Bereichs 48 bis 122 annehmen. Da das Messsystem momentan nicht implementiert ist, sollen Sie zu Testzwecken der Signalverarbeitung geeignete Messreihen generieren. Hierfür soll ein Feld von 1000 Elementen mit Zufallszahlen des Messbereichs gefüllt werden. a) Entwerfen Sie hierfür einen Algorithmus in Form eines Programmablaufplans. b) Setzen Sie diesen anschließend in ein lauffähiges C-Programm um. Rahmenbedingung: Wählen Sie hierbei für die Repräsentation eines einzelnen Messwertes einen Datentyp, der möglichst wenig Speicher verbraucht. Hinweise: - Erinnern Sie sich an die Systembibliothek stdlib.h. - Sie benötigen Ihr hierfür erstelltes C-Programm beim Versuchstermin im Labor. Vorbereitungsaufgabe 2: Um Rekursion zu verstehen, muss man Rekursion verstanden haben Den arithmetischen Mittelwert μ einer Zahlenfolge x 1, x 2, x 3,, x n habe Sie bereits mit Hilfe der folgenden Formel berechnet: μ( 1, 2,, n ) = 1 i In dem Spezialfall, dass die Zahlenfolge nur aus einem Wert x 1 besteht, gilt also: μ( 1 ) = 1 1 i = 1 Überlegen Sie sich, wie sich im allgemeinen Fall der Mittelwert μ(x 1, x 2, x 3,, x n ) mit Hilfe einer rekursiven Funktion berechnen lässt. Geben Sie hierzu die Rekursionsformel an und bereiten Sie einen geeigneten Funktionsprototyp für die Implementierung Ihrer Rekursionsvorschrift in C vor. Vorbereitungsaufgabe 3: Ca. 300 v. Chr. Euklids Algorithmus zur Bestimmung des größten gemeinsamen Teilers (ggt) zweier Zahlen Mathematische Grundlagen: ggt(x, x) = x; ggt(x, y) = ggt(min(x, y), max(x, y) - min(x, y)) ggt(x, y) = ggt(y, x) Verbale Formulierung: (1) Falls x = y: Ende des Algorithmus, x ist das Ergebnis. (2) Falls x < y: Setze y = y x. Falls x > y: Setze x = x y. (3) Gehe nach (1). Labor Software-Entwicklung Vorbereitungsaufgaben zu Versuch 4 Seite 3 von 7

4 Variante 1: Naive Lösung (aus Vorlesung Algorithmen und Datenstrukturen) algorithm ggt_alg1 // Name param x, y: int; // Parameter x und y der Datenstruktur, Ganzzahlen begin while x!= y do if x < y then y := y x; // Größerer Wert wird ersetzt else x := x y; // Größerer Wert wird ersetzt ggt_alg1 := x; end ggt_alg1; PAP: Variante 2a: Schleifen -Lösung imperativ (aus Vorlesung Algorithmen und Datenstrukturen) algorithm ggt_imp; param X,Y: int; begin while X!= Y do while X > Y do X := X-Y; while Y > X do Y := Y-X; return X; end ggt_imp; Labor Software-Entwicklung Vorbereitungsaufgaben zu Versuch 4 Seite 4 von 7

5 Variante 2b: Effiziente Lösung (aus Vorlesung Algorithmen und Datenstrukturen) algorithm ggt_imp2; param X, Y: int; var R: int; begin if X < Y then R := X; X := Y; Y := R; R := 1; while R!= 0 do R := X mod Y; X := Y; Y := R; ggt_imp2 := X; end ggt_imp2; Variante 3: Rekursive Lösung applikativ (aus Vorlesung Algorithmen und Datenstrukturen) ggt(x, y) := if x==y then x else if x<y then ggt(x, y-x) else ggt(y, x) Aufgaben: a) Erstellen Sie eine C-Funktion für Variante 1. b) Erstellen Sie eine C-Funktion für Variante 2a. c) Erstellen Sie eine C-Funktion für Variante 2b. d) Erstellen Sie eine C-Funktion für Variante 3. e) Erstellen Sie für a) und d) jeweils eine.c und jeweils eine.h Datei f) Erstellen Sie für b) und c) nur eine.c und nur eine.h Datei. Sorgen Sie hier mittels Präprozessordirektiven dafür, dass nur eine Lösung kompiliert wird entweder Variante 2a oder Variante 2b. g) Gestalten Sie Ihr Hauptprogramm so, dass der Nutzer zur Laufzeit bestimmen kann, ob Variante 1, Variante 2 (aus Ihrer Teilaufgabe f)) oder Variante 3 ausgeführt wird. Vorbereitungsaufgabe 4: Um Rekursion zu verstehen, muss man Rekursion verstanden haben. Immer noch. Auf dem Statusdisplay eines eingebetteten Systems sollen positive ganze Dezimalzahlen ausgegeben werden. Das Betriebssystem stellt Ihnen zur Ansteuerung des Displays lediglich eine Ausgabefunktion DRUCKE_EIN_ZEICHEN(Z) zur Verfügung, welche als Parameter Z den ASCII-Wert des zu druckenden Zeichens bekommt. Entwerfen Sie einen Programmablaufplan zur Ausgabe einer natürlichen Zahl N auf dem Display. Hinweise: 1) Auf der nächsten Seite finden Sie eine veranschaulichende Skizze. 2) Achten Sie bei der Ausgabe auf einen evtl. ASCII-Offset. Labor Software-Entwicklung Vorbereitungsaufgaben zu Versuch 4 Seite 5 von 7

6 Vorbereitungsaufgabe 5: Fibonacci Im Labor werden Sie ein Programm zur Berechnung des n-ten Gliedes der Fibonacci-Folge erstellen. a) Machen Sie sich vorab über mögliche Lösungsansätze Gedanken. b) Informieren Sie sich über globale, lokale und statische Variablen. Labor Software-Entwicklung Vorbereitungsaufgaben zu Versuch 4 Seite 6 von 7

7 Vorbereitungsaufgabe 6 [OPTIONAL]: a) Was macht folgende Funktion X? unsigned int X(unsigned int n) { if (0 == n) { return 1; return n * g(n-1); b) Was macht folgende Funktion Y? unsigned int Y(unsigned int begin, unsigned int end) { if (begin+1 >= end) { return 1; else { unsigned int i; unsigned int r = 0; for (i = begin; i!= end; ++i) { r += Y(begin+1, end); return r; c) Was macht folgende Funktion Z? void Z(char* string, unsigned int begin) { if (string[begin+1] == \0 ) { printf("%s\n", string); else { unsigned int i; for(i = begin; string[i]!= \0 ; ++i) { swap(string+begin, string+i); Z(string, begin+1); swap(string+begin, string+i); void swap(char* a, char* b) { char c = *a; *a = *b; *b = c; Hinweise: Legen Sie ein Projekt an Erstellen Sie eine Hauptfunktion Rufen Sie aus dieser Hauptfunktion die Funktionen X, Y und Z mit den geforderten Parametern auf Analysieren Sie das Verhalten Erinnern Sie sich an die Verwendung des Debuggers Labor Software-Entwicklung Vorbereitungsaufgaben zu Versuch 4 Seite 7 von 7