Projekt Assemblerprogrammierung 2013 auf eigenem LC-80 im Schuljahr 2013 - The Making Of history menue Letztmalig dran rumgefummelt: 20.07.20 11:20:41
  • das Prinzip "vom Einfachen zum Schwierigen" ist hier nun so leicht nicht mehr erkennbar - es ist einfach nur noch schwierig!!!
  • die Bearbeitungsteams sind klein und die Anforderungen hoch
  • und das Schlimmste für so manchen Schüler unsers Hauses: man kann bei Google & Co. nichts klauen - so etwas hat keiner - das gibt es nicht oder kaum im Netz der Inder - allerdings gibt es eindeutige Beweise dafür, dass eine Lösung möglich ist - jeder noch so simple Taschenrechner ist beredter Beweis ;-)
  • man muss hier seinen eigenen Verstand im ursprünglichsten Sinne benutzen, sonst wird das nix - also ausnahmsweise mal richtig arbeiten!!!
  • ... toll ist dieses Gefühl: "... das habe ich gemacht, und ich weiß, wie es funktioniert, aber der Weg dahin war schon etwas schwierig!"
  • ... ich selbst erinnere mich immer an den Leitsatz meiner ersten Informatik-Pädagogik-Vorlesung Anfang Oktober 1993 an der TU Dresden bei Professor Friedrich: "... erwarten Sie hier keine neuen Erkenntnisse, die finden Sie in Büchern, erwarten Sie neue Einsichten!" - und so war es auch, wenn ich das ehrliche Resümé aus den Jahren dieser Schufterei ziehe. Nie vorher habe ich so viel für so wenig Ergebnis gearbeitet!
  • ... am Ende war es nicht das neue Wissen - es waren die neuen einsichten in die Informatik

Das offizielle Logo ...

... und das inoffizielle Logo ;-)

Assemblerprogrammierung 2013 auf eigenem LC-80
1. Aufgabe & Projektidee - nur für Insider interessant
2. Arbeitsgruppen und Verweise
3. Die Arbeiten am Projekt
4. Die Ergebnispräsentationen
5. Verwandte Projekte


1. Aufgabe & Grundidee des Projektes history menue scroll up

Entscheidender Impuls war, wie schon so oft, eine Problemklasse in die Arbeitsgruppen zu bringen, die so vorher bei uns noch nicht gelöst worden ist. Und vor allem: auch Programmierprofis müssen noch ein Betätigungsfeld vorfinden, auf welchem sie sich wie alle anderen bewähren müssen. Entscheidend für die Informatikprojekte ist aber auch der Ansatz, keine Projekte für den Mülleimer zu produzieren. Wir schaffen uns kleine Werkzeuge, welche später einmal das Leben leichter machen sollen.
Zusätzlich zeigt die Aufgabenlösung auf, wie "primitiv" eigentlich die Möglichkeiten auch modernster Computer in Sachen Mathematik eigentlich sind - auch wenn sie komplexeste Aufgaben in Sekundenbruchteilen lösen, so sind und bleiben sie denoch eigentlich "doof" - dies allerdings auf wie gesagt, sehr hohem Niveau.
... und ohne das fangen wir bestens gar nicht erst an!!! Basiswissen kürzlich so gesehen ... ASIDE-Assembler ganz lange her

Karnaugh-Veitch-Tafeln

... und das inoffizielle Logo ;-)

Assember im Jahre 2009 ...

ASide-Assembler

was vorher schon geschah ...

 

Aufgaben: Zu programmieren ist in einer Gruppe von vier Schülern (Anja Lehreis, Lucas Jeziak, Paul Gerber, Michael Krasselt) ein kleines Anzeigespiel - jeder hat eine andere Aufgabe - aber fast alle sind miteinander verwandt - nur Mischas selbst gestellte Aufgabe mit dem Verschieben von Speicherblöcken, wobei das Ziel im RAM liegen muss, arbeitet grundsätzlich etwas komplexer
Steigerungsstufe: das fertige Programm läuft am 25. Mai 2013 auf Deinem eigenen LC-80
Einschränkungen/Erweiterungen: Da Umfang und Dimension des Projektes nur grob vorgedacht sein können sowie einschlägige Erfahrungen nicht vorliegen, ist mit kleinen Änderungen bis hin zur Kapitulation an bestimmten Programmpunkten zu rechnen.
Basisfakten:
  • alle Ein- und Ausgaben erfolgen hexadezimal
  • der Start aller Module beginnt mit einem Einsprung ab der Adresse 2000H
  • alle Routinen sind relativ zu programmieren, das heißt, frei von der Hauptspeicherbelegung
  • die einzelnen fertigen Routinen müssen auf definierte Speicherplätze im RAM zugreifen - die Definition dieser erfolgt durch die Teams selbst
  • Teambildung:
    • Schlange in der Anzeige: Paul
    • Quersegmente in der Anzeige: Anja
    • Senkrechtsegmente in der Anzeige: Lukas
Hart, diese Strecke - zu beneiden ist hier keiner - hat er (sukzessive sie) sich doch verpflichtet, mehr als alle anderen zu tun. Und nun iss' es so weit: allein die schiere Vielfalt zeigt dem Unwissendem schon auf, in wie vielen Themenbereichen man sich auskennen sollte, um die Aufgaben wirklich erfolgreich zu beenden. Hier ein kleiner Überblick der Wissensbereiche , in welchen man fit sein sollte, bevor man an die Programmierung von Prozessoren heran geht.

Werkzeuge zur Assemblerprogrammierung

The Mother of Tetraed Codes - der HEX-Code

Struktogramme und Ablaufpläne selbst gemacht ...

ASide-Assembler

"The Mother of invention" - ach nee - das war was anderes (nämlich Frank Zappa) - oder isses am Schluss doch nicht so falsch? Fazit: fast alle Unis weltweit verwenden zur Grundausbildung in der Steuerungstechnik neben diversen Microcontrollern sowie dem Urvater der wichtigen Intel-Prozessoren (8086) sehr gern den Z80-Prozessor. Er steht wie kaum ein anderes Bauelement auf einem einsamen Podest: 40 Jahre alt und immer noch nicht müde - viele Einchipcontroller sind in dieser Zeit an ihm vorbei - anschließend aber sang- und klanglos untergegangen ;-)

Z80-Prozessorsystem

Einige Aufgabenbereiche haben auch die Programmierung externer Bausteine  mit im Rahmen enthalten. So wird eine Ampelsteuerung über den PIO realisiert, welcher die Anzeigesignale zwischenspeichert, während die Zeitsteuerung von einem CTC via Interrupt im Mode 2 vorgenommen wird. Den PIO programmieren wir hier nur im einfachsten Fall: Byte-Ausgabe, da ist nichts weiter zu beachten - das funktioniert mit einem einzigen Steuerbyte sofort - danach werden nur noch Daten geschoben.

Z80-PIO

Die Nutzung des CTC ist in den aufgezeigten Beispielen schon komplexer - zwar könnte man auch im Interrupt-Mode 0 arbeiten, da nur eine einzige Interrupt-Service-Routine bedient werden muss. Wir reizen einfach mal die Möglichkeiten dieses Bausteines aus und zeigen, was in ihm steckt. Per Software werden die Zeitimpulse gestreckt und durch Vergleich mit möglichen aktuellen Ampelzuständen wird der nächste Zustand geschalten. Unser Lauflichtprojekt arbeit ganz ähnlich, nur müssen sich hier die Zeitimpulse via Software in der Länge regulieren lassen.

Z80-CTC

... und nun der Überflieger: Unter der Systembezeichnung und getaktet mit 11 MHz Systemclock kommt seit dem Jahre 2008 (zumindest war er mir da aufgefallen), jedoch seit 2012 ausschließlich der Z84C90-KIO daher. das ist eine logistische und fest verbaute sowie auch fest adressierte Zusammenfassung von CTC, SIO sowie PIO in einem Schaltkreis

Z80-KIO

Ohne genaue Kenntnis des hardwaremäßigen Aufbaus eines Computers läuft gar nix. Grundsätzlich sind seit Ende der 40-er Jahre Computer relativ identisch aufgebaut - verfügen über eine Zentraleinheit, Hauptspeicher, ein Taktsystem. periphere Bausteine zur Ein- und Ausgabe und transportieren Daten, Adressen sowie Steuersignale auf dafür vorgesehenen Bussystemen. Die Dinger sind nur unendlich viel kleiner und schneller geworden - nur darin stecken die unendlichen Möglichkeiten. Außerdem wurde die Schiene Nummer zwei der Computertechnik wesentlich weiter entwickelt: Die Software. Standbein Nummer drei wird gerade die universelle Vernetzung informationsverabeitender Maschinen.

... und so funktioniert ein Computer

Der LC-80 ist nun die heilige Kuh, auf welcher all unsere Projekte gefahren werden sollen. Bestückt ist er hardwaremäßig eher minimalistisch und doch ist alles vorhanden, um kleine Steuerungsaufgaben zu lösen oder auf einem KByte RAM viel Sinnvolles mit Operanden zu tun - zum Beispiel diese zu sortieren. Die peripheren Bausteine sind direkt herausgeführt, was bedeutet, dass eine wie auch immer geführte und realisierte Steuerung über Verstärkerbausteine erst einmal von vom BUS-System abgegriffen und auf notwendige Pegel angehoben werden muss. der LC-80 ist somit von vorn herein nichts für Anfänger und für sinnvolle Programmierung ist durchaus Hardwarekenntnis vonnöten.

der LC-80

Der Z80 ist unter allen Prozessoren ein Urgestein - hat die Anfangsgründe der Microcompter mit gemacht und ist immer noch präsent. Und wer ihn programmieren darf erkennt rasch: Wow - das Teilchen hat Pfiff!
Und an eben dieser Stelle erinnern wir sehr gern daran, dass dieser Opa zwischenzeitlich reichlich 40 Jahre Aktivität hinter sich hat.

Z80-CPU

Ohne die Wirkung der Flags (im Sinne von: wird ein bestimmter, genau definierter Zustand erreicht, dann setze ein Signal) wäre ein logisches Programmieren gar nicht möglich.

Flag-Wirkung

Wo ein Prozessor, da sein Befehlssatz - eine alte Weisheit aller Hardware-Ingenieure. Die Liste des betagten Z80 umfasst immerhin 156 Basisbefehle mit zusammen 796 Kombinationen. Wie diese auseinanderzudividieren sind, zeigen wir hier ;-)
Neben den einzelnen Befehlen ist ihre Wirkung auf die Flag-Register von enormer Bedeutung für die Abarbeitung von Programmen - auch ein Hochsprachen Compiler oder Interpreter greift letztendlich auf diese Logik zu.

neue alphabetische Befehlsliste

Einige der Aufgaben basieren auf einer Zeitsteuerung. Eine solche arbeitet nur dann effizient, wenn die Zzeitbasis von externen und extra dafür ausgelegten Bausteinen bereitgestellt wird. Dies übernehmen die CTC-Basuteine des Z80-Systems. Ihre Auswertung erfolgt Interrupt gesteuert. Ein zusätzlicher logistischer Anspruch für den Software-Entwurf, denn hat man erst mal die grundsätzliche Programmierung erfasst und freut sich gerade so richtig darüber, dann  kommt das!

 Z80-CPU-Interrupt

Der verwendete Mikrorechner LC-80 ist ein Echtzeitsystem - was immer auch an Hard- und Software für diese Maschine entwickelt und gebastelt wird - es gehorcht dem Grundtakt con ca. 900 KKz. Damit ist so zu sagen das Speed-Limit für diese Maschine fest geschrieben - es geht nicht schneller, aber auch nicht langsamer. Wir sind an der untersten Ebene eines Mikrorechners angelangt und müssen die Konsequenzen der Echtzeitbedingunegn mit erfassen und im Algorithmus berücksichtigen.
Sortieren kann für 100 Elemente schon richtig langsam werden, während Impulse im Minutentakt ebenso schwer zu erzeugen sind -

Echtzeitsysteme

Prozessrechentechnik heißt die Disziplin, welche Rechnerstrukturen in Hard- und Software an der Maschine direkt im Produktionsprozess sieht und analysiert oder verbessert. Hier geht es nicht um den Computer, wie ihn Hinz & Kunz kennt - meist sind diese als Bauelement in kleinen Einheiten untergebracht und der Trend geht zur Vernetzung selbst solcher Komponenten. Im Endeffekt kann man gar nicht mehr von einem Steuerrechner selbst sprechen - de werkeln mehrere Rechner miteinander und heißen Controller.

Prozessrechentechnik

Automatisierungstechnik ist insgesamt älter, als man glaubt - so sind wohl die ersten steinzeitlichen Tierfallen nach den Definitionen den Automaten zuzurechnen. Waren noch recht einfach, aber das Prinzip war schon drin: etwas verändern, ohne Zutun des Menschen. Heute sprechen wir von zwei Hauptrichtungen der Automatisierung: Steuerung und Regelung. Jede hat zig Unterarten

Automatisierungstechnik

Zufall ist auf einem Computer alles andere als einfach zu erzeugen - noch dazu bei einer Maschine, welche wie der LC-80 auf der untersten Programmierungs- und Hardware-Ebene läuft. Da wird die Maschine nämlich mit jedem Programmstart faktisch selbst neu gestartet - und das hat zur Folge, dass ich nach gleich vielen Schritten am selben Programmpunkt angelangt und auch alle peripheren Bausteine den gleichen Zustand haben. Ich bekomme also, wenn ich nunmehr so etwas wie eine Zahlenfolge schreiben will immer die gleichen Werte. Wie man das Problem trotzdem lösen kann, zeigen wir im Projekt Sortieren - dort müssen nämlich zufällig generierte Zahlen sortiert werden.

Computer und Zufall - ein schwieriges Feld

Eine ganz böse Falle für Software-Entwickler ist die Möglichkeit, nicht an alle Extreme gedacht zu haben, welche in der Praxis eintreten können. Programmiert wird ja in der hermetischen Welt der Theorie im geschlossenen Kämmerchen - die Praxis sieht anders aus. Da wird das Programm von Unwissenden genutzt und Zustände erzeugt, die niemals hätten eintreten dürfen. Also, Programmierer: immer auf das Schlimmste gefasst sein, sich freuen, wenn's nicht ganz so schlimm kommt und den DAU nicht vergessen ;-)

Worst-Case-Denken

Hier nun der Oberhammer - aber keine Angst - das ist nicht für jeden - dennoch: man kann diese Schaltungen erfolgreich aufbauen - einige davon gibt es sogar schon, weitere kommen hinzu. Auf AG-Basis lässt sich da einiges machen ;-)

von Profis für Profis - Z80-Bau-Projekte


2. Arbeitsgruppen und Verweise history menue scroll up

Nach fast einem Jahr ist dem Schüler also zur Arbeitsweise eines Mikrorechners doch eine ganze Menge bekannt. Die logischen Grundfunktionen sind explizit und gründlich erarbeitet worden, und das Herzstück eines Rechenvorganges auf elektronische Art und Weise ist eine ALU. An selbiger erkennt man auch schon die Notwendigkeit der Programmierung, denn je nach Bitmuster an den Steuereingängen variiert die Funktion dieses Zentralbausteines. Register noch hinzu, von denen uns bekannt sein sollte, dass es FlipFlop-Stufen sind und das alles an eine BUS-System gekoppelt - fertig ist der Mikrorechner. Gut - ganz so einfach ist es nicht, aber das Prinzip stimmt schon.
Programm "Schlange":
Theorie Ideen sowie Umsetzung Programmier-Praxis
  • Paul Gerber & Frank Rost
  • Zahleneingabe ist auf definiertem Speicherbereich HEX zu hinterlegen und im Display dezimal anzuzeigen
  • ein Register zählt hexadezimal abwärts
  • ein anderes 16-Bit Register zählt aufwärts und erhält die Dezimalkorrektur

165

165 164 163 162 161 160
  3 E 0 F 8 1
  • Rechnungsbeispiel: 3E0F81H = 4067201D
  • Umrechnungsfaktoren:
    • 16.77.216D = 1.000.000H
    • 1.048.576D = 100.000H
    • 65.536D = 10.000H
    • 4.096D = 1.000H
    • 256D = 100H
    • 16D = 10H
    • 1D = 1H
Ausgangsbetrachtung:
  • Eingabewerte nehmen wir von vereinbartem Bereich dezimal entgegen
  • maximal sechsstellige Dezimalzahl (also 999999D ist zu konvertieren)
  • damit ist unser theoretischer Maximalwert F423FH

letzter Software-Entwurf:

  • ein 16-Bit-Register (z.B. Reg. HL enthält im hexadezimalen Format die Zielzahl
  • es wird solange decrementiert und ein weiteres 16-bit-Register (z.B. DE) hoch gezählt, bis HL gleich 0 ist
  • während jedes Zählvorganges wird die letzte Tetrade von DE dezimal konvertiert und im falle eines Übertrages auf alle Vorstellen aufaddiert
  • tritt dort ein Übertrag auf, so muss er auf die Vorstelle portiert werden
    • aktuelle 4 Bit in Reg. A
    • SUB AH -> wenn ZERO, dann größer 9H
    • Konvertieren in Dez.
    • Vorgängerstelle INC

Register-Ablaufplan für ZILOG 8-Bit-Prozessoren sowie Mikrocontroller zur DEZ zu HEX-Konvertierung


3. Die Arbeit am Projekt history menue scroll up

In den Dimensionen, dass auf Mikrorechner-Ebene Steuerungsaufgaben oder Algorithmen abzuarbeiten seinen, war die Aufgabe für jeden Schüler erst einmal prinzipiell lösbar. Aber nicht nur, dass man sich "ausdenken" musste, was man wollte - NEIN, man benötigte zuerst einen Plan dessen, was überhaupt möglich war. Und ein vierzig Jahre alter Mikroprozessor, welcher bis heute aus gutem Grunde unverändert, nur in modernsten Technologien hergestellt wird, macht da durchaus Grenzen deutlich bzw. lässt Wünsche offen. Die Wünsche musst Du Dir also mittels Denksport selbst erfüllen (eine Angelegenheit, welche "Hochsprachen-Programmierern"extrem schwer fällt, deshalb verdienen sich ja russische und indische Informatiker dumm und dämlich! Weil sie genau das können - und wir nicht! Immer dann, wenn's auf einem Computer richtig schnell werden muss, sind die Leute gefragt, die nahe an der Hardware arbeiten können - sind aber nur extrem wenige!!!.

An dieser Steller verteile ich durchaus mal eine Gefühlsmischung: es ist erstaunlich, was junge Leute unter entsprechenden Druck von Zeit erreichen können - es ist für die Generation derjenigen, welche zur anderen ja bekanntlich durchaus im Konflikt steht deprimierend, mit welcher Fahrlässigkeit man an unbekannte Aufgaben herangeht - die Dimension der Aufgabe ist ja bis kurz vor Abgabe unbekannt - und immer geht man von der Annahme aus, die letzte Nachtschicht wird das schon richten. Und so entsteht an internationalen Universitäten zunehmend Frust! Weil klar ist: reales wissenschaftlich fundamentiertes Arbeiten geht eben nicht in der berühmten letzten Nacht vor dem Abgabetermin (unter deutsche Studenten gilt seit Jahren: "... gäbe es nicht die letzte Nacht vor der Abgabe, so würden 99 % Prozent aller Belegarbeit nicht fertig!"
Zum Projekt gehören desweiteren Struktogramm und/oder Pseudocode, sowie ein mit einem Assembler geschriebenes Programm.

Hauptproblem war anfangs das Fehlen irgendwelcher Hochsprachenbefehle, mit welchen die bekannten Strukturen umgesetzt werden konnten - um so bitterer die Einsicht, das wirklich nur extrem einfache Bedingungen  genutzt werden können und zu diesen Sprungbefehle existieren
... schlimmer noch das Umdenken für die Arbeitsweise von Mikrorechnern - sie arbeiten nicht, bis eine Bedingung eintritt, sondern nutzen den Nulldurchlauf bzw. das Überschreiten der Zulässigkeit eines Werte (255 bzw. 65535)
der Programmierer muss also lernen, von einer bestimmten Startposition aus das Setzen der Flags zu erreichen und daran gebunden seine Bedingungen auswerten und dann zu einer Behandlungsroutine zu springen oder diese via Unterprogramm aufzurufen
Zeiteinheiten auf Mikrorechnern sind extrem kurz - dafür ziemlich präzise und wenn nicht extern gebunden, vom Systemtakt abhängig - per Unterbrechungssteuerung werden diese Zeitscheiben erkannt und müssen dann über die Software gedehnt werden
die Anzahl der Register (das sind wie kleine Notizzettel für den Mikroprozessor) ist sehr klein, obwohl schon 5 mal größer, als beim ersten Prozessor
extrem schwer gestalten sich für den Anfänger das Durchblicken der Zugriffsstrukturen: Register, Inhalt sowie Adresse einer Speicherzelle - das muss man aber scharf trennen und auch die Zugriffsvorschriften beherrschen
sehr schwer ist die Orientierung auf die 8-Bit-Ebene für Arithmetik und Logik - 16 Bit machen alles so viel einfacher, sind aber nur ansatzweise ausgeprägt


4. Die Ergebnis-Präsentation des Projektes history menue scroll up

Hier sind in eigentlich allen Fällen nach schweißtreibender Arbeit Spitzenleistungen erzielt worden, deren Umfang nur erahnen kann, wer sich in die Materie begibt und versucht, nur ein paar einfache Assemblerprogramme mit einem Minimum an Befehlskenntnissen eines (theoretisch) frei wählbaren Zielprozessors zu erstellen. Dann gehören zu sinnvoller Programmierung prinzipiell Ein- und Ausgabe - also sollten auch von selbigen Bausteinen Grundkenntnisse zu ihrer Funktionsweise sowie Programmierung vorhanden sein.
Quicklinkliste: [Projekt Lauflicht] [Projekt Taschenrechner]  [Projekt Ampelprogrammierung] [Projekt Bubble-Sort] [Projekt ALU 74LS181]
Projekt-Lösung LAUFLICHT
  • unter der Federführung von Richard Friedrich und unter Mitarbeit von
  • Tina Kyak
  • ... eben als Master-Slave-Projekt ;-)

 

Projekt-Doku


5. Verwandte Projekte history menue scroll up

Hier sind in eigentlich allen Fällen nach schweißtreibender Arbeit Spitzenleistungen erzielt worden, deren Umfang nur erahnen kann, wer sich in die Materie begibt und versucht, nur ein paar einfache Logikaufgaben anzugehen sowie eindeutige Lösungen zu finden. Unsere Aufgabe war komplexer: Finde die Lösung - beschreibe Wege sowie Modell, diese Lösung evtl. zu vereinfachen, entwickle den logischen Schaltplan!

Informatik-Projekte am Gymnasium Flöha

Projekt Mikroprozessor

 

Projekt Roboking mit dem Team Rabbi Loew

 

Projekt Kryptoanalyse

Projekt Bundeswettbewerb für Informatik

Projekt ENIGMA

Projekt Logik & Kombinatorik

Projekt Problemlösungsstrategien

   



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© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha © Frank Rost am 7. September 2012 um 6.39 Uhr

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist