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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. |
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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. |
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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
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| "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 |
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| 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 |
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| 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 |
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| ... 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 |
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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 |
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| 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 |
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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 |
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| 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
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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 |
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| 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 |
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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 |
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| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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| 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 |
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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. |
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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 |
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...
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) |
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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 |
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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 |
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die Anzahl der Register (das sind wie kleine Notizzettel für den
Mikroprozessor) ist sehr klein, obwohl schon 5 mal größer, als beim ersten
Prozessor |
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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 |
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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 |
