книги хакеры / журнал хакер / 111_Optimized

вращать указатели на автоматические переменные материнской функции. Куча снимает эти ограничения, но перекладывает заботы об освобождении памяти на плечи программиста и, как результат, малейшая небрежность ведет к трудноуловимым утечкам. Статическая память наследует худшие черты кучи и стека — размеры буферов задаются на стадии компиляции и не могут быть увеличены во время исполнения программы.

Но есть еще и четвертый тип памяти, о котором умалчивают учебники. Это память, лежащая выше указателя стека. Почему бы ее не использовать для хранения динамических данных? Естественно, со всеми предосторожностями, упомянутыми выше. Дальше приведен код функции, выделяющей заданное количество килобайт стековой памяти и возвращающей указатель на обозначенный блок памяти:

ДИНАМИЧЕСКИЙСТЕКОВЫЙАЛЛОКАТОР (УПРОЩЕННЫЙ«МАКЕТНЫЙ»ВАРИАНТ)

char* stack_alloc(int s_z) { char buf[1024];

if (s_z) return stack_alloc(s_z — 1); return buf;

}

Несколько замечаний. Во-первых, никакой это не аллокатор, поскольку реального выделения памяти не происходит, и она остается свободной. Повторный вызов функции «выделит» новый блок поверх старого (естественно, при желании этот недочет легко обойти, передав функции базовый адрес, с которого начинается «выделение» очередного блока). Во-вторых, размер выделенного блока всегда чуть больше требуемого, так как в стеке кроме буфера сохраняются регистры и адреса возврата — но это не проблема. Напротив, определенный запас размера снижает риск «стихийного» затирания данных.

В-третьих, оптимизирующие компиляторы наверняка избавятся и от хвостовой рекурсии, и от реально неиспользуемого буфера buf, а потому эта функция вообще не будет выделять никакой памяти и вернет указатель черт знает на что (более точно сказать невозможно, это уже от типа компилятора и ключей компиляции зависит!). Значит нужно переписать функцию так, чтобы компиляторы не смогли «развернуть» рекурсию и не трогали буфер buf (для этого достаточно «загрузить» его работой, имитируя бурную деятельность).

И последнее — не стоит принимать стековой аллокатор всерьез. Это шутка! Но иногда она оказывается очень полезной («заложить» ее в «промышленном» коде перед увольнением с работы, чтобы кому-то потом сильно аукнулось — не предлагаю!).

03Неявнаяинициализациястековыхпеременных

А вот этот трюк используют для запутывания кода, что полезно при

создании защитных механизмов. Идея заключается в следующем: вызываем функции foo(), которая что-то записывает в свои собственные локальные переменные, а потом завершается. Указатель стека опускается, но содержимое самих переменных остается нетронутым. Если теперь запустить функцию bar(), то в ее локальных переменных (неинициализированных, конечно) окажутся значения, оставленные функцией foo().

Вбольшинствеслучаевэтопроисходитпоошибке,ноеслинемногопо- думатьивсерассчитать—лучшеготрюкадляскрытойпередачиданных,

пожалуй,иненайти.Основнаятрудностьзаключаетсявтом,чтомыне можемуправлятьразмещениемпеременныхвстеке.Обычнокомпиляторы располагаютихвпорядкеобращениякним,приэтомчастьпеременных попадаетврегистры,ачастьнет.Другимисловами,еслиунасбольше однойпеременной—ждипроблем.Илижезакладывайсянаособенности поведенияконкретнойверсиикомпиляторасзаданнымнаборомключей трансляции.

Приведенный ниже код достаточно надежен и дружит с оптимизаторами, для достижения чего пришлось круто извратиться с глобальными переменными, расплачиваясь наглядностью кода. Зато теперь можно быть на 99% уверенным, что компилятор не создаст никаких «служебных» локальных переменных, смещающих кадр стека — ведь нам надо добиться, чтобы переменная buf функции bar() легла в аккурат поверх переменной buf функции foo(). Увы, никакие извращения не дают 100% гарантии. Компилятор — это черный ящик и никто не знает, что у него на уме.

РАБОЧИЙПРИМЕРСНЕЯВНОЙИНИЦИАЛИЗАЦИЕЙ ЛОКАЛЬНЫХПЕРЕМЕННЫХ

int a, b, c, d;

#define S "nezumi has you!\n"

//функция foo() инициализирует переменную buf,

//а затем завершает свое выполнение

foo()

{

char buf[0x60]; d = strlen(S); for (a = 0; a <= d; a++)

{

c = S[a]; buf[a] = c;

}

return buf[a];

}

//функция bar(), вызываемая следом за функцией foo(),

//объявляет переменную buf и выводит ее на экран,

//«подхватывая» содержимое, оставленное в стеке

//функцией foo(), создавая иллюзию того, что

//переменная buf не инициализирована

bar()

{

char buf[0x60]; printf(buf);

}

main()

{

foo();

bar();

printf("***\n"); /* если убрать этот вызов то оптимизатор может заменить call bar на jmp bar, что сдвинет стековый фрейм функции bar */

}

z

посмотреть,какэтоделаютдругие.Тутточнотакаяжеситуация. Поэтомустатьюяпосвящунеконкретномуустройству,абазовым

электроникиипростейшимсхемотехническимэлементам,ив качествепримеров,сцельювскипятитьтебемозг,ябудубратьфрагментыреальныхпринципиальныхсхем. Ачтобылучшеусваивалось,доставаймакетку иразогревайпаяльникилизапускайISISProteus.

Электротехникадлявсех

Довелосьмнеоднаждыпреподаватьэлектроникуводнойшараге. Нетривиальноезанятие,скажуятебе.Дабыоблегчитьусвоениематериала,явводил рядупрощений.Совершеннобредовыхиантинаучных,ноболее-менее нагляднопоказывающихсутьпроцесса. Методика«канализационной электрики»успешнопоказаласебявполевыхиспытаниях,апосемубудет использованаитут. Хочуобратитьвнимание,чтоэтовсеголишьнаглядное упрощение,справедливоедляобщегослучаяиконкретногомомента,ик реальнойфизикепроцессанеимеющеепрактическиникакогоотношения.

такогонаслушался…

Ток,напряжение,сопротивление

Еслисравнитьэлектроцепьсканализацией,тоисточникпитания—это сливнойбачок,текущаявода—ток,давлениеводы—напряжение,анесу- щиесяпотрубамфекалии—полезнаянагрузка.Чемвышесливнойбачок, тембольшепотенциальнаяэнергияводы,находящейсявнем,итемсильнее будетнапор-ток,проходящийпотрубам,азначит,большедерьма-нагрузки онсможетсмыть.

Кромедерьма,потокупрепятствуеттрениеостенкитруб,образующеепотери. Чемтолщетрубы,темменьшепотери(гы-гы-гы,теперьтыпонимаешь,поче- муаудиофилыдлясвоеймощнойакустикиберутпроводапотолще).

Итак,подведемитог. Электроцепьсодержитисточник,создающиймежду своимиполюсамиразностьпотенциалов—напряжение.Поддействием этогонапряжениятокустремляетсячерезнагрузкутуда,гдепотенциал ниже.Движениютокапрепятствуетсопротивление,образуемоеизполезной

нагрузкиипотерь.Врезультатенапряжение-давлениеослабеваеттем сильнее,чембольшесопротивление.Ну,теперьположимнашуканализацию вматематическоерусло.

ЗАКОНОМА

Сила тока в цепи пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

I = U/R

U — величина напряжения в вольтах

R — сумма всех сопротивлений в Омах I — протекающий по цепи ток

Дляпримерапросчитаемпростейшуюцепь,состоящуюизтрехсопротивленийиодногоисточника. Схемуябудурисоватьнетак,какпринятовучебникахпоТОЭ,аближекреальнойпринципиальнойсхеме,гдепринимают точкунулевогопотенциала—корпус,обычноравныйминусупитания,аплюс считаютточкойспотенциалом,равнымнапряжениюпитания. Дляначала будемсчитать,чтонапряжениеисопротивлениеизвестны,азначит,намнужнонайтиток. Сложимвсесопротивления(оправилахсложениясопротивленийчитайнаврезке),дабыполучитьобщуюнагрузку,иподелимнапряжение наполучившийсярезультат—токнайден!Теперьпосмотрим,какраспреде- ляетсянапряжениенакаждомизсопротивлений.ВыворачиваемзаконОма наизнанкуиначинаемвычислять.

U=IR

Поскольку ток в цепи един для всех последовательных сопротивлений, то он будет постоянен, а вот сопротивления будут разные. Итогом стало,

что U источника = U1 +U2 +U3. Исходя из этого принципа, можно, например, соединить последовательно 50 лампочек, рассчитанных на 4.5 вольта, и

спокойно запитать от розетки 220 вольт — ни одна лампочка не перегорит. А что произойдет, если в эту связку, в серединку, всандалить одно здоровенное сопротивление, скажем на кОм, а два других взять поменьше — на один Ом? Из расчетов станет ясно, что почти все напряжение выпадет на этом большом сопротивлении.

ЗАКОНКИРХГОФФА

Согласноэтомузакону,сумматоков,вошедшихвузел,равнанулю,причемтоки, втекающиевузел,принятообозначатьсплюсом,авытекающие—сминусом. Поаналогииснашейканализацией—водаизодноймощнойтрубыразбегает- сяпомелким.Данноеправилопозволяетвычислятьпримерныйпотребляемый ток,чтоиногдабываетнеобходимоприрасчетепринципиальныхсхем.

МОЩНОСТЬИПОТЕРИ

Мощность,котораярасходуетсявцепи,выражается,какпроизведение напряжениянаток.

Ð = U * I

Потому, чем больше ток или напряжение, тем больше мощность. Так как резистор (или провода) не выполняет какой-

либо полезной нагрузки, то мощность, выпадающая в него, это потери в чистом виде. В этом случае мощность через закон Ома можно выразить так:

P = RI2

Каквидишь,увеличениесопротивлениявызываетувеличениемощности, расходующейсянапотери,аесливозрастаетток,топотериувеличиваютсяв квадратичнойзависимости.Врезисторевсямощьуходитвнагрев.Поэтой жепричине,кстати,аккумуляторынагреваютсяприработе—унихестьвнут- реннеесопротивление,накоторомипроисходитрассеяниечастиэнергии. Естьещезаконполноготокавцепи.Напрактике,правда,онмненикогдане пригождался,нознатьегонепомешает,поэтомуутяниизсетиучебникпоТОЭ (теоретическиеосновыэлектротехники),лучшедлясреднихучебныхзаведе- ний,тамвсегораздопрощеипонятней—безуходаввысшуюматематику.Ая покапробегусьпоосновнымэлементамцепи.

РЕЗИСТОР

Онжесопротивление.Насхемевыглядиткакбелыйузкийпрямоугольник(на буржуйскихсхемахчастообозначенугловатойпружинкой).Замечательная деталь!Отличаетсятем,чтонеделаетвообщеничего.Тупопотребляетэнергиюигреется.Основноепредназначениевсхемеэтолиботокоограничение, либоперераспределениенапряжения.Сейчаспоясню. Вот,например, светодиод.Дляработыемунуженмизерныйток,порядка20миллиампер,но вотбеда—сопротивлениесветодиодамало,поэтомуесливоткнутьнапрямую в5вольт,точерезнеголоманетсятокв400миллиампер.Оттакойнагрузки бедняжкапожелтеет,позеленеет,апотомивовсезагнется,источаявонь.Что делать?Правильно—поставитьемупоследовательнорезистор,чтобытот ограничилток,непустивизлишнююмощунахилыйдиодик. Дажееслидиод теперьзакоротить,то,исходяиззаконаОма,токвцепинепревыситтого, которыйразрешитрезистор.

Второепопулярноеприменение—этоделителинапряжения.Цельделителя

—податьнакакую-либоточкусетистрогоопределенноенапряжение. Частоприходитсяэтоделатьприсогласованиимеждусигналамиразных напряжений.Делительпредставляетсобойдвапоследовательносоединенныхрезистора,одинизкоторыхподсоединенкточкенулевогопотенциала (корпус),авторойкнапряжению,котороенужноподелить.Средняяточка междурезистором—этовыходнашегоподеленногонапряжения. Токв

последовательнойцепивездеодинаков,авотсопротивлениеразное,значит, напряжение(позаконуОма)разделитсянарезисторахпропорциональноих сопротивлениям. Одинаковыерезисторы—напряжениепополам,аеслинет, тоуженадосадитьсяивычислять,гдекак.Приведемпростойпример. НапряжениепортаRS232вкомпьютере12вольт,адляпрограммирования микроконтроллератребуетсявсего5вольт.Темнеменее,простейший программатордляСОМпорта,найденныйнасайтеavr.nikolaew.org,не требуеткаких-либоспециализированныхмикросхемпреобразователей.Там стоятобычныеделители,которые12вольтпреобразуютв6вольт,чтоужене смертельнодляконтроллера(насамомделе,вольтне12,а11,5,таккакеще, минимум,0.5вольтаупадетнадиоде).

Надоучитывать,чтоделительработаетлишьвтомслучае,еслинапряжение снегоснимаетсянанагрузку,сопротивлениекоторойвразы—алучше,впо-

Если резисторы идут один за другим, последовательно, то просто складываешь их сопротивление. Если же они включены параллельно, то суммарное сопротивление будет равно:

1/Rсуммы = 1/R1+1/R2+1/R3+..+1/Rn

Конденсаторы складываются несколько иначе. Суммарная емкость батареи конденсаторов при последовательном включении будет равна:

1/Ñсуммы = 1/Ñ1+1/Ñ2+1/Ñ3+..+1/Ñn А при параллельном:

Ñсуммы = Ñ1+Ñ2+Ñ3+..+Ñn

Индуктивности складываются так же, как и сопротивления. Последовательное соединение вызывает сложение индуктивностей, а параллельное соединение будет вычисляться по формуле:

1/Lсуммы = 1/L1+1/L2+1/L3+..+1/Ln

рядки—вышесопротивленияделителя.Какправило,этовходымикросхем, имеющихсопротивлениевдесяткиМегаОм.

Ещеодинпримерприменениярезисторов—подтяжка,онажеpullup.Дело втом,чторазвходымикросхемимеютогромноесопротивление,тонаних наводитсякучапомехбуквальноизвоздуха,следовательно,значениена входеможетприниматьсовершеннослучайныйвид.Поэтомунеиспользованныевходысажаютназемлюлибочерезрезисторподтягиваюткплюсу, чтобытамбылоопределенноенапряжение:илиноль,илиплюспитания, соответственно.ЕслисобиралмоипрошлыедевайсынаAVR,то,наверное,помнишь,чтосигналRESETяподтягивалрезисторомкнапряжению питания. Можно,конечно,простоприпаятьRESETкплюсу,нотогдатыне сможешьсброситьпроцессорподведениемтудаземли—вызовешькорот- коезамыканиемеждуплюсомиминусом.Асподтягивающимрезистором этотфокуспройдетнаура,слабыйподтягвыводаRESETдоплюсабудет пересиленпрямымзамыканиемнаминус,ипроизойдетсброс.

Конденсатор

Онжеемкость—ещеодинвидпассивныхэлементов.Насхемеобозначен, какдвеодинаковые параллельныечерточки.Вотличиеотрезистора,кон- денсатор—этонелинейныйэлемент.Понашейканализационнойаналогии егоможносравнитьсрезиновымбаком.Вначале,когдаонпуст,водарезко егозаполняет,растягиваястенки.Постепенно,когдастенкирастянутсядо предела,егосопротивлениевозрастетнастолько,чтопотокводыостановится.Аеслиубратьвнешнеедавление,тохлынетобратно.

Такиэлектрическийконденсатор:когдаоннезаряжен,тоегосопротивле- ниеможнопринятьзаравноенулю,акогдазарядится,то—забесконеч- ность,обрыв.Токчерезнегоидеттольколишьвмоментзарядаилиразряда. Послеотсоединенияисточникатокаконденсаторсамначинаетдействоватькакисточник,поканеразрядится.

Конденсаторывэлектронике,восновном,используюткакфильтрующие элементы,удаляющиепомехи.Здоровенныеконденсаторынасиловыхцепях вблокахпитанияслужатдляподпиткисистемыприпиковыхнагрузках,сглаживаяпросадкинапряжения.Основанэтотэффектнатом,чтоконденсаторне пропускаетпостоянныйток,нопеременнаясоставляющаячерезнегопроходит наура.Сопротивлениеконденсаторапеременнойсоставляющейтоказависит отчастотыэтойсоставляющей.Чемвышечастота,темменьшесопротивление конденсатора.Витоге,всевысокочастотныепомехи,идущиеповерхпостоянногонапряжения,глушатсячерезконденсаторназемлю,оставляяпосле себяпостоянноенапряжение.Сопротивлениеконденсаторапеременной составляющейтакжезависитотемкостикондера,поэтому,ставяконденсаторы сразнойемкостью,можноотсеятьразныечастоты.

Емкостноесопротивлениерассчитываетсятак:

Хс = 1/ω C

Где Хс — емкостное сопротивление в Омах С — емкость в фарадах

ω— угловая частота переменной составляющей в радиан/с

ω= π f

где f — частота колебаний сигнала в герцах

Конденсатор может служить еще и времязадающим элементом в генераторах разного рода — от него будет зависеть частота генерации. Либо использоваться в качестве формирователя импульса, как пример, сброс в схемах на контроллере с инверсным Reset (мой любимый АТ89С51). Основан прикол на том факте, что конденсатор пропускает постоянный ток только в период заряда. Значит, если подключить инверсный reset через конденсатор на плюс, а через резистор на землю, то в начальный момент, пока конденсатор не заряжен, на reset будет подан плюс питания (так как незаряженный конденсатор — это почти короткое замыкание). Потом, когда конденсатор зарядится и превратится в обрыв, ножка reset окажется через резистор на земле. Получается, во время пуска на ножке reset будет кратковременный импульс положительного напряжения, достаточный для первичного сброса процессора. Таким образом, например, поступили в схеме программатора для АТ89С51 с сайта http://www.atprog.boom.ru/schprog.html.

Индуктивность

В народе катушка, грубо говоря, это кусок проволоки, намотанный на каркас. В группу входят и дроссели, и разного рода фильтры, и некоторые антенны. Также индуктивностью обладает все, что имеет обмотку, например двигатели или электромагниты, несмотря на то, что это не главное их свойство. Помни об этом при проектировании цепей. Увязать индуктивность в нашу канализационную теорию было нелегко, но, немного пораскинув мозгами, мы таки придумали. В гидро модели катушка похожа на турбину с неслабой инерцией, где величина инерция является прообразом индуктивности. На стабильно текущий поток турбина, будучи раскрученной этим же потоком, не влияет никак, но стоит потоку ослабнуть, как турбина начнет за счет инерции подталкивать его. И наоборот, если турбина остановлена, то при появлении потока она будет его тормозить, пока не раскрутится. Чем больше инерция, тем сильнее будет сопротивление потоку. Примерно так катушка индуктивности препятствует изменению тока, протекающего через нее.

Основное применение катушка находит в колебательных контурах генераторов и фильтрах, так как она имеет свойство пропускать через себя постоянную составляющую и подавлять переменную. В паре с конденсатором они образуют отличный Г-образный или П-образный фильтр.

Артемий «Di Halt» Исламов

/ di_halt@mail.ru /