ZUCC_计算机系统原理实验_实验五 位运算
2024-05-22 17:02:57
浙江大学城市学院实验报告
一、实验目的：
了解高级语言中数据类型的转换和移位操作结果，从而能更好地理解指令系统设计和计算机硬件设计所需满足的要求和需要考虑的问题；
二、实验内容：
- 编写程序，完成实验讲义中的类型转换；
- 编写程序，测试xor_swap函数；
- 编写程序，测试并修改reverse_array函数；
三、实验步骤
1、编写程序，完成满足实验内容1的C语言表达式，并输出验证。
源代码：
#include <stdio.h>typedef unsigned char *byte_pointer;void show_bytes(byte_pointer start, int len) {int i;printf("0x");for (i = 0; i < len; i++)printf(" %.2x", start[i]);printf("\n");
}
void show_int(int x) {show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(int));
}int main(){int x = 0x12345678;//第一题show_int(x & 0xff000000);//第二题show_int(x & 0xff);//第三题show_int((x | 0xff) ^ 0xffffffff);//第四题show_int(x | 0xff);return 0;
}
运行结果：
2、编写程序，实现实验内容2中的类型转换，并解释程序运行结果。
源代码：
#include <stdio.h>typedef unsigned char *byte_pointer;void show_bytes(byte_pointer start, int len) {int i;printf("0x");for (i = 0; i < len; i++)printf(" %.2x", start[i]);printf("\n");
}
void show_int(int x) {printf("%d\t", x);show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(int));
}
void show_short(short x) {printf("%d\t", x);show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(short));
}
void show_float(float x) {printf("%f\t", x);show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(float));
}
void show_double(double x) {printf("%f\t", x);show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(double));
}
void show_unsigned_short(unsigned short x) {printf("%u\t", x);show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(unsigned short));
}
void show_unsigned_int(unsigned int x) {printf("%u\t", x);show_bytes((byte_pointer) &x, sizeof(unsigned int));
}int main(){//第一题short s = -12345;printf("Numb1\nint: ");show_int((int) s);printf("unsigned short: ");show_unsigned_short((unsigned short) s);printf("unsigned int: ");show_unsigned_int((unsigned int) s);printf("float: ");show_float((float) s);//第二题int x = 2147483647;printf("\nNumb2\nshort: ");show_short((short) x);printf("unsigned short: ");show_unsigned_short((unsigned short) x);printf("unsigned int: ");show_unsigned_int((unsigned int) x);printf("float: ");show_float((float) x);//第三题float f = 123456.789e5;printf("\nNumb3\ndouble: ");show_double((double) f);//第四题double d = 123456789e5;printf("\nNumb4\nfloat: ");show_float((float) f);//第五题short sm = -12345;unsigned short usm = -12345;printf("\nNumb5\nshort LM: ");show_short(sm << 2);printf("short RM: ");show_short(sm >> 2);printf("unsigned short LM: ");show_unsigned_short(usm << 2);printf("unsigned short RM: ");show_unsigned_short(usm >> 2);return 0;
}
运行结果：
对运行结果的解释：
第一题
- s（0xCFC7）由 short 转 int 没有精度损失，内存中数据仍按照原先的补码顺序保存。值得注意的是，这里由于使用小端存储，导致最后输出的16进制码与补码互逆
- short 转 unsigned short 符号位转换为数值位，有数据的改变。详细来说，由 0xCFC7 转为无符号值后，具体数值并未发生变化，但数值的解读发生了变化，将原来的符号位转化为数值位（原来15位–>16位），故转为十进制后为53191
- short 先转为 int 再转为 unsigned int，故 unsigned in t的机内码和 int 的机内码一致。具体在第二部转换过程中，同样发生了符号位转为数值位（原来31位–>32位），故转为十进制后为4294954951
- short 转 float 可能会产生精度损失。这里具体来说，符号位1，阶码127+13=140，尾数0x40E400，即0xC640E400（这里没有精度损失）
第二题
- x（0x7FFFFFFF）由 int 转 short 会发生截断，即只保留低4位（0xFFFF），故十进制为-1
- int 先转为 short 再转为 unsigned short，第二部分具体来说，即符号位转为数值为，故十进制为65535
- int 转 unsigned int ，即符号位转为数值为，故十进制为2147483647
- int 转 float 可能会产生精度损失。这里具体来说，符号位0，阶码127+30=157，尾数0x3FFFFFFF，即0x4EFFFFFF。但由于这里的 int 比较特殊，发生了舍入。在表示尾数时C99下之间认为是1.0（实际0.11…1），故阶码为127+31=158，尾数近似为 0，最后输出十六进制为0x4F000000
第三题
- f 由 float 转 double 不会出现问题，只是占位长度从4位变为8位。但赋值语句
float f = 123456.789e5;本质是将 int 转为 float 再赋值。在这个过程中，发生了舍入，最终 f 的值是12345678848.0（0x5037F707）。故在转化为 double 后为12345678848.0，十六进制表示为0x4206FEE0E0000000
第四题
- d 由 double 转 float 可能会出现丢失精度的问题。同样，这里先由 int 转 double，但没有发生舍入，最终 d 的值为12345678900.0，十六进制表示为0x4206FEE0E1A00000。在第二部分过程发生了舍入，故转化为 float 后为12345678848.0，十六进制为0x5037F707。
第五题
- sm（0xCFC7）左移两位后为 0x3F1C，右移（由于是有符号数采用算术右移，最高位补符号位）两位后为0xF3F1。usm（53191，0xCFC7）左移两位后为 0x3F1C，右移（由于是有符号数采用算术右移，最高位补符号位）两位后为0x33F1。
3、编写测试程序test1.c，调用实验内容3中的xor_swap函数，并使用gdb工具调试程序，查看每步执行结果。
源代码：
#include <stdio.h>void xor_swap(int *x, int *y) {*y = *x ^ *y;*x = *x ^ *y;*y = *x ^ *y;
}int main(){int x = 1, y = -1;xor_swap(&x, &y);printf("x:%d\tY:%d\n", x, y);return 0;
}
调试过程截图展示：
调试准备
设置断点
查看每一步执行结果
- 初始化x，y
*y = *x ^ *y;
*x = *x ^ *y;
*y = *x ^ *y;
- 函数结束后
对每步运行结果的解释：
| 步骤 | *x | *y |
|---|---|---|
| 初始 | a | b |
| *y = *x ^ *y | a | a ^ b |
| *x = *x ^ *y | a ^ (a ^ b) = (a ^ a) ^ b = b | a ^ b |
| *y = *x ^ *y | b | b ^ (a ^ b) = (b ^ b) ^ a = a |
4、编写测试程序test2.c，调用实验内容4中的reverse_array和实验内容2中的xor_swap函数，并使用gdb工具调试程序，查看每步执行结果，回答实验内容4中的问题，并修改程序使之正确。
源代码：
#include <stdio.h>void xor_swap(int *x, int *y) {*y = *x ^ *y;*x = *x ^ *y;*y = *x ^ *y;
}
void reverse_array(int a[], int len) {int left, right = len - 1;for (left = 0; left <= right; left++, right--) {xor_swap(&a[left], &a[right]);}
}int main(){int c[3] = {1, 2, 3};reverse_array(c, 3);for (i = 0; i < 3; i++){printf("%d ", c[i]);}printf("\n");return 0;
}
调试过程截图展示：
调试准备
设置断点
查看每一步执行结果
- 初始化数组
- 进入for循环中出现问题的函数调用
- 初始化*x， *y
*y = *x ^ *y
*x = *x ^ *y
*y = *x ^ *y
- 函数结束后
对每步运行结果的解释：
- reverse_array 函数效果是对一个指定数组的指定部分从两端开始调用 xor_swap 函数，做到翻转数组的效果。但在 reverse_array 函数中的 for 循环中，由于传入 len 可能为奇数，将导致 left 和 right 指向同一个位置，运算结果为0，具体如下图
| 步骤 | *x | *y |
|---|---|---|
| 初始 | a | a |
| *y = *x ^ *y | a | a ^ a = 0 |
| *x = *x ^ *y | 0 ^ 0 = 0 | 0 |
| *y = *x ^ *y | 0 | 0 |
修改后的reverse_array代码：
void reverse_array(int a[], int len) {int left, right = len - 1;for (left = 0; left < right; left++, right--) {xor_swap(&a[left], &a[right]);}
}
修改后的程序运行结果：
四、思考题
1、无符号数和带符号整数的扩展操作方式是否相同？分别是如何进行的？
不同
- 对于无符号数，拓展位数即在高位补0；对于有符号数，拓展位数即在高位补符号位。
2、补码整数（如int型数）是否总能转换为等值的float类型数据？为什么？
不一定
- 例如 int 的有效数值最多可以由31位，而 float 的精度最多是23位，如果编译器转换时识别到精度损失将会对发生舍入操作，并伴有精度损失。
3、float型数据是否总能转换成等值的double型数据？为什么？
可以
- IEEE754下 float 的组成是1位符号位，8位阶码，23位尾数；double 的组成是1位符号位，11位阶码，52位尾数。显然转换时不会出问题。
4、长数被截断成短数后可能发生什么现象？为什么？
如果有效位数仍小于截断数，则大小不发生变化。
- 如果有效位数仍大于截断数，且短数为无符号数时，导致数值变小；如果是有符号数，会伴随着符号位的改变，于是这里会有三种情况
- 正常（这里只是针对数据属性没有发生变化，不针对具体数值）
- 正溢出（正数变负数）
- 负溢出（负数变正数）
5、C语言中移位操作规则与操作对象的数据类型有关吗？
右移有关，左移无关
- 左移都是在低位补0
- 右移对于无符号数，在高位补0；对于有符号数，在高位补符号位
6、左移2位和右移2位操作分别相当于扩大和缩小几倍？
扩大四倍，缩小四倍
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