概述
计算机系统基础实验报告
- 语言 C++
- 编译器 Dev C++
实验一：数的机器级表示
- 编写无符号数的转换：
unsigned int unsignedToValue(char binary[],int n);
要求在main中从屏幕读入n个二进制数即0或者是1，调用unsignedToValue函数返回此二进制数代表的无符号数的真值。 - 编写有符号数的转换：
int intToValue(char binary[],int n);
要求在main中从屏幕读入n个二进制数即0或者是1，调用intToValue函数返回此二进制数代表的有符号数的真值。 - 编写单精度浮点数的转换：
float floatToValue(char binary[]);
要求在main中从屏幕读入32个二进制数即0或者是1，调用intToValue函数返回此二进制数代表的浮点数的真值，要求能够输出非规格化数：无穷大，0，非数。
评分标准：
测试用例占分80分，本次共3+3+5一共11个测试用例，其中带符号数和无符号数6个用例，每个用例正确得10分，浮点数每个测试用例正确得5分，这里注意因为共有5个用例，满分20分，所以这里5个对任意4个就是满分。
带符号整数和无符号整数测试用例：
无符号数：
10000000000000000000000000000000
01111111111111111111111111111111
11111111111111111111111111111111
带符号数：
10000000000000000000000000000000
01111111111111111111111111111111
11111111111111111111111111111111
浮点数测试用例：
11000000111100000000000000000000
10000000000000000000000000000000
01111111111111111111111111111111
01111111100000000000000000000000
00000000011111111111111111111111
代码检查评判标准：
针对测试用例写特例判定代码的，针对一条扣10分
没有实现补码扣40
没有实现浮点数扣40
直接在main函数里实现，此处包括了不按照指导书定义的函数头开发的，本题得0分
代码测试占20分
无符号数，使用pow函数的扣5分，使用乘法运算的扣2分
有符号数，没有调用无符号数函数计算的扣2分，使用pow函数的扣3分，各位取反先计算出真值然后再加1的扣3分
浮点数，没有调用无符号数函数计算指数的扣2分，使用pow函数的扣3分
以上所有函数，在任意函数内调用printf或者cout输出结果的扣5分（这里的意思就是必须在main函数中输出结果，denorms可以除外）
不能判定denorms和非数扣10分
代码严重冗余扣5分（即本次实验的三个函数中任一函数代码行数包含所有子函数超过30行）
#include <iostream>
/* run this program using the console pauser or add your own getch, system("pause") or input loop */
unsigned int unsignedToValue(char binary[],int n);
int intToValue(char binary[],int n);
float floatToValue(char binary[]);
int main(int argc, char** argv) {
char binary[33];
gets(binary);
// printf("%u",unsignedToValue(binary,32));
// printf("%d",intToValue(binary,32));
printf("%f",floatToValue(binary));
return 0;
}
unsigned int unsignedToValue(char binary[],int n) {
unsigned int sum = 0;
for(int i = 0; i < n; i++) {
sum = sum + ((binary[i]-'0')<<(n-1-i));
}
return sum;
}
int intToValue(char binary[],int n) {
int symbol = 1;
int sum = 0;
if(binary[0]=='1') {
symbol = -1;
for(int i = 31; i > -1; i--) {
if(binary[i]=='1') {
for(int temp = i-1; temp>-1; temp--) {
binary[temp]^=1;
}
break;
}
}
sum = unsignedToValue(binary,32)*symbol;
return sum;
} else {
for(int i = 1; i < n; i++) {
sum = sum + ((binary[i]-'0')<<(31-i));
}
sum = sum * symbol;
return sum;
}
}
float floatToValue(char binary[]) {
float sum = 0;
int exponent = 0;
int symbol = 1;
float significand = 0;
if(binary[0]=='1') {
symbol = -1;
}
for(int i = 1; i < 9; i++) {
exponent = exponent + ((binary[i]-'0')<<(8-i));
}
exponent = exponent - 127;
if(exponent>=0) {
for(int i = 9; i < 32; i++) {
significand = significand + ((binary[i]-'0')<<(exponent))/(float(1<<(i-8)));
}
sum = (significand + (1<<exponent)) * symbol;
} else {
for(int i = 9; i < 32; i++) {
significand = significand + ((binary[i]-'0')/float(1<<(-exponent)))/(float(1<<(i-8)));
}
sum = (significand + (1/float(1<<(-exponent)))) * symbol;
}
if((exponent==128)&&(significand==0)) {
return (1.0/0.0);//Infinity
}
if((exponent==128)&&(significand!=0)) {
return (0.0/0.0);//NaN
}
if((exponent==-127)&&(significand!=0)) {
char denorms[8] = "denorms";
printf("%sn",denorms);
return 0;//Denorms
}
return sum;
}
实验二：定点数加减法的机器级表示
- 编写整数加减法器：
设在main中有如下数组：
char int1[n+1];
char int2[n+1];
编写函数
Char * addsub(char int1[],char int2[],int flag, int n);
当flag为0时表示加法运算，当flag为1时表示减法运算，做n位的加减法运算，将运算结果保存至int2中，在main函数中输出运算结果。m和n分别是int1和int2的长度。在函数中必须要计算OF,CF,SF,ZF，将4个F作为返回值返回，并在main函数中输出4个值，判定是否产生了溢出，是哪一种溢出。
评分标准：
共5个测试用例，测试分数80分。前4个测试用例每个15分，最后一个20分。
0111-0111
0111+1000
0001+1111
0111+0001
0111-1000
代码检查扣分标准：
分别实现加法器和减法器的本题得0分
分别实现无符号加减法和有符号加减法的本题得0分
先分别计算真值，然后做十进制加减法的本题得0分
直接在main函数里实现，此处包括了不按照指导书定义的函数头开发的，本题得0分
针对测试用例写特例判定代码的，针对一条扣20分
代码测试占20分（以下扣分可以重叠，扣到20为止）
在main函数以外的函数中输入输出的扣5分
使用全局变量的扣5分
代码严重冗余扣5分（即addsub函数代码行数包含所有子函数超过50行）
实现全加器时使用if else的扣20分
实现全加器时使用/和%的扣5分
计算OF和CF时使用if else的扣10分
#include <iostream>
#include <stdio.h>
/* run this program using the console pauser or add your own getch, system("pause") or input loop */
using namespace std;
char * addsub(char int1[],char int2[],int flag, int n);
int main(int argc, char** argv) {
int n;
cin>>n;
char int1[n+1];
for(int i = 0; i < n+1; i++) {
cin>>int1[i];
}
char int2[n+1];
for(int i = 0; i < n+1; i++) {
cin>>int2[i];
}
char *result;
result = addsub(int1, int2, 1, n);
cout<<"OF:"<<result[0]<<"nCF:"<<result[1]<<"nSF:"<<result[2]<<"nZF:"<<result[3];
printf("n运算结果：");
for(int i = 0; i < (n+1); i++) {
printf("%c",int2[i]);
}
return 0;
}
char * addsub(char int1[],char int2[],int flag, int n) {
char OF = '0', CF = '0', ZF = '0';
int Cin = 0, Cout = 0, Cnsubone = 0;
if(flag==1) { //减法运算，求int2的补码
Cin = 1;
for(int i = n; i >= 0; i--) {
if(int2[i]=='1') {
for(int temp = i-1; temp>-1; temp--) {
int2[temp]^=1;
}
break;
}
}
}
bool carry = false;//判断是否进位
for(int i = n; i >= 0; i--) {
if(!carry) {
if((int1[i]^int2[i])==0) {
if((int1[i]=='1')&&(int2[i]=='1')) {
carry = true;
}
int2[i] = '0';
} else {
int2[i] = '1';
}
} else {
if((int1[i]^int2[i])==0) {
carry = ((int1[i]=='1')&&(int2[i]=='1')) ? true : false;
int2[i] = '1';
} else {
int2[i] = '0';
carry = true;
}
}
if(i==1) {
Cnsubone = carry ? 1 : 0;
}
if(i==0) {
Cout = carry ? 1 : 0;
}
}
int count = 0;
for(int i = 0; i < n+1; i++) {
if(int2[i]=='0') {
count++;
}
}
(count==n+1) ? (ZF='1') : (ZF='0');
char *fourF = new char[4];
((Cout^Cnsubone) == 1) ? (fourF[0] = '1') : (fourF[0] = '0'); //判断OF并且赋值
((Cin^Cout) == 1) ? (fourF[1] = '1') : (fourF[1] = '0'); //判断CF并且赋值
fourF[2] = int2[0];//SF
fourF[3] = ZF;//ZF
return fourF;
}
实验三：同符号浮点数加法运算/无符号定点数乘法运算的机器级表示
- 编写浮点数加法器：
设在main中有如下数组：
char float1[33];
char float2[33];
编写函数
char * addfloat(char float1[],char float2[]);
最终调用实验一floatToValue函数输出浮点数加法的十进制结果，在函数内部要求有保护位和舍入位并通过这两位判定是否舍入。 - 编写n位无符号整数乘法运算器：
char int1[n+1];
char int2[n+1];
编写函数
void mul(char int1[],char int2[],int n);
在运算结束后，将高n位保存在int1中，低n位保存在int2中。
提示： - 乘法运算要求必须编写乘法器，不可以将二进制串先转换为十进制，做乘法运算后再转换为二进制。
- 浮点数加法器应当分为几个函数来写：计算阶码exponent，尾数右移shift，无符号整数加法器add。
- 浮点数加法器的总过程是对阶、尾数相加、右规、舍入
- 注意到尾数共有23位，舍入需要加2位，隐藏的1需要加1位，加法运算有可能进1再加1位，因此尾数用一个27位的数组来表示会大大简化计算难度。
评分标准：
共4个测试用例，测试分数80分。每个20分。浮点数加法注意，只需要实现同符号数加法即可。
乘法：
0011
0011
1000
0010
浮点数：
01000010111100000000000000000000
01000001110100000000000000000000
01111111000000000000000000000000
01111111000000000000000000000000
代码检查扣分标准：
浮点数加法器分别计算真值，然后做十进制加法的本题得0分。
乘法器分别计算真值，然后做十进制乘法的本题得0分
直接在main函数里实现，此处包括了不按照指导书定义的函数头开发的，本题得0分
针对测试用例写特例判定代码的，针对一条扣20分
代码测试占20分（以下扣分可以重叠，扣到20为止）
在main函数以外的函数中输入输出的扣5分（浮点数输出溢出除外）
代码严重冗余扣5分（即浮点数加法器函数，包含所有子函数代码行数超过150行）
代码不判定溢出的扣5分，此处包含了两个函数
浮点数不能返回真值的扣5分
浮点数加法时使用if else的扣10分，使用/和%的扣5分。
不实现舍入扣10分
#include <iostream>
#include <stdio.h>
/* run this program using the console pauser or add your own getch, system("pause") or input loop */
using namespace std;
char * addfloat(char float1[],char float2[]);
float floatToValue(char binary[]);
void mul(char int1[],char int2[],int n);
int main(int argc, char** argv) {
//浮点数相加的输入输出
char float1[33];//a
for(int i = 0; i < 32; i++) {
cin>>float1[i];
}
char float2[33];//b
for(int i = 0; i < 32; i++) {
cin>>float2[i];
}
char *result;
result = addfloat(float1,float2);
printf("n二进制结果：");
for(int i = 0; i < 32; i++) {
printf("%c",result[i]);
}
printf("n十进制结果：%f",floatToValue(result));
//乘法器的输入输出
int n;
cin>>n;
char int1[n+1];
for(int i = 0; i < n+1; i++) {
cin>>int1[i];
}
char int2[n+1];
for(int i = 0; i < n+1; i++) {
cin>>int2[i];
}
mul(int1, int2, n);
printf("nint1中保存高n位：");
for(int i = 0; i < n+1; i++){
cout<<int1[i];
}
printf("nint2中保存低n位：");
for(int i = 0; i < n+1; i++){
cout<<int2[i];
}
return 0;
}
char * addfloat(char float1[],char float2[]) {
int protectionBit = 0, roundingBit = 0, exponent1 = 0, exponent2 = 0, shift = 0;//保护位；舍入位; 阶码1；阶码2； 尾数右移位数
char *finalResult = new char[32];
char finalSignificand[23] = {};
for(int i = 1; i < 9; i++) {
exponent1 = exponent1 + ((float1[i]-'0')<<(8-i));
}
for(int i = 1; i < 9; i++) {
exponent2 = exponent2 + ((float2[i]-'0')<<(8-i));
}
shift = (exponent1 >= exponent2) ? (exponent1 - exponent2) : (exponent2 - exponent1);
char significandSmall[23+shift+1] = {};//阶码小的
char significandBig[24] = {};//阶码大的
char significandSum[23+shift+1] = {};
significandSmall[shift] = '1';
significandBig[0] = '1';
for(int i = 0; i < shift; i++) {
significandSmall[i] = '0';
}
if(exponent1 >= exponent2) {
for(int i = 9; i < 32; i++) {
significandSmall[i-9+shift+1] = float2[i];
significandBig[i-8] = float1[i];
}
} else {
for(int i = 9; i < 32; i++) {
significandSmall[i-9+shift+1] = float1[i];
significandBig[i-8] = float2[i];
}
}
for(int i = (23+shift); i > 23; i--) {
significandSum[i] = significandSmall[i];
}
bool carry = false;//判断是否进位
for(int i = 23; i > -1; i--) {
if(!carry) {
if((significandBig[i]^significandSmall[i])==0) {
if((significandBig[i]=='1')&&(significandSmall[i]=='1')) {
carry = true;
}
significandSum[i] = '0';
} else {
significandSum[i] = '1';
}
} else {
if((significandBig[i]^significandSmall[i])==0) {
carry = ((significandBig[i]=='1')&&(significandSmall[i]=='1')) ? true : false;
significandSum[i] = '1';
} else {
significandSum[i] = '0';
carry = true;
}
}
if(exponent1 >= exponent2) {
if((i==0)&&carry) {//右规一次，exponent1（阶码大的）阶码加一
for(int i = 8; i > 0; i--) {
finalResult[i] = float1[i];
}
for(int i = 8; i > 0; i--) {
if(float1[i] == '1') {
finalResult[i] = '0';
} else {
finalResult[i] = '1';
break;
}
}
}
} else {
if((i==0)&&carry) {//右规一次，exponent1（阶码大的）阶码加一
for(int i = 8; i > 0; i--) {
finalResult[i] = float2[i];
}
for(int i = 8; i > 0; i--) {
if(float2[i] == '1') {
finalResult[i] = '0';
} else {
finalResult[i] = '1';
break;
}
}
}
}
}
for(int i = 0; i < 23; i++) {
finalResult[i+9] = significandSum[i];
}
if((float1[0]=='1')&&(float2[0]=='1')) {
finalResult[0] = '1';
} else if((float1[0]=='0')&&(float2[0]=='0')) {
finalResult[0] = '0';
}
//00、01舍；11入；10强制为偶数（若最后一位为1）
if((significandSum[23]=='1')&&(significandSum[24]=='1')) { //11入
if(finalResult[31]=='0') {
finalResult[31] = '1';
} else {
for(int i = 31; i > -1; i--) {
if(finalResult[i]=='1') {
finalResult[i] ='0';
} else {
finalResult[i] ='1';
break;
}
}
}
} else if((significandSum[23]=='1')&&(significandSum[24]=='0')) { //10强制为偶数（若最后一位为1）
if(finalResult[31]=='1') {
finalResult[31] = '0';
for(int i = 30; i > -1; i--) {
if(finalResult[i]=='1') {
finalResult[i] = '0';
} else {
finalResult[i] = '1';
break;
}
}
}
}
return finalResult;
}
float floatToValue(char binary[]) {
float sum = 0;
int exponent = 0;
int symbol = 1;
float significand = 0;
if(binary[0]=='1') {
symbol = -1;
}
for(int i = 1; i < 9; i++) {
exponent = exponent + ((binary[i]-'0')<<(8-i));
}
exponent = exponent - 127;
if(exponent>=0) {
for(int i = 9; i < 32; i++) {
significand = significand + ((binary[i]-'0')<<(exponent))/(float(1<<(i-8)));
}
sum = (significand + (1<<exponent)) * symbol;
} else {
for(int i = 9; i < 32; i++) {
significand = significand + ((binary[i]-'0')/float(1<<(-exponent)))/(float(1<<(i-8)));
}
sum = (significand + (1/float(1<<(-exponent)))) * symbol;
}
if((exponent==128)&&(significand==0)) {
return (1.0/0.0);//Infinity
}
if((exponent==128)&&(significand!=0)) {
return (0.0/0.0);//NaN
}
if((exponent==-127)&&(significand!=0)) {
char denorms[8] = "denorms";
printf("%sn",denorms);
return 0;//Denorms
}
return sum;
}
void mul(char int1[],char int2[],int n) {
//在运算结束后，将高n位保存在int1中，低n位保存在int2中
char *sum = new char[2*(n+1)];
char *temp = new char[2*(n+1)];
for(int i = 0; i < 2*(n+1); i++) {
sum[i] = '0';
temp[i] = '0';
}
for(int i = n; i > -1; i--) {
if(int2[i]=='1') {
for(int k = 0; k < 2*(n+1); k++) {
temp[k] = '0';
}
for(int j = n; j > -1; j--) {
temp[j+i+1] = int1[j];
}
bool carry = false;//判断是否进位
for(int i = (2*n + 1); i > -1; i--) {
if(!carry) {
if((sum[i]^temp[i])==0) {
if((sum[i]=='1')&&(temp[i]=='1')) {
carry = true;
}
sum[i] = '0';
} else {
sum[i] = '1';
}
} else {
if((sum[i]^temp[i])==0) {
carry = ((sum[i]=='1')&&(temp[i]=='1')) ? true : false;
sum[i] = '1';
} else {
sum[i] = '0';
carry = true;
}
}
}
}
}
for(int i = 0; i < (n+1); i++){
int1[i] = sum[i];
}
for(int i = (n+1); i < 2*(n+1); i++){
int2[i-n-1] = sum[i];
}
}
实验四：高级语言的机器级表示
写一段C语言程序包含循环分支和过程调用，查阅并分析汇编代码，下面是参考可写的程序，可以不按照以下程序来写，特别注意可以没有数组。
定义一个数组int sum[5];
通过循环从屏幕输入5个数进数组sum
调用函数int Sum(int sum[])计算数组中所有元素的和并返回
如果返回值大于50则输出平均值大于10，否则输出平均值小于10.
编译通过后查阅汇编代码并结合你写的C语言程序书写报告描述以下问题：
- 函数调用的汇编代码是如何描述的，参数放在什么地址（可以假设%ebp和%esp地址已知）
- 分支语句的汇编描述方法
- 循环的汇编描述方法
提示：
查看汇编代码方法：
编译
设置断点 F11或在Build -> Start Debug ->Step Into
右键点击断点箭头，Go to disassembly
…为了汇编代码简单，C++代码也写得简单
#include <iostream>
#include <stdio.h>
/* run this program using the console pauser or add your own getch, system("pause") or input loop */
int Sum(int temp);
int main(int argc, char** argv) {
int temp = 0;
printf("请输入一个数：");
scanf("%d",&temp);
int result = Sum(temp);
printf("n结果数值为：%d",result);
return 0;
}
int Sum(int temp){
for(int i = 0; i < 3; i++){
temp = temp + i;
}
if(temp % 2 == 0){
printf("结果为偶数");
}else{
printf("结果为奇数");
}
if(temp > 10){
printf("n结果大于10");
}else{
printf("n结果小于等于10");
}
return temp;
}
Main:
0x00401552 <+0>: push %ebp
0x00401553 <+1>: mov %esp,%ebp
0x00401555 <+3>: and $0xfffffff0,%esp
0x00401558 <+6>: sub $0x20,%esp//开辟一个大小为20的栈帧
0x0040155b <+9>: call 0x40d5f0 <__main>//调用主函数
=> 0x00401560 <+14>: movl $0x0,0x18(%esp)//把0存进esp寄存器
0x00401568 <+22>: movl $0x48c000,(%esp)//把0赋值给实参temp(int temp = 0)
0x0040156f <+29>: call 0x401529 <printf(char const*, ...)>//调用printf函数输出
0x00401574 <+34>: lea 0x18(%esp),%eax//将实参temp地址放入寄存器eax中
0x00401578 <+38>: mov %eax,0x4(%esp)//将寄存器eax中保存的值赋到第二个参数（&a）中
0x0040157c <+42>: movl $0x48c00f,(%esp)//将字符串%d放到第一个参数中
0x00401583 <+49>: call 0x401500 <scanf(char const*, ...)>//调用scanf输入(scanf("%d",&temp);)
0x00401588 <+54>: mov 0x18(%esp),%eax//将实参temp的值赋到eax寄存器中
0x0040158c <+58>: mov %eax,(%esp)//将eax寄存器中的值赋给temp
0x0040158f <+61>: call 0x4015b3 <Sum(int)>//调用Sum函数(int result = Sum(temp);)
0x00401594 <+66>: mov %eax,0x1c(%esp)//把eax寄存器中的值存到0x1c(%esp)
0x00401598 <+70>: mov 0x1c(%esp),%eax//把0x1c(%esp)处存放的值赋给eax寄存器中
0x0040159c <+74>: mov %eax,0x4(%esp)//把寄存器eax中的值赋给第二个实参result
0x004015a0 <+78>: movl $0x48c012,(%esp)//把字符串存放到第一个参数中
0x004015a7 <+85>: call 0x401529 <printf(char const*, ...)> //调用printf函数输出
0x004015ac <+90>: mov $0x0,%eax//把0存放在eax寄存器中等待返回（根据约定应通过eax返回）
0x004015b1 <+95>: leave
0x004015b2 <+96>: ret//结束，返回0
Sum：
0x004015b3 <+0>: push %ebp
0x004015b4 <+1>: mov %esp,%ebp
0x004015b6 <+3>: sub $0x28,%esp
=> 0x004015b9 <+6>: movl $0x0,-0xc(%ebp)//把0赋给参数i
0x004015c0 <+13>: jmp 0x4015cc <Sum(int)+25>//for循环开始，直接跳转到25
0x004015c2 <+15>: mov -0xc(%ebp),%eax//把参数i存放到eax寄存器中
0x004015c5 <+18>: add %eax,0x8(%ebp)//把寄存器eax中i的值与形参temp相加后赋值给形参temp
0x004015c8 <+21>: addl $0x1,-0xc(%ebp)//i++
0x004015cc <+25>: cmpl $0x2,-0xc(%ebp)//比较参数i和立即数2
0x004015d0 <+29>: jle 0x4015c2 <Sum(int)+15>// 如果i<=2,跳转到15
0x004015d2 <+31>: mov 0x8(%ebp),%eax//把形参temp的值保存在寄存器中
0x004015d5 <+34>: and $0x1,%eax//将寄存器中temp与1做与运算
0x004015d8 <+37>: test %eax,%eax//做按位与操作判断除于2是否等于0
0x004015da <+39>: jne 0x4015ea <Sum(int)+55>//如果不相等，则跳转到55
0x004015dc <+41>: movl $0x48c022,(%esp)//把字符串存放到esp寄存器中
0x004015e3 <+48>: call 0x401529 <printf(char const*, ...)> //调用printf函数输出
0x004015e8 <+53>: jmp 0x4015f6 <Sum(int)+67>//直接跳转到67，分支结束
0x004015ea <+55>: movl $0x48c02d,(%esp) //把字符串存放到esp寄存器中
0x004015f1 <+62>: call 0x401529 <printf(char const*, ...)> //调用printf函数输出
0x004015f6 <+67>: cmpl $0xa,0x8(%ebp)//比较形参temp和立即数10
0x004015fa <+71>: jle 0x40160a <Sum(int)+87>//如果temp<=10，跳转到87
0x004015fc <+73>: movl $0x48c038,(%esp)// 将字符串存放到esp寄存器中
0x00401603 <+80>: call 0x401529 <printf(char const*, ...)> //调用printf函数输出
0x00401608 <+85>: jmp 0x401616 <Sum(int)+99>//跳转到99，分支结束
0x0040160a <+87>: movl $0x48c044,(%esp)//将字符串存放到esp寄存器中
0x00401611 <+94>: call 0x401529 <printf(char const*, ...)> //调用printf函数输出
0x00401616 <+99>: mov 0x8(%ebp),%eax//将形参temp存放到寄存器eax中（根据约定应通过eax返回）
0x00401619 <+102>: leave
0x0040161a <+103>: ret//结束，返回temp
最后
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