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计算机系统实验报告

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  实验报告
  实 验（二）
  题 目 DataLab 数据表示

专 业 计算学部
学 号 190110812
班 级 7
学 生 刘新晨
指 导 教 师 吴锐
实 验 地 点 G709
实 验 日 期 2021/3/29
计算机科学与技术学院

计算机系统实验报告

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  目 录

第 1 章 实验基本信息…- 4 -
1.1 实验目的… - 4 -
1.2 实验环境与工具…错误!未定义书签。
1.2.1 硬件环境…错误!未定义书签。
1.2.2 软件环境…错误!未定义书签。
1.2.3 开发工具…错误!未定义书签。
1.3 实验预习… - 4 -
第 2 章 实验环境建立…- 5 -
2.1 UBUNTU 下 CODEBLOCKS 安装… - 5 -
2.2 64 位 UBUNTU 下 32 位运行环境建立… - 5 -
第 3 章 C 语言的数据类型与存储…- 7 -
3.1 类型本质（1 分）… - 7 -
3.2 数据的位置-地址（2 分） … - 7 -
3.3 MAIN 的参数分析（2 分）… - 9 -
3.4 指针与字符串的区别（2 分）… - 10 -
第 4 章 深入分析 UTF-8 编码…- 12 -
4.1 提交 UTF8LEN.C 子程序… - 12 -
4.2 C 语言的 STRCMP 函数分析 … - 12 -
4.3 讨论：按照姓氏笔画排序的方法实现… - 12 -
第 5 章 数据变换与输入输出…- 13 -
5.1 提交 CS_ATOI.C … - 13 -
5.2 提交 CS_ATOF.C … - 13 -
5.3 提交 CS_ITOA.C … - 13 -
5.4 提交 CS_FTOA.C … - 13 -
5.5 讨论分析 OS 的函数对输入输出的数据有类型要求吗 … - 13 -
第 6 章 整数表示与运算…- 14 -
6.1 提交 FIB_DG.C… - 14 -
6.2 提交 FIB_LOOP.C … - 14 -
6.3 FIB 溢出验证… - 14 -
6.4 除以 0 验证：… - 14 -
第 7 章 浮点数据的表示与运算…- 16 -
7.1 正数表示范围… - 16 -
7.2 浮点数的编码计算… - 16 -
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  7.3 特殊浮点数值的编码… - 17 -
  7.4 浮点数除 0 … - 17 -
  7.5 FLOAT 的微观与宏观世界 … - 18 -
  7.6 讨论：任意两个浮点数的大小比较… - 18 -
  第 8 章 舍位平衡的讨论…- 18 -
  8.1 描述可能出现的问题… - 18 -
  8.2 给出完美的解决方案… - 18 -
  第 9 章 总结…- 19 -
  9.1 请总结本次实验的收获… - 19 -
  9.2 请给出对本次实验内容的建议… - 19 -
  参考文献…- 20 -

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第 1 章 实验基本信息
1.1 实验目的
熟练掌握计算机系统的数据表示与数据运算
通过 C 程序深入理解计算机运算器的底层实现与优化
掌握 VS/CB/GCC 等工具的使用技巧与注意事项
1.2 实验环境与工具
1.2.1 硬件环境
X64 CPU;8G RAM;2.60GHz;
1.2.2 软件环境
Win10 64 位以上；VMware 15.5.7; Ubuntu 64 位
1.2.3 开发工具
Visual Studio 2019 64 位以上；CodeBlocks 64 位；vi; vim; gcc
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  第 2 章 实验环境建立

2.1 Ubuntu 下 CodeBlocks 安装
CodeBlocks 运行界面截图：编译、运行 hellolinux.c
2.2 64 位 Ubuntu 下 32 位运行环境建立
在终端下，用 gcc 的 32 位模式编译生成 hellolinux.c。执行此文件。
Linux 及终端的截图。
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  第 3 章 C 语言的数据类型与存储
  3.1 类型本质（1 分）
  Win/VS/x86 Win/VS/x64 Win/CB/32 Win/CB/64 Linux/CB/32 Linux/CB/64
  char 1 1 1 1 1 1
  short 2 2 2 2 2 2
  int 4 4 4 4 4 4
  long 4 4 4 4 4 8
  long long 8 8 8 8 8 8
  float 4 4 4 4 4 4
  double 8 8 8 8 8 8
  long
  double
  8 8 12 16 12 16
  指针 4 8 4 8 4 8
  C 编译器对 sizeof 的实现方式：
  sizeof 不是函数，也不是操作符。因为在编译运行时它没有被编译成机器指令，
  可以把它看做成是一个宏。
  3.2 数据的位置-地址（2 分）
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  打印 x、y、z 输出的值：
  反汇编查看 x、y、z 的地址，每字节的内容
  反汇编查看 x、y、z 在代码段的表示形式。
  64 位如下
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  32 位如下
  x 与 y 在汇编阶段转换成补码与 ieee754 编码。
  数值型常量与变量在存储空间上的区别是：局部静态变量和全局变量存储在数
  据段，局部变量存储在堆栈段
  字符串常量与变量在存储空间上的区别是：字符串常量保存在代码段，静态变
  量和全局变量保存在数据段，局部变量在堆栈段
  常量表达式在计算机中处理方法是：在编译阶段转换成常量来存储
  3.3 main 的参数分析（2 分）
  反汇编查看 x、y、z 的地址，argc 的地址，argv 的地址与内容
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  3.4 指针与字符串的区别（2 分）
  cstr 的地址与内容截图，pstr 的内容与截图，截图
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  pstr 修改内容会出现什么问题字符串指针为常量不可修改，修改会导致程序出
  错，无法运行
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  第 4 章 深入分析 UTF-8 编码
  4.1 提交 utf8len.c 子程序
  4.2 C 语言的 strcmp 函数分析
  分析论述：strcmp 到底按照什么顺序对汉字排序
  按康熙字典的方法
  4.3 讨论：按照姓氏笔画排序的方法实现
  分析论述：应该怎么实现呢？
  分别排除按拼音、笔画、偏旁，最终得出是按康熙字典顺序排序的方法
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  第 5 章 数据变换与输入输出
  5.1 提交 cs_atoi.c
  5.2 提交 cs_atof.c
  5.3 提交 cs_itoa.c
  5.4 提交 cs_ftoa.c
  5.5 讨论分析 OS 的函数对输入输出的数据有类型要求吗
  论述如下：
  应用程序是通过分别调用 read 和 write 函数来执行输入和输出的
  #include
  ssize_t read (int fd,void *buf,size_t n)
  返回：若成功则为读的字节数，若 EOF 则为 0；若出错则为-1
  ssize_t write (int fd,void *buf,size_t n)
  返回：若成功则为读的字节数，若出错则为-1
  read 函数从描述符为 fd 的当前文件位置复制最多 n 个字节到内存位置 buf，返
  回值为-1 表示一个错误，返回值为 0 表示 EOF，否则，返回值为实际传送的
  字节数量
  Write 函数从描述符为 buf 的当前文件位置复制最多 n 个字节到描述符 buf 的
  当前位置。
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  第 6 章 整数表示与运算
  6.1 提交 fib_dg.c
  6.2 提交 fib_loop.c
  6.3 fib 溢出验证
  int 时从 n=_____47____时溢出，long 时 n=_____47_______时溢出。
  unsigned int 时从 n=____48___时溢出，unsigned long 时 n=___48____时溢出。
  6.4 除以 0 验证：
  除以 0：截图 1
  除以极小浮点数，截图：
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  第 7 章 浮点数据的表示与运算
  7.1 正数表示范围
  写出 float/double 类型最小的正数、最大的正数（非无穷）
  float 的最大值和最小值分别为 3.40282e+038（10^{38），1.17549e-038（10}-38）；
  double 的最大值和最小值分别为 1.79769e+308（10^308），2.22507e-308
  （10^-308）。
  7.2 浮点数的编码计算
  （1）按步骤写出 float 数-1.1 的浮点编码计算过程，写出该编码在内存中从低地址
  字节到高地址字节的 16 进制数值
  -1.1 符号位即最高位为 1，由于 1.1>1 所以 bias = 27 – 1= 127，而 1.1<2，故 exp
  （10）=127，exp（2）=01111111，故 f（10）≈0.1，将 0.1 不断乘以 2，可以得到
  000[1100…(1100 循环)]，当位数达到 23 位后为[1100…]＞2-24（即理论上 24 位以
  后为 1…1…）,向上舍入，尾数部分最后[1100]变为[1101]，因此-1.1 编码为
  0xbf8ccccd，从内存中低地址到高地址：cd cc 8c bf
  （2）验证：编写程序，输出值为-1.1 的浮点变量其各内存单元的数值，截图。
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  7.3 特殊浮点数值的编码
  （1）构造多 float 变量，分别存储+0-0，最小浮点正数，最大浮点正数、最小正的
  规格化浮点数、正无穷大、Nan,并打印最可能的精确结果输出（十进制/16 进制）。
  截图。
  （2）提交子程序 floatx.c
  7.4 浮点数除 0
  （1）编写 C 程序，验证 C 语言中 float 除以 0/极小浮点数后果，截图
  （2）提交子程序 float0.c
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  7.5 Float 的微观与宏观世界
  按照阶码区域写出 float 的最大密度区域范围及其密度，最小密度区域及其密
  度（区域长度/表示的浮点个数）：（- 1-2-23）* 2-126~（1-2-23）* 2-126、2223/2 * （1-2-23）

• 2-126、-（2-2-23） * 2127~（2-2-23） * 2127、2（28
  -1） * 223
  /2 * （2-2-23） * 2127
  最小正数变成十进制科学记数法，最可能能精确到多少 1.40129810-4
  最大正 数 变成十进制科学记数法 ，最可能能精确到多少
  4.94065645841246510-324
  7.6 讨论：任意两个浮点数的大小比较
  论述比较方法以及原因。
  IEEE 规则中，先比较符号位正数＞负数，再比较阶码位，最后比较尾数。
  编程中浮点数从 MSB 到 LSB 表示，若相差较大可直接比较大小，当两个数
  比较接近时，我们常常采用二分法的思想，定义精度如 1e-7 等，当二者之差小于
  这个很小的数时，就认为二者是相等的了。为了方便起见，我们对浮点数进行比
  较时，一般均采用上述方法，而不直接用== 或！=比较，因为有些数可能无法用
  浮点数精确表示，表示时发生舍入而影响比较结果。
  第 8 章 舍位平衡的讨论
  8.1 描述可能出现的问题
  8.2 给出完美的解决方案
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  第 9 章 总结
  9.1 请总结本次实验的收获
  让我对数据有了更深一步的了解，学到了很多关于编码、浮点数、数据结构的知
  识，大开眼界，同时也磨练了我的代码能力，这次实验对我来说还是有些难度的，
  但没有挑战又如何进步呢？
  9.2 请给出对本次实验内容的建议
  没有什么建议，哦对了，希望老师可以多讲一些知识，很多内荣都是自学的。
  注：本章为酌情加分项。
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参考文献

为完成本次实验你翻阅的书籍与网站等
[1] 林来兴. 空间控制技术[M]. 北京：中国宇航出版社，1992：25-42.
[2] 辛希孟. 信息技术与信息服务国际研讨会论文集：A 集[C]. 北京：中国科学
出版社，1999.
[3] 赵耀东. 新时代的工业工程师[M/OL]. 台北：天下文化出版社，1998
[1998-09-26]. http://www.ie.nthu.edu.tw/info/ie.newie.htm（Big5）.
[4] 谌颖. 空间交会控制理论与方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，1992：
8-13.
[5] KANAMORI H. Shaking Without Quaking[J]. Science，1998，279（5359）：
2063-2064.
[6] CHRISTINE M. Plant Physiology: Plant Biology in the Genome Era[J/OL].
Science ， 1998 ， 281 ： 331-332[1998-09-23]. http://www.sciencemag.org/cgi/
collection/anatmorp.