2017-2018-1 20155229 《信息安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》第十三周學(xué)習(xí)總結(jié)

對(duì)“第二章 信息的表示和處理”的深入學(xué)習(xí)

• 這周的任務(wù)是選一章認(rèn)為最重要的進(jìn)行學(xué)習(xí)，我選擇了第二章。當(dāng)今的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理信息基本上是由二進(jìn)制（位）組成，二進(jìn)制能夠很容易的被表示、存儲(chǔ)和傳輸。當(dāng)把位組合在一起，再加上某種解釋，即給不同的可能位模式賦予含義，我們就能表示任何有限集合的元素。而正因?yàn)樾畔⒈硎竞吞幚硎怯?jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的東西，我認(rèn)為弄懂基礎(chǔ)是很有必要的。

第二章主要是研究計(jì)算機(jī)上如何表示數(shù)字和其他形式數(shù)據(jù)的基本屬性，以及計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)執(zhí)行操作的屬性,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)規(guī)定了三種重要的編碼方式：無符號(hào)編碼、補(bǔ)碼編碼、浮點(diǎn)數(shù)編碼。

無符號(hào)編碼：基于傳統(tǒng)的二進(jìn)制表示法，表示大于或等于0的數(shù)字。

補(bǔ)碼編碼：表述有符號(hào)整數(shù)的常見方式，正或負(fù)的數(shù)字。

浮點(diǎn)數(shù)編碼：表示實(shí)數(shù)的科學(xué)計(jì)數(shù)法的以二進(jìn)制為技術(shù)的版本。

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將本章分為三個(gè)模塊

一、信息存儲(chǔ)

二、整數(shù)表示及運(yùn)算

三、浮點(diǎn)數(shù)

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一、信息存儲(chǔ)

大端小端

大端模式，是指數(shù)據(jù)的低位保存在內(nèi)存的高地址中，而數(shù)據(jù)的高位，保存在內(nèi)存的低地址中；

小端模式，是指數(shù)據(jù)的低位保存在內(nèi)存的低地址中，而數(shù)據(jù)的高位保存在內(nèi)存的高地址中。

1.為什么會(huì)有大小端之分

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，是以字節(jié)為單位的，每個(gè)地址單元都對(duì)應(yīng)著一個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)為8bit。但是在C語言中除了8bit的char之外，還有16bit的short型，32bit的long型（要看具體的編譯器），另外，對(duì)于位數(shù)大于8位的處理器，例如16位或者32位的處理器，由于寄存器寬度大于一個(gè)字節(jié)，那么必然存在著一個(gè)如果將多個(gè)字節(jié)安排的問題。因此就導(dǎo)致了大端存儲(chǔ)模式和小端存儲(chǔ)模式.但是，大端小端沒有誰優(yōu)誰劣，各自優(yōu)勢(shì)便是對(duì)方劣勢(shì)

eg.一個(gè)16bit的short型x，在內(nèi)存中的地址為0x0010，x的值為0x1122，那么0x11為高字節(jié)，0x22為低字節(jié)。對(duì)于大端模式，就將0x11放在低地址中，即0x0010中，0x22放在高地址中，即0x0011中。而對(duì)于小端模式，恰好相反

2.判斷機(jī)器的大小端

#include <stdio.h> /*聯(lián)合*/ union node {int num;char ch; } int main() {union node p;//方法一p.num = 0x12345678;if (p.ch == 0x78){printf("Little endian\n");}else{printf("Big endian\n");}return 0; }

• 所以Linux是小端的

3.如何進(jìn)行轉(zhuǎn)換

對(duì)于字?jǐn)?shù)據(jù)（16位）

#define BigtoLittle16(A) (( ((uint16)(A) & 0xff00) >> 8) | \ (( (uint16)(A) & 0x00ff) << 8))

對(duì)于雙子數(shù)據(jù)（32位）

#define BigtoLittle32(A) ((( (uint32)(A) & 0xff000000) >> 24) | \ (( (uint32)(A) & 0x00ff0000) >> 8) | \ (( (uint32)(A) & 0x0000ff00) << 8) | \ (( (uint32)(A) & 0x000000ff) << 24))

判斷CPU的大小端

int a = 1; if ((char)a == 1) //取最低地址的一個(gè)字節(jié)cout << "小端序" << endl; elsecout << "大端序" << endl;

數(shù)據(jù)類型

• 數(shù)據(jù)類型在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的定義是一個(gè)值的集合以及定義在這個(gè)值集上的一組操作。
• 數(shù)據(jù)類型的出現(xiàn)是為了把數(shù)據(jù)分成所需內(nèi)存大小不同的數(shù)據(jù)，編程的時(shí)候需要用大數(shù)據(jù)的時(shí)候才需要申請(qǐng)大內(nèi)存，就可以充分利用內(nèi)存。
• 數(shù)據(jù)類型的具體實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)決定。
  

typedef命名數(shù)據(jù)類型

• 用typedef可以聲明各種類型名，但不能用來定義變量，用typedef可以聲明數(shù)組類型、字符串類型、使用比較方便。
• typedef與#define有相似之處，但事實(shí)上二者是不同的，#define是在 預(yù)編譯 時(shí)處理，它只能做簡單的字符串替換，而typedef是在 編譯時(shí) 處理的。
• 用typedef只是對(duì)已經(jīng)存在的類型增加一個(gè)類型名，而沒有創(chuàng)造新的類型。

位操作和邏輯運(yùn)算

模數(shù)運(yùn)算

• 模：是運(yùn)算結(jié)果超出實(shí)際數(shù)據(jù)表示范圍的溢出量，它等于數(shù)的最大值加1.

• 計(jì)算機(jī)只能進(jìn)行非負(fù)的模數(shù)加法。

  eg.50+80=(1)30。

因?yàn)樽珠L限制，運(yùn)算結(jié)果自動(dòng)舍去溢出量，只保留小于模的部分，這種受模限制的運(yùn)算叫模數(shù)運(yùn)算。

c的位級(jí)運(yùn)算

• | 就是OR（或），&就是AND（與），~就是NOT（取反），而^就是EXCLUSIVE-OR（異或）
• 可用于任何整型數(shù)據(jù)：unsigned,long long int ,long,int short ,char

c邏輯運(yùn)算

• 邏輯運(yùn)算符：&&、||、！
• 總是返回0或1，是整數(shù)的布爾運(yùn)算，返回0表示“假”，返回1表示“真”。

1、邏輯短路與運(yùn)算

#include <stdio.h> int main() { int a=5,b=6,c=7,d=8,m=2,n=2; (m=a>b)&&(n=c>d); printf("%d\t%d",m,n); return 0; }

輸出的結(jié)果為0，2。因?yàn)閍>b為0，m=0，整個(gè)“與”邏輯判斷就為“假”，所以后面的“c>d”就被短路掉了，所以n還是等于原先的2。

2.邏輯運(yùn)算或運(yùn)算

#include <stdio.h> int main() { int a=5,b=6,c=7,d=8,m=2,n=2; (m=a<b)||(n=c>d); printf("%d\t%d",m,n); return 0; }

輸出的結(jié)果為1，2。因?yàn)閍<b，m=1,這個(gè)“或”邏輯就被“短路”掉了，后面的語句就沒被執(zhí)行，所以n還是等于原先的2

c移位操作

左移：x<<y

• 向量x向左移y個(gè)位置，丟棄左邊額外的位，右邊用0填充

右移：x>>y

• 向量x向右移動(dòng)y個(gè)位置，丟棄右邊額外的為，左邊用0填充（邏輯右移），復(fù)制最高位用于整數(shù)的補(bǔ)碼表示（算術(shù)右移）

c和java對(duì)右移的規(guī)定

• c語標(biāo)準(zhǔn)并沒有明確定義應(yīng)該使用哪種類型的右移。對(duì)于無符號(hào)數(shù)據(jù)，右移必須是邏輯的，對(duì)于有符號(hào)數(shù)據(jù)，算術(shù)的或者邏輯的右移都可以，實(shí)際上，幾乎所有的編譯器/機(jī)器組合都對(duì)有符號(hào)數(shù)據(jù)使用算術(shù)右移。

• Java有明確的右移定義。表達(dá)式x>>k會(huì)將x算術(shù)右移K個(gè)位置，而x>>>k會(huì)對(duì)x做邏輯右移。

• 當(dāng)移動(dòng)位數(shù)k大于等于字長w，實(shí)際上位移量就是通過計(jì)算k mod w 得到的。

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二、整數(shù)表示及運(yùn)算

整數(shù)是現(xiàn)實(shí)世界中使用最多的數(shù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為整數(shù)定義了很多數(shù)據(jù)類型。

無符號(hào)和補(bǔ)碼編碼

數(shù)字編碼

數(shù)字信息的編碼方式：將數(shù)字x經(jīng)過某種數(shù)學(xué)變換之后得到的另一個(gè)數(shù)字x1作為其編碼，這個(gè)數(shù)字x1常常寫成位向量形式。

• 實(shí)際的應(yīng)用常需要無符號(hào)數(shù)的編碼或有符號(hào)數(shù)的編碼，前者稱為無符號(hào)編碼，后者稱為二進(jìn)制補(bǔ)碼編碼。
• 有符號(hào)編碼變換如下：
  

C庫

C庫中的頭文件

<limits.h>定義了一組宏，來限定編譯器運(yùn)行的機(jī)器的不同整型和字符型的取值范圍。如它定義常量INT_MAX、INT_MIN和UINT_MAX來描述有符號(hào)和無符號(hào)整數(shù)的范圍。

<float.h>指定浮點(diǎn)型范圍和精度

<stdins.h>定義了一組形如intN_t和uintN_t的數(shù)據(jù)類型，其中N可為8、16、32、64.

eg.1

#include <stdio.h> #include <limits.h> int main(int argc,char* argv[]) { printf("INT_MAX=%d\n",INT_MAX); printf("INT_MIN=%d\n",INT_MIN); printf("UINT_MAX=%u\n",UINT_MAX); return 0; }

eg.2

#include <stdio.h> #include <limits.h> #if INT_MAX>=3000000000 typedef int Quantity; #else typedef long long Quantity; #endif int main(int argc,char* argv[]) { printf("int=%d\n",sizeof(int)); printf("long long=%d\n",sizeof(long long)); printf("quantity=%d\n",sizeof(Quantity)); return 0; }

有符號(hào)數(shù)和無符號(hào)數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

C允許無符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，原則是位表示保持不變。這些轉(zhuǎn)換可以是顯示的或隱式的。
eg

int tx,ty unsigned ux,uy; tx = (int)ux; uy = (unsigned)ty;//顯示 tx = ux; uy = ty;//隱式

• 當(dāng)用printf輸出一個(gè)整數(shù)時(shí)，按照整數(shù)的編碼根據(jù)不同的指示符分別輸出int類型(%d)、unsigned類型(%u)或十六進(jìn)制格式(%x)

int x = -1; unsigned u = 2147483648; printf("x = %u = %d = %x\n",x,x,x); printf("u = %u = %d = %x\n",u,u,u);

對(duì)于大多數(shù)C語言實(shí)現(xiàn)，處理同樣位長的有符號(hào)數(shù)（補(bǔ)碼）和無符號(hào)數(shù)間轉(zhuǎn)換規(guī)則是：位模式不變，改變解釋這些位的方式

什么時(shí)候使用無符號(hào)類型

• 盡量不要在代碼中使用無符號(hào)數(shù)類型，以免增加不必要的復(fù)雜性。
• 僅當(dāng)需要對(duì)二進(jìn)制位進(jìn)行操作的時(shí)候，才使用無符號(hào)數(shù)。
• 在表示內(nèi)存地址、實(shí)現(xiàn)模運(yùn)算和多精度運(yùn)算的數(shù)學(xué)包時(shí)，也可使用無符號(hào)數(shù)。

整數(shù)加法

無符號(hào)加法

①操作數(shù)：w bits → w+1 bits

②精確值：w+1 bits

③截?cái)嘀?#xff1a;w bits

運(yùn)算法則：為了不丟失精度，x、y的編碼應(yīng)零擴(kuò)展為w+1位無符號(hào)數(shù)編碼

無符號(hào)減法

• 通過模數(shù)加法來實(shí)現(xiàn)
  

• 在無符號(hào)減法中，減去一個(gè)無符號(hào)數(shù)，相當(dāng)于加上它的加法逆元。無符號(hào)數(shù)的加法逆元都為正數(shù)。

有符號(hào)數(shù)加法

①操作數(shù)：w bits → w+1 bits

②精確值：w+1 bits

③截?cái)嘀?#xff1a;w bits

運(yùn)算法則：為了不丟失精度，x、y的編碼應(yīng)符號(hào)擴(kuò)展為w+1位二進(jìn)制編碼

有符號(hào)減法

• 通常轉(zhuǎn)換為有符號(hào)加法來實(shí)現(xiàn)
  

• 在有符號(hào)減法中，減去一個(gè)有符號(hào)數(shù)，相當(dāng)于加上它的加法逆元。有符號(hào)數(shù)的加法逆元是它的相反數(shù)。

整數(shù)乘法

• 計(jì)算w位數(shù)字x、y的實(shí)際乘積

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三、浮點(diǎn)數(shù)

浮點(diǎn)數(shù)是屬于有理數(shù)中某特定子集的數(shù)的數(shù)字表示，在計(jì)算機(jī)中用以近似表示任意某個(gè)實(shí)數(shù)。具體的說，這個(gè)實(shí)數(shù)由一個(gè)整數(shù)或定點(diǎn)數(shù)（即尾數(shù)）乘以某個(gè)基數(shù)（計(jì)算機(jī)中通常是2）的整數(shù)次冪得到，這種表示方法類似于基數(shù)為10的科學(xué)計(jì)數(shù)法。

IEEE浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)

浮點(diǎn)的引入

• 使用整數(shù)的編碼可以表示以0為中心的一定范圍內(nèi)的正負(fù)整數(shù)，但缺陷為：

①無法表示那些絕對(duì)值“很大的”數(shù)值

②除了整數(shù)以外，在很多場合還需使用絕對(duì)值“極小的”小數(shù)，由于小數(shù)的某些特點(diǎn)，不能使用表示整數(shù)的方式去表示小數(shù)。

浮點(diǎn)數(shù)和IEEE754

科學(xué)記數(shù)法表示二進(jìn)制數(shù)：

-1^s*2^E*M

s是符號(hào)位；2是基數(shù)，E是指數(shù)，

2^E

構(gòu)成一個(gè)冪，表示數(shù)量級(jí)范圍；M是有效數(shù)字部分（尾數(shù)），主要表示數(shù)值精度。M的位數(shù)越多，有效數(shù)字越多，數(shù)值精度越高。

IEEE754浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)

• IEEE754中，指定長度的浮點(diǎn)實(shí)數(shù)格式只有兩種：float（單精度浮點(diǎn)實(shí)數(shù)）和double（雙精度浮點(diǎn)實(shí)數(shù)），float的長度固定為4字節(jié)，double的長度固定為8字節(jié)。

V = -1^s*2^E*M = -1^s*2^(e-bias)*M

s=0或1，表示正或負(fù)值，用1bit編碼S

E=e-bias。

M=1+f或f，0≤f<1。M應(yīng)取哪個(gè)值依賴于e是否等于0.

規(guī)格化值：當(dāng)exp編碼不全為0，不全為1，可得到浮點(diǎn)數(shù)編碼的規(guī)格化值

非規(guī)格化值：exp編碼全為0時(shí)，可得到浮點(diǎn)數(shù)編碼的非規(guī)格化值

特殊值：exp編碼全為1，可得到浮點(diǎn)數(shù)編碼的特殊值

eg.

1.采用IEEE單精度格式，試求出32位浮點(diǎn)編碼0xAC710000的值。

解：1，01011000，11100010000000000000000

s=[1]，為負(fù)數(shù)

exp=[01011000]，E=88-127=-39
frac=[1110001]
M=1+(0.1110001)b=1+141/16+21/256=1+0.875+0.0078125=1.8828125

2.試寫出數(shù)0.8125的IEEE單精度浮點(diǎn)數(shù)編碼

解：

該數(shù)為正，s=0；E=-1=126-127，exp=126=[01111110]
尾數(shù)frac=[10100000000000000000000]

• 浮點(diǎn)編碼：[0 01111110 10100000000000000000000]=0x3F500000

舍入

• 由于浮點(diǎn)表示方法只是離散地表示了實(shí)數(shù)，所以相應(yīng)的浮點(diǎn)運(yùn)算只能是近似的實(shí)數(shù)運(yùn)算。
• 對(duì)于值x，我們一般想有一種系統(tǒng)的方法，能夠找到“最接近的”，用x’的浮點(diǎn)形式來表示x，這就是舍入的任務(wù)。

浮點(diǎn)運(yùn)算

C浮點(diǎn)類型

• C提供了2種浮點(diǎn)類型：float和double。

• int、float、double之間的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。

• 為什么int到float，為什么可能被舍入

  float有23位用來表示有效數(shù)字，對(duì)于整數(shù)來說，超過2^23之后，很多數(shù)字都沒法精確表示了，比如2^23+1。
  如果把2^23+1這個(gè)int轉(zhuǎn)化位float，就只能轉(zhuǎn)換成最接近的2^23。

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習(xí)題

2.60

#include <stdio.h> #include <assert.h>unsigned replace_byte(unsigned x, int i, unsigned char b) {if (i < 0) {printf("error: i is negetive\n");return x;}if (i > sizeof(unsigned)-1) {printf("error: too big i");return x;}unsigned mask = ((unsigned) 0xFF) << (i << 3);unsigned pos_byte = ((unsigned) b) << (i << 3);return (x & ~mask) | pos_byte; }int main(int argc, char *argv[]) {unsigned rep_0 = replace_byte(0x12345678, 0, 0xAB);unsigned rep_3 = replace_byte(0x12345678, 3, 0xAB);assert(rep_0 == 0x123456AB);assert(rep_3 == 0xAB345678);return 0; }

代碼托管

上周考試錯(cuò)題總結(jié)

1.給定32位虛給定32位虛擬地址空間和24位的物理地址，頁面大小為8K，下面說法正確的是（）

A .
VPN=13
B .
VPN=19
C .
PPO=13
D .
VPO=11
E .
PPN=11
正確答案： B C E

結(jié)對(duì)及互評(píng)

點(diǎn)評(píng)模板：

- 博客中值得學(xué)習(xí)的或問題： - - 代碼中值得學(xué)習(xí)的或問題： -

本周結(jié)對(duì)學(xué)習(xí)情況

- [20155225](http://www.cnblogs.com/clever-universe/p/8052696.html) - 結(jié)對(duì)照片 - 結(jié)對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容- 相互講解第二章和第五章的內(nèi)容

其他（感悟、思考等，可選）

在此學(xué)習(xí)第二章，相比于開學(xué)那一次學(xué)習(xí)有更多的收獲與見解。

學(xué)習(xí)進(jìn)度條

代碼行數(shù)（新增/累積）博客量（新增/累積）學(xué)習(xí)時(shí)間（新增/累積）重要成長

目標(biāo)	5000行	15篇	400小時(shí)
第一周	20/20	1/	12/12
第二周	42/62	1/2	8/20
第三周	62/124	1/3	14/34
第四周	61/185	1/4	10/44
第五周	/	2/6	13/57
第六周	/	2/8	17/74
第七周	/	2/10	15/89
第八周	/	2/12	12/101
第九周	/	2/14	10/111
第十一周	/	1/16	12/123
第十三周	/	2/18	17/140	學(xué)習(xí)認(rèn)為最重要的一章

嘗試一下記錄「計(jì)劃學(xué)習(xí)時(shí)間」和「實(shí)際學(xué)習(xí)時(shí)間」，到期末看看能不能改進(jìn)自己的計(jì)劃能力。這個(gè)工作學(xué)習(xí)中很重要，也很有用。
耗時(shí)估計(jì)的公式
：Y=X+X/N ，Y=X-X/N，訓(xùn)練次數(shù)多了，X、Y就接近了。

參考：軟件工程軟件的估計(jì)為什么這么難，軟件工程 估計(jì)方法

• 計(jì)劃學(xué)習(xí)時(shí)間:18小時(shí)

• 實(shí)際學(xué)習(xí)時(shí)間:18小時(shí)

• 改進(jìn)情況：本周是學(xué)習(xí)認(rèn)為最重要的一章，雖然是重新學(xué)一遍，有了第一遍的基礎(chǔ)，但還是在一些問題上更深的去探討了

(有空多看看現(xiàn)代軟件工程 課件
軟件工程師能力自我評(píng)價(jià)表)

參考資料

• 《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)V3》學(xué)習(xí)指導(dǎo)
• C語言中int到float的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/fyhtvxq/p/8053428.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的2017-2018-1 20155229 《信息安全系统设计基础》第十三周学习总结的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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