Предварительная подготовка к работе

Электронные методические указания

К выполнению лабораторных работ по дисциплине

«Организация ЭВМ и систем»

 

 

Санкт-Петербург

Издательство СПБГЭТУ «ЛЭТИ»

УДК 004.424:004.422.63(075.8)

Электронные методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Организация ЭВМ и систем»/ Сост.: Андреева А.А., Валов А.А., Манирагена В., Мурсаев А.Х., Павлов С.М., Пузанков Д.В., Чугунов Л.А.. –– СПб.:Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. –80с.: ил.

Описывается цикл лабораторных работ.

Электронные методические указания предназначены для студентов-бакалавров по направлениям

- 230100.62 «Информатика и вычислительная техника»

- 230400.62 "Информационные системы и технологии"

- 220400.62 – «Управление в технических системах»

- 140400.62 – “Электроэнергетика и электротехника"

дневной, очно-заочной и заочной форм обучения.

Также могут использоваться для выполнения лабораторных работ студентами, изучающими дисциплину «Вычислительные машины, системы и сети».

Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве методических указаний

 

 

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013

Введение

Методические указания к лабораторным работам по указанным дисциплинам предназначены для предварительного ознакомления студентами с составом аппаратных и программных средств, предназначенных для ввода, обработки и вывода различной информации на доступные устройства компьютера. Указания содержат в необходимых случаях задания, рекомендации по выполнению лабораторных работ и содержанию отчётов. Лабораторные работы могут выполняться с использованием любых компьютеров, сред и языков программирования. Основной целью цикла лабораторных работ является изучение студентом внутренних процессов, выполняющихся в ЭВМ, взаимодействия устройств компьютера при исполнении написанной им программы.

 

Лабораторная работа 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМАТОВ ДАННЫХ

Цель работы: знакомство с внутренним представлением различных типов данных, используемых компьютером при их обработке.

 

Общие положения

При программировании на языке С++ используются 11 стандартных типов данных. Среди них можно выделить 3 группы:

1. данные символьные и целого типа беззнаковые (с фиксированной запятой);

2. данные символьные и целого типа со знаком (с фиксированной запятой), значения которых хранятся в двоичном дополнительном коде;

3. данные вещественного типа (с плавающей запятой (точкой)).

Данные большинства типов и операции над ними используются и при программировании на языке Ассемблер.

Числовое значение данных первой группы занимает всю разрядную сетку (количество двоичных разрядов от 8 до 32), отведенных под конкретный тип. Знак числа данных второй группы занимает старший (левый) разряд, а остальную часть разрядной сетки (от 7 до 31 двоичных разрядов) занимает числовое значение данных, отведенных под конкретный тип. Формат хранения данных третьей группы описывается IEEE - стандартом в виде значения мантиссы (M) со знаком (S) и значения порядка (P). Число бит для хранения мантиссы и порядка зависит от типа данных с плавающей запятой.

float

S

P

M

31 30 23 22 0

double

S

P

M

63 62 52 51 0

long double

S

P

M

79 78 64 63 0

Вещественное число в памяти хранится с нормализованной мантиссой, значение которой в десятичном эквиваленте лежит в диапазоне от 1 до 2. Причём 2 не входит в границу диапазона. Если в процессе выполнения какой-либо операции над данными с плавающей запятой значение мантиссы выходит из указанного диапазона, то в конце операции выполняется нормализация результата путем приведения значения мантиссы к указанному диапазону с соответствующим изменением значения порядка. При этом значение старшего бита мантиссы должно оказаться равным единицы. Если значение порядка превышает допустимое значение, то вырабатывается признак переполнения разрядной сетки. Если значение мантиссы равно нулю или в процессе выполнения операции значение порядка становится меньше допустимой величины, то в результате выполнения операции сформируется так называемый «машинный ноль», то есть код, у которого значение всех бит равно нулю. Но если мантисса всегда нормализована, то старший её бит, то есть единицу, можно и не хранить в памяти. Стандартом предложено это бит не хранить в памяти и тем самым увеличить точность представления вещественных чисел в 2 раза. Эта единица присутствует неявно, то есть скрыта от глаз наблюдателя и называется неявной единицей (implicit one). Отбрасывание старшей цифры мантиссы выполняется для форматов float и double, но не выполняется для long double.

Порядок числа в соответствии с указанным форматом хранится «сдвинутым», то есть к его действительному значению добавляется в зависимости от формата такое число, чтобы порядок Р был всегда неотрицательным. Для формата float прибавляется 127, для чисел формата double прибавляется 1023, а для формата long double добавляется 16383. Всегда неотрицательный порядок упрощает выполнение операции сравнения порядков и арифметических операций над ними, а также избавляет от необходимости выделять один бит для хранения знака порядка.

Например, число 15.375 (1111.011 в двоичной системе счисления) в формате float IEEE-стандарта получается следующим образом:

1.921875 (1.111011 в двоичной системе счисления) - это значение нормализованной мантиссы;

3 (11- в двоичной системе счисления) это степень несмещённого двоичного порядка (15.375=1.921875*8);

0-это знак числа.

Учитывая отбрасывание неявной единицы и сдвиг порядка, получаем внутреннее представление числа:

S=0;

P=3+127=130 (10000010 в двоичной системе счисления);

M=11101100000000000000000.

Таким образом, внутреннее представление числа 15.375 в формате float будет:

31 30 … 23 22 … 0

Это же число 15.375 в формате double записывается так:

S=0;

P=3+1023=1026 (10000000010 в двоичной системе счисления);

M=1110110000000000000000000000000000000000000000000000.

11101100000000000...00000000000000000000000

63 62 … 52 51 … 0

Это же число в формате long double записывается следующим образом:

S=0;

P=3+16383=16386 (100000000000010 в двоичной системе счисления);

M=11110110000000000000000…0 (единица не отбрасывается).

111101100000000000…00000000000000000000000000000000

79 78 64 63 0

Приведём ещё несколько примеров, но уже без подробных комментариев.

Для более компактной формы записи используем шестнадцатеричную систему счисления:

-16.5 float: C1 84 00 00 h

double: C0 30 80 00 00 00 00 00 h

long double: C0 03 84 00 00 00 00 00 00 00 h

- 0.0625 float: BD 80 00 00 h

double: BF B0 00 00 00 00 00 00 h

long double: BF FE A0 00 00 00 00 00 00 00 h

 

Предварительная подготовка к работе

1. Ознакомиться с внутренними форматами представления данных.

2. Вспомнить поразрядные логические операции в используемом языке программирования (в языке С++ указатели и операции над ними, структуры типа union и функции работы с файлами).

Для вывода данных символьного и целого типов в двоичном коде достаточно использовать поразрядные логические операции, операции сдвига, условный оператор и оператор цикла.

Для вывода данных вещественного типа потребуется применение более сложных действий. И если для вывода данных типа float достаточно применить указатель, то для других вещественных типов потребуется использование структуры типа union или функций работы с файлом.