20165223 《信息安全系统设计基础》 第二周学习总结

Wesley13
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  • 课堂内容总结
  • 课后教材测试

课堂内容总结

一、信息的表示与处理

信息=位+上下文

  • 算术方面:加法器(解决 + 、- 、× 、÷ 等)
  • 逻辑方面:与非门(解决 & 、| 、~ 、^ 等)

二、进制转换

使用堆栈(整数部分逆序输出,小数部分正序输出)

  • C语言中使用堆栈法实现各进制(十进制、二进制、八进制、十六进制)之间的转换

三、位的表示

移位,置0,置1……

  • 位运算:&(按位与)、|(按位或)、~(非)、^(按位异或)
    • 使用位向量
  • 逻辑运算:&&(逻辑与)、||(逻辑或)、!(逻辑非)
    • 结果只有0或1
  • 移位运算:逻辑移位、算术移位
    • 考点:取某些特定位(进行移位)

四、数值与编码规则

信息=位+上下文

  • 无符号整数
    • B2U,U2B
  • 有符号整数
    • B2T,T2B
    • 采用补码编码(不采用原码/反码原因:不唯一、不正确)
  • 浮点数
    • C语言中不对浮点数进行比较,因为可能会出现不等或无法表达的错误结果
    • 统一采用IEEE浮点表示

五、数值运算

  • 无符号数运算
    • 溢出:x+y(mod2^w)
    • 乘法也一致
  • 有符号数运算
    • 补码运算
    • -2^w≤x+y≤2^(w-2)
    • 补码运算中,正数不变,负数取反加一
    • 乘法也一致

六、信息的存储

  • 大端和小端
    • 小端:高(字节)对高(地址),低(字节)对低(地址)
    • 大端:高(字节)对低(地址),低(字节)对高(地址)
  • 网络字节序
    • 一般都是大端模式的字节序,因此不用再转换
    • 若为网络小端上传至主机,则需要先转化为大端再上传
    • 转化方法:移位(左移<<,右移>>)
  • 主机字节序

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课后教材测试

教材《深入理解计算机系统》

一、教材p97 2.96

1. 题目

遵循位级浮点编码规则,实现具有如下原型的函数:

/*
 *Compute (int) f. 
 * If conversion causes overflow or f is NaN, return 0x80000000
 * int float_f2i(float bits f);
 */

对于浮点数f,这个函数计算(int)f。如果f是NaN,你的函数应该向零舍人。如果f不能用整数表示(例如,超出表示范围,或者它是一个NaN),那么函数应该返回0x80000000。

测试你的函数,对参数f可以取的所有2^32个值求值,将结果与你使用机器的浮点运算得到的结果相比较。

2. 分析

位级浮点编码规则是什么?

  • 代码要实现浮点函数在浮点数的位级表示上直接运算;
  • 代码完全遵循IEEE浮点运算规则,使用偶数舍入;
  • 代码的数据类型是 float_bits ,而非 float;
  • 可以使用数据类型 int 和 unsigned ,包括无符号和整数常数和运算;
  • 不可使用任何联合、结构和数组;更不可使用浮点数据类型、运算或常数;
  • 对于参数 f ,若 f 是非规格化的,该函数返回 ±0(保持 f 的符号),否则返回 f。

f 是 NaN是什么意思?

  • NaN,是Not a Number的缩写,在IEEE浮点数算术标准(IEEE 754)中定义,表示一些特殊数值(无穷与非数值(NaN)),为许多CPU与浮点运算器所采用。

  • NaN是无序的,无法对其进行逻辑运算。它不大于、小于或等于任何数(包括它自己),将<,>,<=,和>=作用于NaN产生一个exception。得到NaN时就查看是否有非法操作,如果表达式中含有NaN,那么表达式的结果为NaN。

  • 下面是NaN的产生原因: 20165223 《信息安全系统设计基础》 第二周学习总结

  • f 是 NaN 即表示 f 是‘“无效数字”。

判断f 是 NaN的方法?

//判断一个浮点数是否是NaN
int IsNaN(float x)
{
    return !(x==x);
}
//将判断NaN的宏定义在<math.h>头文件中
#include <math.h>
int IsNaN(x) //当x时nan返回1,其它返回0

3. 代码

#include <stdio.h>

typedef unsigned float_bits;

float_bits float_f2i(float_bits f);
float u2f(unsigned x);

int main()
{
    unsigned i = 0x00000001;
    printf("%d\t%d\n", (int)u2f(i), float_f2i(i));
    i = 0x43800000;
    printf("%d\t%d\n", (int)u2f(i), float_f2i(i));
    i = 0x4E800000;
    printf("%d\t%d\n", (int)u2f(i), float_f2i(i));
    i = 0xFFFFFFFF;
    printf("%d\t%d\n", (int)u2f(i), float_f2i(i));

    return 0;
}

float_bits float_f2i(float_bits f)
{
    unsigned sign = f >> 31;
    unsigned exp = f >> 23 & 0xFF;
    unsigned frac = f & 0x7FFFFF;
    unsigned bias = 127;
    unsigned num;
    unsigned E, M;

    if (exp >= 0 && exp < 0 + bias)
        num = 0;
    else if (exp >= 31 + bias)
        num = 0x80000000;
    else {
        E = exp - bias;
        M = frac | 0x800000;
        if (E > 23)
            num = M << (E -23);
        else 
            num = M >> (23 - E);
    }
    return sign ? -num : num; 
}

float u2f(unsigned x)
{
    return *(float *)&x;
}

4. 截图

20165223 《信息安全系统设计基础》 第二周学习总结

20165223 《信息安全系统设计基础》 第二周学习总结

二、教材p97 2.97

1. 题目

遵循位级浮点编码规则,实现具有如下原型的函数:

/* Compute (float) i */
float_bits float_i2f(int i);

对于函数i,这个函数计算(float) i的位级表示。

测试你的函数,对参数f可以取的所有2^32个值求值,将结果与你使用机器的浮点运算得到的结果相比较。

2. 代码

#include <stdio.h>
#include <limits.h>

typedef unsigned float_bits;

float_bits float_i2f(int i);
unsigned bits_length(int x);
unsigned bits_mask(unsigned x);
float u2f(unsigned x);

int main()
{
    int i = 123;
    printf("%f\t%f\n", (float)i, u2f(float_i2f(i)));
    i = -123;
    printf("%f\t%f\n", (float)i, u2f(float_i2f(i)));
    i = 0;
    printf("%f\t%f\n", (float)i, u2f(float_i2f(i)));
    i = (~0);
    printf("%f\t%f\n", (float)i, u2f(float_i2f(i)));
    i = (1 << 31);
    printf("%f\t%f\n", (float)i, u2f(float_i2f(i)));

    return 0;
}

float_bits float_i2f(int i)
{
    unsigned sign, exp, frac, bias;
    bias = 127;
    
    if (i == 0) 
        return 0;
    if (i == INT_MIN) { // -1
        sign = 1;
        exp = 31 + bias; 
        frac = 0; // -1是整数,没有小数部分
        return sign << 31 | exp << 23 | frac;
    }

    sign = i > 0 ? 0 : 1;
    
    if (i < 0)
        i = -i;
    
    unsigned bits_num = bits_length(i);
    unsigned fbits_num = bits_num - 1;
    unsigned fbits;

    exp = bias + fbits_num;

    fbits = i & bits_mask(1 << fbits_num - 1);
    
    if (fbits_num <= 23)
        frac = fbits << (23 - fbits_num);
    else {
        unsigned offset = fbits_num - 23;
        frac = fbits >> offset;
        unsigned round_mid = 1 << (offset - 1);
        unsigned round_part = fbits & bits_mask(1 << offset - 1);
        if (round_part > round_mid)
            ++frac;
        else if (round_part == round_mid) {
            if (frac & 0x1)
                ++frac;
        }
    }
    return sign << 31 | exp << 23 | frac;
}

unsigned bits_length(int x)
{
    unsigned ux = (unsigned) x;
    unsigned count = 0;
    while (ux > 0) {
        ux >>= 1;
        ++count;
    } 
    return count;
}

unsigned bits_mask(unsigned x)
{
    x |= x >> 1;
    x |= x >> 2;
    x |= x >> 4;
    x |= x >> 8;
    x |= x >> 16;

    return x;
}

float u2f(unsigned x)
{
    return *(float *)&x;
}

3. 截图

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