Bài giảng Hệ thống máy tính và ngôn ngữ C - Chương 2: Các dữ liệu và thao tác

Nội dung text: Bài giảng Hệ thống máy tính và ngôn ngữ C - Chương 2: Các dữ liệu và thao tác

1. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC CHƯƠNG 2 CÁC KIỂU DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 1. KIỂU DỮ LIỆU SỐ NGUYÊN 2.SỐ NGUYÊN BÙ 2 3.PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN SỐ HỌC 4.PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 5.KIỂU DỮ LIỆU DẤU CHẤM ĐỘNG
2. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.1 KIỂU DỮ LIỆU SỐ NGUYÊN 2.1.1 Số nguyên không dấu (unsigned integer) Dùng để biểu diễn số lần lặp lại một tác vụ nhất định, hay chỉ địa chỉ của các ô nhớ. Ví dụ: 102, 101101B
3. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.1 KIỂU DỮ LIỆU SỐ NGUYÊN 2.1.2 Số nguyên có dấu (signed integer) •Dạng biểu diễn số âm dùng bit dấu và trị tuyệt đối, bit cĩ trọng số cao nhất sẽ quy định dấu cho số cĩ trị tuyệt đối ngay sau, nếu bằng 0 số dương, 1 âm. •Dạng bù 1 sẽ biểu diễn số âm bằng việc đảo các trạng thái bit của số dương tương ứng, đảo từ 1 qua 0, và ngược lại. •Dạng bù 2 sẽ biểu diễn số âm bằng dạng bù 1 của nĩ cơng thêm 1. Trong ba cách, 2 cách đầu đơn giản về tư duy, nhưng khơng cĩ lợi cho việc thực hiện phép tốn hoặc mất trị trong tầm (2 trị 0, và -0, thực ra là 1 trị).
4. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC Dạng biển diễn Trị được biểu diễn Trị tuyệt đối có dấu Bù 1 Bù 2 00000 0 0 0 00001 1 1 1 2.2 SỐ 00010 2 2 2 00011 3 3 3 00100 4 4 4 NGUYÊN 00101 5 5 5 00110 6 6 6 00111 7 7 7 BÙ 2 01000 8 8 8 01001 9 9 9 01010 10 10 10 01011 11 11 11 01100 12 12 12 01101 13 13 13 01110 14 14 14 01111 15 15 15 10000 -0 -15 -16 10001 -1 -14 -15 10010 -2 -13 -14 10011 -3 -12 -13 10100 -4 -11 -12 10101 -5 -10 -11 10110 -6 -9 -10 10111 -7 -8 -9 11000 -8 -7 -8 11001 -9 -6 -7 11010 -10 -5 -6 11011 -11 -4 -5 11100 -12 -3 -4 11101 -13 -2 -3 11110 -14 -1 -2 11111 -15 -0 -1
5. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.2 SỐ NGUYÊN BÙ 2 Có hai bước trong quy luật tạo số bù 2 của một số: - Chuyển giá trị tuyệt đối ra nhị phân. -Lật ngược trạng thái bit của kết quả vừa tìm (biểu diễu từ 1 qua 0, từ 0 qua 1), còn gọi là phép bù 1. -Cộng 1 vào mẫu kết quả ở bước 1, để có mẫu kết quả sau cùng.
6. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.2 SỐ NGUYÊN BÙ 2 Thí dụ 2.1: Tìm dạng bù 2 cho số -12 Mẫu nhị phân của trị tuyệt đối của toán hạng 12 là 01100. Ta thực hiện hai bước như sau: 1. Tìm bù 1 của 01100: 10011 2. Cộng 1 vào dạng bù 1: 10100 01100 + 10100 1 00000 Kết quả là 0
7. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.3 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN SỐ HỌC 2.3.1 Cộng và trừ Ví dụ 2.2: Tính biểu thức 11+3.Ta có: Trị thập phân 11 được biểu diễn dưới dạng 01011 Trị thập phân 3 được biểu diễn ở dạng 00011 Tổng, có trị 14, là 01110
8. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.3 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN SỐ HỌC 2.3.1 Cộng và trừ Thí dụ 2.3: Mô phỏng thực hiện phép trừ ở thao tác cộng ở ALU, tính biểu thức: 12 – 19. Trước tiên, CPU phân tích để tính biểu thức trên ở dạng: 12 + (-19), sau đó tính bù 2 của 19 (010011) để có -19 (101101). Cộng 12, (001100), với -19 (101101): 001100 + 101101 111001
9. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.3 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN SỐ HỌC 2.3.1 Cộng và trừ Thí dụ 2.4: Cộng một số với chính nó (x + x), tính 6 + 6. Giả sử ta xét các mẫu có chiều dài 5 bit. Mẫu nhị phân 5 bit của 6 là 00110, tức dạng khai triển là 0.24 + 0.23 + 1.22 + 1.21 + 0.20 Khi ta thực hiện 6 + 6, hay 2.6, biểu thức khai triển sẽ là 0.25 + 0.24 + 1.23 + 1.22 + 0.21 Ta có kết quả: 01100, tức dịch toán hạng ban đầu từng bit sang trái một vị trí.
10. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.3 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN SỐ HỌC 2.3.2 Mở rộng dấu Thao tác mở rộng thêm bit dấu (0 với số dương và 1 với số âm) vào phía trước dạng bù 2 sẽ không làm thay đổi giá trị của số ban đầu. Thao tác này được gọi là thao tác mở rộng dấu (Sign-EXTension), và thường được viết tắt là SEXT. Ví dụ: 000101 -> 0000000000000101 100101 -> 1111111111100101
11. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.3 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN SỐ HỌC 2.3.3 Tràn số Ví dụ: với chiều dài toán hạng là 5 bit, tính biểu thức 9 + 11, ta có: 01001 + 01011 10100 Kết quả ai cũng biết là 20, nhưng ta lại nhận được một số âm, do bit trọng số lớn nhất là 1, tức -12!
12. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ Một cách tổng quát, khi đề cập tới trạng thái luận lý đúng, thì ta có thể nghĩ ngay nó là bit 1, và ngược lại; còn nếu gặp trạng thái luận lý sai, thì cũng có nghĩa là ta có bit 0.
13. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.1 Phép toán AND AND là một hàm luận lý nhị phân, nó đòi hỏi hai toán hạng nhập, mỗi toán hạng là một trị luận lý 0 hoặc 1. Ta có thể hình dung toán hạng này hoạt động theo kiểu: cả hai đúng thì nó mới đúng.
14. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.1 Phép toán AND
15. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.1 Phép toán AND Toán hạng này có thể tổng quát cho các mẫu n bit.Ví dụ 2.5: Nếu c là kết quả AND của a và b, với a = 0011 1101 và b = 0100 0001, thì c bằng bao nhiêu ? a : 0011 1101 b : 0100 0001 c : 0000 0001
16. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.1 Phép toán AND Ví dụ 2.6: Giả sử chúng ta có một mẫu nhị phân 8 bit được gọi là A, trong đó hai bit trọng số nhỏ nhất bên phải của A có ý nghĩa quan trọng. Làm sao cách ly bốn bit này để xét ?
17. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.1 Phép toán AND Chúng ta dùng mặt nạ bit. Một mặt nạ bit là một mẫu nhị phân mà có thể làm cho ta thấy được hai phần khác nhau trong các bit của A, phần ta cần quan tâm và phần ta muốn bỏ qua. Trong trường hợp này, mặt nạ bit 0000 0011 khi được AND với A sẽ tạo ra các bit 0 trong các bit từ vị trí 7 tới vị trí 2, còn các bit ở vị trí 1 và 0 thì sẽ được giữ nguyên.
18. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.2 Phép toán OR OR cũng là một phép toán luận lý nhị phân. Nó yêu cầu hai toán hạng đầu vào là hai trị luận lý. Khác với AND, chỉ cần một trong hai toán hạng đầu vào là 1 thì kết quả đầu ra của OR đã là 1.
19. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.2 Phép toán OR
20. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.2 Phép toán OR Ví dụ 2.7: Nếu c là kết quả OR của a và b, với a = 0011 1101 và b = 0100 0001, thì c bằng bao nhiêu ? a : 0011 1101 b : 0100 0001 c : 0111 1101
21. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.2 Phép toán OR Ví du 2.8:Với một trạng thái bit đã có, ta muốn hai bit trọng số nhỏ nhất của nó phải có trạng thái xác định là 11, thì mặt nạ xxxx xx11 sẽ được OR với trạng thái bit đã có. Chẳng hạn như: 0011 1101 0000 0011 0011 1111
22. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.3 Phép toán NOT NOT là một hàm luận lý đơn toán hạng, nó chỉ cần một toán hạng nhập. Toán hạng này còn được gọi là toán hạng bù, vì nó thực hiện thao tác lật ngược trạng thái luận lý từ 1 qua 0, hoặc từ 0 qua 1.
23. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.3 Phép toán NOT
24. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.3 Phép toán NOT a: 0100 0001 thì c = NOT a: 10111110
25. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.4 Phép toán Exclusive-OR (EX-OR) Phép toán này còn được gọi ngắn gọn là XOR. Đây là toán tử hai toán hạng. Đầu ra của XOR sẽ là 1 nếu hai đầu vào là khác nhau
26. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.4 Phép toán Exclusive-OR (EX-OR)
27. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.4 PHÉP TOÁN TRÊN BIT – PHÉP TOÁN LUẬN LÝ 2.4.4 Phép toán Exclusive-OR (EX-OR) Ví dụ 2.9: Nếu c là kết quả XOR của a và b, với a = 0011 1101 và b = 0100 0001, thì c bằng bao nhiêu ? a : 0011 1101 b : 0100 0001 c : 0111 1100
28. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.5 KIỂU DỮ LIỆU DẤU CHẤM ĐỘNG (Floating point data type) Kiểu dữ liệu dấu chấm động là cách giải quyết cho vấn đề biểu diễn số thập phân thay vì dùng dấu chấm tĩnh. Các kiến trúc tập lệnh (ISA) đều có kiểu dữ liệu dấu chấm động theo định dạng chuẩn IEEE 754.
29. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.5 KIỂU DỮ LIỆU DẤU CHẤM ĐỘNG (Floating point data type) Một trong chúng là kiểu float, chiều dài 32 bit, có cấu trúc như sau: 1 bit cho dấu (dương hay âm) 8 bit cho tầm (vùng số mũ-exponent) 23 bit cho độ chính xác (fraction) N = (-1)S x 1.fraction x 2exponent-127, 1 ≤ exponent ≤ 254
30. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.5 KIỂU DỮ LIỆU DẤU CHẤM ĐỘNG (Floating point data type) Phần mũ dài 8 bit nhị phân, biểu diễn 256 trị không dấu, nhưng ta chỉ sử dụng 254 trị trong đó mà thôi. Vùng mũ chứa 0000 0000 (tức 0), hay 1111 1111 (tức 255) sẽ cho một ý nghĩa đặc biệt khác mà ta sẽ xét sau.
31. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.5 KIỂU DỮ LIỆU DẤU CHẤM ĐỘNG (Floating point data type) 5 Ví dụ 2.10: Hãy biểu diễn số - 6 ở dạng kiểu dữ liệu dấu 8 chấm động. Ví dụ 2.11: Hãy tìm trị cho dạng biểu diễn thuộc kiểu dấu chấm động sau: 0 0111101100000000000000000000000
32. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.5 KIỂU DỮ LIỆU DẤU CHẤM ĐỘNG (Floating point data type) Nếu phần mũ chứa 00000000 thì số mũ sẽ được xem là - 126, phần trị mặc nhiên bắt đầu bằng bit 0 bên trái dấu chấm nhị phân, tới dấu chấm nhị phân, và theo sau là 23 bit phần trị bình thường, cụ thể (-1)S x 0.fraction x 2-126
33. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.5 KIỂU DỮ LIỆU DẤU CHẤM ĐỘNG (Floating point data type) Ví dụ, dạng biểu diễn dấu chấm động 0 00000000 00001000000000000000000 có bit dấu bằng 0, nên là số dương, tám bit kế bằng 0, nên số mũ là -126, 23 bit cuối tạo ra dạng số 0.00001000000000000000000, tức bằng 2-5. Như vậy, số được biểu diễn là 2-5 . 2-126, tức 2-131.
34. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.5 KIỂU DỮ LIỆU DẤU CHẤM ĐỘNG (Floating point data type) Thí dụ 2.12: Kiểm chứng trị kiểu dấu chấm động của các mẫu sau: 0 10000011 00101000000000000000000 là 1.00101x 24 = 18.5 1 10000010 00101000000000000000000 là -1 x 1.00101x 23 = -9.25 0 11111110 11111111111111111111111 là 1.111 11 x 2127 ~ 2128 1 00000000 00000000000000000000001 là -2-149 0 00000000 00000000000000000000000 là 0+ 1 00000000 00000000000000000000000 là 0-
35. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.5 KIỂU DỮ LIỆU DẤU CHẤM ĐỘNG (Floating point data type) Nếu phần mũ chứa 11111111 thì ta sẽ có hai khả năng xảy ra: - Nếu phần trị bằng 0, số sẽ là dương vô cực (+ ) hay âm vô cực (- ) tùy vào bit dấu. -Nếu phần trị khác 0, lúc này việc biểu diễn số dấu chấm động sẽ không là một số (Not a Number - NaN), không quan tâm tới bit dấu. Dạng NaN này báo hiệu những thao tác không hợp lệ như nhân zero (0) với vô cực ( ).
36. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC 2.5 KIỂU DỮ LIỆU DẤU CHẤM ĐỘNG (Floating point data type) Tương tự, kiểu double có chiều dài 64 bit theo định dạng sau: N = (-1)S x 1.fraction x 2exponent-1023, 1 ≤ exponent ≤ 1022
37. CHƯƠNG 2 CÁC DỮ LIỆU VÀ THAO TÁC KẾT THÚC CHƯƠNG 2