Язык Си - Уэйт, Прата, Мартин

зависит от типа ЭВМ. Освобождающиеся позиции могут заполняться нулями или значением знакового разряда (самого левого). Для значений без знака имеем

(10001010) >> 2 == (00100010)

где каждый разряд переместился на две позиции вправо.

Применение

Эти операции выполняют сдвиг, а также эффективное умножение и деление на степени 2:

number << n умножает number на 2 в n-й степени

number >> n делит number на 2 в n-й степени, если число неотрицательное.

Это аналогично соответствующему алгоритму для десятичной системы счисления, обеспечивающему сдвиг десятичной точки при умножении или делении на 10.

Поля	Далее Содержание

Второй способ манипуляции разрядами заключается в использовании поля. Полем считается последовательность соседних разрядов в числе типа int или unsigned int. Поле устанавливается при помощи определения структуры, в котором помечается каждое поле и определяется его размер. Следующее описание устанавливает четыре 1-разрядных поля:

struct {

unsigned autfd: 1; unsigned bldfc: 1; unsigned undln: 1; unsigned itals: 1; } prnt;

Переменная prnt содержит теперь четыре 1-разрядных ноля. Обычную операцию принадлежности элемента структуры можно использовать для присвоения значении отдельным полям:

prnt.itals = 0; prnt.undln = 1;

Поскольку каждое поле состоит только из одного разряда, мы можем использовать для присваивания лишь значение 0 или 1.

Переменная prnt запоминается в ячейке памяти, имеющей размер, равный длине числа типа int, но для нашего примера используется только четыре разряда.

Размер поля не ограничивается одним разрядом. Мы можем делать, например, так:

struct {

unsigned code1 : 2; unsigned code2 : 2; unsigned code3 : 8; } prcode;

Таким путем создаются два 2-разрядных поля и одно 8-разрядное. Мы можем выполнять присваивания, подобные следующим:

prcode.code1 = 0; prcode.code2 = 3; prcode.code3 = 102;

Удостоверьтесь только, что значение нe превышает размер поля.

331

Что произойдет, если общее число объявленных вами разрядов превысит размер переменной типа int? В этом случае используется следующая ячейка памяти типа int. Одиночное поле не может перекрывать границу между двумя int, компилятор автоматически сдвигает определение перекрывающего поля таким образом, чтобы данное поле было выравнено по границе int. Если это происходит, он оставляет в первом int безымянное "пустое место".

Вы можете заполнить структуру поля с безымянными пустыми местами, используя поле без имени. Применение поля без имени с размером 0 выравнивает очередное поле по границе следующего целого:

struct {

field1 : 1;

:2; field2 : 1;

:0;

field3 : 1; } stuff;

Здесь есть 2-разрядный промежуток между stuff.field1 и stuff.field2, a stuff.field3 запоминается в следующем int.

Порядок размещения полей в int зависит от типа ЭВМ. В одних машинах поля располагаются слева направо, в других - справа налево.

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж

Далее Содержание

ДВОИЧНЫЕ И ДРУГИЕ ЧИСЛА

Двоичные числа

В основе способа, который мы обычно используем для записи чисел, лежит число 10. Может быть, вы когда-то слышали, что число 3652 имеет 3 в позиции тысяч, 6 в позиции сотен, 5 в позиции десятков и 2 в позиции единиц. Поэтому мы можем представить число 3652 в виде

3 ґ 1000 + 6 ґ 100 + 5 ґ 10 + 2 ґ 1

Однако 1000 - это 10 в кубе, 100 - десять в квадрате, 10 - десять в первой степени, а 1, как принято в математике, 10 (или любое положительное число) в нулевой степени. Следовательно, мы можем записать 3652 как

3 ґ 103 + 6 ґ 102 + 5 ґ 101 + 2 ґ 100

Так как наша система записи чисел основывается на степенях десяти, мы можем сказать, что 3652 записывается по основанию 10.

Вероятно, мы создали такую систему потому, что имеем 10 пальцев на руках. Компьютер же, в каком-то смысле, имеет только два "пальца", поэтому его можно установить только в состояние 0

или 1 (выключено или включено). Это делает систему с основанием 2 естественной для компьютера. Как она работает? Используются степени 2 вместо степеней 10. Например, такое двоичное число, как 1101, означало бы

1 ґ 23 + 1 ґ 22 + 0 ґ 21 + 1 ґ 20

В десятичной записи оно становится равным

332

1 ґ 8 + 1 ґ 4 + 0 ґ 2 + 1 ґ 1 = 13

Система с основанием 2 (или "двоичная") позволяет выразите любое число (если у пас достаточно разрядов в двоичной системе, как комбинацию единиц и нулей. Это очень "приятно" для компьютера, особенно если учесть, что у него нет иного выбора. Посмотрим, как работает такой механизм для 1-байтного целого числа.

Можно считать его 8 разрядов пронумерованными слева направо от 7 до 0. Такие "номера разрядов" соответствуют степеням 2. Представьте себе, что байт выглядит примерно так:

Здесь 128 - это 2 в 7-и степени и т. д. Самое большое число, которое может содержать этот байт, имеет во всех разрядах 1 : 11111111. Значение такого двоичного числа

128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 = 255

Самое маленькое двоичное число было бы равно 00000000, или просто 0. Байт может содержать числа от 0 до 255 для всех 256 возможных значений.

Двоичные числа с плавающей точкой

Далее Содержание

Числа с плавающей точкой хранятся в памяти в виде двух частей: двоичной дроби и двоичного порядка. Посмотрим, как это делается.

Двоичные дроби

Обычную дробь .324 можно представить в виде

3/10 + 2/100 + 4/1000,

где знаменатели - увеличивающиеся степени 10. В двоичной дроби мы используем в качестве знаменателей степени 2. Поэтому двоичную дробь .101 можно записать в виде

1/2 + 0/4 + 1/8,

что в десятичном виде даст

.50 + .00 + .125 или .625.

Многие дроби, такие как 1/3, нельзя точно предоставить десятичной форме, и аналогично многие дроби нельзя точно представить в двоичной форме. Действительно, только дроби, которые являются комбинациями чисел, кратных степеням 1/2, можно представить точно. Поэтому 3/4 и 7/8 можно точно представить как двоичные дроби, а 1/3 и 2/5 нельзя.

333

Представление чисел с плавающей точкой

Для представления в компьютере числа с плавающей точкой некоторое количество (в зависимости от системы) разрядов выделяется для хранения двоичной дроби и, кроме того, дополнительные разряды содержат показатель степени. В общем случае фактическое значение числа состоит из двоичной дроби, умноженной на 2 в указанной степени. Поэтому умножение числа с плавающей точкой, скажем, на 4 увеличивает показатель степени па 2 и оставляет двоичную дробь неизменной. Умножение на число, нe являющееся степенью 2, изменяет двоичную дробь и, если необходимо, показатель степени.

Другие основания системы счисления

Далее Содержание

Пользователи компьютеров часто применяют системы счисления по основанию 8 или 16. Так как 8 и 16 являются степенями 2, эти системы более тесно связаны с двоичной системой счисления компьютеров, чем десятичная система.

Восьмеричные числа

"Восьмеричными" называются числа в системе счисления по основанию 8. В этой системе различные позиции в числе представляют степени числа 8. Мы используем для этого цифры от 0 до 7. Например, восьмеричное число 451 (записываемое как 0451 на языке Си) представляется в виде

4 ґ 82 + 5 ґ 81 + 1 ґ 81 = 297 (по основанию 10)

Шестнадцатеричные числа

"Шестнадцатеричными" (или hex) называются числа в системе по основанию 16. Поскольку у нас нет отдельных цифр для предстанления значении от 10 до 15, мы используем в этих целях буквы от

А до F. Например, шестнадцатеричное число A3F (записанное как 0ґА3F на языке Си) представляется как

10 ґ 162 + 3 ґ 161 + 15 ґ 160 = 2623 (по основанию 10)

ПРИЛОЖЕНИЕ З

Далее Содержание

"МУЗЫКА" В СИСТЕМЕ IBM PC

Громкоговорителем персонального компьютера IBM PC можно управлять, используя его порты ввода-вывода. В гл. 6 мы обсуждали, как применять порт 97 для возбуждения звукового

сигнализатора компьютера IBM PC. Мы применяли специальные функции ввода-вывода inp( ) и

outp( ), которые предусмотрены в некоторых компиляторах с языка Си для систем IBM PC. Большинство компиляторов IBM PC позволяют также применять эквивалентные средства на языке ассемблера. Мы видели, как надо использовать циклы, реализующие временную задержку, для управления продолжительностью звучания; в этом приложении мы расширим наш подход, что позволит нам выбирать и частоту. Мы составим функцию, аргументами которой являются частота и

продолжительность звучания. Затем покажем образец программы, использующей функцию tone( ) для превращения части клавиатуры машины IBM PC в простую музыкальную клавиатуру.

334

Функция tone ( )

Далее Содержание

Вот заголовок нашей функции:

tone(freq, time); int freq, time;

Переменная freq описывает частоту тона, выражаемую в герцах (Гц), т. е. числом колебаний в секунду. Переменная time характеризует продолжительность звучания в десятых долях секунды, значение 10 для time означает продолжительность 10 десятых, или 1 секунда. Теперь мы должны разработать способы передачи этой информации на звуковоспроизводящее устройство. Сначала рассмотрим продолжительность звучания.

Продолжительность звучания

Мы можем регулировать продолжительность так, как было указано в гл. 6. Вспомним, что громкоговоритель управляется устройством, называемым "Программируемый параллельный интерфейсный контроллер 8255". Специальные каналы ввода-вывода, называемые портами, связывают этот и другие контроллеры с "мозгом" системы, микропроцессором 8088. Мы используем порт 97 для включения громкоговорителя, цикл, чтобы отмечать время, и затем порт 97 для отключения громкоговорителя. Вот фрагмент программы, которая будет выполнять эти действия:

#define TIMESCALE
1270	/* число отсчетов времени в 0,1 с */
#define BEEPPORT		97 /* порт управляет громкоговорителем */
#define ON 79		/* сигнал включения громкоговорителя */
count = TIMESCALE		*time;	/* преобразование времени
в единицы таймера */
port = inp(BEEPPORT);			/* запоминание состояния порта */
outp(BEEPPORT, ON);			/* включение громкоговорителя */
for(i = 0; i < count; i++)
;			/* отметка времени */
outp(ВEEPPORT, port);			/* выключение громкоговорителя, восстановление состояния */

Значение count (число отсчетов) дает время, в течение которого громкоговоритель включен. Коэффициент TIMESCALE преобразует десятые доли секунды в эквивалентное количество отсчетов времени. Конечно, мы должны установить требуемую частоту звука до того, как зазвучит громкоговоритель, поэтому рассмотрим этот параметр.

Частота звука

Частоту звука можно установить при помощи другого устройства, называемого "Программируемым интервальным таймером 8253". Этот контроллер в числе прочего определяет, сколько импульсов в секунду следует послать на громкоговоритель. Устройство 8253 вырабатывает базовую частоту 1,190,000 Гц, которая значительно выше граничной частоты восприятия звука человеком. Однако мы можем послать на устройство 8253 число для деления этой базовой частоты. Например, если мы направляем туда 5000, то получаем частоту, следования импульсов

1,190,000/5000 = 238 Гц,

которая немного ниже среднего звука си (нота, а не версии более низкого класса рассматриваемого языка). Если мы знаем, какая частота freq нам нужна, можно вычислить требуемый делитель, скажем, так:

divisor = 1,190,000/freq;

335

Наша функция позволяет сделать это, в связи с чем нам нужно только знать, как подать значение переменной divisor на устройство 8253. Теперь требуется использовать еще два порта.

Первый шаг заключается в установке таймера 8253 в правильный рабочий режим для приема делителя. Это достигается посылкой значения 182 (0ґВ6 в шестнадцатеричном коде) через порт 67. Как только такая посылка будет выполнена, можно использовать порт 66 для передачи делителя.

Посылка делителя представляет собой несложную задачу. Сам делитель является 16-разрядным числом, но его следует передавать двумя частями. Сначала мы посылаем младший байт, или последние 8 разрядов числа, а затем старший байт, т.е. начальные 8 разрядов числа. В следующей программе мы называем эти части lobyt и hibyt и вычисляем их значения через divisor:

lobyt = divisor % 256; hibyt = divisor % 256;

Можно также использовать поразрядные операции:

lobyt = divisor & 255; hibyt = divisor >> 8;

Первый оператор в каждой паре строк примеров устанавливает первые восемь разрядов в 0, оставляя в последних восьми разрядах первого байта число. Проверьте результаты операцией

получения модуля и поразрядной операцией И, чтобы увидеть, как это делается. Второй оператор каждой пары берет исходное значение divisor и сдвигает его на 8 позиций вправо (что эквивалентно

делению на 28, или на 256). Восемь левых разрядов устанавливаются в 0, сохраняя 8-разрядное число, содержащее исходные значения восьми левых разрядов.

Ниже показана такая функция целиком:

/* tone(freq, time) -- устанавливает звук заданной частоты и продолжительности */

#define TIMERMODE	182 /* код установки таймера в нужный режим */
#define FREQSCALE	119000L /* базовая частота в герцах */
#define TIMESCALE	1230L /* число отсчетов времени в 0,1 с */
#define T_MODEPORT	67 /* порт управляет режимом работы таймера */
#define FREQPORT	66	/* порт регулирует частоту звука*/
#define BEEPPORT	97	/* порт управляет громкоговорителем */
#define ON	97	/* сигнал включения громкоговорителя */
tone(freq, time)
int freq, time;

{

int hibyt, lobyt, port; long i, count, divisor;

divisor = FREQSCALE/freq; /* масштабирование частоты в единицах таймера */ lobyt = divisor % 256; /* разбивает целое */

hibyt = divisor / 256; /* на два байта */

count = TIMESCALE * time; /* преобразует время в единицы таймера */ outp(T_MODEPORT, TIMERMODE); /* подготавливает таймер к вводу */ outp(FREQPORT, lobyt); /* устанавливает младший байт регистра таймера */ outp(FREQPORT, hibyt); /* устанавливает старший байт регистра таймера */ port = inp(BEEPPORT); /* запоминает состояние порта */

outp(BEEPPORT, ON) /* включает громкоговоритель */ for(i = 0, i < count; i++)

;/* отметка задержки */

outp(BEEPPORT, port); /* выключает Громкоговоритель, восстанавливает состояние */

Мы определяем TIMESCALE в директиве #define как целое тип long, потому что вычисление TIMESCALE * time будет выполнять ся для типа long, а не int. Иначе результат, если он больше 32767 будет усекаться перед занесением в count.

Использование функции tоnе( ) Далее Содержание

336

Наша функция tone( ) в значительной степени дублирует действие оператора SOUND языка Бейсик для компьютера IBM PC Здесь мы используем ее для создания довольно ограниченной ( 8 нот, одна октава) клавиатуры, в которой используются 8 клавишей, начиная с А, для воспроизведения нот. Ниже приведена соответствующая программа, а также некоторые пояснения к ней.

/* простая музыкальная клавиатура */

#include <conio.h> /* использует небуфсризованный ввод-вывод */ #include <ctype.h>

#define С 262 /* определяет частоты */ #define D 294

#define E 330 #define F 349 #define G 392 #define А 440 #define В 494 #define C2 524 main( )

{

int key, freq, tempo, time;

puts(" Введите, пожалуйста, основной темп: 10 = 1 с."); scanf(" %d", &tempo);

printf(" %d \n \r", tempo); /* эхо-ввод */

puts(" Спасибо. Используйте клавиши а - k для воспроизведения нот.\n\r"); puts(" Клавиша переключения регистра удваивает продолжительность звучания.

Символ ! прекращает работу."); while((key = getchar( )) != '!')

{time = isupper(key)? 2 * tempo : tempo; key = tolower(key);

switch (key) {

case 'a' : tone(C, time);

break;

case 's' : tone(D, time);

break;

case 'd' : tone(E, time);

break;

case 'f' : tone(E, time);

break;

case 'g' : tone(G, time);

break;

case 'h' : tone(A, time);

break;

case 'j' : tone(B, time);

break;

case 'k' : tone(C2, time);

break;

default : break; }

}

рuts("До свидания!\n\r");

} }

Главной особенностью созданной программы является оператор switch, который присваивает разные звуки восьми клавишам от А до К. Кроме того, программа удваивает продолжительность звучания ноты, если вы используете верхний регистр. Эта продолжительность (time) устанавливается перед оператором switch, затем верхний регистр переключается на нижний, чтобы сократить число необходимых меток.

Вторая важная особенность заключается в том, что мы используем заголовочный файл conio.h. Этот файл содержит директивы #define, которые заменяют обычные функции ввода-вывода [такие, как getchar( )] на версии "пультового ввода-вывода", являющиеся небуферизованными. И в результате, если вы нажимаете, скажем, клавишу [а], немедленно звучит нота, и вам нe нужно нажимать клавишу [ввод]. Между прочим, эти функции не только не выполняют эхо-печать, но и не

337

начинают автоматически новую строку. Поэтому мы вставили оператор printf( ) для эхо-печати вводимой переменной tempo и использовали символы \n и \r для перемещения курсора на новую строку и возврата его к левой сторонe экрана. Если вы хотите, чтобы символы, которые соответствуют нажимаемым клавишам, отображались одновременно на экране, вставьте

putchar(key);

в программу.

Хотя ввод не буферизован, клавиатура имеет свой собственный буфер. Это позволяет вам, если вы хотите, заранее набирать все требуемые символы. А ноты будут звучать в собственном устойчивом темпе. Вот, пример, начало мелодии "Радость мира"

KjhGfdsA

Предоставляем вам возможность закончить эту мелодию.

ПРИЛОЖЕНИЕ И

Далее Содержание

РАСШИРЕНИЕ ЯЗЫКА СИ

Версия 7 ОС UNIX предоставляет два важных расширения языка Си. Первое заключается в том, что можно использовать саму структуру (а нe только адрес или элемент структуры) в качестве аргумента функции. Второе расширение позволяет использовать новую форму данных, называемую "перечислимый тип данных". Теперь рассмотрим эти расширения.

Структуры в качестве аргументов функции

Далее Содержание

В нерасширенном языке Си можно передавать функции адрес структуры. Например, если montana

является структурной переменной структурного типа player, мы можем обратиться к функции следующим образом:

stats(&montana);

Функция stats( ) будет иметь примерно такой заголовок:

stat(name) struct player * name;

После вызова функции указатель name будет ссылаться на структуру montana и функция будет использовать montana в своих манипуляциях.

В расширенном языке Си мы можем применять имя самой структуры в качестве аргумента, и это приведет к созданию копии исходной структуры в составе вызванной функции. Например, обращение к той или иной функции может выглядеть примерно так:

stats(montana);

Теперь функция stats( ) должна иметь несколько иной заголовок:

stats(name) struct player name;

На этот раз после вызова функции создается новая структурная переменная типа player. Новая переменная получает название name, и каждый элемент name имеет такое же значение, как и соответствующий элемент структуры montana.

338

Это расширение позволяет функции иметь свою "личную" копию структуры точно так же, как она обычно имеет свои копии стандартных переменных. Преимущество здесь то же, что и раньше: структуры не изменяются необъяснимо из-за непредвиденного побочного воздействия функции.

Будьте осторожны: Некоторые компиляторы допускают обращение вида

stats(montana);

но на самом деле интерпретируют его как

stats(&montana);

В этом случае передается адрес, и функция работает с самой исходной структурной переменной, а не с ее копией.

Перечислимые типы

Далее Содержание

Ключевое слово enum позволяет создавать новый тип и определять значения, которые он может иметь. Приведем пример:

enum spectrum (red, orange, yellow, green, blue, violet); enum spectrum color;

Первый оператор объявляет новый тип: spectrum. Он перечисляет также возможные значения переменных типа spectrum: red, orange и т. д. Они являются константами типа spectrum так же, как 4 является константой типа int, a 'g' - константой типа char.

Второй оператор объявляет color переменной типа spectrum. Вы можете присвоить переменной color любую константу типа spectrum; например:

color = green;

На первый взгляд типы enum могут показаться похожими на определенные пользователем порядковые типы языка Паскаль. Действительно, сходство есть, но есть и существенные различия, поэтому, если вы знаете Паскаль, то нс придете к такому заключению.

Рассмотрим характер этих новых констант и операций, которые можно выполнять с использованием переменных типа

enum константы

Как компьютер запоминает что-нибудь подобное red? Он может рассматривать это как символьную

строку, но у нее нет кавычек. И действительно, red и другие enum константы запоминаются как целые числа. Например, попробуйте выполнить

printf("red = %d, orange = %d\n", red, orange);

и с учетом вышеуказанных описании вы получите такой результат:

red = 0, orange = 1

По существу переменная red и ее "сестры" действуют как синонимы целых чисел от 0 до 5. Результат подобен использованию

#define red 0

за исключением того, что соответствие, установленное при помощи оператора enum более ограниченно. Например, если index является переменной типа int, то оба нижеследующих

339

оператора недопустимы:

index = blue; /* несоответствие типа */ color = 3; /* несоответствие типа */

Позже мы рассмотрим другие ограничения при использовании констант и переменных типа enum. Сначала более внимательно рассмотрим значения констант типа enum.

Значения по умолчанию

Наш пример проиллюстрировал присваивание константам значений по умолчанию. Константам, появляющимся в описании enum, присваиваются целые числа 0, 1, 2 и т. д. в порядке их расположения. Так, описание

enum kids {nippy, slats, skip, nana, liz};

присваивает nаnа значение 3.

Присвоенные значения

Можно выбирать значения, которые вы хотите присвоить константам, но они должны быть целого типа (включая char). Для этого включите желаемыe значения в описание:

enum levels {low = 100, medium = 500, high = 2000};

Если вы присваиваете какое-либо значение одной константе и не присваиваете ничего константам, следующим за ней, то им будут присвоены последовательные значения, идущие за явно присвоенным значением. Например,

enum feline {cat = 20, tiger, lion, puma};

присваивает переменной tiger значение 21, переменной lion - значение 22 и puma - значение 23.

Операции

Теперь рассмотрим, что можно и нельзя делать с величинами типа enum.

Вы можете присвоить константу типа enum переменной того же типа

enum feline pet; pet = tiger;

Нельзя использовать другие операции присваивания:

pet += cat; /* недопустимо */

Можно провести сравнение с целью выявления равенства или неравенства:

if ( per = = cat) ...

if ( color ! = violet)

...

Нельзя использовать другие операции отношения:

if(color > yellow) /* недопустимо */

Можно применять арифметические операции к константам типа enum:

color = red + blue; pet = puma * lion;

Имеют ли такие выражения какой-то смысл - это уже другой вопрос.

340