Programarea Calculatoarelor: Laborator 12

Structuri şi câmpuri pe biţi

Pe lăngă cămpuri obişnuite, structurile pot avea şi câmpuri pe biţi: valori de tip întreg reprezentate pe un număr specificat de biţi. În acest fel putem reprezenta mai eficient valori mici, care nu necesită numărul de biţi pe care se reprezintă obişnuit un întreg (16, 32 sau chiar 64). Mai multe câmpuri de acest tip pot ocupa biţi succesivi din octeţi succesivi din memorie, rezultând într-o reprezentare mai compactă decât dacă s-ar folosi un număr întreg de octeţi pentru fiecare câmp. În acelaşi timp, valorile pot fi accesate mai natural şi mai simplu (cu sintaxa variabilă.câmp) decât cu măşti şi operatori pe biţi.

Limbajul C nu precizează detalii despre ordinea în care sunt dispuşi biţii în astfel de structuri; acesta poate fi dependent de arhitectură şi compilator, deci înainte de a ne baza pe o anumită dispunere trebuie să verificăm cu exemple.

Definim o astfel de structură pentru a reprezenta un moment de timp format din dată şi oră. De exemplu, secundele şi minutele iau valori între 0 şi 59, deci se pot reprezenta pe 6 biţi (pe care încap valori până la 2⁶-1, deci 63). Zilele (de la 1 la 31) se pot reprezenta pe 5 biţi, la fel şi orele, iar lunile pe 4 biţi. Încercând să folosim doar 32 de biţi în total (la fel ca şi un tip întreg) ne mai rămân 6 biţi pentru an. Alegem să reprezentâm anii începând de la 1980 (pe care îl reprezentăm ca 0), şi putem astfel ajunge până la 1980 + 63 = 2043. Putem scrie structura în felul următor:

#define SECBITS	6
#define MINBITS 6

typedef struct date {
  int sec : SECBITS;
  int min : MINBITS;
  int hr : 5;
  int day : 5;
  int mo : 4;
  int yr : 6;
} date_t;

Numărul de biţi e precizat după : pentru fiecare câmp; pentru primele câmpuri am folosit macro-uri (constante simbolice), care ne vor ajuta să scriem mai flexibil şi uşor de înţeles codul care urmează.

Putem folosi o variabilă de acest tip ca şi orice structură obişnuită şi putem verifica câţi octeţi ocupă o astfel de structură pe sistemul nostru (un răspuns posibil: 4).

  date_t t;
  printf("sizeof(struct date) = %u\n", sizeof(date_t));
  t.yr = 2008 - 1980; t.mo = 5; t.day = 24;
  t.hr = 15; t.min = 47; t.sec = 33;

Pentru a verifica cum sunt reprezentate datele în memorie declarăm o variabilă întreagă de aceeaşi dimensiune, îi atribuim valoarea aflată la adresa variabilei dată (deci octeţii de memorie care formează data, priviţi ca şi întreg) şi îi tipărim câmpurile folosind operatori pe biţi. Pe o arhitectură Intel x86 / gcc / Linux, câmpurile sunt reprezentate pornind de la bitul cel mai puţin semnificativ. Pentru a extrage câmpurile, deplasăm întregul d până când câmpul dorit ajunge pe biţii cei mai puţin semnificativi, şi apoi facem un ŞI cu o mască cu biţii respectivi pe 1, şi ceilalţi pe 0.

#define SECOFF	0
#define MINOFF	SECBITS		// de la ce pozitie incep bitii de minut
#define MASK(bits)	~(~0u << bits)	// 1 pe bits pozitii 

  uint32_t d = *(uint32_t *)&t;	// privim valoarea de la &t ca si intreg
  printf("%u minute %u secunde\n", d >> MINOFF & MASK(MINBITS),
	 d & MASK(SECBITS));

Programul complet se găseşte aici. Extindeţi programul tipărind şi alte câmpuri (ora, ziua, etc.) din structură. Scrieţi apoi o funcţie care returnează o structură reprezentând data şi ora aflată la un număr dat de secunde după începutul anului 1980 (de exemplu: un miliard de secunde).

Probleme propuse 1. Scrieţi un program care citeşte de la intrare un număr de înmatriculare de maşină (2 litere-2 cifre-3 litere, exemplu: TM-10-UPT) şi îl reprezintă ca structură pe 32 de biţi.

2. Scrieţi un program care citeşte din fişierul cu numele dat pe linia de comandă linii de forma Nume Prenume Nota şi le reprezintă ca tablou de structuri (varianta 1: câmpuri de lungime fixă pentru nume; varianta 2: pointeri). Suplimentar: sortaţi înregistrările după nume şi după notă.

Marius Minea

Last modified: Sat May 24 17:38:25 EET 2008