二进制补码与进制转换详解

1、11011101的二进制补码是多少？

先求

11011101

的

一的补码

，即将每一位取反，得到

00100010

，然后再加

1

，得到

00100011

。所以

11011101

的二进制补码是

00100011

。

2、完成以下表格中的进制转换，填充空白处：十进制、二进制、十六进制、二十一进制，已知十进制数23，二进制数010011，十六进制数ABB，二十一进制数2HE。

表格中各进制数转换如下：

Base 10	Base 2	Base 16	Base 21
23	10111	无	无
19	010011	无	无
2747	无	ABB	无
1253	无	无	2HE

十进制 23 转换为二进制是 10111。

二进制 010011 转换为十进制是 19。

十六进制 ABB 转换为十进制是 2747。

二十一进制 2HE 转换为十进制是 1253（计算过程：2×21² + 17×21 + 14 = 882 + 357 + 14 = 1253）。

3、UTF – 8 常被称为 Unicode，为什么这是不正确的？

ISO/IEC 10646 定义了从码点（数字）到字形（字符）的映射，UTF-8 为 ISO/IEC 10646 标准中的码点（文本数据）定义了一种高效的可变长度编码，而 Unicode 为 ISO/IEC 10646 字符集添加了特定语言属性。

三者共同为几乎所有人类书面语言的文本数据提供支持，所以 UTF-8 只是其中一部分，不能简单等同于 Unicode。

4、熟练的汇编程序员可以在脑海中对二进制、十六进制和十进制的小数字进行相互转换。不参考任何表格、不使用计算器或纸笔，填写以下表格，将二进制、十进制、十六进制进行相互转换：

二进制	十进制	十六进制
	5
1010
		C
	23
0101101
		4B
二进制	十进制	十六进制
——–	——	——–
0101	5	5
1010	10	A
1100	12	C
00010111	23	17
0101101	45	2D
01001011	75	4B

5、汇编语言有四个主要元素。它们是什么？

汇编语言的四个主要元素是汇编指令、标签、汇编命令和注释。

6、展示三种不同的方法来创建一个包含短语“segmentation fault”的以空字符结尾的字符串。

方法一：使用

.asciz

指令，如：

str1: .asciz "segmentation fault"

方法二：使用

.string

指令，如：

str2: .string "segmentation fault"

方法三：可以先使用

.ascii

指令，再手动添加空字符，如：

str3: .ascii "segmentation fault",0

7、变量 var1、var2 和 expr 总共分配了多少字节的内存？其中 var1 为 .word 类型，值为 23；var2 为 .long 类型，值为 0xC；expr 为 .ascii 类型，值为 “>>”。

在大多数系统中，

.word

和

.long

通常都占用 4 个字节，

.ascii

字符串

">>"

包含 2 个字符，占用 2 个字节，所以总共分配 4 + 4 + 2 = 10 个字节。

8、识别以下代码中的指令、标签、注释和语句：

1 .global main

2 main:

3 mov r0,#1 @ the program return code is 1

4 mov pc,lr @ return and exit the program

## 指令
.global，mov

## 标签
main

## 注释
- @ the program return code is 1
- @ return and exit the program

## 语句
.global main  
mov r0,#1  
mov pc,lr

9、编写汇编代码来声明与以下 C 代码等效的变量，这些变量在任何函数外部声明：static int foo[3]; （在当前文件的任何地方可见） static char bar[4]; （在当前文件的任何地方可见） char barfoo; （在程序的任何地方可见） int foobar; （在程序的任何地方可见）

以下是等效的汇编代码：

.data
.global barfoo
.global foobar

foo:
    .word 0, 0, 0

bar:
    .byte 0, 0, 0, 0

barfoo:
    .byte 0

foobar:
    .word 0

10、在以下代码中插入最少数量的 .align 指令，使所有字变量按字边界对齐，所有半字变量按半字边界对齐，同时尽量减少空间浪费。代码如下：1 .data 2 .align 2 3 a: .byte 0 4 b: .word 32 5 c: .byte 3 6 d: .hword 45 7 e: .hword 0 8 f: .byte 0 9 g: .word 128

在第5行和第8行插入

.align

指令。修改后的代码如下：

1  .data
2  .align 2
3  a: .byte 0
4  b: .word 32
5  .align 2
6  c: .byte 3
7  d: .hword 45
8  .align 1
9  e: .hword 0
10 f: .byte 0
11 .align 2
12 g: .word 128

11、编写一个能打印你名字的程序。

以下是示例代码：

.data
str:
    .asciz "你的名字
"

.text
.globl main
main:
    stmfd sp!, {lr}       @ 将返回地址压入栈
    ldr r0, =str          @ 加载指向格式字符串的指针
    bl printf             @ 调用printf函数
    mov r0, #0            @ 将返回码移到r0
    ldmfd sp!, {lr}       @ 从栈中弹出返回地址
    mov pc, lr            @ 从main函数返回

将“你的名字”替换为实际名字，然后使用GNU C编译器编译生成可执行文件。

12、哪些寄存器分别保存栈指针、返回地址和程序计数器？

栈指针由r13（或sp）保存，返回地址由r14（或lr）保存，程序计数器由r15（或pc）保存。

13、stm 和 ldm 指令在地址寄存器后包含一个可选的 ‘!’，它有什么作用？

可选的 ‘!’ 指定在寄存器存储后应修改地址寄存器 Rd。

14、以下C语句声明了一个包含四个整数的数组，并按顺序将其值初始化为7、3、21和10。int nums[]={7,3,21,10}; (a) 写出等效的GNU ARM汇编代码。(b) 分别使用以下方法编写ARM汇编指令，将这四个数字分别加载到寄存器r3、r5、r6和r9中：i. 一条ldm指令；ii. 四条ldr指令。

(a) 在GNU ARM汇编中，等效代码如下：

```armasm
.data
nums: .word 7, 3, 21, 10

(b) i. 使用一条

ldm

指令：

LDR r0, =nums
LDMIA r0, {r3, r5, r6, r9}

ii. 使用四条

ldr

指令：

LDR r0, =nums
LDR r3, [r0]
LDR r5, [r0, #4]
LDR r6, [r0, #8]
LDR r9, [r0, #12]

15、使用ldm和stm编写一段简短的ARM汇编语言序列，将16个字的数据从源地址复制到目标地址。假设源地址已加载到r0中，目标地址已加载到r1中。你可以根据需要使用寄存器r2到r5来保存值。你的代码可以修改r0和/或r1。

可以使用以下汇编代码实现：

ldmia r0, {r2 - r5, r6 - r9, r10 - r13, r14}
stmia r1, {r2 - r5, r6 - r9, r10 - r13, r14}

解释：

第一条指令使用

ldmia

（Load Multiple Increment After）从

r0

指向的源地址加载16个字的数据到寄存器

r2 - r14

中，每次加载后地址自动递增4字节。

第二条指令使用

stmia

（Store Multiple Increment After）将寄存器

r2 - r14

中的数据存储到

r1

指向的目标地址，每次存储后地址自动递增4字节。

16、如果r0初始值为1，在执行以下指令序列的第三条指令后，r0的值是多少？ 1 add r0,r0,#1 2 mov r1,r0 3 add r0,r1,r0 lsl #1

6

17、执行以下每条指令后，r0 和 r1 分别包含什么值？以十进制给出答案。1 mov r0,#1 2 mov r1,#0x20 3 orr r1,r1,r0 4 lsl r1,#0x2 5 orr r1,r1,r0 6 eor r0,r0,r1 7 lsr r1,r0,#3

执行

mov r0,#1

后，

r0 = 1

，

r1

未操作；

执行

mov r1,#0x20

后，

r0 = 1

，

r1 = 32

；

执行

orr r1,r1,r0

后，

r0 = 1

，

r1 = 33

；

执行

lsl r1,#0x2

后，

r0 = 1

，

r1 = 132

；

执行

orr r1,r1,r0

后，

r0 = 1

，

r1 = 133

；

执行

eor r0,r0,r1

后，

r0 = 132

，

r1 = 133

；

执行

lsr r1,r0,#3

后，

r0 = 132

，

r1 = 16

；

18、lsr和asr有什么区别？

以下是调整为 Markdown 格式的文本内容：

`lsr` 操作将每个位向右移动指定的位数 `n`，`n` 个最高有效位补零，最低有效 `n` 位丢失；  
`asr` 操作也将每个位向右移动指定的位数 `n`，但 `n` 个最高有效位变为符号位（第31位）的副本，最低有效 `n` 位丢失。

19、给定以下变量定义：num1:.word x ，num2:.word y，其中不知道x和y的值。编写一段简短的ARM汇编指令序列，用于加载这两个数字，比较它们，并将较大的数字移动到寄存器r0中。

以下是实现该功能的ARM汇编代码：

LDR r1, =num1      ; 将num1的地址加载到r1
LDR r2, [r1]       ; 从num1地址处加载值到r2
LDR r1, =num2      ; 将num2的地址加载到r1
LDR r3, [r1]       ; 从num2地址处加载值到r3
CMP r2, r3         ; 比较r2和r3的值
MOVGT r0, r2       ; 如果r2 > r3，将r2的值移动到r0
MOVLE r0, r3       ; 如果r2 <= r3，将r3的值移动到r0

20、假设a存储在寄存器r0中，b存储在寄存器r1中，请给出与以下C代码等效的ARM汇编代码。if ( a & 1 ) a = -a; else b = b+7;

以下是等效的ARM汇编代码：

tst r0, #1      @ 比较a的第0位与1
rsbne r0, r0, #0 @ 如果第0位被设置，将a取负
addeq r1, r1, #7 @ 否则将b加7

21、寄存器为易失性（volatile）是什么意思？根据ARM函数调用约定，哪些ARM寄存器被认为是易失性的？

寄存器为易失性意味着这些寄存器可以自由使用，子程序调用时无需保存其内容。

根据ARM函数调用约定，寄存器 r0 – r3 和 r12 是易失性的；在 VFP 相关内容中，寄存器 s0 – s15（也称为 d0 – d7）以及若存在的 d16 – d31 是易失性的。

22、用ARM汇编语言编写一个与以下C函数等价的函数：

int max(int a, int b) {
    if (a > b) {
        return a;
    }
    return b;
}

以下是实现该功能的ARM汇编代码：

max:
    CMP r0, r1      ; 比较a (r0) 和 b (r1)
    MOVGT r0, r0    ; 如果 a > b，将a (r0) 作为返回值
    MOVLE r0, r1    ; 如果 a <= b，将b (r1) 作为返回值
    BX lr           ; 返回

在上述代码中，

CMP

指令用于比较

r0

和

r1

的值，

MOVGT

指令在

a > b

时将

r0

的值作为返回值，

MOVLE

指令在

a <= b

时将

r1

的值作为返回值，最后

BX lr

指令用于返回调用函数。

23、自动变量可以存储在哪两个地方？

栈：临时调整栈以存放变量；2. 寄存器：变量在其整个生命周期内都存于寄存器中。

24、你要编写一个函数，决定在函数内使用寄存器 r4 和 r5。该函数不会调用其他函数，是自包含的。修改以下框架结构，确保 r4 和 r5 能在函数内使用，且恢复到符合 ARM 标准的状态，同时避免不必要的内存访问。

1 myfunc: stmfd sp!,{lr}

2…

3 @ 函数语句

4…

5 ldmfd sp!,{lr}

1 myfunc: stmfd sp!,{r4, r5, lr}
2...
3 @ 函数语句
4...
5 ldmfd sp!,{r4, r5, lr}

25、编写一个完整的 ARM 汇编函数，使其等同于以下 C 函数。注意，a 和 b 必须分配在栈上，并且它们的地址必须传递给 scanf 函数，以便 scanf 可以将它们的值存入内存。C 函数如下：

int read_and_add() {
    int a, b, sum;
    scanf("%d", &a);
    scanf("%d", &b);
    sum = a + b;
    return sum;
}

以下是对应的 ARM 汇编代码：

.data
fmt: .asciz "%d"
.text
.global read_and_add
read_and_add:
    stmfd sp!,{lr}
    sub sp, sp, #12 @ 为 a, b, sum 分配栈空间
    ldr r0, =fmt @ 加载格式字符串地址
    add r1, sp, #8 @ 获取 a 的地址
    bl scanf @ 调用 scanf 读取 a
    ldr r0, =fmt @ 加载格式字符串地址
    add r1, sp, #4 @ 获取 b 的地址
    bl scanf @ 调用 scanf 读取 b
    ldr r2, [sp, #8] @ 加载 a 的值
    ldr r3, [sp, #4] @ 加载 b 的值
    add r1, r2, r3 @ 计算 sum = a + b
    str r1, [sp] @ 保存 sum 到栈
    ldr r0, [sp] @ 加载返回值到 r0
    add sp, sp, #12 @ 释放栈空间
    ldmfd sp!,{lr} @ 恢复链接寄存器
    mov pc, lr @ 返回

26、使用抽象数据类型设计软件有哪些优点？

抽象数据类型是结构化编程概念，有助于提高软件可靠性、便于维护，并能以安全的方式进行重大修改。它支持信息隐藏，将信息封装到模块中，通过接口呈现，隐藏实现细节，减少软件开发风险，使代码依赖从不确定的实现转移到定义良好的接口上，若实现改变，客户端代码无需改变。此外，它还便于用多种语言实现软件模块，只要代码符合标准，就能与其他语言编写的代码链接。

27、为什么Pixel数据类型的内部结构要对客户端代码隐藏？

为了提供数据结构保护，使客户端代码只能通过提供的接口访问数据结构。只有

pval

定义被暴露，向客户端程序表明像素的红、绿、蓝分量必须是 0 到 255 之间的数字。在 C 语言等结构化编程语言中，子例程的实现也可通过放在单独的编译模块中进行隐藏，这些模块可访问 Image 数据类型的内部结构。

28、高级语言提供了信息隐藏机制，但汇编语言没有。为什么汇编程序员不直接绕过所有信息隐藏，直接访问任何抽象数据类型（ADT）的内部数据结构呢？

编码实践与设计的重要性

因为不良的编码实践和设计会导致严重后果，包括生命损失。程序员有责任在软件设计和实现中做出符合道德的决策，要考虑决策可能带来的后果。

此外，使用抽象数据类型有助于确保软件的安全性、可靠性和可维护性，也便于用多种语言实现软件模块。因此，汇编程序员不应绕过信息隐藏直接访问内部数据结构。

29、解释Therac 25开发者是如何违反《软件工程伦理与专业实践准则》的。

Therac 25 开发者违反准则体现如下：

代码未经过独立审查


不符合确保充分测试、调试和审查软件的要求。

软件设计未考虑故障情况


在评估机器故障或失灵情况时未考虑软件设计，开发者没有基于充分依据认为软件安全、符合规格并通过适当测试。

硬件和软件分开设计


直到在医院组装才作为完整系统测试，未进行充分测试。

硬件联锁改为软件联锁


早期机器的硬件联锁被改为软件联锁，增加风险且未充分测试。

错误以数字代码显示


无严重程度指示，不利于调试和维护，未以专业态度对待软件维护。

30、当问题被报告时，加拿大原子能有限公司（AECL）的工程师和经理应该如何回应？

软件工程道德规范要求

依据软件工程道德规范，工程师和经理应在以下方面履行职责：

软件批准

在有充分依据认为软件

安全、符合规格且通过适当测试

时才批准软件。

确保对所负责软件进行

充分测试、调试和审查

。

对软件维护与新开发

一视同仁

。

问题报告处理

当问题报告出现时，应

立即展开全面且专业的调查

。

不轻易假设问题原因，对

所有可能的故障进行排查

。

仔细分析问题

，不主观否定机器存在故障。

与专业机构合作调查

，如：

独立工程公司

医院医疗物理学家等

向监管机构报告

及时准确地向监管机构报告问题

。

积极配合监管机构的要求

。

制定纠正措施

制定

有效的纠正措施计划

，涵盖：

软件和硬件的改进

例如：对软件进行全面审查和修改、增加机械安全联锁装置等

后续验证与通报

对改进后的机器进行

充分测试

，确保问题得到解决。

向所有使用该机器的场所

通报问题及解决进展

。

提供

详细的故障信息和安全建议

。

31、还有哪些道德和非道德方面的考虑因素可能导致了人员伤亡？

道德方面

开发者未遵循软件工程道德规范

未确保软件安全、进行充分测试和审查

对软件维护缺乏专业态度

未对问题及时有效处理

未对代码进行独立审查

非道德方面

硬件和软件分开设计且未作为完整系统测试

早期机器的硬件联锁改为软件联锁

错误以数字代码显示，无严重程度指示

操作员可忽略故障继续治疗

软件设计未在评估机器故障或失灵时被考虑

32、使用有符号8位二进制乘法将 -90 乘以 105，得到一个有符号16位结果。请展示所有计算步骤。

首先，将 -90 和 105 转换为8位二进制数。

105 的二进制表示为：

01101001


-90 的原码为：

11011010


-90 的反码为：

10100101


-90 的补码为：

10100110


接下来进行无符号乘法：

10100110 × 01101001

，按照二进制乘法规则计算：

     10100110
×    01101001
——————————————
     10100110   （10100110 × 1）
    00000000    （10100110 × 0，右移一位）
   10100110     （10100110 × 1，右移二位）
  00000000      （10100110 × 0，右移三位）
 10100110       （10100110 × 1，右移四位）
10100110        （10100110 × 1，右移五位）
00000000         （10100110 × 0，右移六位）
01010011          （10100110 × 0，右移七位）
——————————————
1110001011011010

因为乘数 -90 为负，而被乘数 105 为正，根据规则需要对结果取补码。

原码：

1110001011011010


反码：

1001110100100101


补码：

1001110100100110


所以，-90 乘以 105 的有符号16位二进制结果是：

1001110100100110


33、展示将寄存器 r0 中的数字乘以常量 6710 所需的最优高效指令。

首先将 6710 转换为二进制：6710 = 1101000000110₂。可以将乘法转换为一系列的移位和加法操作操作。以下是实现将寄存器

r0

中的数字乘以 6710 的指令序列：

lsl r1, r0, #1

; r1 = r0 << 1（r1 = 2 * r0）

lsl r2, r0, #2

; r2 = r0 << 2（r2 = 4 * r0）

add r3, r1, r2

; r3 = r1 + r2（r3 = 2 * r0 + 4 * r0 = 6 * r0）

lsl r4, r3, #8

; r4 = r3 << 8（r4 = 6 * r0 * 256 = 1536 * r0）

lsl r5, r0, #1

; r5 = r0 << 1（r5 = 2 * r0）

lsl r6, r0, #0

; r6 = r0 << 0（r6 = r0）

add r7, r5, r6

; r7 = r5 + r6（r7 = 2 * r0 + r0 = 3 * r0）

add r8, r4, r7

; r8 = r4 + r7（r8 = 1536 * r0 + 3 * r0 = 6710 * r0）

最终结果存于

r8

寄存器中。

34、当除以一个常量值时，为什么希望 m 尽可能大？

为了达到最佳精度，在可用的位数下，希望 m 尽可能大。

35、进行以下进制转换：(a) 将二进制数10110.001₂转换为十进制。(b) 将二进制数11000.0101₂转换为十进制。(c) 将十进制数10.125₁₀转换为二进制。

(a)

10110.001₂


=

1×2⁴ + 0×2³ + 1×2² + 1×2¹ + 0×2⁰ + 0×2⁻¹ + 0×2⁻² + 1×2⁻³


=

16 + 4 + 2 + 0.125


=

22.125₁₀


(b)

11000.0101₂


=

1×2⁴ + 1×2³ + 0×2² + 0×2¹ + 0×2⁰ + 0×2⁻¹ + 1×2⁻² + 0×2⁻³ + 1×2⁻⁴


=

16 + 8 + 0.25 + 0.0625


=

24.3125₁₀


(c)


整数部分

10 ÷ 2 = 5 余 0


5 ÷ 2 = 2 余 1


2 ÷ 2 = 1 余 0


1 ÷ 2 = 0 余 1


从下往上取余数为：

1010


小数部分

0.125 × 2 = 0.25 取整数部分 0


0.25 × 2 = 0.5 取整数部分 0


0.5 × 2 = 1 取整数部分 1


所以小数部分为：

001


因此：

10.125₁₀ = 1010.001₂