计算机系统基础实验一

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Computer Systems Experiment #1 - 编写一个C程序：filedump，用于显示规定格式的某个文件的实际字节信息。

  • 实际需求如下：假定你编写的程序，编译后为filedump.exe, 需要显示内容的文件名时file1.dat，在控台上输入以下命令，注意输出信息要清晰规整。无法显示的ASCII码用？号或escape字符显示，参照ASCII码表红色标记的部分。不符合以下的输入内容，需要显示程序的使用方法。
  1. Filedump -x file1.dat 将显示如下内容的信息，每行显示16个字节的内容，首行显示字节的ASCII码结果(小于0x20用ASCII码表的替代字符)，接下的一行为该字节的16进制数值，大于16字节时重复这种方式显示信息。
  2. Filedump -X file1.dat 将显示如下内容的信息，每行显示16个字节的16进制内容，空2个单角空格，继续显示这16个字节的ASCII码。大于16字节时重复这种方式显示信息。不可显示字符用句点代替 “.”
  3. Filedump -d file1.dat 将显示如下内容的信息，每行显示16个字节的内容，首行显示字节的ASCII码结果(小于0x20用ASCII码表的替代字符) ，接下的一行为该字节的10进制数值，大于16字节时重复这种方式显示信息。
  4. Filedump -D file1.dat 将显示如下内容的信息，每行显示16个字节的10进制内容，空2个单角空格，继续显示这16个字节的ASCII码。大于16字节时重复这种方式显示信息。不可显示字符用句点代替 “.”
  5. Filedump -b file1.dat 将显示如下内容的信息，每行显示4个字节的内容，首行显示字节的ASCII码结果(小于0x20用ASCII码表的替代字符)，接下的一行为该字节的二进制数值，大于4字节时重复这种方式显示信息。
  6. Filedump -B file1.dat 将显示如下内容的信息，每行显示4个字节的二进制内容，空2个单角空格，继续显示这4个字节的ASCII码。大于4字节时重复这种方式显示信息。不可显示字符用句点代替 “.”

首先，题目要求编写一个C程序，为此需要掌握C程序的语法，尤其是printf()函数等有别于C++的地方。
轻触以了解argc与argv的用法
轻触以了解printf等函数的用法
轻触以了解C字符串比较函数的用法
题目的要求就是将一个已知的文件用此程序展开，其输出为文件中字符的ASCII码结果、16进制结果、10进制结果和2进制结果等形式，并符合对输出格式的要求。
最初应该建立起程序的框架，即对应不同的选项（-x、-X、-d、-D、-b与-B），程序可以输出不同的结果，应该考虑用if分支或switch分支。
而对于数量较多的情况，最好使用switch分支。但在判断输入情况时，若使用strcmp函数比较，则使用if分支更好，所以这里选择用if。
要注意，为了避免输入其他格式造成不可预知的后果，这里应该考虑各种可能输入的情况，并对于不符合要求的情况，输出正确的形式以引导。
接下来就是对文件的读取。
轻触以了解fopen等函数的用法
每读取一个字符，应该根据输入的选项，输出相应的格式。由于输出为整行输出，应该先把字符存入数组，接下来则对数组进行打印。为适应多种情况输出，应该构造不同函数来实现。
同样，对于文件中的特殊字符，应该考虑到其输出格式，而不应该输出乱码。读取文件时，应该注意argv[]角标是2而不是1。
为了使输出格式尽量整齐美观，对于打印字符的函数，分为了三种情况，分别对应输出双行、双列以及2进制数的情况。
对于小于0x20的情况，应把替代字符预先存入数组以便于输出。若输出只有一行或者两行的情况，应该考虑数组是否全面。
另外要注意char型变量的范围，必要时使用unsigned char来声明变量，防止判断条件时出错。
老师的代码中用下面的方式输出2进制；

printf("%c", (line[i] & (0x80 >> j)) != 0 ? '1' : '0');

和移位后0x80（10000000右移j位）取与位运算，比对2进制位1和0来将其转换为2进制。
用printf()函数打印char型变量时，如果最高位是1，即超过0x7f，当%x格式化输出时会将其扩展到int型的32位。这也是输出出现fffffff的原因。
写完程序后可以用file.dat文件测试程序的功能是否完善，输出存放在list-x.txt文件中。
测试时应注意，exe可执行文件应与测试文件（如file.dat）位于同一文件夹下，否则需要输入文件相对路径。若使用VSCode，应保证.vscode文件夹下只有json文件，而其他文件位于其之外。

最后，我的解决方案如下：

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void printASCIICharleft(char*, int);
void printASCIICharright(char*, int);
void printASCIICharbin(char*, int);
void printDec(char*, int, char*);
void printBin(char*, int);
const int LINELEN1 = 16;
const int LINELEN2 = 4;
int len = 16;
char *ascii[]={ \
    "NUL", "SOH", "STX", "ETX", "EOT",
    "ENQ", "ACK", "BEL", "BS", "TAB",
    "LF", "VT", "FF", "CR", "SO",
    "SI", "DLE", "DC1", "DC2", "DC3",
    "DC4", "NAK", "SYN", "ETB", "CAN",
    "EM", "SUB", "ESC", "FS", "GS",
    "RS", "US", " ", "!"};

int main(int argc, char *argv[])
{
    unsigned char data;
    int loc = 0;
    char line1[LINELEN1];
    char line2[LINELEN2];
    // receive arguments from command line
    if (argc != 3) {
        // the usage was wrong
        printf("ERROR! Usage: \"filedump -xXdDbB filename\"\n");
        printf("-x/X to dump by hexadecimal\n");
        printf("-d/D to dump by decimal\n");
        printf("-b/B to dump by binary\n");
        printf("filename is name of the file whose contents you want to dump\n");
        return -1;
    } else if ( strcmp(argv[1], "-x") &&
                strcmp(argv[1], "-X") &&
                strcmp(argv[1], "-d") &&
                strcmp(argv[1], "-D") &&
                strcmp(argv[1], "-b") &&
                strcmp(argv[1], "-B") ) {
                    // wrong usage too
                    printf("ERROR! Usage: \"filedump -xXdDbB filename\"\n");
                    printf("-x/X to dump by hexadecimal\n");
                    printf("-d/D to dump by decimal\n");
                    printf("-b/B to dump by binary\n");
                    return -2;
    }

    // creat datafile from argv[2]

    // open file for binary read
    FILE *fp = NULL;
    // read binary mode
    fp = fopen(argv[2], "rb");
    if (fp == NULL) {
        // failed opening
        printf("failed when opening %s\n", argv[2]);
        return -3;
    }

    while (!feof(fp)) {
        // get 1 byte of char
        data = fgetc(fp);

        // define linelength
        if (!strcmp(argv[1], "-x") ||
            !strcmp(argv[1], "-X") ||
            !strcmp(argv[1], "-d") ||
            !strcmp(argv[1], "-D")) {
            len = LINELEN1;

            if (loc < len && (!feof(fp))) {
                line1[loc] = data;
                loc++;
            } else {
                // print linelen chars
                if (!strcmp(argv[1], "-x")) {
                    printASCIICharleft(line1, len);
                    printDec(line1, len, "%2.2x\t");
                    printf("\n");
                } else if (!strcmp(argv[1], "-X")) {
                    printDec(line1, len, "%2.2x\t");
                    printf("  ");
                    printASCIICharright(line1, len);
                } else if (!strcmp(argv[1], "-d")) {
                    printASCIICharleft(line1, len);
                    printDec(line1, len, "%03d\t");
                    printf("\n");
                } else if (!strcmp(argv[1], "-D")) {
                    printDec(line1, len, "%03d\t");
                    printf("  ");
                    printASCIICharright(line1, len);
                }

                loc = 0;
                line1[loc] = data;
                loc++;
            }
        } else {
            len = LINELEN2;

            if (loc < len && (!feof(fp))) {
                line2[loc] = data;
                loc++;
            } else {
                // print linelen chars
                if (!strcmp(argv[1], "-b")) {
                    printASCIICharbin(line2, len);
                    printBin(line2, len);
                    printf("\n");
                } else if (!strcmp(argv[1], "-B")) {
                    printBin(line2, len);
                    printf("  ");
                    printASCIICharright(line2, len);
                }

                loc = 0;
                line2[loc] = data;
                loc++;
            }
        }
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

// print ASCII char
void printASCIICharleft(char *line, int linelen)
{
    char eachData;
    for (int i = 0; i < linelen; i++) {
        eachData = line[i];
        if (eachData < 0)
            printf("%c\t", '.');
        else if (eachData <= 0x20)
            printf("%s\t", ascii[(unsigned char)eachData]); // unsigned char
        else
            printf("%c\t", eachData);
    }
    printf("\n");
}

void printASCIICharright(char *line, int linelen)
{
    char eachData;
    for (int i = 0; i < linelen; i++) {
        eachData = line[i];
        if (eachData < 0)
            printf("%c", '.');
        else if (eachData <= 0x20)
            printf("%s", ascii[(unsigned char)eachData]); // unsigned char
        else
            printf("%c", eachData);
    }
    printf("\n");
}

void printASCIICharbin(char *line, int linelen)
{
    char eachData;
    for (int i = 0; i < linelen; i++) {
        eachData = line[i];
        if (eachData < 0)
            printf("%c\t\t", '.');
        else if (eachData <= 0x20)
            printf("%s\t\t", ascii[(unsigned char)eachData]); // unsigned char
        else
            printf("%c\t\t", eachData);
    }
    printf("\n");
}

// print decimal && hexadecimal
void printDec(char *line, int linelen, char *fmt)
{
    for (int i = 0; i < linelen; i++)
        printf(fmt, (unsigned char)line[i]); // unsigned char
}

// print binary
void printBin(char *line, int linelen)
{
    for (int i = 0; i < linelen; i++) {
        for (int j = 0; j < 8; j++)
            printf("%c", (line[i] & (0x80 >> j)) != 0 ? '1' : '0'); // get binary method
        printf("\t");
    }
}

对应的list-x.txt文件如下：

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DLE	DC1	DC2	DC3	DC4	NAK	SYN	ETB	CAN	EM	SUB	ESC	FS	GS	RS	US
10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	1a	1b	1c	1d	1e	1f
 	!	"	#	$	%	&	'	(	)	*	+	,	-	.	/
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01100000	01100001	01100010	01100011	  `abc
01100100	01100101	01100110	01100111	  defg
01101000	01101001	01101010	01101011	  hijk
01101100	01101101	01101110	01101111	  lmno
01110000	01110001	01110010	01110011	  pqrs
01110100	01110101	01110110	01110111	  tuvw
01111000	01111001	01111010	01111011	  xyz{
01111100	01111101	01111110	01111111	  |}~
10000000	10000001	10000010	10000011	  ....
10000100	10000101	10000110	10000111	  ....
10001000	10001001	10001010	10001011	  ....
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11110000	11110001	11110010	11110011	  ....
11110100	11110101	11110110	11110111	  ....
11111000	11111001	11111010	11111011	  ....
11111100	11111101	11111110	11111111	  ....
ERROR! Usage: "filedump -xXdDbB filename"
-x/X to dump by hexadecimal
-d/D to dump by decimal
-b/B to dump by binary
ERROR! Usage: "filedump -xXdDbB filename"
-x/X to dump by hexadecimal
-d/D to dump by decimal
-b/B to dump by binary
filename is name of the file whose contents you want to dump

如果你有更好的解决方案，欢迎与我交流，有问题请指正。

最后的最后，附上老师的code。

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//This code is start at 2020/2/12 during corona-virus events
//
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <limits.h>

#define DF_LINEMAX (16)
#define DF_BINMODE_BYTENUM (4)
#define DF_HEXFMT "%2.2x   "
#define DF_DECFMT "%03d  "
#define DF_HEXDECSPC "%5s"
#define DF_BINSPC "%8s\t"
//define support file dump mode
typedef enum dumpxmode{
    USAGE,  //help message
    xMODE,  //up/down hex
    XMODE,  //left/right hex
    dMODE,  //up/down decimal
    DMODE,  //left/right decimal
    bMODE,  //up/down binary
    BMODE   //L/R binary
} FDUMPxmode;

// define enough buffer
char buff[DF_LINEMAX+DF_BINMODE_BYTENUM];
//prototype define
void printchar(char *buf,int maxlen,FDUMPxmode dpmode);
void printfmt(char *buf,int maxlen, char *fmt,FDUMPxmode dpmode);
void create_datfile(char * fname);
void printbin(char *buf,int maxlen,FDUMPxmode dpmode);
void processbuf(char*buf, int len, FDUMPxmode dpxmode);
int getLineLength(FDUMPxmode dpxmode);
FDUMPxmode getdpmode(char *args);
void printSpace(int cols,FDUMPxmode dpmode);

char *asciiabl[]={ \
    "NUL","SOH","STX","ETX","EOT",
    "ENQ","ACK","BEL","BS","TAB",
    "LF", "VT", "FF", "CR", "SO",
    "SI","DLE","DC1","DC2","DC3",
    "DC4","NAK","SYN","ETB","CAN",
    "EM","SUB","ESC","FS","GS","RS",
    "US","SP","!"};

int main(int argc,char * argv[])
{
    unsigned char data;
    FDUMPxmode dpxmode;
    int binlen;
    int len=0;
    int lenMAX = DF_BINMODE_BYTENUM;
     /*get arguments from command line*/
    if(argc<3)
    {
        //not input filename
        dpxmode =USAGE;
    }else{ //>=3
        dpxmode =getdpmode(argv[1]);
    }

    if(dpxmode == USAGE)
    {
        printf("Usage: filedump option file.dat\n");
        printf("option: -x|-X|-d|-D|-b|-B \n");
        printf("file.dat: the file will be dumped.\n");
        printf("\n");
        return 1;
    }

    // get output bytes number
    lenMAX= getLineLength(dpxmode);

    //create_datfile(argv[1]);

    //open file for binary read
    FILE *fp;
    //file stream open for read binary xmode
    fp=fopen(argv[2],"rb");
    if(fp==NULL)
    {
        //open failed
        printf("open file %s failed!\n",argv[1]);
        return(2);
    }

    //read file contents and printf
    len=0;
    while(!feof(fp))
    {
        //get 1byte of char
        data=fgetc(fp);

        //read DF_LINEMAX byte of chars
        if(len < lenMAX && (!feof(fp)))
        {
            buff[len]=data;
            len++;
        }else{
            //16byte of chars output
            processbuf(buff,len,dpxmode);

            len=0;
            //revise for lost 0x10 0x20 ...
            buff[len]=data;
            len++;
        }
    }


    fclose(fp);
    return 0;

}

//process read in data from FileStream
void processbuf(char*buf, int len, FDUMPxmode dpxmode)
{

    switch(dpxmode)
    {
        case xMODE: //up/down hex
            printchar(buf,len,dpxmode);
            printf("\n");
            printfmt(buf,len,"%2.2x\t",dpxmode);
            printf("\n");
            break;
        case dMODE: //up/down dec
            printchar(buf,len,dpxmode);
            printf("\n");
            printfmt(buf,len,"%03d\t",dpxmode);
            printf("\n");
            break;
        case bMODE: //up/down binary
            printchar(buf,len,dpxmode);
            printf("\n");
            printbin(buf,len,dpxmode);
            printf("\n");
            break;
        case XMODE: // /L/R hex
            printfmt(buf,len,DF_HEXFMT,dpxmode);
            printf("  ");
            printchar(buf,len,dpxmode);
            printf("\n");
        break;
        case DMODE: //L/R dec
            printfmt(buf,len,DF_DECFMT,dpxmode);
            printf("  ");
            printchar(buf,len,dpxmode);
            printf("\n");
            break;
        case BMODE: //L/R bin
            printbin(buf,len,dpxmode);
            printf("  ");
            printchar(buf,len,dpxmode);
            printf("\n");
            break;
        default:
            //never come here
            printf("Never come here!\n");
            break;
    }
    printf("\n");
}

//get output byte number
int getLineLength(FDUMPxmode dpxmode)
{
    //get read byte number
    int len;
    if(dpxmode ==bMODE || dpxmode ==BMODE)
    {
        len=DF_BINMODE_BYTENUM;
    }else{
        len= DF_LINEMAX;
    }
    return  len;
}

//get selected mode
FDUMPxmode getdpmode(char *args)
{
    FDUMPxmode dpxmode;
    if(strncmp(args,"-x",2)==0)
    {
        dpxmode =xMODE;
    }else if(strncmp(args,"-X",2)==0)
    {
        dpxmode =XMODE;
    }else if(strncmp(args,"-d",2)==0)
    {
        dpxmode =dMODE;

    }else if(strncmp(args,"-D",2)==0)
    {
        dpxmode =DMODE;

    }else if(strncmp(args,"-b",2)==0)
    {
        dpxmode =bMODE;

    }else if(strncmp(args,"-B",2)==0)
    {
        dpxmode =BMODE;

    }else{
        //usage
        dpxmode = USAGE;
    }
    return dpxmode;
}

// print char with visible ascii
void printchar(char *buf,int maxlen, FDUMPxmode dpmode)
{
    int i;
    char tempdata;

    for(i=0;i<maxlen;i++)
    {
        tempdata=buf[i];
        if(tempdata <0)
        {
            if(dpmode==XMODE || dpmode==DMODE||dpmode==BMODE)
            {
                printf("%c",'?');
            }else if(dpmode==bMODE){

                printf("%c\t\t",'?');
            }else{
                printf("%c\t",'?');

            }
        }else if(tempdata<=0x20){
            //index must unsigned
            if(dpmode==XMODE || dpmode==DMODE||dpmode==BMODE)
            {
                //L/R mode replace with DOT|?
                printf("%c",'?');
            }else if(dpmode==bMODE){
                //u/d mode replace with special named chars
                printf("%s\t\t",asciiabl[(unsigned char)tempdata]);

            }else{
                printf("%s\t",asciiabl[(unsigned char)tempdata]);
            }

        }else{
            //0x21==0x7F
            if(dpmode==XMODE || dpmode==DMODE||dpmode==BMODE)
            {
                //L/R
                //0x7F DELETE has no display font
                printf("%c",(tempdata!=0x7f)?tempdata:'?');
            }else{
                //u/d
                if(tempdata!=0x7F)
                {
                    if(dpmode==bMODE)
                    {
                        printf("%c\t\t",tempdata);
                    }
                    else
                    {
                        /* code */
                        printf("%c\t",tempdata);
                    }

                }else
                {
                    //0x7F DELETE has no display font
                    /* code */
                    if(dpmode==bMODE)
                    {
                        printf("%s\t\t","DEL");
                    }else
                    {
                        /* code */
                        printf("%s\t","DEL");
                    }

                }
            }
        }
    }


}

//print last space for L/R mode
void printSpace(int cols,FDUMPxmode dpmode)
{
    int i;
    if(dpmode ==BMODE)
    {
        for(i=0;i<cols;i++)
        {
            printf(DF_BINSPC," ");
        }

    }else{

        for(i=0;i<cols;i++)
        {
            printf(DF_HEXDECSPC," ");
        }


    }
}

// print binary of the char
// char with visible ascii
void printbin(char *buf,int maxlen,FDUMPxmode dpmode)
{
    int i,j;
    int templen=getLineLength(dpmode);
    for(i=0;i<maxlen;i++)
    {
        for(j=0;j<8;j++)
        {
            printf("%c",(buf[i]&(0x80>>j))!=0?'1':'0');
        }
        printf("\t");
    }
    //actural num < define max number

    if(maxlen<templen && maxlen!=0)
    {
        printSpace((templen-maxlen),dpmode);
    }
    // printf("\n");
}

// printf hex oct dec format
void printfmt(char *buf,int maxlen,char *fmt,FDUMPxmode dpmode)
{
    int i;
    int templen=getLineLength(dpmode);

    for(i=0;i<maxlen;i++)
    {

        printf(fmt,(unsigned char)buf[i]);

    }
    if(dpmode == DMODE || dpmode==XMODE)
    {
        if(maxlen<templen && maxlen!=0)
        {
            printSpace((templen-maxlen),dpmode);

        }
    }
    /// printf("\n");

}

//create test file with 0x00-0xff
void create_datfile(char * fname)
{
    unsigned char i=0;
    FILE *fp;
    fp=fopen(fname,"wb+");
    if(fp==NULL)
    {
        printf("File creation error!\n");
        exit(4);
    }

    for(i=0;i<UCHAR_MAX;i++)
    {
        fputc(i,fp);
    }
    fputc(i,fp);
    //fputc(i-2,fp);

    fclose(fp);
}

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01001000	01001001	01001010	01001011

L		M		N		O
01001100	01001101	01001110	01001111

P		Q		R		S
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h		i		j		k
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