Формат LSB/MSB
- я исходил из того, что эта запись означает порядок байт от младшего к старшему (слева направо) и порядок бит от старшего к младшему (слева направо) при записи в бинарный файл.
Важно, что от количества каналов зависит размер переменной, в которую записывается значение (30 00)
Скорее не размер переменной, а количество слов (16-ти битных чисел).
For a set of six status inputs (000011)
a) Write these status inputs as a binary number (110000).
Здесь имеется в виду что значения каналов записаны от наименее значимого к наиболее значимому, и в битовом представлении это как раз и будет 11000
(так как в битовом представлении самый правый бит самый младший, а самый левый бит - самый старший).
Таким образом у вас на входе есть массив дискретных значений каналов, причём на нулевой позиции массива записано значение самого младшего значения.
В C++ все числа хранятся в бинарном виде, вы можете только по разному их переводить в текстовое представление для вывода в консоль, к примеру. По разному - в разных системах счисления, в привычной всем со школы десятичной, или 16-ричной, 8-ричной.
Для работы с битами чисел обычно используют побитовые операции (побитовое И
- &
, побитовое ИЛИ
- |
) и битовые маски, а также битовые сдвиги (влево - <<
, вправо - >>
).
К примеру, чтобы получить значение некоторого (i-го) бита числа X
, нужно получить маску - число, в котором i-ый бит выставлен в единицу, а остальные биты равны нулю, а потом выполнить побитовое И
между исходным числом X
и маской, после чего сдвинуть результат на i
вправо (чтобы получить значение 0
или 1
)
int bitBalue(unsigned int X, int i){
unsigned int mask = 0x1 << i; //двигаем единичный бит на i-ую позицию
return (X & mask) >> i;
}
Подробнее можно посмотреть вот в этом ответе из этого вопроса.
Числа, занимающие больше одного байта, могут физически храниться в памяти по разному - от младшего байта к старшему (LittleEndian
), или от старшего к младшему (BigEndian
).
К примеру, если записать число 1
в unsigned short
(два байта), то на машине с LittleEndian
порядком байт в памяти это число будет записано как 0x01 0x00 (по младшему адресу - младший байт), а на BigEndian
машине - вот так: 0x00 0x01 (по младшему адресу - старший байт).
Это важно, так как от Вас требуется записать числа в файл в определённом формате (LSB/MSB
), а для этого требуется знать в каком формате у Вас хранятся числа в памяти.
Я взял ответ из этого вопроса, немножко его переделал и получил вот такой код для определения порядка байт на вашей машине.
using uint8_t = unsigned char;
using uint16_t = unsigned short int;
using uint64_t = unsigned long long;
enum class Endian: uint8_t{
BigEndian = 0,
LittleEndian = 1
};
// https://stackoverflow.com/a/4240014/3503216
Endian getEndian()
{
uint16_t number = 0x1;
uint8_t *numPtr = (uint8_t*)&number;
return (static_cast<Endian>(numPtr[0]));
}
В итоге - мы можем манипулировать битами в числе, и знаем в каком порядке байты этого числа будут записаны в памяти.
Возьмём самое длинное число которое нам доступно (unsigned long long
), запишем в него дискретные значения каналов (каждое значение в свой бит, первое значение в самый младший бит(нулевой, индексация с нуля), второе значение в следующий по старшинству бит (первый)), получим некоторое число.
Теперь нужно на основе количества каналов вычислить сколько двухбайтных (16-ти битных) слов нам нужно записать.
int wordsCount = channelsCount / 16;
if (channelsCount %16)
wordsCount++;
Для 17-ти каналов получим 2 слова, для 16 каналов - одно слово.
Дальше возьмём адрес нашего числа с записанными каналами и будет работать с ним как с указателем на массив байт, и в зависимости от порядка записи байт на нашей машине запишем эти байты в файл (не забывает что от нас требуется записать в файл сначала самый младший байт - LSB/MSB
):
std::ofstream &BinaryChannels::out(std::ofstream &ofs) const
{
int bytesCount = m_wordsCount * 2;
const char* bytes = reinterpret_cast<const char*>(&m_data);
switch (getEndian()) {
case Endian::LittleEndian: //в памяти число начинается с младшего байта
for (int i = 0; i < bytesCount; i++){
ofs.write(bytes + i, 1);
}
break;
case Endian::BigEndian: // в памяти число начинается с старшего байта
for (int i = bytesCount - 1; i >=0; i--){
ofs.write(bytes + i, 1);
}
break;
default:
break;
}
return ofs;
}
Я написал класс и пример:
int main()
{
std::ofstream of("channels.dat", std::ios::binary);
BinaryChannels b = {{0,0,0,0,1,1}};
std::cout << "3rd bit of number 8: " << bitBalue(8,3) << std::endl;
std::cout << "2nd bit of number 8: " << bitBalue(8,2) << std::endl;
std::cout << b << std::endl;
of << b;
b = {1,0,1,0,0,1};
std::cout << b << std::endl;
of << b;
b = {
0,0,0,0,0,0,0,0,
1,0,0,0,0,0,0,0,
0,1,0,0,0,0,0,0
};
std::cout << b << std::endl;
of << b;
b = {
0,0,0,0,0,0,0,0,
1,0,0,0,0,0,0,0,
0,1,0,0,0,0,0,0,
0,0,1,0,0,0,0,0,
0,0,0,1,0,0,0,0,
0,0,0,0,1,0,0,0
};
std::cout << b << std::endl;
of << b;
of.close();
return 0;
}
Вывод в консоль:
3rd bit of number 8: 1
2nd bit of number 8: 0
in hexadecimal: 0030
in hexadecimal: 0025
in hexadecimal: 00020100
in hexadecimal: 100804020100
Содержимое файла channels.dat:
30 00 25 00 00 01 02 00 00 01 02 04 08 10
Полный пример:
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <algorithm>
int bitBalue(unsigned int X, int i){
unsigned int mask = 0x1 << i; //двигаем единичный бит на i-ую позицию
return (X & mask) >> i;
}
using uint8_t = unsigned char;
using uint16_t = unsigned short int;
using uint64_t = unsigned long long;
enum class Endian: uint8_t{
BigEndian = 0,
LittleEndian = 1
};
// https://stackoverflow.com/a/4240014/3503216
Endian getEndian()
{
uint16_t number = 0x1;
uint8_t *numPtr = (uint8_t*)&number;
return (static_cast<Endian>(numPtr[0]));
}
class BinaryChannels{
public:
using DiscreteChannels = std::vector<int>;
BinaryChannels();
BinaryChannels(const DiscreteChannels& discreteChannels);
BinaryChannels(const BinaryChannels& other);
BinaryChannels& operator=(const BinaryChannels& other);
BinaryChannels& operator=(const DiscreteChannels& discreteChannels);
void resetChannels(const DiscreteChannels& discreteChannels);
const uint64_t& channels() const;
//вывод в формате LSB/MSB - байты с младшего к старшему,
//биты с старшего к младшему
std::ofstream& out(std::ofstream& ofs) const;
//вывод в формате 16-ного числа (hexadecimal)
std::ostream& out(std::ostream& os) const;
private:
void setChannel(std::size_t idx, int channelValue);
uint64_t m_data;
int m_wordsCount;
};
std::ofstream& operator<<(std::ofstream& f, const BinaryChannels& b){
return b.out(f);
}
std::ostream& operator<<(std::ostream& o, const BinaryChannels& b){
return b.out(o);
}
int main()
{
std::ofstream of("channels.dat", std::ios::binary);
BinaryChannels b = {{0,0,0,0,1,1}};
std::cout << "3rd bit of number 8: " << bitBalue(8,3) << std::endl;
std::cout << "2nd bit of number 8: " << bitBalue(8,2) << std::endl;
std::cout << b << std::endl;
of << b;
b = {1,0,1,0,0,1};
std::cout << b << std::endl;
of << b;
b = {
0,0,0,0,0,0,0,0,
1,0,0,0,0,0,0,0,
0,1,0,0,0,0,0,0
};
std::cout << b << std::endl;
of << b;
b = {
0,0,0,0,0,0,0,0,
1,0,0,0,0,0,0,0,
0,1,0,0,0,0,0,0,
0,0,1,0,0,0,0,0,
0,0,0,1,0,0,0,0,
0,0,0,0,1,0,0,0
};
std::cout << b << std::endl;
of << b;
of.close();
return 0;
}
BinaryChannels::BinaryChannels():
m_data{0x0},
m_wordsCount{0}
{
}
BinaryChannels::BinaryChannels(
const BinaryChannels::DiscreteChannels &discreteChannels):
m_data{0x0},
m_wordsCount{0}
{
resetChannels(discreteChannels);
}
BinaryChannels::BinaryChannels(const BinaryChannels &other):
m_data{other.m_data},
m_wordsCount{other.m_wordsCount}
{}
BinaryChannels &BinaryChannels::operator=(const BinaryChannels &other)
{
if (this !=&other){
m_data = other.m_data;
m_wordsCount = other.m_wordsCount;
}
return *this;
}
BinaryChannels &BinaryChannels::operator=(const BinaryChannels::DiscreteChannels &discreteChannels)
{
resetChannels(discreteChannels);
return *this;
}
void BinaryChannels::resetChannels(const BinaryChannels::DiscreteChannels &discreteChannels)
{
m_data = 0x0;
// больше 64 каналов в 64-х битное беззнаковое число не поместится
std::size_t channelsCount = std::min(discreteChannels.size(), 64u);
for (std::size_t i = 0; i < channelsCount; i++){
setChannel(i, discreteChannels[i]);
}
// m_bytesCount = channelsCount / 16
// if (channelsCount % 16){
// m_bytesCount++;
// }
m_wordsCount = channelsCount >> 4;
if (channelsCount & 0xF){
m_wordsCount++;
}
}
const uint64_t &BinaryChannels::channels() const
{
return m_data;
}
std::ofstream &BinaryChannels::out(std::ofstream &ofs) const
{
int bytesCount = m_wordsCount * 2;
const char* bytes = reinterpret_cast<const char*>(&m_data);
switch (getEndian()) {
case Endian::LittleEndian: //в памяти число начинается с младшего байта
for (int i = 0; i < bytesCount; i++){
ofs.write(bytes + i, 1);
}
break;
case Endian::BigEndian: // в памяти число начинается с старшего байта
for (int i = bytesCount - 1; i >=0; i--){
ofs.write(bytes + i, 1);
}
break;
default:
break;
}
return ofs;
}
std::ostream &BinaryChannels::out(std::ostream &os) const
{
os << "in hexadecimal: ";
std::ios_base::fmtflags flags = os.flags();
os.flags(std::ios::hex | std::ios::right);
os.fill('0');
// os.width(m_wordsCount*4);
os.width(m_wordsCount<<2);
os << m_data;
os.flags(flags);
return os;
}
void BinaryChannels::setChannel(std::size_t idx, int channelValue)
{
uint64_t v = static_cast<uint64_t>(channelValue); //v in [0,1]
int offset = static_cast<int>(idx);
//выставляем бит по смещению idx
v = v << offset;
m_data = m_data | v;
}