计算机系统结构---指令编码

【实验目的与要求】
1、熟练掌握指令操作码采用等长码、哈夫曼码、扩展码的编码方法。
2、在已知指令个数和频度的基础上，要求用程序实现等长码、哈夫曼码、扩展码的编码，实验结束后提交源程序和实验说明书。
【实验内容】
了解和掌握指令编码的基本原理和要求，在已知指令个数和频度的前提上，要求用程序实现等长码、哈夫曼码（选做）、扩展码的编码，并计算出平均码长。
【实验步骤】
1．按提示输入处理机的指令条数和使用频度。
3．求出等长码的编码，并计算出平均码长。
4．使用哈夫曼编码方法，求出编码和平均码长（选做）。
5.根据指令个数和使用频度，分析扩展码的扩展格式，并求出编码和平均码长。
6．要设计出简洁、直观、易于操作的界面。
【源代码】

// Test1.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
//编码方式

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <string>

using namespace std;

static int n;//记录指令条数
static char Data[50];//记录需要编码的字符
static float Freq[50];//记录使用频度
static int Bin[50];//保存二进制编码

void Binary(int t) {//求解二进制编码
	int i = 0;
	while (t) {
		int p = t % 2;
		t /= 2;
		Bin[i++] = p;
	}
}
void Binary(int t,int n) {//求解二进制编码
	int i = n;
	if (t == 0) {
		Bin[i++] = 0;
	}
	while (t) {
		int p = t % 2;
		t /= 2;
		Bin[i++] = p;
	}
}
void EquL() {//等长编码
	int num = ceil(log(n) / log(2));//对指令条数进行对数运算向上取整。
	cout << endl << "等长编码的结果为：" << endl;
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		Binary(i);
		cout << Freq[i] << "    ";
		for (int j = num - 1; j >= 0; j--) {
			cout << Bin[j];
		}
		cout << endl;
	}
	cout << "平均码长为：" << num << endl << endl;
}

bool cmp(float x, float y) {//从大到小
	return x > y;
}
void Extend() {//扩展编码
	cout << "=============扩展编码：============\n\n";
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		Bin[i] = 0;
	}
	sort(Freq, Freq + n, cmp);
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		cout << Freq[i] << " ";
	}
	cout << endl;
	int t = 0;
	int w;
	
	int num = ceil(log(n) / log(2));//最多需要的位数
	float max = 100;
	int d, c, dn, cn;
	d = c = dn = cn = 0;
	for (int i = 1; i < num; i++) {//i记录短码的位数
		w = pow(2, i);//短码最多可表示的个数
		for (int j = 1; j < w; j++) {//j表示短码表示的个数
			float sum = 0;
			int surplus = 0;
			int num1 = 0;
			surplus = n - j;//短码表示后剩余需要编码的个数
			int pt = surplus / (w - j);//需要扩展的位数
			num1 = ceil(log(pt) / log(2));//最少需要的位数
			if (num1 == 0) {
				num1 += 1;
			}
			num1 += i;//这里的num1表示长码的位数
			for (int k = 0; k < n; k++) {
				if (k < j) {
					sum += Freq[k] * i;
				}
				else {
					sum += Freq[k] * num1;
				}
			}
			if (sum < max) {
				max = sum;
				d = i;
				c = num1;
				dn = j;
				cn=surplus;
			}
			cout <<"短码位数："<<i<<"\t长码位数："<<num1<<"\t平均码长："<< sum<<"\t\t";
			cout << "短码个数：" << j << "\t长码个数：" << surplus << endl;
		}
	}
	cout << "\n=============最优结果为：=========" << endl << endl;
	cout << "短码位数：" << d << "\t长码位数：" << c << "\t短码编码个数：" << dn << "\t长码编码个数：" << cn << "\t平均码长：" << max << endl;
	cout << "编码结果：" << endl;
	w= pow(2, d);//短码位数最多可表示的数
	int numc = 0;
	for (int i = 0; i < dn; i++) {
		Binary(i);
		cout << Freq[i] << "    ";
		for (int j = d - 1; j >= 0; j--) {
			cout << Bin[j];
		}
		cout << endl;
	}
	numc = dn;
	for (int i = dn; i < w; i++) {
		Binary(i);
		if (numc <= n) {
			for (int j = 0; j < pow(2, c - d); j++) {
				Binary(j,d);
				cout << Freq[numc++] << "    ";
				for (int k = d -1; k >= 0; k--) {
					cout << Bin[k];
				}
				for (int k = c - 1; k >= d; k--) {
					cout << Bin[k];
				}
				cout << endl;
			}
			
		}
	}
}


int main()
{
	cout << "请输入指令条数:";
	cin >> n;
	cout << "请输入使用频度:" << endl;
	for (int i = 0; i < n; i++) {
		cin >> Freq[i];
	}
	EquL();//等长编码
	Extend();//扩展编码
}

运行结果：