Числа с плавающей запятой и их представление в компьютере. Представление чисел в компьютере. Выбор минимума из двух значений
Целые числа могут представляться в компьютере без знака или со знаком.
Целые числа без знака. Целые числа без знака обычно занимают в памяти компьютера 1 или 2 байт и принимают в однобайтовом формате значения от 00000000 2 до 11111111 2 , ав двубайтовом формате - от 00000000 00000000 2 до 11111111 11111111 2 (табл. 2.2).
Целые числа со знаком. Целые числа со знаком обычно занимают в памяти компьютера 1, 2 или 4 байт, при этом самый левый (старший) разряд содержит информацию о знаке числа. Знак « + » кодируется нулем, а «-» - единицей (табл. 2.3).
Рассмотрим особенности записи целых чисел со знаком на примере однобайтового формата, при котором для знака отводится один разряд, а для цифр абсолютной величины - семь разрядов.
В компьютерной технике применяются три формы записи (кодирования) целых чисел со знаком: прямой код, обратный код, дополнительный код. Последние две формы применяются особенно широко, так как позволяют упростить конструкцию арифметико-логического устройства компьютера путем замены разнообразных арифметических операций операцией сложения.
Положительные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах изображаются одинаково - двоичными кодами с цифрой 0 в знаковом разряде.
Таблица 2.2 Диапазоны значений целых чисел без знака
Число 1 ,о = 1 2: Число 127 10 = 1111111 2:
0000000 10 1111111
Знак числа «-»| Знак числа «-»
Отрицательные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах имеют разное изображение.
Прямой код числа -1: Прямой код числа -127:
1ОООООоТ11111111
Знак числа «+»Знак числа «+»
Прямой код: в знаковый разряд помещается цифра 1, а в разряды цифровой части числа - двоичный код его абсолютной величины.
Обратный код получается инвертированием всех цифр двоичного кода, абсолютной величины числа, включая разряд знака: нули заменяются единицами, а единицы - нулями.
Примеры.
Число:-1. Число:-127.
Код модуля числа: 00000001 Код модуля числа: 01111111
Обратный код числа: 11111110 Обратный код числа: 10000000
Дополнительный код получается образованием обратного кода с последующим прибавлением единицы к его младшему разряду.
Дополнительный код числа -1: Дополнительный код числа -127:
| Р |
11111110 10000000
11111111 10 0 0 0 0 0 1
Используя прямой, обратный и дополнительный коды, можно свести операцию умножения к последовательности сложений и сдвигов, а операцию деления к многократному прибавлению к Делителю дополнительного кода делителя.
Обычно отрицательные десятичные числа при вводе в машину автоматически преобразуются в обратный или дополнительный Двоичный код и в таком виде хранятся, перемещаются и участвует в операциях. При выводе таких чисел из машины происходит °братное преобразование в отрицательные десятичные числа.
Вещественные числа. Вещественные числа (конечные и бесконечные десятичные дроби) хранятся и обрабатываются в компьютере в формате с плавающей запятой. В этом случае положение запятой в записи числа может изменяться.
Формат чисел с плавающей запятой базируется на экспоненциальной форме записи, в которой может быть представлено любое число. Так, число А может быть представлено в виде
А = т- q",
где т - мантисса числа; q - основание системы счисления; п - порядок числа.
Для однозначности представления чисел с плавающей запятой используется нормализованная форма, при которой мантисса отвечает условию
1/я = \т\ < 1.
Это означает, что мантисса должна быть правильной дробью и иметь после запятой цифру, отличную от нуля.
Примеры. Преобразуем числа в экспоненциальную форму с нормализованной мантиссой:
421,637 = 0,421637 10 3 ;
0,000286 = 0,286 10" 4 ;
25,25 = -2,525 10 2 .
Число в форме с плавающей запятой занимает в памяти компьютера 4 (число обычной точности) или 8 (число двойной точности) байт. При записи числа с плавающей запятой выделяют разряды для хранения знака мантиссы, знака порядка, порядка и
мантиссы.
Арифметические операции. При сложении и вычитании чисел в формате с плавающей запятой сначала производится подготовительная операция выравнивания порядков. Порядок меньшего (по модулю) числа увеличивается до величины порядка большего (по модулю) числа. Для того чтобы величина числа не изменилась, мантисса уменьшается в такое же число раз (сдвигается в ячейке памяти вправо на число разрядов, равное разности порядков чисел).
После выполнения операции выравнивания одинаковые разряды чисел оказываются расположенными в одних и тех же разрядах ячеек памяти. Теперь операции сложения и вычитания чисел сводятся к сложению или вычитанию мантисс.
После выполнения арифметической операции для приведения полученного числа к стандартному формату с плавающей запятой производится нормализация, т.е. мантисса сдвигается влево или вправо так, чтобы ее первая значащая цифра попала в первый разряд после запятой.
Пример. Произвести сложение чисел 0,1 *2 3 и 0,1 2 5 в формате с плавающей запятой.
Произведем выравнивание порядков и сложение мантисс:
+ 0,100 -2 5
При умножении чисел в формате с плавающей запятой порядки складываются, а мантиссы перемножаются. При делении из порядка делимого вычитается порядок делителя, а мантисса делимого делится на мантиссу делителя.
Пример. Произвести умножение чисел 0,1 2 3 и 0,1 2 5 в формате с плавающей запятой.
После умножения будет получено число 0,01 2 8 , которое после нормализации примет вид 0,1 2 7 .
2.1.7. Представление других видов информации в компьютере Все виды информации (текстовая, графическая, звуковая, видео-) кодируются в последовательности нулей и единиц. Рассмотрим этот процесс более подробно.
Двоичное кодирование текстовой информации. Традиционно для кодирования одного символа используется количество информации, равное 1 байт, которое составляет 8 бит (2 8 = 256), поэтому можно закодировать 256 различных символов.
Такое число символов вполне достаточно для представления текстовой информации, включая прописные и заглавные буквы русского и латинского алфавита, цифры, знаки, графические символы и т.д.
Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111.
Когда пользователь нажимает на клавиатуре клавишу с символом, в память компьютера поступает последовательность из восьми электрических импульсов (двоичный код символа). Код символа хранится в оперативной памяти компьютера, где он занимает одну ячейку памяти.
В процессе вывода символа на экран компьютера производится обратный процесс - декодирование, т.е. преобразование кода символа в его изображение.
Присвоение символу конкретного кода - это вопрос соглашения, которое фиксируется в кодовой таблице. Первые 33 кода (с О по 32) соответствуют не символам, а операциям (перевод строки, ввод пробела и т.д.).
В качестве международного стандарта принята кодовая таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange) (рис. 2.1, а), кодирующая первую половину символов с числовыми кодами от 32 до 126.
Хронологически одним из первых стандартов кодирования русских букв на компьютерах был КОИ8 («Код обмена информацией, 8-битный»). Эта кодировка с середины 1980-х гг. стала использоваться в первых русифицированных версиях операционной системы UNIX.
Национальные стандарты кодировочных таблиц включают в себя международную часть кодовой таблицы без изменений и коды национальных алфавитов, символы псевдографики и некоторые математические знаки.
Рис. 2.1. Примеры кодировочных таблиц:
а - международная кодировка ASCII; б - кодировка СР1251
Наиболее распространенной в настоящее время является кодировка Microsoft Windows, обозначаемая СР1251 (от англ. Code page - кодовая страница) (рис. 2.1, б).
В конце 1990-х гг. появился новый международный стандарт Unicode, который отводит под один символ не 1 байт, а 2 байт, поэтому с его помощью можно закодировать не 256, а 65 536 различных символов. Полная спецификация стандарта Unicode включает в себя все существующие, вымершие и искусственно созданные алфавиты мира, а также множество математических, музыкальных, химических и прочих символов.
Двоичное кодирование графической информации. Графические изображения, хранящиеся в аналоговой (непрерывной) форме на бумаге, фото- и кинопленке, могут быть преобразованы в цифровой компьютерный формат путем пространственной дискретизации. Это реализуется путем сканирования, результатом которого является растровое изображение. Растровое изображение состоит из отдельных точек - пикселов (от англ. picture element - элемент изображения), каждая из которых может иметь свой цвет.
Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора, т. е. числом точек, из которых оно складывается. Чем больше разрешающая способность монитора, т. е. чем больше число строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных персональных компьютерах обычно используются четыре основные разрешающие способности экрана: 640 х 480, 800 х 600, 1024 х 768 и 1280 х 1024 точки.
Цветные изображения формируются в соответствии с двоичным кодом цвета каждой точки, хранящимся в видеопамяти. Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается используемым числом бит для кодирования цвета точки (табл. 2.4).
Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Такая цветовая модель называется RGB-моделью (от англ. Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий). Для получения богатой палит-
Таблица 2.4 Глубина цвета и число отображаемых цветов
Таблица 2.5 Формирование цветов при глубине цвета 24 бит
ры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности, Например, при глубине цвета в 24 бит на каждый из цветов выделяется по 8 бит, т. е. для каждого из цветов возможны 2 8 = 256 уровней интенсивности, заданных двоичными кодами (от минимальной - 00000000 до максимальной - 11111111) (табл. 2.5).
Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке (код цвета, точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов, например с разрешением 800 х 600 точек и глубиной цвета 24 бит на точку. Всего точек на экране: 800 600 = 480 000. Необходимый объем видеопамяти: 24 бит 480 000 = 11 520 000 бит = = 1 440 000 байт = 1406,25 Кбайт = 1,37 Мбайт.
Двоичное кодирование звуковой информации. Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека; чем больше частота сигнала, тем выше тон. Для того чтобы
 |
компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).
Таким образом, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости.
Рис. 2.2. Сетка уровней квантования.
Дискретизация - процесс разбивания сигнала на отдельные составпяющие, взятые в. определенные тактовые моменты времени t 0 , I t 2 ,… Р ез четко определенные тактовые интервалы времени / (рис 2.2).
Квантование - замена отдельных составляющих исходного дискретного значения сигнала ближайшим уровнем квантования, сдвинутых друг относительно друга на промежуток, называемый шагом квантования:
д/ 0) = 2; Л(/,) = 5; A(t 2) = 6; A(t 3) = 6; A(U) = 5; A(t 5) = 5; A(t 6) = 6;
A(t 7) = 6; A(h) = 5.
Кодирование - перевод значения уровня квантования в конкретный двоичный код, например:
2-0010; 6-0110; 6-0110; 5-0101; 5-0101; 6-ОНО; 6-0110; 5-0101; 4-0100.
Качество передаваемой информации при этом будет зависеть:
От разрядности преобразования, т. е. числа двоичных разрядов, которые будут использованы при кодировании соответствующего уровня;
Частоты дискретизации - частоты, с которой аналоговый сигнал будет преобразован в цифровую форму с помощью одной из истем счисления.
Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний. Следовательно, чем большее число уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количество информации будет нести значение каждого уровня и тем более качественным будет звучание. Звуковые карты обеспечивают, например, 16-битную глубину кодирования звука, обеспечивая 2 16 = 65 536 уровней сигнала.
Кроме того, качество кодирования зависит и от числа точек измерения уровня сигнала за 1 с, т. е. частоты дискретизации (это значение изменяется от 8000 до 48 000).
Принято измерять частоту дискретизации в кГц (килогерцах): 1 кГц - это 1000 измерений в секунду.
Можно оценить информационный объем стереоаудиофайла Длительностью звучания 1 с при высоком качестве звука (16 бит, 48 кГц). Для этого число бит на одну выборку необходимо умножить на число выборок в 1 с и умножить на 2 (стереорежим):
16 бит 48 000 -2=1 536 000 бит = 192 000 байт 187,5 Кбайт.
Информационный объем звукового файла длительностью 1 мин Приблизительно равен 11 Мбайт.
1.Чем отличаются позиционные системы счисления от непозиционных?
2.Какое количество информации несет в себе цифра восьмеричного числа?
3.Почему в компьютере используется двоичная система счисления?
4.В чем заключается преимущество экспоненциальной формы числа?
5.Как кодируются символы текста?
6.В чем заключается метод пространственной дискретизации?
7.Переведите в десятичную систему счисления 1110 2 ; 22 8 ; BF l 6 ; 10110 2 ;
135 8 ; 70£ 16 .
8.Переведите десятичные числа в двоичную, восьмеричную и шест-надцатеричную системы счисления: 74,21; 26,11; 125,01; 114,08.
9.Переведите пары чисел в двоичную систему счисления, произведите арифметические операции, ответы проверьте: 36 и 4; 75 и 5; 12 и 4; 123 и 3.
10. В какой системе счисления справедливы следующие равенства:
20 + 25= 100; 22+ 44 =110?
11.Десятичное число 59 эквивалентно числу 214 в некоторой другой системе счисления. Найдите основание этой системы.
12.Переведите числа в десятичную систему, а затем проверьте результаты, выполнив обратные переводы:
14. Перемножьте числа, а затем проверьте результаты, выполнив со
ответствующие десятичные умножения:
101101 2 101 2 111101 2 - П,012
1011,11 2 101,1 2 101 2 -1111,001 2
15.Разделите 10010110 2 на 1010 2 и проверьте результат, умножив делитель на частное.
16.Запишите числа в прямом коде (формат 1 байт):
17. Запишите числа в обратном и дополнительном кодах (формат 1 байт):
18 Найдите десятичные представления чисел, записанных в допол
нительном коде:
11111000 10011011
11101001 10000000
19. Выполните вычитания чисел путем сложения их обратных (допол
нительных) кодов в формате 1 байт (укажите, в каких случаях имеет
место переполнение разрядной сетки):
20.Закодируйте с помощью таблицы СР1251 и представьте в шест-надцатеричной системе счисления слово «информация».
21.Почему иногда на экране монитора вместо текстовой информации можно видеть 00DD и т.п.?
22.На клавиатуре наряду с алфавитно-цифровыми клавишами размещены такие, как , , и т.д. Имеют ли они десятичный код?
23.При разрешающей способности 1280 х 1024 точек определите объем видеопамяти при глубине цвета High Color.
24.Сколько может «весить», т.е. какой имеет объем, файл с видеоклипом длительностью 5 с?
25.Сколько точек содержит рисунок, если при кодировании каждой точки 1 байт получился файл объемом 300 Кбайт?
Представление чисел в компьютере
Целые числа являются простейшими числовыми данными, с которыми оперирует ЭВМ. Целые числа в компьютере хранятся в формате с фиксированной запятой . В этом случае каждому разряду ячейки памяти соответствует всегда один и тот же разряд числа, а «запятая» находится справа после младшего разряда.
Для хранения целого неотрицательного числа отводится одна ячейка памяти 1 байт (8 бит), т.е диапазон чисел, которые могут храниться в оперативной памяти в формате целых неотрицательных чисел, от 0 до 255 (всего 256). Минимальное число 0 соответствует восьми нулям, а максимальное 255 соответствует восьми единицам (255 10 = 11111111 2).
Для представления целого числа со знаком самый старший (левый) бит отводится под знак числа, остальные разряды - под само число. Если число положительное, то в знаковый разряд помещается 0, если отрицательное - 1. Например, в байте можно представить знаковые числа от -128 до 127.
Для компьютерного представления целых чисел обычно используется один, два или четыре байта, то есть ячейка памяти будет состоять из восьми, шестнадцати или тридцати двух разрядов соответственно.
Представление числа в привычной форме "знак"-"величина", при которой старший разряд ячейки отводится под знак, а остальные - под запись числа в двоичной системе, называется прямым кодом двоичного числа.
Например, прямой код двоичных чисел 1001 и -1001 для 8-разрядной ячейки равен 0 0001001 и 1 0001001 соответственно.
Положительные числа в ЭВМ всегда представляются с помощью прямого кода. Прямой код числа полностью совпадает с записью самого числа в ячейке машины.
Прямой код отрицательного числа отличается от прямого кода соответствующего положительного числа лишь содержимым знакового разряда.
Но отрицательные целые числа не представляются в ЭВМ с помощью прямого кода, для их представления используется дополнительный код.
Дополнительный код положительного числа равен прямому коду этого числа.
Дополнительный код отрицательного числа m равен 2 n -|m|, где n - количество разрядов в ячейке.
Дополнительный код используется для упрощения выполнения арифметических операций. Если бы вычислительная машина работала с прямыми кодами положительных и отрицательных чисел, то при выполнении арифметических операций следовало бы выполнять ряд дополнительных действий. Например, при сложении нужно было бы проверять знаки обоих операндов и определять знак результата. Если знаки одинаковые, то вычисляется сумма операндов и ей присваивается тот же знак. Если знаки разные, то из большего по абсолютной величине числа вычитается меньшее и результату присваивается знак большего числа. То есть при таком представлении чисел (в виде только прямого кода) операция сложения реализуется через достаточно сложный алгоритм. Если же отрицательные числа представлять в виде дополнительного кода, то операция сложения, в том числе и разного знака, сводится к их поразрядному сложению.
Алгоритм получения дополнительного кода отрицательного числа.
Для получения дополнительного k-разрядного кода отрицательного числа необходимо:
модуль отрицательного числа представить прямым кодом в k- двоичных разрядах;
значение всех бит инвертировать: все нули заменить на единицы, а единицы на нули, таким образом, получается k-разрядный обратный код исходного числа);
к полученному обратному коду прибавить единицу.
Пример:
Получим 8-разрядный дополнительный код числа -52:
00110100 - число |-52|=52 в прямом коде
11001011 - число -52 в обратном коде
11001100 - число -52 в дополнительном коде
Представление вещественных чисел в компьютере.
Для представления вещественных чисел в современных компьютерах принят способ представления с плавающей запятой .
Этот способ представления опирается на нормализованную (экспоненциальную) запись действительных чисел.
Нормализованная запись отличного от нуля действительного числа A - это запись вида:
А= m* q n ,
где
m - мантисса числа (правильная дробь, у которой первая цифра после запятой не равна нулю),
q - основание системы,
n - порядок числа.
Примеры:
1. 3,1415926 = 0, 31415926 * 101;
2. 1000=0,1 * 104;
3. 0,123456789 = 0,123456789 * 100;
4. 0,00001078 = 0,1078 * 8-4; (порядок записан в 10-й системе)
5. 1000,00012 = 0, 100000012 * 24.
При представлении чисел с плавающей запятой часть разрядов ячейки отводится для записи порядка числа, остальные разряды - для записи мантиссы. По одному разряду в каждой группе отводится для изображения знака порядка и знака мантиссы.
Максимальное значение целого неотрицательного числа достигается в случае, когда во всех ячейках хранятся единицы. Для n-разрядного представления оно будет равно
целых неотрицательных чисел . Минимальное число соответствует восьми нулям, хранящимся в восьми битах ячейки памяти, и равно нулю. Максимальное число соответствует восьми единицам и равно
А = 1 × 2 7 + 1 × 2 6 + 1 × 2 5 + 1 × 2 4 + 1 × 2 3 + 1 × 2 2 + 1 × 2 1 + 1 × 2 0 = 1 × 2 8 - 1 = 255 10 .
Диапазон изменения целых неотрицательных чисел чисел: от 0 до 255.
Для хранения целых чисел со знаком отводится две ячейки памяти (16 битов), причем старший (левый) разряд отводится под знак числа (если число положительное, то в знаковый разряд записывается 0, если число отрицательное - 1).
Представление в компьютере положительных чисел с использованием формата "знак-величина" называется прямым кодом числа. Например, число 2002 10 = 11111010010 2 будет представлено в 16-разрядном представлении следующим образом:
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
Максимальное положительное число (с учетом выделения одного разряда на знак) для целых чисел со знаком в n-разрядном представлении равно:
Для представления отрицательных чисел используется дополнительный код . Дополнительный код позволяет заменить арифметическую операцию вычитания операцией сложения, что существенно упрощает работу процессора и увеличивает его быстродействие.
Дополнительный код отрицательного числа А, хранящегося в n ячейках, равен 2 n - |A|.
Дополнительный код представляет собой дополнение модуля отрицательного числа А до 0, так как в n-разрядной компьютерной арифметике:
2 n - |А| + |А| = 0,
поскольку в компьютерной n-разрядной арифметике 2 n = 0. Действительно, двоичная запись такого числа состоит из одной единицы и n нулей, а в n-разрядную ячейку может уместиться только n младших разрядов, то есть n нулей.
Для получения дополнительного кода отрицательного числа можно использовать довольно простой алгоритм:
1. Модуль числа записать в прямом коде в n двоичных разрядах.
2. Получить обратный код числа, для этого значения всех битов инвертировать (все единицы заменить на нули и все нули заменить на единицы).
3. К полученному обратному коду прибавить единицу.
Запишем дополнительный код отрицательного числа -2002 для 16-разрядного компьютерного представления:
 |
При n-разрядном представлении отрицательного числа А в дополнительным коде старший разряд выделяется для хранения знака числа (единицы). В остальных разрядах записывается положительное число
Чтобы число было положительным, должно выполняться условие
|А| £ 2 n-1 .
Следовательно, максимальное значение модуля числа А в га-разрядном представлении равно:
Тогда минимальное отрицательное число равно:
Определим диапазон чисел, которые могут храниться в оперативной памяти в формате длинных целых чисел со знаком (для хранения таких чисел отводится четыре ячейки памяти - 32 бита).
Максимальное положительное целое число (с учетом выделения одного разряда на знак) равно:
А = 2 31 - 1 = 2 147 483 647 10 .
Минимальное отрицательное целое число равно:
А = -2 31 = - 2 147 483 648 10 .
Достоинствами представления чисел в формате с фиксированной запятой являются простота и наглядность представления чисел, а также простота алгоритмов реализации арифметических операций.
Недостатком представления чисел в формате с фиксированной запятой является небольшой диапазон представления величин, недостаточный для решения математических, физических, экономических и других задач, в которых используются как очень малые, так и очень большие числа.
Представление чисел в формате с плавающей запятой. Вещественные числа хранятся и обрабатываются в компьютере в формате с плавающей запятой . В этом случае положение запятой в записи числа может изменяться.
Формат чисел с плавающей запятой базируется на экспоненциальной форме записи, в которой может быть представлено любое число. Так число А может быть представлено в виде:
| A = m × q n | 2.3 |
где m - мантисса числа;
q - основание системы счисления;
n - порядок числа.
Для единообразия представления чисел с плавающей запятой используется нормализованная форма, при которой мантисса отвечает условию:
1/n £ |m|
Это означает, что мантисса должна быть правильной дробью и иметь после запятой цифру, отличную от нуля.
Преобразуем десятичное число 555,55, записанное в естественной форме, в экспоненциальную форму с нормализованной мантиссой:
555,55 = 0,55555 × 10 3 .
Здесь нормализованная мантисса: m = 0,55555, порядок: n = 3.
Число в формате с плавающей запятой занимает в памяти компьютера 4 (число обычной точности ) или 8 байтов (число двойной точности ). При записи числа с плавающей запятой выделяются разряды для хранения знака мантиссы, знака порядка, порядка и мантиссы.
Диапазон изменения чисел определяется количеством разрядов, отведенных для хранения порядка числа, а точность (количество значащих цифр) определяется количеством разрядов, отведенных для хранения мантиссы.
Определим максимальное число и его точность для формата чисел обычной точности , если для хранения порядка и его знака отводится 8 разрядов, а для хранения мантиссы и ее знака - 24 разряда:
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| знак и порядок | знак и мантисса | ||||||||||||||||||||||
Максимальное значение порядка числа составит 1111111 2 = 127 10 , и, следовательно, максимальное значение числа составит:
2 127 = 1,7014118346046923173168730371588 × 10 38 .
Максимальное значение положительной мантиссы равно:
2 23 - 1 » 2 23 = 2 (10 × 2,3) » 1000 2,3 = 10 (3 × 2,3) » 10 7 .
Таким образом максимальное значение чисел обычной точности с учетом возможной точности вычислений составит 1,701411 × 10 38 (количество значащих цифр десятичного числа в данном случае ограничено 7 разрядами).
Задания
1.26. Заполнить таблицу, записав отрицательные десятичные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах в 16-разрядном представлении:
1.27. Определить диапазон представления целых чисел со знаком (отводится 2 байта памяти) в формате с фиксированной запятой.
1.28. Определить максимальное число и его точность для формата чисел двойной точности , если для хранения порядка и его знака отводится 11 разрядов, а для хранения мантиссы и ее знака - 53 разряда.
Числовые данные обрабатываются в компьютере в двоичной системе счисления. Числа хранятся в памяти компьютера в двоичном коде, т. е. в виде последовательности нулей и единиц, и могут быть представлены в формате с фиксированной или плавающей запятой.
Целые числа хранятся в памяти в формате с фиксированной запятой. При таком формате представления чисел для хранения целых неотрицательных чисел отводится регистр памяти, состоящий из восьми ячеек памяти (8 бит). Каждому разряду ячейки памяти соответствует всегда один и тот же разряд числа, а запятая находится справа после младшего разряда и вне разрядной сетки. Например, число 110011012 будет храниться в регистре памяти следующим образом:
Таблица 4
Максимальное значение целого неотрицательного числа, которое может храниться в регистре в формате с фиксированной запятой, можно определить из формулы: 2n – 1, где n – число разрядов числа. Максимальное число при этом будет равно 28 – 1 = 25510 = 111111112и минимальное 010 = 000000002. Таким образом, диапазон изменения целых неотрицательных чисел будет находиться в пределах от 0 до 25510.
В отличие от десятичной системы в двоичной системе счисления при компьютерном представлении двоичного числа отсутствуют символы, обозначающие знак числа: положительный (+) или отрицательный (-), поэтому для представления целых чисел со знаком в двоичной системе используются два формата представления числа: формат значения числа со знаком и формат дополнительного кода. В первом случае для хранения целых чисел со знаком отводится два регистра памяти (16 бит), причем старший разряд (крайний слева) используется под знак числа: если число положительное, то в знаковый разряд записывается 0, если число отрицательное, то – 1. Например, число 53610 = 00000010000110002 будет представлено в регистрах памяти в следующем виде:
Таблица 5
а отрицательное число -53610 = 10000010000110002 в виде:
Таблица 6
Максимальное положительное число или минимальное отрицательное в формате значения числа со знаком (с учетом представления одного разряда под знак) равно 2n-1 – 1 = 216-1 – 1 = 215 – 1 = 3276710 = 1111111111111112 и диапазон чисел будет находиться в пределах от -3276710 до 32767.
Наиболее часто для представления целых чисел со знаком в двоичной системе применяется формат дополнительного кода, который позволяет заменить арифметическую операцию вычитания в компьютере операцией сложения, что существенно упрощает структуру микропроцессора и увеличивает его быстродействие.
Для представления целых отрицательных чисел в таком формате используется дополнительный код, который представляет собой дополнение модуля отрицательного числа до нуля. Перевод целого отрицательного числа в дополнительный код осуществляется с помощью следующих операций:
1) модуль числа записать прямым кодом в n (n = 16) двоичных разрядах;
2) получить обратный код числа (инвертировать все разряды числа, т. е. все единицы заменить на нули, а нули – на единицы);
3) к полученному обратному коду прибавить единицу к младшему разряду.
Например, для числа -53610 в таком формате модуль будет равен 00000010000110002, обратный код – 1111110111100111, а дополнительный код – 1111110111101000.
Необходимо помнить, что дополнительный код положительного числа – само число.
Для хранения целых чисел со знаком помимо 16-разрядного компьютерного представления, когда используются два регистра памяти (такой формат числа называется также форматом коротких целых чисел со знаком), применяются форматы средних и длинных целых чисел со знаком. Для представления чисел в формате средних чисел используется четыре регистра (4 х 8 = 32 бит), а для представления чисел в формате длинных чисел – восемь регистров (8 х 8 = 64 бита). Диапазоны значений для формата средних и длинных чисел будут соответственно равны: -(231 – 1) … + 231 – 1 и -(263-1) … + 263 – 1.
Компьютерное представление чисел в формате с фиксированной запятой имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам относятся простота представления чисел и алгоритмов реализации арифметических операций, к недостаткам – конечный диапазон представления чисел, который может быть недостаточным для решения многих задач практического характера (математических, экономических, физических и т. д.).
Вещественные числа (конечные и бесконечные десятичные дроби) обрабатываются и хранятся в компьютере в формате с плавающей запятой. При таком формате представления числа положение запятой в записи может изменяться. Любое вещественное число К в формате с плавающей запятой может быть представлено в виде:
где А – мантисса числа; h – основание системы счисления; p – порядок числа.
Выражение (2.7) для десятичной системы счисления примет вид:
для двоичной -
для восьмеричной -
для шестнадцатеричной -
Такая форма представления числа также называется нормальной . С изменением порядка запятая в числе смещается, т. е. как бы плавает влево или вправо. Поэтому нормальную форму представления чисел называют формой с плавающей запятой . Десятичное число 15,5, например, в формате с плавающей запятой может быть представлено в виде: 0,155 · 102; 1,55 · 101; 15,5 · 100; 155,0 · 10-1; 1550,0 · 10-2 и т. д. Эта форма записи десятичного числа 15,5 с плавающей запятой не используется при написании компьютерных программ и вводе их в компьютер (устройства ввода компьютеров воспринимают только линейную запись данных). Исходя из этого выражение (2.7) для представления десятичных чисел и ввода их в компьютер преобразовывают к виду
где Р – порядок числа,
т. е. вместо основания системы счисления 10 пишут букву Е, вместо запятой – точку, и знак умножения не ставится. Таким образом, число 15,5 в формате с плавающей запятой и линейной записи (компьютерное представление) будет записано в виде: 0.155Е2; 1.55Е1; 15.5Е0; 155.0Е-1; 1550.0Е-2 и т.д.
Независимо от системы счисления любое число в форме с плавающей запятой может быть представлено бесконечным множеством чисел. Такая форма записи называется ненормализованной . Для однозначного представления чисел с плавающей запятой используют нормализованную форму записи числа, при которой мантисса числа должна отвечать условию
где |А| - абсолютное значение мантиссы числа.
Условие (2.9) означает, что мантисса должна быть правильной дробью и иметь после запятой цифру, отличную от нуля, или, другими словами, если после запятой в мантиссе стоит не нуль, то число называется нормализованным. Так, число 15,5 в нормализованном виде (нормализованная мантисса) в форме с плавающей запятой будет выглядеть следующим образом: 0,155 · 102, т. е. нормализованная мантисса будет A = 0,155 и порядок Р = 2, или в компьютерном представлении числа 0.155Е2.
Числа в форме с плавающей запятой имеют фиксированный формат и занимают в памяти компьютера четыре (32 бит) или восемь байт (64 бит). Если число занимает в памяти компьютера 32 разряда, то это число обычной точности, если 64 разряда, то это число двойной точности. При записи числа с плавающей запятой выделяются разряды для хранения знака мантиссы, знака порядка, мантиссы и порядка. Количество разрядов, которое отводится под порядок числа, определяет диапазон изменения чисел, а количество разрядов, отведенных для хранения мантиссы, – точность, с которой задается число.
При выполнении арифметических операций (сложение и вычитание) над числами, представленными в формате с плавающей запятой, реализуется следующий порядок действий (алгоритм) :
1) производится выравнивание порядков чисел, над которыми совершаются арифметические операции (порядок меньшего по модулю числа увеличивается до величины порядка большего по модулю числа, мантисса при этом уменьшается в такое же количество раз);
2) выполняются арифметические операции над мантиссами чисел;
3) производится нормализация полученного результата.
Практическая часть
Общие сведения.
Тип данных - это двоичный код, обладающий извест-ными свойствами согласно принятым соглашениям. Процессор (с помощью ко-манд) распознает тип данных и осуществляет над данными предписанный набор операций.
Ниже рассматриваются следующие типы данных:
● знаковые и беззнаковые целые , используемые для представления целых чи-сел в виде двоичных кодов и выполнения над ними арифметических операций по правилам двоичной арифметики;
● двоично–десятичные целые , предназначенные для представления и обработки десятичных чисел;
● булев тип данных , поддерживающий правила алгебры–логики (булевой алгебры);
● типы с фиксированной и плавающей точкой , предназначенные для представ-ления и обработки вещественных чисел.
Выбор типа данных определяется командой программы. Например, при вы-полнении арифметической команды данные трактуются как целые числа, операн-ды в логической операции принимаются как булев тип данных, а 16–битный указа-тель используется командой для доступа к данным в текущем сегменте.
Отметим, что в программах на языках высокого уровня могут существовать типы данных, для которых в процессоре не предусмотрены аппаратные средства. Примером могут служить типы данных с плавающей точкой в программе на Форт-ране, которая выполняется в вычислительной системе без сопроцессора. В этом случае при вычислениях используются дополнительные команды для моделиро-вания типов данных с плавающей точкой. Естественно, при наличии в системе со-процессора (и компилятора Фортрана для него) программа будет выполняться намного быстрее.
О формах представления чисел.
Для представления чисел широко исполь-зуются две формы: естественная и нормальная.
При естественной форме представления число имеет единственный вид записи, например: +195 - целое положительное число; –195 - целое отрица-тельное число; +0,025 - правильная положительная дробь; –195,025 - непра-вильная отрицательная дробь. Эта форма используется для представления целых чисел и чисел с фиксированной точкой (запятой).
При нормальной форме представления число записывается в виде
где М, П - мантисса и порядок числа.
Для нормальной формы представления характерна неоднозначная запись чис-ла, например: +195.025 = +195025 . 10 –3 = +19.5025 . 10 1 = +0.195025 . 10 3 . Как видно из примера, положение точки мантиссы зависит от значения порядка П. С изменением П (что всегда происходит в процессе вычислений) точка как бы начина-ет плавать. Поэтому нормальную форму (2.3.1) называют также формой пред-ставления чисел с плавающей точкой. 
Числовая (как и любая другая) информация, подлежащая процессорной обра-ботке, представляется в виде
–разрядных двоичных кодов, для хранения которых используются ячейки памяти. Двоичные коды чисел имеют различные форматы.
Формат числа представляет собой совокупность разрядов (разрядную сетку), разделенную на отдельные поля: поле знака числа, поле модуля числа, поле ман-тиссы, поле модуля порядка и др. Для нумерации разрядов полей используется последовательность чисел, начиная с нуля (0, 1, 2, 3, …).
Беззнаковые целые.
Этот тип данных используется для представления нуля и положительных значений целых чисел.
На рис. 2.3.1 , а приведены форматы 8–разрядных целых чисел. Знаковый бит отсутствует, поэтому диапазон представления чисел составляет 0…2
Разрядность двоичного кода совпадает с разрядностью числа.
Знаковые целые.
Операцию вычитания двух положительных А и В чисел мож-но рассматривать как операцию алгебраического сложения чисел с разными зна-ками: А – В = А + (–
). Поэтому для замены арифметической операции вычитания операцией алгебраического сложения необходимо каким–то образом предста-вить знак числа. Обычно для знака двоичного числа отводится дополнительный разряд. Знак числа указывается в самом старшем разряде: 0 соответствует поло-жительному знаку « + » числа, 1 - отрицательному знаку « – ».
Для представления чисел со знаком широкое распространение получил до-полнительный код.
Для представления целых положительных двоичных чисел в
–разрядном до-полнительном коде все старшие незначащие разряды (включая знаковый) необ-ходимо заполнить нулями.
Для представления отрицательных чисел необходимо:
● проинвертировать все значащие цифровые разряды (модуль) числа;
● к полученному значению прибавить единицу;
● все старшие незначащие разряды (включая знаковый) заполнить единицами.
Например, 8–разрядный дополнительный код для положительного числа +6 имеет вид 00000110, для отрицательного числа – 6 - 11111010.
На рис. 2.3.1, б приведены форматы 8–разрядных знаковых чисел в допол-нительном коде. Диапазон их представления составляет – 2 (
–1) - разрядность значащей части числа. Современные микропроцессоры поддерживают знаковые целые длиной 16, 32 и 64 бит. Обычно используется два формата целых чисел: короткий с числом разрядов
и длинный с числом разря-дов 2
В процессе расчетов используется длинный формат, результаты выводят-ся в коротком формате. Если количество значащих разрядов модуля числа пре-вышает (
– 1), происходит переполнение разрядной сетки, приводящее к ошибке в представлении числа из–за потери старших разрядов модуля. После выполне-ния арифметических операций выход результата за диапазон отмечается уста-новкой а единицу флага переполнения О
Числа с фиксированной точкой.
При естественной форме представления вещественных чисел положение точки (запятой) фиксируется между целой и дроб-ной частями числа. Для изменения положения точки в вещественном числе необ-ходимо ввести масштабный коэффициент, значение которого должно быть выбра-но таким образом, чтобы сохранить неизменным значение вещественного числа. Часто точка фиксируется впереди старших разрядов модуля числа. При этом представление числа А с фиксированной точкой имеет вид правильной дроби, что соответствует условию
Выбранное количество значащих разрядов числа.
Условие (2.3.2) должно выполняться для исходных данных задачи и всех про-межуточных результатов вычислений, что обеспечивается путем выбора масш-табного коэффициента К.
При нарушении условия (2.3.2) число А Ф имеет целую часть, которая теряется, так как не попадает в разрядную сетку из–за переполнения. Поэтому при опреде-лении масштабного коэффициента К следует исходить из максимального значе-ния модуля задействованных при решении задачи чисел, приняв К> | А |
Тогда условие (2.3.2) для А Ф = А/К будет выполняться. 
На рис. 2.3.2, а приведен формат компьютерного представления чисел А Ф с фиксированной точкой. При занесении числа А Ф в ячейку памяти свободные младшие разряды разрядной сетки заполняются нулями. Если число
значащих разрядов модуля |
– 1, то младшие разряды модуля, которые не по-местились в
–разрядной сетке, теряются. Это приводит к погрешности, абсолютное значение которой меньше единицы младшего разряда разрядной сетки, т. е.
32 абсолютная погрешность
0.5×10 – 30х0.3 = 0.5×10 – 9
Пусть заданы два числа А = –1010,101 2 и В = +10,10101 2 , для которых |
Поэтому масштаб-ный коэффициент К > |
2 4 = 10000 2 . Степень 4 свидетельствует о необходимости сдвига на 4 разря-да вправо исходных чисел
Действительно
А. К= –1010,101 . 10000 =
–0.1010101 2 ;
В Ф = В. К = 10,10101 . 10000 = 0,001010101 2 . Форматы представления чисел А Ф и В Ф показаны на рис. 2.3.2,6, в. Для сохранения точности компьютерного представления числа В Ф необходимо расширить разрядную сетку до 10 разрядов.
К достоинству представления чисел в форме с фиксированной точкой следует отнести простоту выполнения арифметических операций. Недостатки проявляют-ся в том, что:
● необходимо производить выбор масштабных коэффициентов;
● нули в старших разрядах модуля приводят к уменьшению количества разря-дов, занимаемых значащей частью модуля числа. В результате этого снижа-ется точность представления чисел с малыми значениями модуля.
Булевы величины являются беззнаковыми и используются при логических операциях
и др. Операция выполняется над от-дельными битами. Булевы операнды обрабатываются по частям, если их разряд-ность превышает разрядность процессора.
Двоично–десятичные целые.
В повседневной жизни человек пользуется де-сятичной системой счисления. Для хранения и обработки десятичных чисел в цифровых устройствах их представляют в виде двоичного кода. Представление десятичного числа, в котором каждая десятичная цифра отображается в виде двоичных символов 0 и 1, называют двоично–десятичным кодом. Так как алфавит десятичной системы состоит из 10 цифр, для записи каждой десятичной цифры выделяется слово, содержащее не менее четырех разрядов. Наиболее часто ис-пользуется 4–разрядное слово, именуемое тетрадой или полубайтом. С помощью тетрад вместо требуемых 10 можно получить 2 4 = 16 различных комбинаций, со-ставленных символов 0 и 1. При двоично–десятичном кодировании различным десятичным цифрам должны соответствовать различные комбинации символов О и 1, т. е. разрешены только 10 комбинаций из 16. Наличие разрешенных и за-прещенных комбинаций - важное свойство двоично–десятичных кодов. Это свойство отличает их от обычных позиционных систем счисления, в которых все комбинации разрешены. Общее количество различных разрешенных 4–разрядных кодов (тетрад), определяемое сочетаниями из 16 элементов по 10, составляет: С 10 16 = 18008. Широкое распространение получил так называемый код 8421, в котором используется первые десять значений двоичных чисел от 0000 (0 10) до 1001(9 10).
Достоинство 4–разрядных кодов состоит в том, что при кодировании десятич-ных чисел используется минимальное количество разрядов. Введение дополни-тельного 5–го разряда позволяет обнаружить ошибки при передаче числовой информации по линиям связи при наличии помех. Например, в 5–разрядном коде 2 из 5 все кодовые комбинации содержат две единицы и три нуля. Поэтому изме-нение любого разряда (на противоположное значение) приведет к запрещенной кодовой комбинации. 
На рис. 2.3.3 приведен формат двоично–десятичного числа, содержащий 18 тетрад (
0) и знаковый разряд
(в остальных разрядах старшего байта установлены нулевые значения). Каждая тетрада соответствует одному разряду десятичного числа.
Числа с плавающей точкой.
Во многих случаях для проведения расчетов не-обходимо представлять числа с высокой точностью в широком диапазоне значе-ний. Указанным требованиям отвечает нормальная форма чисел (2.3.1). Для вы-явления особенностей ее использования для представления чисел с плавающей точкой в цифровых системах будем полагать, что:
● для записи мантиссы используется (
1)–разрядный двоичный код, причем самый старший (
–й) разряд определяет знак мантиссы (числа), остальные разряды - модуль мантиссы. Значение модуля мантиссы |М| < 1, что соот-ветствует фиксации точки перед значащими цифрами (разрядами) модуля мантиссы;
● для записи порядка П используется (р + 1)–разрядный двоичный код, причем самый старший (р–й) разряд определяет знак порядка, остальные разряды - модуль порядка. Порядок П (целое число) указывает на действительное положение точки в числе. 
На рис. 2.3.4, а приведен формат числа с плавающей точкой.
Точность представления чисел (2.3.1) зависит от количества значащих цифр (разрядов) мантиссы. Для повышения точности числа с плавающей точкой пред-ставляются в нормализованной форме, признаком которой служит наличие значащей цифры (единицы для
2) в самом старшем разряде модуля ман-тиссы. Значение модуля нормализованной мантиссы при
2 лежит в пределах 2 –1 ≤ |М| < 1 (для любых порядков П). В нормализованной форме могут быть представлены все числа из некоторого диапазона за исключением нуля.
Представим в формате с плавающей точкой двоичные числа А = +10010.10101 и В = –111.0101. Запишем А и В в нормализованной форме
А = +0.1001010101 . 2 5 , В= –0.1110101000 . 2 –3 .
На основании (2.3.4) записываем модули мантиссы |М
| = 1001010101 2 , |М
| = 1110101000 2 и моду-ли порядка в двоичной системе исчисления |П А | = 5 10 = 0101 2 , |П
| = 3 10 = 0011 2 . Выбираем общее число разрядов разрядной сетки
Р = 16. Принимаем количество разрядов для модуля мантиссы, равное 10, для модуля порядка - 4.
Форматы чисел А и В показаны на рис. 2.3.4, 6, в. Мантисса и порядок операнда В, имеющие отри-цательное значение, представлены в дополнительном коде:
|# + 1 = 0001010111 + 1 = 0001011110;
|# + 1 = 0011 + 1 = 0100, где # - инверсия.
Поскольку абсолютная погрешность представления чисел с плавающей точкой зависит от порядка П, дадим оценку относительной погрешности:
/ 2 –1 = 2 –(
Абсолютная погрешность представления модуля
–разрядной мантиссы; |
22 –1 - минимальное значение нормализованного модуля мантиссы.
Отметим, что в стандарте
754/854 используется порядок в форме П = Р – Е, где Е =
Смещение порядка; Р макс = 2Е. Это позволило исключить поле
знака порядка в формате представления чисел.