Контрольная работа: Числовая и нечисловая обработка информации

2. Сформировать частичные произведения в двоичном коде довольно легко. Если соответствующий разряд множителя равен 0, частичное произведение также равно 00..00. Если соответствующий разряд множителя равен 1 . частичное произведение равно множимому.

3. Полное произведение вычисляется суммированием частичных произведений, причем каждое очередное частичное произведение в этой сумме сдвигается на одну позицию влево относительно предыдущего.

4. Результатом перемножения двух n-разрядных целых чисел будет 2n-разрядное число.

Во-первых, суммирование очередного частичного произведения можно выполнять немедленно после того, как оно будет сформировано, не дожидаясь остальных. Во-вторых, можно сформировать частичные произведения. Для разряда в коде множителя, равного 1, нужно выполнить сдвиг и сложение кода множимого, а для разряда, равного 0, — только сдвиг.

Умножение чисел в дополнительном коде

Мы уже отмечали, что при выполнении сложения и вычитания чисел в дополнительном коде они интерпретируются как числа без знака. Схема оказывается неработоспособной при выполнении умножения. Она неприменима, если оба сомножителя отрицательны. Она неправильного результата в случае, если отрицателен хотя бы один из сомножителей.

Единственное отличие в том, что частичные произведения трактуются как 2n-разрядные числа, сформированные из n-разрядного множимого. Рассматривая 4-разрядное множимое как число без знака, получим после расширения до восьми разрядов. Любое частичное произведение, соответствующее умножению этого числа на некоторый разряд множителя, отличный от 0-го, формируется сдвигом расширенного кода множимого влево на соответствующее число разрядов, причем освободившиеся справа разряды, заполняются кодом 0. Каждое частичное - введение, образованное от отрицательного множимого, при его формировании знаковый разряд исходного числа должен быть расширен. Разряды отрицательного множителя в дополнительном коде не соответствуют частичным произведениям, сформированным сдвигом множимого. Для суммирования частичных произведений нельзя использоватьзначения разрядов кода множителя

Решить эту дилемму можно по-разному. Один из способов - преобразовать оба сомножителя в положительные числа, перемножить их по правилам умножения чисел без знака, а затем, если знаки сомножителей были разными, выполнить операцию отрицания результата по правилам, принятым для чисел в дополнительном коде. Конструкторы АЛУ предпочитают способ, который не требует выполнения дополнительного преобразования после завершения умножения: алгоритм Бута ( Booth ). Схема алгоритма Бута приведена в приложении (рисунок 3). Сомножители размещаются в регистрах. Кроме них имеется одноразрядный регистр, который связан с младшим разрядом регистра. Если оба разряда имеют одинаковые значения, все разряды регистров сдвигаются на 1 разряд вправо. Такую операцию принято называть сдвигом с сохранением знака или арифметическим сдвигом. Следовательно, произведение на такой множитель можно получить с помощью всего одной операции сложения и одной операции вычитания.

Представление чисел в формате с плавающей точкой

В формате с фиксированной точкой, в частности в дополнительном коде, можно представлять положительные и отрицательные числа в диапазоне, симметричном на числовой оси относительно точки 0. Расположив воображаемую разделяющую точку в середине разрядной сетки, можно в этом формате представлять не только целые, но и смешанные числа, а также дроби.

Однако такой подход позволяет представить на ограниченной разрядной сетке множество вещественных чисел в довольно узком диапазоне. Нельзя представить очень большие числа или очень маленькие. При выполнении деления больших чисел, как правило, теряется дробная часть частного.

При работе в десятичной системе счисления ученые давно нашли выход из положения, применяя для представления числовых величин так называемую научную нотацию.

Этот же подход можно применить и в двоичной системе счисления. Компоненты можно сохранить в двоичном слове, состоящем из трех полей:

• поле знака числа (плюс или минус);

• поле мантиссы;

• поле порядка.

Основание характеристики во всех существующих стандартах такой формы представления подразумевается неявно и не сохраняется, поскольку оно одинаково для всех чисел.

Для представления порядка используется так называемый смещенный формат. Для получения действительного двоичного кода пс рядка из значения, сохраняемого в этом поле, нужно вычесть фиксированное смещение. Этого не наблюдается при представлении чисел в прямом и дополнительном кодах. Преимущество смещенного представления порядка в формате числа с плавающей точкой в том, что результат сравнения двух неотрицательных вещественных чисел будет таким же, как и результат сравнения : кодов, рассматриваемых как целые числа без знака.

Для упрощения алгоритмов выполнения арифметических операций обычно принято нормализовать мантиссу. Код, состоящий из нулей во всех разрядах, считается допустим и представляет число 0. В области переполнения можно попасть в том случае, если результат арифметической операции имеет абсолютную величину.

Стандарт IEEE формата с плавающей точкой

Хотя унификации формата представления чисел с плавающей точкой, что является необходимым условием переносимости программного обеспечения. Разработан стандарт 754-CLE 85. В последнее десятилетие практически все процессоры и арифметические процессоры проектируются с учетом требований этого стандарта.

Стандарт специфицирует два варианта формата: 32-битовый — обычное представление и 64-битовый — удвоенная точность представления. В первом формате поле порядка занимает 8 бит, а во втором — 11 бит. Стандарт регламентирует использование числа 2 в качестве неявно заданного значения основания характеристики. Помимо основных, в стандарте предусмотрены два расширенных варианта форматов обычной и удвоенной точности. Расширенные форматы позволяют включать дополнительные биты в поле порядка, предназначаются для промежуточных вычислений. За счет повышения точности снижается вероятность появления слишком больших ошибок. А при расширении диапазона снижается вероятность появления переполнения. Еще одно достоинство расширенного формата обычной состоит в том, что он позволяет использовать некоторые свойства формата с удвоенной точностью, но при этом не требует соответствующего увеличения времени выполнения арифметических операций.

Арифметические операции над числами в формате с плавающей точкой

При сложении и вычитании необходимо предварительно уравнять порядки операндов, что требует сдвига положения разделительной точки в мантиссе. Операции умножения и деления уравнивания порядков операндов не требуют. При выполнении операций могут возникнуть следующие особые ситуации.

• Переполнение порядка. Положительный порядок результата превышает максимальное значение, предусмотренное форматом. Такой результат может трактоваться как величина + или - .

• Потеря значимости порядка. Отрицательный порядок результата меньше минимального значения, допускаемого принятым форматом

• Потеря значимости мантиссы. В процессе уравнивания порядков мантисса сдвигается настолько сильно вправо, что старший значащий ее разряд выходит за пределы разрядной сетки. Как будет показано далее, в этом случае требуется определенная форма округления.

• Переполнение мантиссы. При сложении мантисс с одинаковыми знакам: возможно появление переноса из старшего разряда.

Сложение и вычитание