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【计组】数据的表示与运算

🕗 发布于 2024-09-23 02:19 计算机组成原理  算法  笔记  

【计组】数据的表示与运算

一、数据的表示方法和转换

1、真值

二进制数和十进制数一样有正负之分，书写时加上“+”或“-”来表示的，叫做真值。

例：十进制的+3和-6，二进制的+011和-110都是真值。

2、机器数

机器数采用二进制的0表示正，1表示负。符号数值化的带符号二进制数，称为机器数。

例：真值的-011，用机器数表示为0011，而-110就可以表示为1110。

3、BCD码

BCD（Binary-Coded Decimal）码，也叫二-十进制码，主要就是用4位二进制来表示1位的从0~9的进制数。BCD码主要分为有权码（8421码、5421码、2421码）和无权码（余三码、余三循环码）。

3.1、8421码

用指定的4位二进制数来表示1位的从0~9的十进制数。对照表格即可：

十进制8421 码
00000
10001
20010
30011
40100
50101
60110
70111
81000
91001

换算算法：8421码主要有两种换算算法，从二进制到八进制（B to O），从八进制到二进制（O to B）。

B to O：例：0111—> (8 * 0)+(4 * 1)+(2 * 1)+(1*1) = 7

O to B：例：60的二进制是11110—> 111 100 ＝7 4

3.2、余三码

余三码是由8421码加上0011后形成的一种无权码。

例：（4567）对应的 余3码为 0111 1000 1001 1010
推导过程 即 4 对应 0100 + 0011（十进制的3）=0111

​ 5 对应0101 + 0011 =1000

​ 6 对应0110 + 0011 =1001

​ 7 对应0111 + 0011 =1010

当两个余三码相加不产生进位时，应从结果中减去0011；产生进位时，应将进位信号送入高位，本位加0011。

4、格雷码

格雷码，又叫循环二进制码或反射二进制码，是指任何两个相邻编码只有1个二进制位不同，而其余3个二进制位相同。余三循环码就是余三码通过格雷码的异或运算，所得到的一系列变权码。

二进制数与格雷码间的转换关系如下表：

十进制码二进制码格雷码十进制码二进制码格雷码
000000000810001100
100010001910011101
2001000111010101111
3001100101110111110
4010001101211001010
5010101111311011011
6011001011411101001
7011101001511111000

二进制码转换为格雷码：

法则是保留二进制码的最高位作为格雷码的最高位，格雷码的其余位为二进制码对应位与其上一位相异或。

格雷码转换为二进制码：

法则是保留格雷码的最高位作为二进制码的最高位，二进制码的其余位为格雷码对应位与二进制码上一位相异或。
在这里插入图片描述

二、带符号的二进制数据的表示方法及加减运算

1、原码

原码是指最高位为符号位0/1 + 数值的绝对值形式。

例：

x = +0.1101，则[x]原 = 0.1101；x = +1101，则[x]原=01101

x = -0.1111，则[x]原 = 1.1111；x = -1111，则[x]原 = 11111

特点：

  1. 值0+，-0的原码分别为00000、10000，形式不唯一；
  2. 正数的原码码值随着真挚的增长而增长，负数的原码码值随着真值的增长而减少；
  3. n+1 位原码表示定点整数范围-(2n-1) — 2n-1，n+1 位的原码表示定点小数范围-(1-2-n) — 1-2-n。

运算：符号位不参与计算，绝对值相加减，数值的大小决定原酸结果符号。

2、反码

X是正数，[X]反=[X]正；X是负数，则符号不变，数值取反。另一定义法，即[x]反 = (2-2-n)符号位 + X(MOD(模)2-2-n)。

例：

x=+0.1101，则[x]反=0.1101；x=+1101，则[x]反=01101

x= -0.1111，则[x]反=1.0000；x= -1111，则[x]反=10000

特点：

  1. 数值零的反码表示不唯一
  2. 正数反码码值随着真值增大而增大，负数反码码值随着真值的增大而增大
  3. n+1 位反码所表示的定点整数范围 -(2n-1) — 2n-1，n+1位反码所表示定点所表示定点小数范围-(1-2-n) — 1-2-n。

运算：在机器数范围内，反码运算满足[X+Y]反=[X]反+[Y]反，[X - Y]反 = [X]反 + [-Y]反。反码运算在最高位由有进位时，要在最低为+1，此时要多进行一次加法运算，因此很少采用。

3、补码

X是正数，[X]补=[X]反=[X]正；X是负数，则符号不变，数值取反后+1。另一定义法，即[X]补 = 2*符号位 + X(MOD(模)2)。

例如：

x=+0.0101，则[x]补=0.0101；

x= -0.0101，则[x]原=1.0101—>[x]反=1.1010—>[x]补=1.1011；

x= -0.0000，则[x]原=1.0000—>[x]反=1.1111—>[x]补=0.0000；

特点：

  1. 数值零的补码表示唯一；
  2. 正数补码码值随着真值增大而增大，负数补码码值随着真值增大而增大；
  3. n+1位补码所表示定点整数范围 -2n — 2n-1，n+1位补码所表示定点小数范围 -1 — 1-2-n。

运算：结果不超过机器所能表示范围时，[X+Y]补 = [X]补 + [Y]补，[X-Y]补=[X+(-Y)]补=[X]补+[-Y]补。

例1：设x=0.1010，y=0.0101，求 [x]补+[y]补 。

先将真值x和y转换成由补码数据表示：

x[补]=0.1010，y[补]=0.0101

利用补码加法公式可得：

​ [x]补 0.1010

+[y]补 0.0101

[x+y]补 0.1111

所以：x[补]+[y]补=0.1111

例2：设x=0.1001，y=0.0110，求 [x]补-[y]补 。

[x]补=0.1001，[y]补=0.0110，[-y]补=1.1010

​ [x]补 0.1001

+[-y]补 1.1010

[x-y]补 10.0011

符号位进位的1值为模数，应该舍去，所以：[x]补-[y]补=0.0011

结论：

  • 负数的补数=模+负数
  • 互为补数的绝对值相加=模
  • 在补数中，减法运算即加法运算

加减法运算的溢出处理：

当运算结果超出机器数所能表示的范围称为溢出。可能溢出的情况分为同号数相加和异号数相减。

判断溢出的方法
法一：当符号相同两数相加，结果符号和加数(或被加数)不相同，则溢出。fa,fb 表示两操作数(A,B)的符号位，fs 为结果的符号位。
法二：任意符号相加，如果C = Cf，则结果正确，否则溢出；C 为数值最高位的进位，Cf 为符号位的进位。
法三：采用双符号相加，如果fs1 = fs2，则结果正确，否则溢出；运算结果的符号位为 fs2；
多符号位的补码，叫做变形补码；如果采用双符号位，当数为小数时，模m=4；当数为整数时，模m=2的n+2次方。

4、移码

[X]补的符号位取反，即得[X]移。

特点：

  1. 最高位是符号位，1表示正，0表示负；
  2. 数据0有唯一的编码；
  3. 移码码值随着真值增大而增大
  4. n+1位移码所表示定点整数范围 -2n — 2n-1，n+1 位移码所表示定点小数范围 -1 — 1-2-n；
  5. 计算机中，移码常用于表示阶码，故只执行加、减运算；
  6. 计算机中，移码运算公式需要对结果进行修正。
浮点数的阶码求和公式

[X]移+[Y]补 = [X+Y]移 mod2的n+1次方

[X]移+[-Y]补 = [X-Y]移

判溢方法：

  • 双符号位参加运算，最高符号位恒置0
  • 当结果最高符号位=1则溢出 低位符号=0，则上溢；地位符号=1，则下溢；
  • 当结果最高符号位=0则未溢出 低位符号=0，负数；地位符号=1，正数；

说明：如果阶码运算的结果溢出，上述条件不成立。此时，使用双符号位的阶码加法器，并规定移码的第二个符号位，即最高符号位恒用0参加加减运算，则溢出条件是结果的最高符号位为1。此时低位符号为0时，表明结果上溢;为1时，表明结果下溢。当最高符号位为0时，表明没有溢出，低位符号位为1，表明结果为正;为0时表明结果为负。

三、定点数和浮点数

1、定点数

小数点固定在某个位置上的数据，小数点前、后的数字，分别用二进制表示，这种表示方式叫做「定点」表示法，用这种方法表示的数字叫做「定点数」。

用定点数表示一个小数的方法：

  1. 在有限的 bit 宽度下，先约定小数点的位置；
  2. 整数部分和小数部分，分别转换为二进制表示；
  3. 两部分二进制组合起来，即是结果。

约定前5位表示整数部分，后3位表示小数部分。用定点数表示如下，例：

1.5(D) = 00001 100(B)

25.125(D) = 11001 001(B)

2、浮点数

1、符号位(S)：安排在最高位，0表示正数，1表示负数
2、阶码(E)：8位，跟在符号位之后，指数e加上一个固定的偏移值127（01111111），即E=e+127
3、尾数(M)：23位，规格化后，跟在阶码之后，不足23位的在右边（低位）补0
规格化：为了提高数据的表示精度，当尾数的值不为0时，尾数域的最高有效位应为1，这称为浮点数的规格化表示。

根据 IEEE754 国际标准，常用的浮点数有两种格式：

Nmax = Mmax * 2的Emax；Nmin = Mmin * 2的Emax。

单精度(32位)=1位符号(S)+8位阶码(E)+23位尾数(M)，取值范围：-2的127次方~(1-2的-23次方) * 2的127次方。

双精度(64位)=1位符号(S)+11位阶码(E)+52位尾数(M)，取值范围：2的1023次方~(1-2的-52次方) * 2的1023次方。

为了保证数据精度，尾数通常用规格化形式表示：当R=2，且尾数值不为0时，其绝对值应大于或等于(0.5)10。

表示形式：N = M * RE
计算机中存储形式：MS+ES+E(n位)+M(m位)

阶码E，一般为整数，用补码或者移码表示；尾数M，一般为规格化的定点小数，用补码表示。

将十进制转换为浮点数：

例：将十进制数20.59375转换成IEEE754单精度浮点数的十六进制机器码

① 首先我们要分别将整数和小数部分转换成二进制数：

20的二进制为10100，0.59375的二进制为0.10011，所以20.59375的二进制表示为10100.10011

② 移动小数点，使尾数变成1.M的形式（规格化）：

10100.10011=1.010010011*2^4

③ 分析得：

S=0，E=e+127=4+127=131=10000011，M=010010011

所以32位浮点数的二进制存储格式为：

01000 0011010 0100 1100 0000 0000 0000
数符(S)阶码(E)尾数(M)

④ 最终的机器码为：0100 0001 1010 0100 1100 0000 0000 0000

​ 对应的十六进制为： 4 1 A 4 C 0 0 0

将浮点数转换为十进制数：

例：求IEEE754单精度十六进制浮点数（C1360000）对应的十进制

① 将十六进制数展开成二进制数为：1100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000

② 从浮点数中分离出S、E、M：

S=1 符号位为：负

E=100 0001 0

M=011 011

③ 计算得：e=E-127=00000011=3（十进制）

实际尾数为：1.M=1.011011

移动小数点，实际尾数为：1011.01

④ 将其转换为十进制数：1011是11，0.011是0.375，所以十进制数为 -11.375。

3、浮点数的运算方法

浮点数加减法运算：

  1. 对阶操作：求出∆E，再对小的进行移位；
  2. 尾数的加减运算；
  3. 规格化操作：规则简化是符号位和数值最高位不同，即00.1xxxx或11.0xxxx；
  4. 舍入：查出表示范围的高位为1舍入；
  5. 见检查阶码是否溢出。

浮点数乘除法运算：

  1. 浮点数阶码运算(移码)：
    1. [X+Y]移 = [X]移 + [Y]补
    2. [X-Y]移 = [X]移 + [-Y]补
  2. 按照一位乘或加减交替除运算 先确定符号，在列式子计算。

最后

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原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_62473134/article/details/142437150

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