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文档简介
浮点运算单元浮点运算Floating-PointNumbersIEEE754Floating-PointStandardFloating-PointAdditionandSubtractionFloating-PointMultiplication浮点数在计算机内格式浮点数:X=MS
ESEm-1...E2E1
M-1M-2...M-n
符号位
阶码位
尾数数码位
总位数短浮点数:
1
8
23
32长浮点数:
1
11
52
64
暂时浮点数:1
15
64
80IEEE标准:阶码用移码,基为2;尾数用原码X=MX*2EX浮点数阶码位数决定数表示范围,
尾数位数决定数有效精度。浮点数在计算机内格式浮点数:X=M
EE...EE
MM...M
ssm-110-1-2-nIEEE标准:尾数用原码X=MX
*2EX浮点数是数学中实数子集合,由一个纯小数乘上一个指数值来组成。在计算机内,其纯小数部分被称为浮点数尾数,对非0值浮点数,要求尾数绝对值必须>=1/2,称满足这种表示要求浮点数为规格化表示;把不满足这一表示要求尾数,变成满足这一要求尾数操作过程,叫作浮点数规格化处理,经过尾数移位和修改阶码实现。浮点数在计算机内格式浮点数:X=M
EE...EE
MM...M
ssm-110-1-2-nIEEE标准:尾数用原码X=MX*2EX按国际电子电气工程师协会要求标准,浮点数尾数要用原码表示,即符号位Ms:0表示正,1表示负,且非0值尾数数值最高位M-1必为1,才能满足浮点数规格化表示要求;既然非0值浮点数尾数数值最高位必定为1,则在保留浮点数到内存前,经过尾数右移,强行把该位去掉,用一样多尾数位就能多存一位二进制数,有利于提升数据表示精度,称这种处理方案使用了隐藏位技术。当然,在取回这么浮点数到运算器执行运算时,必须先恢复该隐藏位。FloatingPoint浮点数在计算机内格式X=Ms
EsEm-1...E1E0
M-1M-2...M-n
IEEE标准:阶码用移码,基为2X=MX*2EX按国际电子电气工程师协会要求国际通用标准,浮点数阶码用整数给出,而且要用移码表示,用作为以2为底指数幂。既然该指数底一定为2,能够无须在浮点数格式中明确表示出来,只需给出阶码幂值即可。
移码表示只用于表示整数,只用在浮点数阶码部分,其定义类似于整数补码定义,差异在符号位。
移码符号位是0表示负,1表示正,与补码符号位恰好相反,移码是指机器数在数轴上有个移位关系;
移码数值位则与补码数值位完全相同。浮点数格式:关于移码知识浮点数:X=M
EE...EE
MM...M
ssm-110-1-2-nX=MX*2EX移码表示整数,用在浮点数阶码部分。一位符号位和n位数值位组成移码,其定义为;[E]移=2n+E-2n<=E<2n表示范围:00000000111111110负数正数机器数[X]补=X0X<2n
2n+1+X-2nX0浮点数格式:关于移码知识一位符号位和n位数值位组成移码,其定义为;[E]移=2n+E-2n<=E<2n表示范围:00000000~11111111
负数
正数机器数0移码只执行二数加减运算与增1、减1操作。加减运算时,符号位计算结果求反后,才是加减运算正确符号位值。注意:当用双符号位时,00代表负,01代表正,而不是11代表正8位阶码能表示-128~+127,当阶码为-128时,其补码表示为00000000,该浮点数绝对值<2-128,人们要求此浮点数值为零,若尾数不为0就清其为0,并特称此值为机器零。8位移码表示机器数为数真值在数轴上向右平移了128个位置-128+127BiasedExponentValueofexponent=val(E)=E–Bias(Biasisaconstant)8bitsforsingleprecisionEcanbeintherange0to255E=0andE=255arereservedforspecialuseE=1to254areusedfornormalizedfloatingpointnumbersBias=127(halfof254),val(E)=E–127val(E=1)=–126,val(E=127)=0,val(E=254)=127ExampleofExponentExponent(E)Adjusted
Binary(E+127)
+5
132
100001000
127
1111111-10
117
1110101+128
255
11111111-127
0
0-1
126
1111110ExampleofNormalizedMantissaBinaryValueNormalizedAsExponent1101.1011.10110130.001011.01-31.00011.00010100000111.00000117BiasedExponentExampleofFloatingPointLargestNormalizedFloatSmallestNormalizedFloatZeroInfinityNaNDenormalizednumbersZero&InfinityThevalueNaN(NotaNumber)isusedtorepresentavaluethatdoesnotrepresentarealnumber.NaNisaspecialvaluerepresentedwithmaximumEandF≠0Resultfromexceptionalsituations,suchas0/0orsqrt(negative)OperationonaNaNresultsisNaN:Op(X,NaN)=NaNQNaNdenoteindeterminateoperations,SNaNdenoteinvalidoperationsNaNSignExponent(e)Fraction(f)Value000..0000..00+0000..0000..01PositiveDenormalizedReal:0.f×2(-b+1)11..11
000..01XX..XXPositiveNormalizedReal:1.f×2(e-b)11..10
011..1100..00+Infinity011..1100..01SNaN:01..11011..1110..00QNaN:11..11SignExponent(e)Fraction(f)Value100..0000..00-0100..0000..01NegativeDenormalizedReal:-0.f×2(-b+1)11..11
100..01XX..XXNegativeNormalizedReal:-1.f×2(e-b)11..10
111..1100..00-Infinity111..1100..01SNaN:01..11111..1110..00QNaN:11.11OperationResultn÷±Infinity0±Infinity×±Infinity±Infinity±nonzero÷0±InfinityInfinity+InfinityInfinity±0÷±0NaNInfinity-InfinityNaN±Infinity÷±InfinityNaN±Infinity×0NaNFPAddFPAddFloatingPointSubtractionExampleFloatingPointSubtractionExampleExtrabitsGuardbitExtrabitRoundingModenearestInthismode,theinexactresultsareroundedtothenearerofthetwopossibleresultvalues.Iftheneitherpossibilityisnearer,thentheevenalternativeischosen.Thisformofroundingisalsocalled``roundtoeven''。“Even”whenleastsignificantbitis0Value Binary Rounded Action RoundedValue23/32 10.000112 10.002 (<1/2—down)223/16 10.001102 10.012 (>1/2—up) 21/427/8 10.111002 11.002 (1/2—up) 325/8 10.101002 10.102 (1/2—down) 21/2RoundingModeStepsinAddition/SubtractionofFloating-PointNumbersStep1:Calculatedifferencedofthetwoexponents-d=|E1-E2|Step2:Shiftsignificandofsmallernumberbyd-base
positionstotherightStep3:AddalignedsignificandsandsetexponentofresulttoexponentoflargeroperandStep4:NormalizeresultantsignificandandadjustexponentifnecessaryStep5:RoundresultantsignificandandadjustexponentifnecessaryAddition/SubtractionStructureAddition/SubtractionE1E2-
Exponentoflargernumbernotdecreased-thiswillresultinalargersignificandadderrequired.
Addition-resultantsignificandM(sumoftwoalignedsignificands)isinrange1/
M<2
IfM>1-apostnormalizationstep-shiftingsignificandtotherighttoyieldM3andincreasingexponentbyone-isrequired(anexponentoverflowmayoccur)Addition/SubtractionNormalizationSubtraction-ResultantsignificandMisinrange0|M|<1-postnormalizationstep-shiftingsignificandtoleftanddecreasingexponent-isrequiredifM<1/
(anexponentunderflowmayoccur)Inextremecases,thepostnormalizationstepmayrequireashiftleftoperationoverallbitsinsignificand,yieldingazeroresult.EffectiveAddition/SubtractionDistinguishbetweeneffectiveadditionandeffectivesubtractionDependsonsignbitsofoperandsandinstructionexecutedEffectiveaddition:CalculateexponentdifferencetodeterminealignmentshiftShiftsignificandofsmalleroperand,addalignedsignificandsTheresultcanoverflowbyatmostonebitpositionLongpost-normalizationshiftnotneededSinglebitoverflowcanbedetectedand,iffound,a1-bitnormalizationisperformedusingamultiplexorEliminateIncrementinRoundingSignificandadderdesignedtoproducetwosimultaneousresults-sumandsum+1Calledcompoundadder;canbeimplementedinvariousways(e.g.,carry-look-aheadorconditionalsum)Round-to-nearest-even-useroundingbitstodeterminewhichofthetwoshouldbeselectedThesetwoaresufficientevenifasinglebitoverflowoccursIncaseofoverflow,1isaddedinRposition(insteadofLSBposition),andsinceR=1ifroundingneeded,acarrywillpropagatetoLSBtogeneratecorrectsum+1
Directedroundings-Rnotnecessarily1-sum+2maybeneededEffectiveSubtractionMassivecancellationofmostsignificantbitsmayoccur-resultinginlengthypostnormalizationHappensonlywhenexponentsofoperandsareclose(difference1)-pre-alignmentcanbeeliminatedTwoseparateprocedures-(1)exponentsareclose(difference1)-onlyapostnormalizationshiftmaybeneeded(2)exponentsarefar
(difference>1)-onlyapre-alignmentshiftmaybeneededCLOSECaseExponentdifferencepredictedbasedontwoleastsignificantbitsofoperands-allowssubtractionofsignificandstostartassoonaspossibleIf0-subtractexecutedwithnoalignmentIf1-significandofsmalleroperandisshiftedoncetotheright(usingamultiplexor)andthensubtractedfromothersignificandInparallel-trueexponentdifferencecalculatedIf>1-procedureabortedandFARprocedurefollowedIf
1-
CLOSEprocedurecontinuedInparallelwithsubtraction-numberofleadingzerospredictedtodeterminenumberofshiftpositionsinpostnormalizationCLOSECase-NormalizationandRoundingNext-normalizationofsignificandandcorrespondingexponentadjustmentLast-rounding-precomputingsum,sum+1-selectingtheonewhichisproperlyrounded-negationofresultmaybenecessaryResultofsubtractionusuallypositive-negationnotrequiredOnlywhenexponentsequal-resultofsignificandsubtractionmaybenegative(intwo'scomplement)-requiringanegationstepNegationandroundingsteps-mutuallyexclusiveFARCaseFirst-exponentdifferencecalculatedNext-significandofsmalleroperandshiftedtorightforalignmentShifted-outbitsusedtosetstickybitSmallersignificandsubtractedfromlarger-resulteithernormalized.Laststep-roundingLeadingZerosPredictionCircuitPredictpositionofleadingnon-zerobitinresultofsubtractbeforesubtractioniscompletedAllowingtoexecutepostnormalizationshiftimmediatelyfollowingsubtractionExaminebitsofoperands(ofsubtract)inaserialfashion,startingwithmostsignificantbitstodeterminepositionoffirst1Thisserialoperationcanbeacceleratedusingaparallelschemesimilartocarry-look-aheadLeadingZerosPredictionCircuitPredictpositionofleadingnon-zerobitinresultofsubtractbeforesubtractioniscompletedAllowingtoexecutepostnormalizationshifti
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