第六章计算机的运算方法091127.ppt

1、大连理工大学 软件学院 赖晓晨,计算机组成原理,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,无符号数和有符号数 数的定点表示和浮点表示 定点运算 浮点四则运算 算术逻辑单元,第五章 计算机的运算方法,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,6.1 无符号数和有符号数,计算机中的数均存放在寄存器中，寄存器的位数即机器字长。 计算机中参与运算的有两类数： 无符号数 有符号数,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,一、无符号数,无符号数：没有符号的数，寄存器的每一位存放的都是数值。,8 位 0 255,16 位 0 65535,unsigned int,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,二、有符

2、号数,有符号数：数字的极性也用二进制数表示，0代表正数，1代表负数，即符号位也被数字化了，符号位放在数字的前端。 这种把符号“数字化”的数，叫做机器数，而数字原本的（带有正负号的）值称为真值。,signed int,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,1、机器数和真值,带符号的数 符号数字化的数,+ 0.1011,+ 1100, 1100, 0.1011,真值 机器数,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,1、机器数和真值,带符号的数 符号数字化的数,+ 0.1011,+ 1100, 1100, 0.1011,真值 机器数,机器数按照不同的编码格式，分为原码、 反码、补码、移码等类型。,大连理工大学 软

3、件学院 赖晓晨,2、原码表示法,符号位为0表示正数，为1表示负数，数值部分为真值的绝对值，又称为带符号的绝对值。 约定正数的符号位与数值位用逗号分隔，小数的符号位与数值位用小数点分隔。,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,整数的原码定义,整数,x 为真值,n 为整数的位数,如,x = +1110,x原 = 0 , 1110,x原 = 24 + 1110 = 1 , 1110,用 逗号 将符号位 和数值部分隔开,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,小数的原码定义,x 为真值,如,x = + 0.1101,x原 = 0 . 1101,x = + 0.1000000,x原 = 0 . 1000000,用 小

4、数点 将符号 位和数值部分隔开,用 小数点 将符号 位和数值部分隔开,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,原码运算举例,例 6.1 已知 x原 = 1.0011 求 x,解:,例 6.2 已知 x原 = 1,1100 求 x,解:,0.0011,1100,由定义得,由定义得,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,例 6.4 求 x = 0 的原码,解:,设 x = + 0.0000,例 6.3 已知 x原 = 0.1101 求 x,解：, x = + 0.1101,同理，对于整数,+ 0 原 = 0,0000,+ 0.0000原 = 0.0000,根据 定义 x原 = 0.1101,大连理工大学 软件学

5、院 赖晓晨,原码表示法总结,优点：表示方法简单，直观 缺点：加减运算复杂 判断正负 确定位置 判断结果符号 电路复杂、不统一 能否把减法转换为加法呢？,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,3、补码表示法,顺时针转3格，与逆时针 转（12-3=9）格的结果一致， 与顺时针转（12+3=15）格的结果也一致。 12是一个特殊的数字，是会被“自动丢弃”的，这个数字实际是钟表的“模”，而时间值需要对12求模。 3和-9这一对数，对于钟表的意义是相同的，这一对数，互称为一12为模的补数，+3可以用-9代替，同理-3可用+9代替。,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,3、补码表示法,顺时针转3格，与逆时针 转（1

6、2-3=9）格的结果一致， 与顺时针转（12+3=15）格的结果也一致。 12是一个特殊的数字，是会被“自动丢弃”的，这个数字实际是钟表的“模”，而时间值需要对12求模。 3和-9这一对数，对于钟表的意义是相同的，这一对数，互称为一12为模的补数，+3可以用-9代替，同理-3可用+9代替。,减去一个数，可以用加上这个数的补数来代替，从而可以把减法转变为加法。可归纳出以下结论： 1.一个负数可用其正的补数来代替，这个正补数可以用此负数加模来求得。 2.一个正数和负数互为补数时，他们的绝对值之和即为模数。 3.正数的补数即该正数本身。 4.互为补数,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,看一个二进制的例

7、子,用二进制数计算6-3的值。,6 - 3=6-3 =6+-3 =0,110+1,101 =10,011 =0,011 =+3,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,补码的定义,整数,x 为真值,n 为整数的位数（不包括符号位）,如,x = +1010,=,x补 = 0,1010,1,0101000,用 逗号 将符号位 和数值部分隔开,1011000,100000000,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,补码的定义,x 为真值,x = + 0.1110,如,x补 = 0.1110,1.0100000,=,小数,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,求补码的方法,定义法 （负数的补码）反码+1法（p224前1

8、0行） （负数的补码）符号位不变，数值位从左到右依次取反，最右边的1及其后的0不变。 补码的补码为原码,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,补码举例,解：,x = + 0.0001,解：由定义得,x = x补 2,= 1.0001 10.0000,由定义得,例 6.5 已知 x补 = 0.0001,求 x,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,补码举例,解：,x = + 0.0001,解：由定义得,x = x补 2,= 1.0001 10.0000,由定义得,例 6.5 已知 x补 = 0.0001,求 x,x原 = 1.1111,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,补码练习：求下列真值的补码,真值,0,

9、1000110,1, 0111010,0.1110,1.0010,0.0000,0.0000,1.0000,0,1000110,1,1000110,0.1110,1.1110,0.0000,1.0000,不能表示,= 1000110,x补 x原,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,4、反码表示法,反码经常用作求补码的过渡。定义如下：,整数,如,x = +1101,x反 = 0,1101,= 1,0010,x 为真值,n 为整数的位数,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,4、反码表示法,小数,x = + 0.1101,x反 = 0.1101,= 1.0101,如,x 为真值,n 为小数的位数,大连理工大

10、学 软件学院 赖晓晨,反码举例,例 6.10 求 0 的反码,设 x = + 0.0000,+0.0000反= 0.0000,解：,同理，对于整数,+0反= 0,0000,例6.9 已知 x反 = 1,1110 求 x,例6.8 已知 x反 = 0,1110 求 x,解：,由定义得 x = + 1110,解：,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,三种机器数的小结,最高位为符号位，书写上用“,”（整数）或“.”（小数）将数值部分和符号位隔开。 对于正数，原码 = 补码 = 反码 对于负数 ，符号位为 1，其 数值部分为： 原码除符号位外每位取反末位加 1得到补码原码除符号位外每位取反得到反码。,大连

11、理工大学 软件学院 赖晓晨,例6.11,-0,-1,-128,-127,-127,-126,-3,-2,-1,设机器数字长为 8 位（其中位为符号位） 对于整数，当其分别代表无符号数、原码、补码和 反码时，对应的真值范围各为多少？,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,例6.12,解：,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,例6.12,解：,y连同符号位在内，按位取反，末位加1，即得-y,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,5、移码表示法,补码表示很难直接判断其真值大小,如,十进制,x + 25,+10101 + 100000,+11111 + 100000,0,10101,1,01011,0,11111,1

12、,00001,+10101, 10101,+11111, 11111,= 110101,= 001011,= 111111,= 000001,二进制,补码,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,移码的定义,x 为真值，n 为 整数的位数,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,移码的定义,x 为真值，n 为 整数的位数,x 为真值,n 为整数的位数（不包括符号位）,补码的定义,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,移码的定义,x 为真值，n 为 整数的位数,x 为真值,n 为整数的位数（不包括符号位）,补码的定义,移码与补码的数值部分相同，符号位相反。,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,移码在数轴上的表示,如,x

13、= 10100,x移 = 25 + 10100,用 逗号 将符号位 和数值部分隔开,x = 10100,x移 = 25 10100,= 1,10100,= 0,01100,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,移码的特点,当 x = 0 时,+0移 = 25 + 0,当 n = 5 时,可见，最小真值的移码为全 0。用移码表示浮点数的阶码能方便地判断浮点数的阶码大小,= 1,00000,= 1,00000,= 000000,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,真值、补码和移码的对照表,- 1 0 0 0 0 0, 0 0 0 0 0,+ 1 1 1 1 1,0 0 0 0 0 0,1 1 1 1 1 1

14、,0 0 0 0 0 0,1 0 0 0 0 0,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,6.2 数的定点表示和浮点表示,小数点按约定方式标出,一、定点表示,定点机,小数定点机,整数定点机,原码,补码,反码,(1 2-n) +(1 2-n),(2n 1) +( 2n 1), 1 +(1 2-n),(1 2-n) +(1 2-n),(2n 1) +( 2n 1), 2n +( 2n 1),大连理工大学 软件学院 赖晓晨,二、浮点表示,计算机中 r 取 2、4、8、16 等,当 r = 2,N = 11.0101,= 0.110101210,= 1.1010121,= 1101.012-10,= 0.00

15、1101012100,S 小数、可正可负，j 整数、可正可负,规格化数,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,1、浮点数的表示形式,Sf 代表浮点数的符号,n 其位数反映浮点数的精度,m 其位数反映浮点数的表示范围,jf 和 m 共同表示小数点的实际位置,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,2、浮点数的表示范围,2( 2m1)( 1 2n),2( 2m1)2n,2( 2m1)( 1 2n),2( 2m1)2n,最大负数,215 ( 1 2-10),2-15 2-10,215 ( 1 2-10),设 m = 4,n =10,上溢 阶码 最大阶码 中断溢出处理 下溢 阶码 最小阶码 按 机器零 处理,2-1

16、5 2-10,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,练习,设机器数字长为 24 位，欲表示3万的十进制数，试问在保证数的最大精度的前提下，除阶符、数符各 取1 位外，阶码、尾数各取几位？,满足 最大精度 可取 m = 4，n = 18,解：,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,3、浮点数的规格化表示,r=1， 尾数的最高位为1 r=2， 尾数的最高2位不全为0 r=3， 尾数的最高3为不全为0,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,4、浮点数的规格化,r = 2,左规 尾数左移 1 位，阶码减 1,右规 尾数右移 1 位，阶码加 1,r = 4,左规 尾数左移 2 位，阶码减 1,右规 尾数右移 2 位，阶码

17、加 1,r = 8,左规 尾数左移 3 位，阶码减 1,右规 尾数右移 3 位，阶码加 1,基数 r 越大，可表示的浮点数的范围越大,基数 r 越大，浮点数的精度降低,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,最大正数,= 215( 1210 ),最小正数,最大负数,最小负数,= 21521,= 215( 12 10 ),= 216,= 21521,= 216,设 m = 4，n = 10，r = 2,尾数规格化后的浮点数表示范围,例题,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,例题,将 + 写成二进制定点数、浮点数及在定点机和浮点机中的机器数形式。其中数值部分均取 10 位，数符取 1 位，浮点数阶码取 5 位

18、（含1位阶符）。,解：,二进制形式,定点表示,浮点规格化形式,x原 = 1, 0010; 0. 1001100000,x补 = 1, 1110; 0. 1001100000,x反 = 1, 1101; 0. 1001100000,定点机中,浮点机中,000,x = 0.0010011,x = 0.0010011,x = 0.10011000002-10,x原 = x补 = x反 = 0.0010011000,大连理工大学 软件学院 赖晓晨,x = 111010,0000,例题,将 58 表示成二进制定点数和浮点数， 并写出它在定点机和浮点机中的三种机器数及阶码 为移码、尾数为补码的形式（其他要求同上例）。,解：,设 x = 58,二进制形式,定点表示,浮点规格化形式,x原 = 1, 0000111010,x补 = 1, 1111000110,x反 = 1, 1111000101,x原 = 0, 0110; 1. 1110100000,x补 = 0, 0110; 1. 0001100000,x反 = 0, 0110; 1. 0001011111,定点机中,浮点机中,x阶