Форматы представления двоичных чисел

Формат чисел определяет возможную длину (количество битов) и форму представления чисел. С точки зрения длины представления чисел различают:

· Полубайт (Нибл). Содержит 4 бит. Отображает содержимое половинки байта. Применяется, например, для зпоминания двоичного кода одной десятичной цифры.

· Байт. Содержит 8 бит. Отображает содержимое одной из 8-разрядных ячеек памяти или одного из 8-разрядных регистров. Это минимальный размер адресуемой в МП ячейки памяти. Побитовая адресация прямо не применяется, так как длина адреса окажется непомерно большой.

· Слово. Содержит 2 байта, 16 бит. Отображает содержимое одной из 16-разрядных ячеек памяти или одного из 16-разрядных регистров.

· Двойное слово. Содержит 2 слова, 4 байта, 32 бит. Отображает содержимое 32-разрядных ячеек памяти или регистров, поэтому характеризует представление чисел с удвоенной точностью.

· Учетверенное слово. Содержит 2 двойных слова, 4 слова, 8 байт, 64 бит. Отображает содержимое 64-разрядных ячеек памяти или регистров, поэтому характеризует представление чисел с повышенной точностью.

Двум алгебраическим формам записи вещественных чисел – обычной и показательной – различают две формы представления чисел:

· с фиксированной точкой (ФТ), например, 12.34 – обычное представление вещественного числа..

· с плавающей точкой (ПТ), например, 1.234 E 2. Это представление числа 12.34 в показательной форме: 1.234* 10². 1.234 – значащая часть (или мантисса), E – разделитель, 2 – порядок.

· Формат с фиксированной точкой

Применяемые термины:

· MSB (Most Significant Bit) – наиболее значащий бит.

· LSB (Least Significant Bit) – наименее значащий бит.

В формате с фиксированной точкой в представлении данных в поле числа присутствует логическая позиция точки (бита точки нет, он логически подразумевается), задающая начало или конец значащей части. Возможны варианты:

Число целое со знаком. Бит знака S размещается в MSB. Значащие биты выравниваются по правому краю формата. Логическая точка справа от LSB. Например, для 8-и разрядного процессора двоичное целое число 1101. Его десятичный эквивалент 8+4+1 = 13.

Число целое без знака. Бит знака S=0 по умолчанию. Значащие биты начинаются с MSB (Most Significant Bit). При одинаковом N число битов значащей части в 2 раза больше. Значащие биты выравниваются по правому краю формата. Логическая точка справа от LSB. Например, для 8-и разрядного процессора двоичное целое число 1101. Его десятичный эквивалент 8+4+1 = 13.

Число дробное. Значащие биты выравниваются по левому краю формата Логическая точка справа от бита знака S. Например, для 8-и разрядного процессора двоичное дробное число 0.101. Его десятичный эквивалент 0.5+0.125 = 0.625.

Число дробное без знака. Значащие биты начинаются с MSB. При одинаковом N число битов значащей части в 2 раза больше. Значащие биты выравниваются по левому краю формата Логическая точка слева от бита знака S. Например, для 8-и разрядного процессора двоичное дробное число 0.0101. Его десятичный эквивалент 0.25+0.0625 = 0.3125.

В процессорах с ФТ, как правило, используются только дробные числа. Смешанные числа могут появляться только в промежуточных вычислениях.

Формат с плавающей точкой

Формат с плавающей точкой предназначен для компактного отображения вещественных чисел в очень широком диапазоне. Число представляется в алгебраическом формате: (S)(F)*2^P, где

· S (Sign) – знак числа. Для положительного S = 0, для отрицательного S = 1.

· F (Fraction) - мантисса (значащая часть).

· P (Power) – порядок.

В 1985 институт инженеров по электротехнике и электронике IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) в США разработал стандарт представления чисел с плавающей точкой IEEE 754. Согласно этому стандарту слово данных разбивается на три поля.

· Однобитовое поле S (sign - знак) используется для указания знака числа. Для положительного числа S = 0, для отрицательного S = 1.

· Поле F (fraction). В нем записывается дробная часть мантиссы (fraction). Мантисса наряду с дробной частью содержит целую часть (1 или 0). Бит целой части мантиссы в памяти не хранится для уменьшения объема запоминаемых данных, при отображении данных он автоматически учитывается.

· Поле экспоненты (E – exponent), содержит смещённый порядок E=P+Bias. Biass – смещение, выбирается так, чтобы смещённый порядок был положительным или равным нулю.

Если целая часть мантиссы равна единице, то число считается нормализованным, а если она равна нулю, то ненормализованным. Целая часть мантиссы считается равной нулю, только в том случае, когда смещённый порядок числа также равен нулю. Во всех остальных случаях целая часть мантиссы равна единице.

В зависимости от точности представления форма с плавающей точкой имеет 3 стандарта:

· С одинарной точностью SP (Single Precision floating-point format).

· С двойной точностью DP (Double Precision floating-point format).

· С расширенной одинарной точностью формат SEP (Single Extended Precision floating-point format). Это формат для представления результатов промежуточных и конечных вычислений с расширенной одинарной точностью. Применяется для данных, которые не могут быть представлены в формах SP или DP.

Сравнительные данные форм в стандарте IEEE 754:

Параметр	SP	DP	SEP
Длина	32	64	44
Знак числа	1	1	1
Мантисса, всего	24	53	32
Мантисса, дробная часть	23	52	31
Мантисса, целая часть	Неявная 1	Неявная 1	Явная 1
Смещенный порядок E	8	11	11
Смещение Biass	127	1023	1023
Порядок Pмин	-126	-1022	-1022
Eмин	1	1	1
Порядок Pмакс	127	1023	1023
Eмакс	254	2046	2046

Пример. Положительное двоичное число в формате с плавающей точкой SP.

0	01111100	10000000000000000000000
Знак, 1 бит	Смещенный порядок, 8 бит	Мантисса, дробь – 23 бита

Определим десятичный эквивалент этого числа. Количество разрядов смещенного порядка E=8, величина смещения Biass=127. Десятичный эквивалент смещённого порядка равен 2⁶+2⁵+2⁴+2³+2² = 124. Следовательно, порядок P (несмещённый) двоичного числа P=124-127= -3.

Десятичный эквивалент дробной части мантиссы равен 0.5. Так как смещённый порядок больше нуля, то скрытая целая часть мантиссы равна единице. Следовательно, десятичный эквивалент мантиссы равен 1.5. Поскольку знаковый разряд равен нулю, число положительно. Окончательно получим

N₁₀ = 1.5*2^-3 =1.5/8 = 0.1875.

Стандарт IEEE 754 поддерживает представление специальных данных.

Тип	E	Мантисса, дробь	Значение
Нуль	0000 0000	Нуль	0
Бесконечность	1111 1111	Нуль
Не число	1111 1111	Не нуль	Не число

Представление двоичных вещественных чисел в форме с ФТ означает, что как для целой, так и дробной части отведено фиксированное число разрядов. То есть местоположение точки, отделяющей целую и дробную части числа, всегда одинаково. Представление двоичных целых чисел в форме с ФТ означает, что точка по существу отсутствует. Достоинством формы с ФТ является простота реализации арифметических операций, а недостатком – ограниченный динамический диапазон. Динамическим диапазоном называют отношение самого большого к самому малому по модулю (но отличным от нуля) чисел, которые можно представить с помощью данной формы. Для формы с ФТ это отношение равно 2^n-1–1.

В общем случае двоичные вещественные числа в форме с ПТ представляются в виде х = m×2^Р, где m – мантисса (вещественное двоичное число со знаком, представленное в форме с ФТ); Р – порядок (целое двоичное число со знаком); 2 – основание двоичной системы счисления. Однако присутствие двух параметров m и Р приводят к неоднозначности представления чисел: одно и то же число можно представить по-разному, например 2 = 2×2⁰ или 2 = 1×2¹ и т.д.

Поэтому и для упрощения арифметики чисел с ПТ применяют нормализованные формы чисел с ПТ. В цифровой технике часто используется нормализованная форма, в которой целая часть мантиссы всегда равна нулю, а первая значащая цифра дробной части отлична от нуля. То есть мантисса ограничена значениями 0,5 £ |m| < 1.