49648 (Деление двоичных чисел в прямом, обратном и дополнительном кодах), страница 3

Умножая z на h получаем:

где σ-1 и z1 соответственно целая и дробные части этого произведения. При этом целая часть σ-1 есть старшая цифра в представлении числа z в h-системе.

Если теперь умножить на h правильную дробь z1, то целая часть произведения дает следующую цифру σ-2 в представлении числа в h системе.

Следовательно, можно сформулировать правило: для перевода правильной дроби из s-системы в систему счисления с основанием h нужно умножить исходную дробь и дробные части получающихся произведений на основание h, представленное в старой s-системе. Целые части получающихся произведений дают последовательность цифр в представлении дроби в h-системе.

Обычно перевод дробей из одной системы в другую производят приближенно.

При переводе неправильной дроби переводят отдельно целую и дробную части, руководствуясь соответствующими правилами.

Прямой, обратный и дополнительный коды

При проектировании вычислительных устройств необходимо решить вопрос о способе представления в машине положительных и отрицательных чисел и о признаке переполнения разрядной сетки. Указанный вопрос решается применением специальных колов для представления чисел. При помощи этих кодов операция вычитания (или алгебраического сложения) сводится к арифметическому сложению. В результате упрощаются арифметические устройства машин.

Для представления двоичных чисел в машине применяют прямой, обратный и дополнительный коды. Во всех этих кодах предусматривается дополнительный разряд для представления знака числа, причем знак «+» кодируется цифрой 0, а знак « — » - цифрой 1.

Положительные числа при прямом, обратном и дополнительном кодах имеют один и тот же вид, а отрицательные — различный.

Прямой код (G)пр двоичного числа G = ± 0, γ1, γ2, … , γn (γi = 1 или 0) определяется условиями:

G при G ≥ 0

(G)пр =

(1 – G) при G ≤ 0

Положительное двоичное число с запятой, фиксированной перед старшим разрядом,

G+ = + 0, γ1, γ2, … , γn

в прямом коде представляется в виде:

(G+) пр = 0, γ1, γ2, … , γn (1)

Аналогично отрицательное двоичное число:

G- = - 0, γ1, γ2, … , γn (1a)

в прямом коде представляется в виде:

(G-) пр = 1, γ1, γ2, … , γn (2)

Способы представления чисел (1) и (2) называются прямым кодом соответственно положительных и отрицательных двоичных чисел.

Сложение и вычитание в прямом, обратном и дополнительном кодах

Сложение в прямом коде чисел, имеющих одинаковые знаки, выполняется достаточно просто. Мантиссы складываются и сумме присваивается код знака слагаемых. Значительно более сложной является операция алгебраического сложения в прямом коде чисел с раз-

личными знаками. В этом случае приходится определять большое по модулю число, производить вычитание мантисс и присваивать разности знак большего (по модулю) числа. Таким образом, если положительные и отрицательные числа представлены в прямом коде, операции над кодами знаков и мантиссами выполняются раздельно.

Операция вычитания (алгебраического сложения) сводится к операции простого арифметического сложения при помощи обратного и дополнительного кодов, используемых для представления отрицательных чисел в машине. При этом операция сложения распространяется и на разряды знаков, рассматриваемых как разряды целой части числа.

Чтобы представить двоичное отрицательное число (1а) в обратном коде, нужно поставить в знаковый разряд единицу, а во всех других разрядах заменить единицы нулями, а нули — единицами:

(G-) обр = 1, σ1, σ 2, … , σ n (3)

σi = 1 при γi = 0 и σi = 0 при γi = 1.

При записи отрицательного числа в дополнительном коде ставят единицу в разряд знака, а цифровую часть числа заменяют дополнением модуля числа до целой единицы.

Отрицательное число G- = - 0, γ1, γ2, … , γn в дополнительном коде имеет вид:

(G-) доп = 1, ε1, ε 2, … , ε n (4)

где

0, ε1, ε 2, … , ε n = 1 - 0, γ1, γ2, … , γn (4a)

Установим связь между самим отрицательным числом G- и числами (G-)обр и (G-)доп , представляющими его обратный и дополнительный коды.

Вычитая (1а) из (3), имеем:

(G-) обр - G- = 1, σ1, σ 2, … , σ n – ( - 0, γ1, γ2, … , γn) = 1,11…1 = 2 – 2-n (так как σi + γi = 1)

Следовательно,

(G-) обр = G- + 2 - 2-n (4b)

Вычитая (1a) из (4), имеем:

(G-) доп - G- = 1, ε1, ε 2, … , ε n - ( - 0, γ1, γ2, … , γn) (5)

Учитывая (4a), получаем:

(G-) доп = G- + 2 (5а)

Из (5) и (5а) следует:

(G-) доп = (G-) обр + 2-n

где n — число разрядов в числе. Таким образом, дополнительный код может быть получен из обратного путем добавления к нему единицы младшего разряда.

Рассмотрим представление нуля. В процессе вычислений могут возникнуть «положительный» и «отрицательный» нули:

+ 0,00…0 ; - 0,00…0

Представление «положительного» нуля одинаково для прямого, обратного и дополнительного кодов:

(+ 0) пр = 0,00…0

Отрицательный нуль изображается: в прямом коде

(- 0) пр = 0,00…0

в обратном коде

(- 0) обр = 1,11…1

в дополнительном коде

(- 0) доп = 1,11…1 + 2-n = 0,00…0

так как перенос из разряда знака теряется.

Используя обратный или дополнительный код, можно операции вычитания и сложения чисел различных знаков свести к арифметическому сложению кодов чисел.

Рассмотрим использование обратного кода при алгебраическом сложении двух двоичных чисел G и Q, когда одно из них или оба числа отрицательны. Для этого случая может быть сформулировано следующее правило (предполагаем, что модуль алгебраической суммы меньше единицы).

При алгебраическом сложении двух двоичных чисел с использованием обратного кода положительные слагаемые представляются в прямом коде, а отрицательные - в обратном и производится арифметическое суммирование этих кодов, включая разряды знаков, которые при этом рассматриваются как разряды целых единиц. При возникновении переноса из разряда знака единица переноса прибавляется к младшему разряду суммы кодов (такой перенос называется круговым или циклическим). В результате получается алгебраическая сумма в прямом коде, если эта сумма положительна, и в обратном коде, если она отрицательна.

Рассмотрим теперь использование дополнительного кода для алгебраического сложения. Приведем соответствующее правило (полагаем, что модуль алгебраической суммы меньше единицы).

При алгебраическом сложении двух двоичных чисел с использованием дополнительного кода положительные слагаемые представляются в прямом коде, а отрицательные — в дополнительном и производится арифметическое суммирование этих кодов, включая разряды знаков, которые при этом рассматриваются как разряды целых единиц. При возникновении переноса из разряда знака единица переноса отбрасывается. В результате получается алгебраическая сумма в прямом коде, если эта сумма положительна, и в дополнительном коде, если эта сумма отрицательна.

В самом деле, если G- < 0 и Q- < 0 , то согласно (4b):

(G-) доп + (Q-) доп = G- + 2 + G- + 2 = 2 + (G- + Q- + 2)

Так как -1 < G- + Q- < 0, то величина, стоящая в скобках, меньше двух, но больше единицы. Двойка, стоящая вне скобки, образует перенос из разряда знака, который будет отброшен. В результате получаем:

(G-) доп + (Q-) доп = (G- + Q-) + 2 = (G- + Q-) доп

G+ > 0, а Q- < 0, то

(G+) пр + (Q-) доп = (G+ + Q-) + 2

Если при этом 0 < G+ + Q- < 1, то стоящая вне скобки двойка дает единицу переноса из разряда знака, которая отбрасывается. При этом получаем:

(G+) пр + (Q-) доп = (G+ + Q-) пр

(G+ + Q- > 0)

Если же -1 < G+ + Q- < 0, то (G+ + Q- ) + 2 < 2 и переноса из разряда знака не возникает. В этом случае:

(G+) пр + (Q-) доп = (G+ + Q-) доп

(G+ + Q- < 0).

Применение дополнительного или обратного кода для представления отрицательных чисел упрощает операцию алгебраического сложения. Алгебраическое сложение чисел с разными знаками заменяется арифметическим сложением кодов, при этом автоматически получается код знака результата. Однако остается нерешенным вопрос о выработке признака переполнения разрядной сетки.

При сложении кодов теряется единица переноса из разряда целых единиц и результат ошибочно воспринимается как положительное число, меньшее единицы.

Отметим, что при алгебраическом сложении двух чисел G и Q, каждое из которых по модулю меньше единицы, может возникнуть переполнение разрядной сетки, но при этом модуль получаемой суммы всегда меньше двух. Это обстоятельство облегчает построение кодов, по виду которых можно судить о переполнении разрядной сетки.

Для получения признака переполнения разрядной сетки применяют модифицированные прямой, дополнительный и обратный коды. Эти коды отличаются от ранее рассмотренных кодов тем, что для представления знака используются два разряда.

При этом знак плюс обозначается 00, а знак минус — 11. При алгебраическом сложении чисел знаковые разряды рассматриваются как разряды целой части числа.

При возникновении переноса единицы из старшего разряда знака эта единица отбрасывается, если отрицательные числа представляются модифицированным дополнительным кодом, или производится циклический перенос в младший разряд мантиссы, если отрицательные числа изображаются модифицированным обратным кодом.

При алгебраическом сложении на переполнение разрядной сетки (модуль алгебраической суммы больше единицы) указывает несовпадение цифр в знаковых разрядах. Комбинации 01 в знаковых разрядах соответствует положительное число, а комбинации 10 — отрицательное число.

В этих случаях модуль суммы:

1 ≤ |x| < 2

Отметим также особенности нормализации и выполнения сдвига для отрицательных чисел, представленных в дополнительном (обратном) коде.

У нормализованного положительного или отрицательного числа с мантиссой, изображаемой в прямом коде, цифра в старшем S-ичном разряде мантиссы должна быть отлична от нуля. Для отрицательных мантисс, представленных в обратном или дополнительном коде, условие нормализации |q| ≥ 1/S выполняется, если цифра в старшем S-ичном разряде мантиссы есть нуль.

В случае чисел с плавающей запятой комбинации 01 и 10 в знаковых разрядах мантиссы указывают на нарушение нормализации влево, а комбинации цифр 00 и 1 σs1 (σs1 ≠ 0) в младшем знаковом разряде и старшем S-ичном цифровом разряде мантиссы сигнализируют о нарушении нормализации вправо. Для восстановления нормализации производится сдвиг мантиссы вправо (или влево) на нужное число разрядов, при этом порядок увеличивается (уменьшается) на соответствующее число единиц,

Если отрицательные числа представляются в дополнительном (обратном) коде, сдвиг производится по особым правилам («модифицированный сдвиг»), с тем чтобы в результате сдвига дополнительного (обратного) кода числа х на m S-ичных разрядов получился дополнительный (обратный) код числа Smx или S-mх соответственно для сдвига влево или вправо.

При модифицированном сдвиге дополнительного (обратного) кода вправо в освобождающиеся старшие разряды мантиссы записываются единицы, а при сдвиге влево единицы записываются в освобождающиеся младшие разряды.

Деление в прямом, обратном и дополнительном кодах

Деление в вычислительной машине обычно сводится к выполнению последовательности вычитаний делителя сначала из делимого, а затем из образующихся в процессе деления частичных остатков и сдвига частичных остатков на один разряд влево.

Необходимо отметить, что в машинах, оперирующих над числами с запятой, фиксированной перед старшим разрядом, деление возможно только в одном случае, если делимое по модулю меньше делителя. В противном случае частное превышает единицу и выходит за пределы разрядной сетки числа. Если в результате вычитания выясняется, что делимое или очередной частичный остаток больше или равны делителю, то в очередной разряд частного записывается единица и полученный в результате вычитания частичный остаток сдвигается влево на один разряд. Если в результате вычитания выясняется, что делимое или очередной частичный остаток меньше делителя, то в очередной разряд частного записывается нуль, к полученной разрядности добавляется делитель, чтобы восстановить предыдущий частичный остаток, и результат сдвигается влево на один разряд. Метод выполнения деления, когда в случае получения отрицательного остатка при вычитании (частичный остаток меньше делимого) к нему прибавляется делитель, называется методом деления с восстановлением остатка.

Рассмотрим пример деления с восстановлением остатка (см. таблицу). Для выполнения операции вычитания будем использовать дополнительный код. Деление с восстановлением остатка требует в наиболее неблагоприятном случае трёх тактов для формирования одного разряда частного: такта вычитания, такта сложения и такта сдвига.

Рассмотренный метод носит название деления с восстановлением остатка.

Недостатком этого метода является необходимость введения специального третьего такта для восстановления остатка, который значительно замедляет ход вычисления.