Operacje arytmetyczne w systemie dwójkowym

Transkrypt

1 Artykuł pobrano ze strony eioba.pl Operacje arytmetyczne w systemie dwójkowym Zasady arytmetyki w systemie binarnym są identyczne (prawie) jak w dobrze nam znanym systemie dziesiętnym. Zaletą arytmetyki binarnej jest jej prostota, dzięki czemu można ją tanio realizować za pomocą układów elektronicznych. Poniżej opisujemy zasady wykonywania podstawowych działań arytmetycznych wraz z odpowiednimi przykładami. Do wykonywania dodawania niezbędna jest znajomość tabliczki dodawania, czyli wyników sumowania każdej cyfry z każdą inną. W systemie binarnym mamy tylko dwie cyfry 0 i 1, zatem tabliczka dodawania jest niezwykle prosta i składa się tylko z 4 pozycji: = = = = 1 Zsumować liczby binarne (2) oraz (2). Sumowane liczby zapisujemy jedna pod drugą tak, aby w kolejnych kolumnach znalazły się cyfry stojące na pozycjach o tych samych wagach (identycznie postępujemy w systemie dziesiętnym zapisując liczby w słupkach przed sumowaniem): Sumowanie rozpoczynamy od ostatniej kolumny. Sumujemy cyfry w kolumnie zgodnie z podaną tabelką zapisując wynik pod kreską: Jeśli wynik sumowania jest dwucyfrowy (1 + 1 = 10), to pod kreską zapisujemy tylko ostatnią cyfrę 0, a 1 przechodzi do następnej kolumny - dodamy ją do wyniku sumowania cyfr w następnej kolumnie. Jest to tzw. przeniesienie (ang. carry). Przeniesienie zaznaczyliśmy na czerwono: 1

2 Jeśli w krótszej liczbie zabrakło cyfr, to dopisujemy zera. Pamiętajmy o przeniesieniach Dodaliśmy wszystkie cyfry, ale przeniesienie wciąż wynosi Zatem dopisujemy je do otrzymanego wyniku (możemy potraktować pustą kolumnę tak, jakby zawierała cyfry 0 i do wyniku sumowania dodać przeniesienie) (2) (2) = (2) ( = 139) Oto kilka dalszych przykładów:

3 W pamięci komputera liczby binarne przechowywane są w postaci ustalonej ilości bitów (np. 8, 16, 32 bity). Jeśli wynik sumowania np. dwóch liczb 8 bitowych jest większy niż 8 bitów, to najstarszy bit (dziewiąty bit) zostanie utracony. Sytuacja taka nazywa się nadmiarem (ang. overflow) i występuje zawsze, gdy wynik operacji arytmetycznej jest większy niż górny zakres danego formatu liczb binarnych (np. dla 8 bitów wynik większy od 2 8-1, czyli większy od 255): (2) (2) = (2) ( = 0) Przy nadmiarze otrzymany wynik jest zawsze błędny, dlatego należy bardzo dokładnie analizować problem obliczeniowy i ustalić typy danych zgodnie z przewidywanym zakresem wartości otrzymywanych wyników. Zwykle kompilatory języków programowania posiadają opcję włączenia sprawdzania zakresów wyników operacji arytmetycznych na liczbach całkowitych (w Dev-Pascalu jest to opcja menu Options/Compiler Options, a w okienku opcji na zakładce Code generation/optimization zaznaczamy Check overflow of integer operations). Opcję tę włączamy w fazie testowania programu. Natomiast w gotowym produkcie należy ją wyłączyć, ponieważ wydłuża czas wykonywania operacji arytmetycznych. program overflow; {$APPTYPE CONSOLE} var a : byte; // dana 8 bitowa b : word; // dana 16 bitowa c : longword; // dana 32 bitowa begin a := $FF; // wszystkie bity na 1 b := $FFFF; c := $FFFFFFFF; writeln(' 8b 16b 32b'); writeln('przed dodaniem 1 : ',a:5,b:7,c:12); inc(a); inc(b); inc(c); // dodajemy 1 do każdej zmiennej writeln('po dodaniu 1 : ',a:5,b:7,c:12); readln; end. 8b 16b 32b Przed dodaniem 1 : Po dodaniu 1 : Przy odejmowaniu korzystamy z tabliczki odejmowania, która w systemie binarnym jest bardzo

4 prosta: 0-0 = = 1 i pożyczka do następnej pozycji 1-0 = = 0 Odejmując 0-1 otrzymujemy wynik 1 i pożyczkę (ang. borrow) do następnej pozycji. Pożyczka oznacza konieczność odjęcia 1 od wyniku odejmowania cyfr w następnej kolumnie. Identycznie postępujemy w systemie dziesiętnym, tyle że tam jest to o wiele bardziej skomplikowane. Na razie załóżmy, iż od liczb większych odejmujemy mniejsze (w przeciwnym razie musielibyśmy wprowadzić liczby ujemne, a nie chcemy tego robić w tym miejscu). Wykonać odejmowanie w systemie binarnym 110 (2) (2). Obie liczby umieszczamy jedna pod drugą tak, aby ich cyfry znalazły się w kolumnach o tych samych wagach: Odejmowanie rozpoczynamy od cyfr ostatniej kolumny. Wyniki zapisujemy pod kreską. W tym przykładzie odjęcie ostatnich cyfr 0-1 daje wynik 1 oraz pożyczkę do następnej kolumny. Pożyczki zaznaczamy kolorem czerwonym Odjęcie cyfr w drugiej od końca kolumnie daje wynik 1-1 = 0. Od tego wyniku musimy odjąć pożyczkę 0-1 = 1 i pożyczka do następnej kolumny Według tych zasad kontynuujemy odejmowanie cyfr w pozostałych kolumnach. Pamiętaj o pożyczkach! Jeśli w krótszej liczbie zabraknie cyfr, to możemy kolumny wypełnić zerami: (2) (2) = (2) (110 (10) - 15 (10) = 95 (10) ).

5 Oto kilka dalszych przykładów: Przy odejmowaniu również może dochodzić do nieprawidłowych sytuacji. Jeśli od liczby mniejszej odejmiemy mniejszą, to wynik będzie ujemny. Jednakże w naturalnym systemie binarnym nie można zapisywać liczb ujemnych. Zobaczmy zatem co się stanie, gdy od liczby 0 odejmiemy 1, a wynik ograniczymy do 8 bitów: Otrzymujemy same jedynki, a pożyczka nigdy nie zanika. Sytuacja taka nazywa się niedomiarem (ang. underflow) i występuje zawsze, gdy wynik operacji arytmetycznej jest mniejszy od dolnego zakresu formatu liczb binarnych (dla naturalnego kodu dwójkowego wynik mniejszy od zera). Oczywiście otrzymany rezultat jest błędny: program underflow; {$APPTYPE CONSOLE} var a : byte; // dana 8 bitowa b : word; // dana 16 bitowa c : longword; // dana 32 bitowa begin a := ; // wszystkie bity na 0 b := ; c := ; writeln(' 8b 16b 32b'); writeln('przed odejmowaniem 1 : ',a:5,b:7,c:12); dec(a); dec(b); dec(c); // odejmujemy 1 od każdej zmiennej writeln('po odejmowaniu 1 : ',a:5,b:7,c:12); readln; end. 8b 16b 32b Przed odejmowaniem 1 : Po odejmowaniu 1 : Naukę mnożenia binarnego rozpoczynamy od tabliczki mnożenia. Bez paniki - jest ona równie prosta jak podane powyżej tabliczki dodawania i odejmowania. 0 x 0 = 0

6 0 x 1 = 0 1 x 0 = 0 1 x 1 = 1 Tabliczka mnożenia binarnego (podobnie jak w systemie dziesiętnym) posłuży do tworzenia iloczynów częściowych cyfr mnożnej przez cyfry mnożnika. Iloczyny te następnie dodajemy wg opisanych zasad i otrzymujemy wynik mnożenia. Pomnożyć binarnie liczbę (2) przez 1011 (2). Obie liczby umieszczamy jedna pod drugą tak, aby ich cyfry znalazły się w kolumnach o tych samych wagach: x 1011 Każdą cyfrę mnożnej mnożymy przez poszczególne cyfry mnożnika zapisując wyniki mnożeń w odpowiednich kolumnach - tak samo postępujemy w systemie dziesiętnym, a tutaj jest nawet prościej, gdyż wynik mnożenia cyfry przez cyfrę jest zawsze jednocyfrowy: x Zwróć uwagę, iż wynikiem mnożenia mnożnej przez cyfrę mnożnika jest powtórzenie mnożnej z przesunięciem o pozycję cyfry (cyfra mnożnika 1) lub same zera (cyfra mnożnika 0). Spostrzeżenie to bardzo ułatwia konstrukcję układów mnożących. Puste kolumny uzupełniamy zerami i dodajemy do siebie wszystkie cyfry w kolumnach. Uważaj na przeniesienia. x Sprawdź, czy otrzymany wynik jest poprawny. Oto kilka dalszych przykładów:

7 101 x x x Z uwagi na ustalone formaty danych binarnych w komputerach (8, 16 i 32 bity) mnożenie również może dawać niepoprawne rezultaty, gdy wynik będzie większy od górnego zakresu liczb dla danego formatu, czyli od max = 2 n - 1, gdzie n - liczba bitów w danym formacie. Poniżej prezentujemy odpowiedni przykład programowy: program overflow; {$APPTYPE CONSOLE} var a : byte; // dana 8 bitowa b : word; // dana 16 bitowa c : longword; // dana 32 bitowa begin a := $10; // 2^4 b := $100; // 2^8 c := $10000; // 2^16 writeln(' 8b 16b 32b'); writeln('przed mnozeniem : ',a:5,b:7,c:12); a := a * a; // a nie pomieści wyniku 2^8! b := b * b; // b nie pomieści wyniku 2^16! c := c * c; // c nie pomieści wyniku 2^32! writeln('po mnozeniu : ',a:5,b:7,c:12); readln; end. 8b 16b 32b Przed mnozeniem : Po mnozeniu : DLA GENIUSZA Dzielenie binarne jest najbardziej skomplikowaną operacją arytmetyczną z dotychczas opisywanych. Wymyślono wiele algorytmów efektywnego dzielenia, ale dla potrzeb tego opracowania wystarczy

8 znany wam algorytm szkolny, który polega na cyklicznym odejmowaniu odpowiednio przesuniętego dzielnika od dzielnej. W systemie dwójkowym jest to szczególnie proste, ponieważ dzielnika nie musimy mnożyć. Podzielimy liczbę (2) przez 10 (2) (13 (10) : 2 (10) ). Przesuwamy w lewo dzielnik, aż zrówna się jego najstarszy, niezerowy bit z najstarszym, niezerowym bitem dzielnej. Nad dzielną rysujemy kreseczkę: - dzielna 10 - przesunięty dzielnik Porównujemy dzielną z dzielnikiem. Jeśli dzielna jest większa lub równa dzielnikowi, to odejmujemy od niej dzielnik. Ponad kreską na pozycji ostatniej cyfry dzielnika piszemy Jeśli dzielna jest mniejsza od dzielnika, to nie wykonujemy odejmowania, lecz przesuwamy dzielnik o 1 pozycję w prawo i powtarzamy opisane operacje. Jeśli w ogóle dzielnika nie da się odjąć od dzielnej (np. przy dzieleniu 7 przez 9), to wynik dzielenia wynosi 0, a dzielna ma w takim przypadku wartość reszty z dzielenia. W naszym przykładzie odejmowanie to jest możliwe, zatem: 1 - pierwsza cyfra wyniku dzielenia - dzielna przesunięty dzielnik wynik odejmowania dzielnika od dzielnej Dzielnik przesuwamy o jeden bit w prawo i próbujemy tego samego z otrzymaną różnicą. Jeśli odejmowanie jest możliwe, to nad kreską w następnej kolumnie dopisujemy 1, odejmujemy dzielnik od różnicy, przesuwamy go o 1 bit w prawo i kontynuujemy. Jeśli odejmowanie nie jest możliwe, to dopisujemy nad kreską 0, przesuwamy dzielnik o 1 bit w prawo i kontynuujemy wynik dzielenia - dzielna przesunięty dzielnik dzielna po pierwszym odejmowaniu przesuniętego dzielnika przesunięty dzielnik dzielna po drugim odejmowaniu przesuniętego dzielnika dzielnik na swoim miejscu, odejmowanie niemożliwe reszta z dzielenia Operacje te wykonujemy dotąd, aż dzielnik osiągnie swoją pierwotną wartość. Pozostała dzielna jest resztą z dzielenia. Oczywiście w tym momencie możemy dalej kontynuować odejmowanie wg opisanych zasad otrzymując kolejne cyfry ułamkowe - identycznie postępujemy w systemie dziesiętnym. Jednakże pozostawimy ten problem do rozwiązania bardziej ambitnym czytelnikom. W naszym przykładzie otrzymaliśmy wynik dzielenia równy: (2) : 10 (2) = 110 (2) i resztę 1 (2) (6 (10) i 1 (10) )

9 Jest to wynik poprawny, gdyż 2 mieści się w 13 sześć razy i pozostaje reszta Dla wprawki podzielmy liczbę 0 (2) przez 111 (2) (429 (10) przez 7 (10) ): wynik dzielenia 0 : nie da się odjąć, nad kreską da się odjąć, nad kreską da się odjąć, nad kreską da się odjąć, nad kreską da się odjąć, nad kreską nie da się odjąć, nad kreską da się odjąć, nad kreską 1, koniec 10 - reszta z dzielenia 0 (2) : 111 (2) = 11 (2) i reszta 10 (2) (429 (10) : 7 (10) = 61 (10) i reszta 2 (10) ). Dokument ten rozpowszechniany jest zgodnie z zasadami licencji GNU Free Documentation License. Autor: mgr Jerzy Wałaszek Przedruk ze strony: Artykuł pobrano ze strony eioba.pl