Формальные правила двоичной арифметики

Выбор системы счисления

При выборе системы счисления для ЭВМ необходимо учитывать, что во-первых, основание системы счисления определяет количество устойчивых состояний, которые должен иметь функциональный элемент, выбранный для изображения разрядов числа; во-вторых - длина числа существенно зависит от основания системы счисления; в третьих - система счисления должна обеспечить простые алгоритмы выполнения арифметических и логических операций.

Если имеется n разрядов для изображения числа в q -ичной системе счисления, то тогда максимальное число М, которое можно изобразить в пределах данной разрядной сетки, будет равно:

M = q n - 1 q n

Для оценки экономичности системы счисления с точки зрения затрат оборудования цифрового автомата вводится соответствующий показатель:

N = qn

Из приведенных равенств следует, что N = q lnM / ln q. Используя полученную зависимость, можно найти основание системы счисления, при которой требуется минимум оборудования. Определив dN/d q и приравняв ее к нулю, получим экстремум при q = e. Но е не целое число, поэтому нужно использовать системы с q = 2 или q = 3. Эти системы практически равноценны, т.к.

N2/ N3 = 2ln3 / 3ln2 1.056

Подобное сравнение десятичной и двоичной систем счисления показывает, что десятичная в 1.5 раз менее экономична двоичной.

Наиболее удобны условия реализации двоичных цифр, т.к. физических процессов, имеющих два устойчивых состояния, гораздо больше, чем процессов с числом четко различимых состояний больше двух. К тому же в процессах с двумя устойчивыми состояниями различие между этими сотояниями носит качественный, а не количественный характер, что обеспечивает надежную реализацию двоичных цифр.

Таким образом, простота арифметических и логических действий, минимум используемого оборудования для представления чисел и наиболее удобные условия реализации только двух устойчивых состояний определили применение двоичных систем счисления практически во всех существуюющих и проектируемых цифровых вычислительных машинах.

Перед тем, как рассмотреть формальные правила двоичной арифметики подчеркнем общий принцип сложения и вычитания чисел представленных в любой позиционной системы счисления.

В общем случае процедуры сложения и вычитания двух чисел

A B = C в любой позиционной системы счисления начинаются с младших разрядов.

Код суммы каждго i -того разряда с i получается в результате сложения

a i + b i +1, где единица соответствует переносу из младшего (i - 1)-разряда в i -тый, если в младшем разряде код суммы получился больше или равным основанию системы счисления.

Код разности каждого i -того разряда получается в результате вычитания

a i - b i -1, где единица соответствует заему, если он был, в младшие разряды величины, равной основанию системы счисления.

Следовательно, правила и методы сложения и вычитания в любой позиционной системы счисления в принципе остаются такими же, как в десятичной системе.

Теперь рассмотрим правила арифметики с числами, представленными в двоичном коде.

Сложение двух чисел выполняется поразрядно, начиная с младшего разряда. В каждом разряде выполняется сложение двух цифр слагаемых и единицы переноса из соседнего младшего разряда:

0 + 0 = 0

0 + 1 = 1

1 + 0 = 1

1 + 1 = 0 и осуществляется перенос 1 в старший соседний разряд.

Например:

01012 = 510

+00112 = 310

10002 = 810

Вычитание также производится поразрядно, начиная с младшего разряда. При вычитании в данном разряде из нуля единицы необходимо занять единицу из соседнего старшего разряда, которая равна двум единицам данного разряда:

0 - 0 = 0

1 - 0 = 1

1 - 1 = 0

0 - 1 =1 после заема единицы из соседнего старшего разряда.

Например:

01102 = 610

-00112 = 310

00112 = 310

Суммирование двоичных чисел в компьютерах осуществляется при помощи двоичных сумматоров, а вычитание - двоичных вычитателей. Но как будет показано в дальнейшем, вычитание можно организовать также при помощи процедуры сложения, т.е. при помощи двоичных сумматоров, если вычитаемое представить в "дополнительном" или "обратном" коде и тем самым исключить необходимость в двоичных вычитателях.

Умножение двоичных чисел производится путем образования про-межуточных произведений и последующего их суммирования. Промежуточные поразрядные произведения формируются по следующим правилам:

0 x 0 = 0 101 510 x 310 = 1510

0 x 1 = 0 11

1 x 0 = 0 101

1 x 1 = 1 + 101

Деление чисел в двоичной системе производится по правилам умножения и вычитания.

Например:

110: 11 = 10 610: 310 = 210

11

00

Арифметические действия с двоичными числами подробно будут рассмотрены в дальнейшем.

При выполнении любых арифметических действий важное значение имеют такие электронные устройства, как двоичный полусумматор и двоичный сумматор, которые выполняют побитное двоичное сложение по ранее приведенным правилам. Для двоичного вычитания иногда используют и двоичный вычитатель. Приведем условное обозначение двоичных полусумматора и сумматора:

ai HS S ci ai SM S ci

bi

bi P Pi Pi-1 P Pi

а) б)

Рис.2.1 Условное обозначение полусумматора (а)

и двоичного сумматора (б).

Здесь a i и b i это i -тые разряды чисел А и В, которые складываются, а c i - i -тый разряд суммы этих чисел, Pi - перенос из данного разряда в соседний следующий старший, Pi-1 - перенос из соседнего младшего в данный разряд.

Если для представления двоичных чисел А, В, С и их знаков выделена

n -разрядная сетка, то очевидно, что для организации процедуры сложения необходимо n двоичных сумматоров, которые соединяются между собой по определенной схеме, зависящей от того в каком коде представляются эти двоичные числа: прямой, обратный или дополнительный.

Очевидно, что в арифметических устройствах цифровых автоматов помимо двоичных сумматоров используются также регистры, счетчики, различные триггера и электронные устройства, выполняющие различные логические процедуры. Обычно используемые регистры должны позволять не только параллельно записывать в них двоичные коды чисел, но и сдвигать изображения этих чисел влево и вправо на необходимое число двоичных разрядов.

Простейшую блок-схему узла, выполняющего процедуру сложения

A+B=C можно представить следующим образом:

A Pr

CM Pr

Pr C

B

где Рr - некоторые регистры, в которые записываются двоичные числа А, В и С; СM - сумматор, точнее группа сумматоров n SM, где n - длина разрядной сетки, отведенной для представления чисел А, В и С.

Помимо арифметических операций в цифровых автоматах реализуются также логические операции, которые подробно рассматриваются в последующих главах.

Кроме этих операций в цифровых автоматах, компьютерах, выполняется еще одна операция над двоичными числами - это сдвиг числа по разрядной сетке влево или вправо. В случае сдвига влево фактически осуществляется умножение двоичного числа на 2, а при сдвиге вправо - деление на 2, где - количество разрядов, на которое сдвигается двоичное число. Например: 0000112= 310 сдвинем влево на 2 разряда, получим 0011002 = 1210, т.е.

3х4(22) = 1210, а теперь 0010002 = 810 сдвинем на 2 разряда вправо, получим 0000102 = 210, т.е. 8:4(22) = 210.

В компьютерах часто используется циклический сдвиг, при выполнении которого разрядная сетка, отведенная для операнда, представляется замкнутой в кольцо. Тогда при сдвиге влево содержимое старшего разряда попадает в младший разряд операнда, а при сдвиге вправо - наоборот.

Дата добавления: 2014-01-06