Выполнение арифметических операций в компьютерных системах над числами с плавающей точкой

5.1 Особенности представления числовых данных с плавающей точкой

Каждой форме представления чисел (с фиксированной или плавающей точкой) свойственны свои преимущества и недостатки. Поэтому в современных компьютерных системах обычно имеется возможность использования любой из них. Компьютерные средства, в которых используется преимущественно представление чисел в форме с фиксированной точкой, представляют собой специализированные компьютерные системы для управления технологическими процессами, обработки статистической информации и результатов измерений, решения задач с большим числом логических операций и т.д. Представление же чисел в форме с плавающей точкой используется в компьютерных системах, которые служат для решения широкого круга задач научного и технического характера. Это обусловлено тем, что использование формы с плавающей точкой позволяет значительно расширить диапазон представимых чисел, по сравнению с фиксированной точкой, обеспечивая при этом высокую точность представления.

. (5.1)

где M — мантисса;

P — порядок.

При представлении чисел в форме с плавающей точкой мантисса может быть любым знаковым числом: целым, правильной дробью, смешанным числом. Однако условие нормализации предполагает представление мантиссы в виде правильной дроби:

. (5.2)

где M — мантисса.

Знак мантиссы определяет знак всего числа.

Порядок определяет фактическое положение запятой вместо положения, которое она занимает в изображении мантиссы, и может быть положительным или отрицательным, но обязательно целым числом. Понятие «ПЗ» можно рассматривать как перемещение запятой в изображении числа влево, если Р<0, или вправо, если P>0. Для обозначения чисел с плавающей точкой используют форму вида:

. (5.3)

где М – мантисса числа;

Е – разделитель мантиссы и порядка;

Р – порядок числа.

Вместо E могут использоваться другие символы, например, D (double — двойная точность), когда для мантиссы отводится большее количество разрядов. Если для записи порядка используется (Р) разрядов, а для записи мантиссы (М) разрядов, то в форме с плавающей точкой может быть представлено следующее максимальное (по абсолютной величине) число:

(5.4)

В свою очередь, минимальное по абсолютной величине, но не равное нулю, число в форме с плавающей точкой может быть представлено в виде:

(5.5)

При получении последней оценки полагаем, что минимальное значение мантиссы равно (2^-1) из-за условия нормализации. Подобные рассуждения применимы и для определения максимального и минимального отрицательных чисел, поскольку они представляются в компьютерных системах. В компьютерных системах, где используется представление чисел в форме с плавающей точкой, арифметические операции выполняются как над мантиссами операндов, так и над их порядками. При этом часто необходимо выполнять операцию нормализации чисел. Поэтому процессоры с плавающей точкой являются более сложными и менее быстродействующими, чем процессоры с фиксированной точкой (естественно, при сравнимом быстродействии электронных компонентов этих процессоров). Вместе с тем, в компьютерных системах с фиксированной точкой возникают определенные трудности из-за необходимости масштабирования данных. Кроме того, здесь значительно уже диапазон представимых чисел. В этом легко убедиться, сравнивания отношения для различных форм представления числовых данных:

(5.6)

Для чисел с плавающей точкой:

(5.7)

Из рассмотренного следует, что диапазон представления чисел в форме с плавающей точкой зависит от разрядности порядка. Увеличение разрядности порядка на (1) значительно расширяет диапазон (таблица 5.1).

Таблица 5.1- Зависимость диапазона представимых чисел от разрядности порядка

P

Хотя диапазон представления чисел в форме с плавающей точкой во много раз шире диапазона представления чисел с фиксированной точкой, тем не менее в процессе вычислений могут возникать ситуации, когда результат вычислений выходит за пределы диапазона.

5.2 Форматы двоичных числовых данных с плавающей точкой

Формат данных с плавающей точкой, использовавшийся в компьютерных системах первых поколений, включал четыре поля, а именно: указанные ранее поля для мантиссы и ее знака (длиной (m+1) разряд), а также два дополнительных поля для порядка и его знака (длиной (p+1) разряд).

Рисунок 5.1 — Классический формат данных с плавающей точкой

В отличие от рассмотренного выше классического формата, в современных компьютерных системах используют смещенный порядок, т.е. порядок, представленный в смещенном коде.

Смещенный порядок (Е_х) представляет собой целое беззнаковое число, равное истинному порядку, увеличенному на некоторое значение смещения.

Такой прием устраняет необходимость использования знака порядка, давая возможность манипулировать порядками как целыми беззнаковыми числами.

. (5.8)

где — некоторая константа (смещение).

Если Р_х > Р_y, то E_x > E_y. Если (D = 2^p-1), то такой смещенный код называют кодом с положительным нулем. Для перехода от смещенного кода к дополнительному достаточно проинвертировать знаковый бит.

Широко применяются смещенные коды с отрицательным нулем, когда

(D = 2^p-1 - 1). При сложении и вычитании смещенных порядков результирующий порядок также должен быть смещенным.

При использовании смещенных кодов с отрицательным нулем сложение порядков выполняется в соответствии с правилом:

, (5.9)

где Е^’_y - смещенный порядок с инвертированным старшим разрядом.

В этом случае может возникать как положительное, так и отрицательное переполнение. Если во втором слагаемом старший разряд (1) был инвертирован в (0), а при сложении возник перенос (CY=1), то имеет место переполнение порядка. Результат оказывается за пределами представления. Признаком получения отрицательного переполнения (антипереполнение) является отсутствие переноса (CY=0) из старшего разряда суммы при условии, что во втором слагаемом старший разряд из (0) был инвертирован в (1).

При вычитании смещенных порядков для получения смещенного порядка разности необходимо выполнить следующее действие:

, (5.10)

где Е^’_y - инверсное значение смещенного порядка с инвертированным старшим разрядом.

5.3 Стандарт IEEE-754

К настоящему времени разработаны многочисленные варианты форматов чисел с плавающей точкой и практической реализации арифметических устройств с плавающей точкой. Это, в свою очередь, создает трудности при написании переносимых программ, согласовании правил обработки числовых данных и т.д.

Поэтому был разработан международный стандарт IEEE-754, нормам которого должны удовлетворять практически все вновь разрабатываемые компьютерные системы. Указанный стандарт решает следующие задачи:

- упорядочивает форматы чисел с плавающей точкой;

- унифицирует реакции на особые случаи в процессе обработки;

- определяет требования к точности вычислений.

В соответствии со стандартом IEEE-754 определены два базовых и два расширенных формата. Во всех форматах используется смещенный код порядка. Мантисса имеет старший разряд (m₀) с весом (2⁰), относящийся к целой части. Поэтому условие нормализации изменяется:

. (5.11)

Базовый одинарный формат - (БОФ) имеет длину в 32 разряда. Поле порядка в этом формате содержит 8 разрядов, а смещение равно 127.

Максимальный положительный порядок числа здесь равен +127, минимальный отрицательный -128.

Базовый двойной формат - (БДФ) имеет одноразрядное знаковое поле, 11-разрядное поле смещенного порядка и 52-разрядное поле мантиссы.

Смещение здесь равно 1023. Особенность двух указанных форматов заключается в том, что минимальный и максимальный смещенные порядки зарезервированы для представления специальных чисел. Поля мантисс в явном виде не содержат разряда (m₀), так как в памяти должны храниться нормализованные мантиссы чисел, а значит, их старший разряд всегда равен (1). При передаче числа из памяти в процессор этот «неявный» разряд становится «явным», и в операциях участвует 24-разрядная (БОФ) или 56-разрядная (БДФ) мантисса.

Расширенный одинарный формат - (РОФ) не имеет жестко фиксированных параметров, однако для конкретных реализаций он устанавливается, исходя из следующих требований:

- наличие одноразрядного знакового поля;

- наличие явного или скрытого разряда в мантиссе;

- длина мантиссы не менее 31 разряда;

- диапазон значений порядка — -1023... +1024.

Расширенный двойной формат - (РДФ) отличается от одинарного тем, что диапазон порядка составляет -16383...+16384, а поле мантиссы - не менее 63 разрядов. В качестве примера практической реализации форматов стандарта IEEE-754 можно рассмотреть представление числовых данных с плавающей точкой в компьютерных системах. Здесь используются данные трех типов (таблица 5.2):

- вещественные числа одинарной точности (single real), соответствующие БОФ;

- вещественные числа двойной точности (double real), соответствующие БДФ;

- вещественные числа расширенной точности (extended real) или временные вещественные числа, соответствующие РДФ.

Временные вещественные числа имеют в своем представлении явный бит (m₀). В памяти компьютера числа хранятся чаще всего в форматах БОФ или БДФ, а их обработка выполняется в РДФ.

Следует отметить, что целые числа в диапазоне (2^-64….2⁺⁶⁴ ) представляются абсолютно точно в РДФ.

Таблица 5.2 - Зависимость диапазона представимых чисел от базовых форматов

Тип	Длина	Точность	Диапазон (дв.)	Диапазон (дес.)
БОФ
БДФ
РДФ

Если в процессе вычислений результат выходит за пределы представимых чисел, то имеет место особый случай:

- нарушение нормализации;

- если результат превышает |X_max|, то такой случай называют переполнением или переполнением порядка, и вычисления при этом останавливают (прерывание);

- если результат меньше |X_min|, имеет место антипереполнение или исчезновение порядка, что обычно воспринимается как нулевой результат (машинный 0);

- в результате выполнения сложения-вычитания мантисса может оказаться равной (0) при ненулевом порядке. Это ситуация потери значимости (псевдонуль). Результат интерпретируется как машинный (0).

5.4 Принципы выполнения арифметических операций над числами в форме с плавающей точкой

Пусть требуется выполнить некоторую арифметическую операцию над операндами X и Y в форме с плавающей точкой:

. (5.12)

. (5.13)

Результатом операции будет число:

. (5.14)

Порядки чисел X и Y представлены p разрядами, а мантиссы – (m-разрядные) правильные дроби, то есть,

, . (5.15)

5.5 Сложение и вычитание чисел в форме с плавающей точкой

Представим операцию сложения в виде:

Z = X + Y. (5.16)

Пусть Р_х > P_y, тогда:

. (5.17)

где .

. (5.18)

где ; .

Операция сложения и вычитания операндов в форме с плавающей точкой включает следующие этапы:

- выравнивание порядков операндов и определение порядка результата;

- сложение и вычитание мантисс;

- нормализация результата;

- округление результата.

Выравнивание порядков необходимо для того, чтобы цифры мантисс с определенными весами располагались в соответствующих им разрядах регистров. Выполняется такая операция путем сдвига вправо мантиссы того операнда, порядок которого меньше. (Не выравнивать в сторону меньшего порядка! — теряем значащие цифры). Алгоритм выравнивания порядков сводится к следующему:

- сформировать разность порядков .

- если D>0, то сдвинуть на один разряд вправо мантиссу (Y) и вычесть единицу из разности порядков( D); если D<0, то сдвинуть на один разряд вправо мантиссу (X) и прибавить единицу к разности порядков (D);

- пункт 2 алгоритма повторять до тех пор, пока выполняется неравенство D≠0; при D=0 выравнивание порядков считают законченным.

Так как порядки операндов могут иметь разные знаки, то для представления их разности (D) может понадобиться (p+1) разряд. Абсолютная величина (D) может превышать число разрядов (m), отводимых для представления мантисс. В этом случае все разряды сдвигаемой вправо мантиссы выходят за пределы разрядной сетки и далее, при сложении и вычитании мантисс, абсолютная величина мантиссы, которая оставалась неподвижной, не меняется. Следовательно, при выполнении условия |D|>m можно прекратить выравнивание порядков и присвоить окончательному результату значение операнда, мантисса которого не сдвигалась.

Определять порядок результата удобно вместе с выравниванием порядков операндов. Порядок результата равен порядку большего по абсолютной величине операнда (то есть, того, мантисса которого не сдвигалась при выравнивании порядков).

Сложение и вычитание мантисс, для представления которых обычно используется прямой код, выполняется по тем же алгоритмам, что и чисел в форме с фиксированной точкой. Однако переполнение разрядной сетки здесь не приводит к остановке вычислений, что, как правило, имеет место при выполнении операций над числами в форме с фиксированной точкой. Наличие переполнения учитывается далее при нормализации результата.

Поскольку при выравнивании порядков возможна потеря части разрядов мантиссы одного из операндов, то мантисса результата может быть получена с погрешностью, по абсолютной величине почти равной единице младшего разряда. Однако среднее значение погрешности при этом равно нулю, если считать, что знаки "+" и "-" операндов и заданных операций появляются с равными вероятностями. С целью уменьшения максимальной абсолютной величины этой погрешности может быть введена операция округления мантиссы результата.

Необходимость нормализации результата обусловлена тем, что при мантиссах операндов, удовлетворяющих условиям нормализации, в зависимости от знака операции, мантисса результата может находиться в пределах 0≤|z|<2.

Таким образом, при сложении и вычитании мантисс может произойти нарушение нормализации мантиссы результата на один разряд влево или на произвольное число разрядов вправо. Нормализация результата выполняется следующим образом:

- если 1≤|z|<2 (нормализация нарушена влево), то сдвинуть мантиссу результата на один разряд вправо и прибавить единицу к порядку результата.

При этом может возникнуть переполнение порядков.

- при сложении мантисс близких по модулю друг к другу, но имеющих разные знаки может возникнуть нарушение нормализации вправо на любое число разрядов (вплоть до получения нулевой мантиссы).

Если 0<|z|<1/2, то сдвинуть мантиссу влево и вычесть единицу из порядка результата. Эти действия продолжать до тех пор, пока сохраняются условия указанного выше неравенства (если мантисса результата представлена прямым кодом, то до тех пор, пока в старшем разряде мантиссы в результате сдвига появится единица). В этом случае может возникнуть антипереполнение.

Если |z|=0, то результату присваивается машинный нуль (потеря значимости), а выполнять нормализацию нет необходимости.

При использовании модифицированного дополнительного кода для вычитания левое нарушение нормализации обнаруживается так же, как и в предыдущем случае, а правое нарушение — по комбинациям 00,0... и 11,11... .

5.6 Умножение и деление чисел в форме с плавающей точкой

Представим операцию умножения в виде:

Z = X · Y. (5.19)

тогда:

. (5.20)

где: ; .

Знак произведения определяют путем суммирования по модулю 2 цифр в знаковых разрядах сомножителей: .

При умножении чисел в форме с плавающей запятой порядок результата определяется путем сложения порядков сомножителей. Для определения мантиссы результата производят умножение мантисс операндов как чисел с фиксированной точкой по любому из рассмотренных алгоритмов. Мантисса произведения может оказаться ненормализованной, причем возможно только правое нарушение нормализации на один разряд. В этом случае мантиссу надо удвоить, сдвинув ее на один разряд влево, а из порядка произведения вычесть единицу.

Представим операцию деления в виде:

Z = X/Y. (5.21)

Следует помнить, что при делении чисел с плавающей точкой остатка не бывает:

(5.22)

где: ; .

Знак частного обычно определяют путем суммирования по (модулю 2) цифр в знаковых разрядах делимого и делителя. При делении чисел в форме с плавающей точкой порядок частного находят как разность порядков операндов (из порядка делимого вычитается порядок делителя). Мантиссу частного получают в результате деления абсолютных величин мантисс операндов. При делении нормализованных мантисс, как правильных дробей, может иметь место нарушение нормализации влево на один разряд.

Таким образом, при умножении и делении чисел в форме с плавающей точкой над порядками выполняются только операции сложения и вычитания.

Для этого удобно использовать дополнительные коды. В процессе выполнения операций над порядками возможно как переполнение порядков, так и антипереполнение.

Общий алгоритм выполнения операций умножения и деления:

- определение знака результата;

- сложение и вычитание порядков;

- умножение и деление мантисс;

- нормализация результата;

- округление результата.

Как отмечалось ранее, необходимость округления результата вызвана тем, что при нормализации результата может выполняться правый сдвиг мантиссы результата и младший ее разряд при этом выходит за пределы разрядной сетки. Если считать, что результат представлен прямым кодом, то отбрасывание этого разряда вносит в абсолютную величину результата либо нулевую погрешность (если отбрасывается цифра 0), либо погрешность, равную 1/2 веса младшего разряда (если отбрасывается цифра 1). Для того, чтобы погрешность по абсолютной величине результата была знакопеременной и ее среднее значение в достаточно большой последовательности операций было равно нулю, округление следует производить следующим образом. Если за пределы разрядной сетки сдвигается цифра (1), то младший разряд мантиссы результата устанавливают в единицу независимо от того, какая цифра была в этом разряде ранее. В другом случае значение младшего разряда не меняют.

Пусть( х_m) - младшая цифра мантиссы результата до округления, (х'_m) - та же цифра после округления, (x_m+1) - цифра мантиссы, выходящая за пределы разрядной сетки при округлении, (d) - погрешность округления. Тогда все возможные ситуации при округлении иллюстрируются табл. 11.4, из которой видно, что при таком округлении погрешность абсолютной величины мантиссы результата будет равна 0 или ±1/2 веса младшего разряда, а ее среднее значение равно нулю.

Таблица 5.3 – Результаты округления мантиссы результата

xm	xm+1	x’m	d
			+(1/2)2-m
			-(1/2)2-m

5.7 Алгоритмы выполнения операций над числами в форме с плавающей точкой, в представлении IEEE-754

Вещественное число может быть представлено в каком-либо формате стандарта IEEE-754 следующим образом:

. (5.23)

С учетом условия нормализации ( ), минимальные и максимальные абсолютные значения мантисс:

. (5.24)

. (5.25)

Сложение, вычитание, умножение и деление вещественных чисел в формате IEEE-754 осуществляется в соответствии с рассмотренными ранее алгоритмами. Поскольку в форматах хранятся не истинные значения порядков, а смещенные коды порядков, имеют место некоторые особенности, связанные с выполнением операций над смещенными порядками. Кроме того, должен учитываться факт наличия бита ( ) мантиссы.

При сложение и вычитании сравнение смещенных порядков осуществляется путем вычитания смещенных кодов как целых беззнаковых чисел. Сложение мантисс выполняется по правилам сложения целых знаковых чисел. Если получен отрицательный результат, то он представлен в дополнительном коде и его необходимо преобразовать в прямой код.

При умножении смещенный порядок произведения определяется в соответствии с рассмотренными выше правилами. Мантисса произведения может иметь нарушение нормализации.

Проанализируем различные ситуации:

1. .

Нет нарушения нормализации.

2.

Нет нарушения нормализации.

3. .

Здесь имеет место нарушение нормализации влево на 1 разряд.

При делении смещенный порядок частного определяется в соответствии с рассмотренными выше правилами. Мантисса частного может иметь нарушение нормализации. Проанализируем различные ситуации:

1. .

Нет нарушения нормализации.

2. ; 0,5<Z<1

Нарушение нормализации вправо на 1 разряд.

3. ; 1<Z<2

Нет нарушения нормализации.

4. .

Нет нарушения нормализации.