Становление и эволюция цифровой вычислительной техники 5 страница

· двоичная:

· восьмеричная:

· шестнадцатеричная:

Если первые i цифр мантиссы равны нулю, для нормализации ее нужно сдвинуть относительно занятой на i разрядов влево с одновременным уменьшением порядка на i единиц. В результате такой операции число не изменяется.

В примере для шестнадцатеричной системы после нормализации старшая цифра в двоичном представлении содержит впереди три нуля (0001). Это несколько уменьшает точность представления чисел по сравнению с двоичной системой при одинаковом числе двоичных разрядов, отведенных под мантиссу.

Если для записи числа с ПЗ используется база 2 (q = 2), то часто применяют еще один способ повышения точности представления мантиссы, называемый приемом скрытой единицы. Суть его в том, что в нормализованной мантиссе старшая цифра всегда равна единице (для представления нуля используется специальная кодовая комбинация), следовательно, эта цифра может не записываться, а подразумеваться. Запись мантиссы начинают с ее второй цифры, и это позволяет задействовать дополнительный значащий бит для более точного представления числа. Следует отметить, что значение порядка в данном случае не меняется. Скрытая единица перед выполнением арифметических операций восстанавливается, а при записи результата — удаляется. Таким образом, нормализованная мантисса 0,101000(1) при использовании способа «скрытой единицы» будет иметь вид 0,010001 (в скобках указана цифра, не поместившаяся в поле мантиссы при стандартной записи).

Для более существенного увеличения точности вычислений под число отводят несколько машинных слов, например два. Дополнительные биты, как правило, служат для увеличения разрядности мантиссы, однако в ряде случаев часть из них может отводиться и для расширения поля порядка. В процессе вычислений может получаться ненормализованное число. В таком случае ВМ, если это предписано командой, автоматически нормализует его.

Рассмотренные принципы представления чисел с ПЗ поясним на примере [200]. На рис. 2.21 представлен типичный 32-битовый формат числа с ПЗ. Старший (левый) бит содержит знак числа. Значение смещенного порядка хранится в разрядах с 1-го по 8-й и может находиться в диапазоне от 0 до 255. Для получения фактического значения порядка из содержимого этого поля нужно вычесть фиксированное значение, равное 128. С таким смещением фактические значения порядка могут лежать в диапазоне от -128 до +127. В примере предполагается, что основание системы счисления равно 2. Третье поле слова содержит нормализованную мантиссу со скрытым разрядом (единицей). Благодаря такому приему 23-разрядное поле позволяет хранить 24-разрядную мантиссу в диапазоне от 0,5 до 1,0.

Рис. 2.21. Типичный 32-битовый формат числа с плавающей запятой

На рис. 2.22 приведены диапазоны чисел, которые могут быть записаны с помощью 32-разрядного слова.

Рис. 2.22. Числа, представимые в 32-битовых форматах: а — целые числа с фиксированной запятой; б — числа с плавающей запятой

В варианте с ФЗ для целых чисел в дополнительном коде могут быть представлены все целые числа от -2³¹ до 2³¹ - 1, то есть всего 2³² различных чисел (см. рис. 2.22, а). Для случая ПЗ возможны следующие диапазоны чисел (см. рис. 2.22, б):

· отрицательные числа между -(1 – 2^-24) × 2¹²⁷ и -0,5 × 2^-128;

· положительные числа между 0,5 × 2^-128 и (1 – 2^-24) × 2¹²⁷.

В эту область не включены пять участков:

· отрицательные числа, меньшие чем -(1 – 2^-24) × 2¹²⁷ — отрицательное переполнение;

· отрицательные числа, большие чем -0,5 × 2^-128 — отрицательная потеря значимости;

· положительные числа, меньшие чем 0,5 × 2^-28 — положительная потеря значимости;

· положительные числа, большие чем (1 – 2^-24) × 2¹²⁷ — положительное переполнение.

Показанная запись числа с ПЗ не учитывает нулевого значения. Для этой цели используется специальная кодовая комбинация. Переполнения возникают, когда в результате арифметической операции получается значение большее, чем можно представить порядком 127 (2¹²⁰ × 2¹⁰⁰ = 2²³⁰). Потеря значимости — это когда результат представляет собой слишком маленькое дробное значение (2^-120 × 2^-10 = 2^-230). Потеря значимости является менее серьезной проблемой, поскольку такой результат обычно рассматривают как нулевой.

Следует также отметить, что числа в форме с ПЗ, в отличие от чисел в форме с ФЗ, размещены на числовой оси неравномерно. Возможные значения в начале числовой оси расположены плотнее, а по мере движения вправо — все реже (рис. 2.23). Это означает, что многие вычисления приводят к результату, который не является точным, то есть представляет собой округление до ближайшего значения, представимого в данной форме записи.

Рис. 2.23. Плотность чисел с плавающей запятой на числовой оси

Для формата, изображенного на рис. 2.21, имеет место противоречие между диа­пазоном и точностью. Если увеличить число битов, отведенных под порядок, расширяется диапазон представимых чисел. Однако, поскольку может быть представлено только фиксированное число различных значений, уменьшается плотность и тем самым точность. Единственный путь увеличения как диапазона, так и точности — увеличение количества разрядов, поэтому в большинстве ВМ предлагается использовать числа в одинарном и двойном форматах. Например, число одинарного формата может занимать 32 бита, а двойного — 64 бита.

Числа с плавающей запятой в разных ВМ имеют несколько различных форматов. В табл. 2.5 приводятся основные параметры для нескольких систем представления чисел в форме с ПЗ. В настоящее время для всех ВМ рекомендован стандарт, разработанный общепризнанным международным центром стандартизации IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Таблица 2.5. Варианты форматов чисел с плавающей запятой[4]

Стандарт IEEE 754

Рекомендуемый для всех ВМ формат представления чисел с плавающей запятой определен стандартом IEEE 754. Этот стандарт был разработан с целью облегчить перенос программ с одного процессора на другие и нашел широкое применение практически во всех процессорах и арифметических сопроцессорах.

Рис. 2.24. Основные форматы IEEE 754: а — одинарный; б — двойной

Стандарт определяет 32-битовый (одинарный) и 64-битовый (двойной) форматы (рис. 2.24) с 8- и 11-разрядным порядком соответственно. Основанием системы счисления является 2. В дополнение, стандарт предусматривает два расширенных формата, одинарный и двойной, фактический вид которых зависит от конкретной реализации. Расширенные форматы предусматривают дополнительные биты для порядка (увеличенный диапазон) и мантиссы (повышенная точность). Таблица 2.6 содержит описание основных характеристик всех четырех форматов.

Не все кодовые комбинации в форматах IEEE интерпретируются обычным путем — некоторые комбинации используются для представления специальных значений. Предельные значения порядка, содержащие все нули (0) и все единицы (255 — в одинарном формате и 2047 — в двойном формате), определяют специальные значения.

Таблица 2.6. Параметры форматов стандарта IEEE 754

Представлены следующие классы чисел:

· Порядки в диапазоне от 1 до 254 для одинарного формата и от 1 до 2036 — для двойного формата, используются для представления ненулевых нормализованных чисел. Порядки смещены так, что их диапазон составляет от -126 до +127 для одинарного формата и от -1022 до +1023 — для двойного формата. Нормализованное число требует, чтобы слева от двоичной запятой был единичный бит. Этот бит подразумевается, благодаря чему обеспечивается эффективная ширина мантиссы, равная 24 битам для одинарного и 53 битам — для двойного форматов.

· Нулевой порядок совместно с нулевой мантиссой представляют положительный или отрицательный 0, в зависимости от состояния бита знака мантиссы.

· Порядок, содержащий единицы во всех разрядах, совокупно с нулевой мантиссой представляют положительную или отрицательную бесконечность, в зависимости от состояния бита знака, что позволяет пользователю самому решить, считать ли это ошибкой или продолжать вычисления со значением, равным бесконечности.

· Нулевой порядок в сочетании с ненулевой мантиссой представляют ненормализованное число. В этом случае бит слева от двоичной точки равен 0 и фактический порядок равен -126 или -1022. Число является положительным или отрицательным в зависимости от значения знакового бита.

· Кодовая комбинация, в которой порядок содержит все единицы, а мантисса не равна 0, используется как признак «не числа» (NAN — Not a Number) и служит для предупреждения о различных исключительных ситуациях.

Упакованные числа с плавающей запятой

В последних версиях АСК, предусматривающих особые команды для обработки мультимедийной информации, помимо упакованных целых чисел используются и упакованные числа с плавающей запятой. Так, в уже упоминавшейся технологии 3DNow! фирмы AMD имеются команды, служащие для увеличения производительности систем при обработке трехмерных приложений, описываемых числами с ПЗ. Каждая такая команда работает с двумя операндами с плавающей запятой одинарной точности. Операнды упаковываются в 64-разрядные группы, как это показано на рис. 2.25.

Рис. 2.25. Формат упакованных чисел с плавающей запятой в технологиях 3DNow!, SSE, SSE2

В микропроцессорах фирмы Intel, начиная с Pentium III, для аналогичных целей поддержаны команды, реализующие технологию SSE, также ориентированную на параллельную обработку упакованных чисел с ПЗ. Здесь числа объединяются в группы длиной 128 бит, и это позволяет упаковать в группу четыре 32-разрядных числа с ПЗ (числа с одинарной точностью). Позже, в технологии SSE2, которую можно считать дальнейшим развитием SSE, появился формат, где в группу из 128 бит упаковываются два 64-разрядных числа с ПЗ, то есть числа, представленные с двойной точностью.

Разрядность основных форматов числовых данных

Данные, представляющие в ВМ числовую информацию, могут иметь фиксированную или переменную длину. Операционные устройства вычислительных машин (целочисленные арифметико-логические устройства, блоки обработки чисел с плавающей запятой, устройства десятичной арифметики и т. п.), как правило, рассчитаны на обработку кодов фиксированной длины. Общепринятые величины разрядности кодов чисел показаны на рис. 2.26.

Рис. 2.26. Стандартная длина фиксированных форматов представления чисел

Наименьшей единицей данных в ВМ служит бит (BIT, Binary digiT — двоичная цифра). В большинстве случаев эта единица информации слишком мала. Однобитовые операционные устройства использовались в ВМ с последовательной обработкой информации, а в современных машинах с параллельной обработкой разрядов они практически не применяются. Побитовую работу с данными скорее можно встретить в многопроцессорных вычислительных системах, построенных из одноразрядных процессоров.

Следующая по величине единица состоит из четырех битов и называется полубайтом или тетрадой, или реже «ниблом» (nibble — огрызок). Она также редко имеет самостоятельное значение и заслуживает упоминания как единица представления отдельных десятичных цифр при их двоично-десятичной записи.

Реально наименьшей обрабатываемой единицей считается байт, состоящий из восьми битов. На практике эта единица информации также оказывается недостаточной, и значительно чаще применяются числа, представленные двумя (полуслово), четырьмя (слово), восемью (двойное слово) или шестнадцатью (счетверенное слово) байтами[5].

Разрядность целочисленного АЛУ обычно выбирается равной ширине адреса (для большинства современных ВМ это 32 разряда). Следовательно, наиболее выгодными в плане быстродействия являются такие целые числа, длина которых совпадает с разрядностью адреса. Использование более коротких чисел позволяет сэкономить на памяти, но выигрыша в производительности не дает.

Блоки операций с плавающей запятой обычно согласованы со стандартом IEEE 754 и рассчитаны на обработку чисел в формате двойной длины (64 бита). В большинстве ВМ реальная разрядность таких блоков даже больше (80 бит). Таким образом, наилучшим вариантом при проведении вычислений с плавающей запятой можно считать формат двойного слова. При выборе формата меньшей длины (32 разряда) вычисления все равно ведутся с большей точностью, после чего результат округляется. Таким образом, использование короткого формата чисел с плавающей запятой, как и в случае целых чисел с фиксированной запятой, помимо экономии памяти никаких иных преимуществ также не дает.

В работе [120] приводятся усредненные данные о частоте использования основных форматов чисел, полученные в ходе выполнения пакета тестовых программ SPEC92 на вычислительной машине DEC VAX (рис. 2.27).

Рис. 2.27. Частота обращения к числовым данным в зависимости от их разрядности

В приложениях, оперирующих десятичными числами, где количество цифр в числе может варьироваться в широком диапазоне, что характерно для задач из области экономики, более удобными оказываются форматы переменной длины. В этом случае числа не переводятся в двоичную систему, а записываются в виде последовательности двоично-кодированных десятичных цифр. Длина подобной цепочки может быть произвольной, а для указания ее границы обычно используют символ-ограничитель, код которого не совпадает с кодами цифр. Длина цифровой последовательности может быть задана явно в виде количества цифр числа и храниться в первом байте записи числа, однако этот прием более характерен для указания длины строки символов.

Размещение числовых данных в памяти

В современных ВМ разрядность одной ячейки памяти, как правило, равна одному байту (8 бит). В то же время реальная длина кодов чисел составляет 2, 4, 8 или 16 байт. При хранении таких чисел в памяти последовательные байты числа размешают в нескольких ячейках с последовательными адресами, при этом для доступа к числу указывается только наименьший из адресов. При разработке архитектуры системы команд необходимо определить порядок размещения байтов в памяти, то есть какому из байтов (старшему или младшему) будет соответствовать этот наименьший адрес[6]. На рис. 2.28 показаны оба варианта размещения 32-разрядного числа в четырех последовательных ячейках памяти, начиная с адреса х.

Рис. 2.28. Размещение в памяти 32-разрядного числа: а — начиная со старшего байта;

б — начиная с младшего байта

В вычислительном плане оба способа записи равноценны. Так, фирмы DEC и Intel отдают предпочтения размещению в первой ячейке младшего байта, a IBM и Motorola ориентируются на противоположный вариант. Выбор обычно связан с некими иными соображениями разработчиков ВМ. В настоящее время в большинстве машин предусматривается использование обоих вариантов, причем выбор может быть произведен программным путем за счет соответствующей установки регистра конфигурации.

Рис. 2.29. Размещение чисел в памяти с выравниванием

Помимо порядка размещения байтов, существенным бывает и выбор адреса, с которого может начинаться запись числа. Связано это с физической реализацией полупроводниковых запоминающих устройств, где обычно предусматривается возможность считывания (записи) четырех байтов подряд. Причем данная операция выполняется быстрее, если адрес первого байта Л отвечает условию Л mod 5=0 (5= 2, 4, 8, 16). Числа, размещенные в памяти в соответствии с этим правилом, называются выравненными (рис. 2.29).

На рис. 2.30 показаны варианты размещения 32-разрядного слова без выравнивания. Их использование может приводить к снижению производительности.

Рис. 2.30. Размещение 32-разрядного слова без соблюдения правила выравнивания

Большинство компиляторов генерируют код, в котором предусмотрено выравнивание чисел в памяти.

Символьная информация

В общем объеме вычислительных действий все большая доля приходится на обработку символьной информации, содержащей буквы, цифры, знаки препинания, математические и другие символы. Каждому символу ставится в соответствие определенная двоичная комбинация. Совокупность возможных символов и назначенных им двоичных кодов образует таблицу кодировки. В настоящее время применяется множество различных таблиц кодировки. Объединяет их весовой принцип, при котором веса кодов цифр возрастают по мере увеличения цифры, а веса символов увеличиваются в алфавитном порядке. Так вес буквы «Б» на единицу больше веса буквы «А». Это способствует упрощению обработки в ВМ.

До недавнего времени наиболее распространенными были кодовые таблицы, в которых символы кодируются с помощью восьмиразрядных двоичных комбинаций (байтов), позволяющих представить 256 различных символов:

· расширенный двоично-кодированный код EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code);

· американский стандартный код для обмена информацией ASCII (American Standard Code for Information Interchange).

Код EBCDIC используется в качестве внутреннего кода в универсальных ВМ фирмы IBM. Он же известен под названием ДКОИ (двоичный код для обработки информации).

Стандартный код ASCII—7-разрядный, восьмая позиция отводится для записи бита четности. Это обеспечивает представление 128 символов, включая все латинские буквы, цифры, знаки основных математических операций и знаки пунктуации. Позже появилась европейская модификация ASCII, называемая Latin 1 (стандарт ISO 8859-1). В ней «полезно» используются все 8 разрядов. Дополнительные комбинации (коды 128-255) в новом варианте отводятся для представления специфических букв алфавитов западно-европейских языков, символов псевдографики, некоторых букв греческого алфавита, а также ряда математических и финансовых символов. Именно эта кодовая таблица считается мировым стандартом де-факто, который применяется с различными модификациями во всех странах. В зависимости от использования кодов 128-255 различают несколько вариантов стандарта ISO 8859 (табл. 2.7).

Таблица 2.7. Варианты стандарта ISO 8859

В популярной в свое время операционной системе MS-DOS стандарт ISO 8859 реализован в форме кодовых страниц OEM (Original Equipment Manufacturer). Каждая OEM-страница имеет свой идентификатор (табл. 2.8).

Таблица 2.8. Наиболее распространенные кодовые страницы OEM

Хотя код ASCII достаточно удобен, он все же слишком тесен и не вмещает множества необходимых символов. По этой причине в 1993 году консорциумом компаний Apple Computer, Microsoft, Hewlett-Packard, DEC и IBM был разработан 16-битовый стандарт ISO 10646, определяющий универсальный набор символов (UCS, Universal Character Set). Новый код, известный под названием Unicode, позволяет задать до 65 536 символов, то есть дает возможность одновременно представить символы всех основных «живых» и «мертвых» языков. Для букв русского языка выделены коды 1040-1093.

В «естественном» варианте кодировки Unicode, известном как UCS-2, каждый символ описывается двумя последовательными байтами т и п, так что номеру символа соответствует численное значение 256хт + п. Таким образом, кодовый номер представлен 16-разрядным двоичным числом. Наряду с UCS-2 в рамках Unicode существуют еще несколько вариантов кодировки Unicode (UTF, Unicode Transformation Formats), основные из которых UTF-8 и UTF-7.

В кодировке UTF-8 коды символов меньшие, чем 128, представляются одним байтом. Все остальные коды формируются по более сложным правилам. В зависимости от символа его код может занимать от двух до шести байтов, причем стар­ший бит каждого байта всегда имеет единичное значение. Иными словами, значение байта лежит в диапазоне от 128 до 255. Ноль в старшем бите байта означает, что код занимает один байт и совпадает по кодировке с ASCII. Схема формирования кодов UTF-8 показана в табл. 2.9.

Таблица 2.9. Структура кодов UTF-8

В UTF-7 код символа также может занимать один или более байтов, однако в каждом из байтов значение не превышает 127 (старший бит байта содержит ноль). Многие символы кодируются одним байтом, и их кодировка совпадает с ASCII, однако некоторые коды зарезервированы для использования в качестве преамбулы, характеризующей последующие байты многобайтового кода.

Стандарт Unicode обратно совместим с кодировкой ASCII, однако если в ASCII для представления схожих по виду символов (минус, тире, знак переноса) применялся общий код, в Unicode каждый из этих символов имеет уникальную кодировку. Впервые Unicode был использован в операционной системе Windows NT. Распределение кодов в Unicode иллюстрирует табл. 2.10.

Таблица 2.10. Блоки символов в стандарте Unicode