计算机组成原理定点数的运算

Posted 2022-07-20 小辣抓

数值运算的核心是指加、减、乘、除四则算术。由于计算机中的数有定点和浮点两种表示形式，因此相应有定点数的运算和浮点数的运算。本文将介绍计算机中定点数的加减法运算过程。

注意，理解本文的前提是要清楚知道顶点数的源码、反码和补码的含义，以及定点数在计算机中的表示形式。

1.补码加法

由于计算机中定点数均以补码的方式表示和存储（个人观点，有待证明），采用补码表示法进行加减运算比源码方便多了，因为不论是正还是负，机器总是做加法，减法运算可变成加法运算。

这里再次说明定点定点数（定点整数和定点小数）的源码、反码和补码的表示规则：
正数的符号位为0，反码和补码等同于源码。
负数符号位都固定为1，源码，反码和补码的表示都不相同，由原码表示法变成反码和补码有如下规则：
（1）源码符号位为1不变，整数的每一位二进制数位求反得反码；
（2）反码符号位为1不变，反码数值位最低位加1得补码。

1.1补码加法公式

补码加法公式是：

[x]补+[y]补=[x+y]补(mod2n)

这里说一下上面公式的意思。

mod2n

表示的是模运算，

2n

为模，这个模表示被丢掉的值。上面的式子在数学上成为为同余式，即等式两边的值取

2n

的余数是相等的。

以钟表为例，说明模运算。一个钟表有12个小时刻度，时间确实0-24小时。假设现在的标准时间是4点整，而有一个表已经7点了，为了校准时间，可以采用两种方法：一是将时针退7-4=3格；二是将时针向前拨12-3=9格。这两种方法都能对准到4点。由此可见，7-3和7+9是等价的。等价的条件就是以模为12的模运算的情况下等价，即除以12取余。以数学公式表示如下：

7−3=7+9(mod12)

1.2补码加法公式证明

可分五种情况来证明。假设采用定点整数表示。不包括溢出情况，该情况会另行讨论。

（1）x>0, y>0, 则x+y>0
由补码定义，[x]补=x,[y]补=y, 所以[x]补+[y]补=x+y=[x+y]补

（2）x<0, y<0, 则(x+y)<0

[x]补+[y]补=2n+x+2n+y=2n+(2n+x+y)=[x+y]补

（3）x>0, y<0, 则(x+y)<0或(x+y)>0
相加的两数一个为正，一个为负，因此相加结果有正、负两种可能。根据补码定义：[x]补=x,[y]补=2n+y，那么

[x]补+[y]补=x+2n+y=2n+(x+y)=[x+y]补

（4）x<0, y>0, 则(x+y)<0或(x+y)>0
这种情况和第三种情况一样，将x和y对调即可，不再赘述。

（5）当x=0或者y=0，或者x=y=0时
满足[x]补+[y]补=[x+y]补(mod2n)。

因此在模2n的意义下，任意两数的补码之和等于该两数之和的补码。这是补码加法的理论基础。

2.补码减法

负数的加法要利用补码化为加法来做，减法运算当然也要设法化为加法来做。其所以使用这种方法而不适用直接减法，是因为它可以和常规的加法运算使用同一加法器电路，从而简化了计算机的设计。

定点数用补码表示时，减法运算的公式为：

[x]补−[y]补=[x]补+[−y]补

为了证明这个公式，只要证明[−y]补=−[y]补，上式即得证。

证明如下：
因为[x]补+[y]补=[x+y]补，所以
①[y]补=[x+y]补–[x]补

又[x–y]补=[x+(–y）]补=[x]补+[–y]补，所以
②[–y]补=[x–y]补–[x]补

①+②得[–y]补+[y]补=[x–y]补–[x]补+[x+y]补–[x]补=[x–y]补+[x+y]补–[x]补–[x]补=[x–y+x+y]补–[x]补–[x]补=[2x]补–2[x]补=0

从而有 [–y]补=–[y]补(mod2n)

因此，只要求得[–y]补，就可以变减法为加法，已知[y]补，求[–y]补的法则是：

对[y]补各位（包括符号位）取反，然后在末位加上1，就可以得到[–y]补。

示例：
[X]补=00110110，[Y]补=11001101，求[X]补+[Y]补，[X]补−[Y]补 ，其中x=54，y=-51。

3.溢出概念与检测方法

3.1溢出的概念

在定点整数机器中，数的表示范围|x|<(2n−1)。在运算过程中如出现大于字长绝对值的现象，称为“溢出”。在定点机器中，正常情况下溢出是不允许的。

例：设定点整数字长8位，补码表示（最高位为符号位），表示范围为-128~127，运算结果超出此范围就发生溢出。

两个负数相加的结果小于机器所能表示的最小负数，结果变为负数，成为负溢。

两个正数相加，结果大于机器字长所能表示的最大正数，结果成为变为负数，称为正溢。

下面以具体的例子来演示正常的运算和溢出时的运算。

3.2溢出的检测方法

为了判断溢出是否发生可采用以下两种检测方法。

（1）单符号法
当两个操作数同号时，而其和的符号与操作数的符号不一致则就发出溢出，公式表示如下：

溢出=A⎯⎯⎯nB⎯⎯⎯nSn+AnBnS⎯⎯n

注意：
a、若是同号相减或异号相加，则运算结果不可能溢出；
b、若是同号相加或异号相减，则运算结果可能溢出。

（2）采用最高有效位的进位判断

溢出=C⎯⎯⎯nCn−1+CnC⎯⎯⎯n−1=C⎯⎯⎯n⨁C⎯⎯⎯n−1

符号位产生的进位与最高有效位产生的进位情况不同，则溢出。

（3）采用变形补码判断(双符号位)
用Sn+1、Sn分别表示结果最高符号位和第2个符号位。

溢出=Sn+1⨁Sn

01：结果正溢;

10：结果负溢;

定点整数的加减运算完成之后，会由硬件逻辑电路进行溢出检测，如果发现存在溢出，则产生硬件中断 。

4.定点小数的加减运算法则

定点小数是定点数的一种，其运算法则和步骤与定点整数一致，不再赘述。下面举个仅以双符号位补码来表示定点小数的补码加减运算示例。

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参考文献

[1]计算机组成原理第四版[M].白中英.科学出版社
[2]http://wenku.baidu.com/link?url=BL5mztNkNIvtPKAF96-iHRPIUQLimljQ9bci9Vy5yGyjhfMe8F_wjxTYHgGG3MbgdMsEU-18oG27u5Tw4Q_ffmRqSg9imaPzif-0Vs3f8g3

原文链接：http://blog.csdn.net/k346k346/article/details/50530004