12800

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И ЗАПИСЬ ДВОИЧНЫХ ЧИСЕЛ

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Лабораторная работа № 1 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И ЗАПИСЬ ДВОИЧНЫХ ЧИСЕЛ Цель работы: Изучить правила перевода чисел из одной системы исчисления в другую. Изучить способы кодирования двоичных чисел. Изучить формы представления двоичных чисел а также способы перевода одно

Русский

2013-05-03

687 KB

36 чел.

Лабораторная работа № 1

«ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И ЗАПИСЬ ДВОИЧНЫХ ЧИСЕЛ»

Цель работы: Изучить правила перевода чисел из одной системы исчисления в другую. Изучить способы кодирования двоичных чисел. Изучить формы представления двоичных чисел, а также  способы перевода одной формы записи в другую.

Время выполнения работы – 4 часа.

Краткие теоретические сведения

Системой исчисления называют систему приемов и правил, которые позволяют устанавливать взаимно однозначное соответствие между любым числом и его представлением в виде совокупности конечного числа символов.

Любая позиционная система исчисления с основой  может быть представлена в виде полинома:

,    (1)

где  – число в позиционной системе исчисления с основой ;

       – коэффициент;

       – степень и индекс.

Вес каждого символа определяется его позицией в записи числа.

В двоичной системе исчисления основанием системы является число 2, а коэффициенты  могут принимать значения  или . Эти двоичные цифры называются битами. В общем виде число в двоичной системе исчисления будет записано как

  (2)

Цифровые устройства используют элементы, которые имеют только два устойчивых состояния, поэтому двоичная система исчисления приобрела широчайшее распространение для представления и обработки информации.

  1.  Правила перевода чисел из одной системы исчисления в другую

  1.  Преобразование десятичных чисел в двоичные

Пусть имеем целое десятичное число . Преобразовать его в двоичное число – это значит представить в виде

,    (1.1)

где  – двоичные цифры, равные  или .

Цифры двоичного числа можно определить последовательно, начиная с  и кончая , следующим образом:

а) делим заданное число  на 2. В результате получаем целую часть частного

  (1.2)

и остаток .

б) делим число  на 2. В результате получаем в частном

   (1.3)

и в остатке  и т.д.

Процесс деления продолжается до тех пор, пока мы не получим в частном  и в остатке . Это означает, что мы определили старший разряд двоичного числа.

Пусть имеем дробное десятичное число <. Требуется определить двоичную дробь

,     (1.4)

где  – двоичные цифры, равные  или .

Цифры двоичного числа можно определить последовательно, начиная с , следующим образом:

а) умножаем заданное число  на 2:

     (1.5)

Отделяем целую часть числа , равную  и дробную часть

   (1.6)

б) умножаем  на 2:

      (1.7)

Целая часть от  равна , а дробная часть

   (1.8)

используется для дальнейшего преобразования.

Преобразование продолжается до тех пор, пока после очередного умножения на 2 дробная часто не окажется равной нулю (что означает точное преобразование в двоичную дробь) или пока мы не получим достаточное количество двоичных разрядов, удовлетворяющее нас с точки зрения точности преобразования.

Рассмотрим процесс преобразования десятичного числа  в соответствующее двоичное (см. рисунок 1).

 а)

 б)

Рисунок 1 – Процесс преобразования десятичного числа в двоичное:

а) целая часть; б) дробная часть

Итак,

  1.  Преобразование двоичных чисел в десятичные

Для этого надо двоичное число

     (1.9)

представить в виде

 (1.10)

и непосредственно выполнить все указанные в этой формуле действия.

Рассмотрим процесс преобразования двоичного числа  в соответствующее десятичное (см. рисунок 2).

 а)

 б)

Рисунок 2 – Процесс преобразования двоичного числа в десятичное:

а) целая часть; б) дробная часть

Итак,

2. Кодирование двоичных чисел

2.1. Прямой код числа

Простейшим машинным кодом является прямой код , получаемый при кодировании в числе  только знаковой информации, причем знак «+» кодируется нулем, а знак «–» – единицей. Поэтому прямой код положительного числа совпадает с его записью, а прямой код отрицательного числа отличается от обычной записи числа знаковым разрядом, в который заносится единица.

Примечание 1. Если под поле цифр разрядов выделено больше, чем необходимо для представления числа , то разряды (цифры) числа  заносятся в разрядную сетку ЭВМ в соответствии со своими весами. Код знака числа практически во всех ЭВМ заносится в старший разряд разрядной сетки.

Прямой код числа широко используется при хранении чисел в памяти и выполнении операции умножения. В современных ЭВМ прямой код применяется только для представления положительных двоичных чисел.

Для представления отрицательных чисел применяется обратный или дополнительный коды, поскольку над отрицательными числами в прямом коде неудобно выполнять операции арифметического сложения.

2.2. Обратный код числа

Для образования обратного кода  отрицательного числа необходимо в знаковом разряде поставить единицу, а все цифровые разряды инвертировать (заменить  на , а  – на ). Очевидно, что

2.3. Дополнительный код числа

Дополнительный код  отрицательного числа образуется из обратного кода путем увеличения  на единицу младшего разряда.

Примечание 2. Дополнительный и обратный коды положительного числа совпадают с его прямым кодом. Прямой код можно получить из дополнительного или обратного кода по тем же правилам, которые служат для нахождения дополнительного и обратного кодов.

Пример:

Число   Прямой код  Обратный код  Дополнительный код

    

    

3. Формы представления чисел

  1.  Представление чисел в форме с фиксированной запятой

Для сокращения длины разрядной сетки и упрощения обработки данных положение запятой может быть зафиксировано схемотехнически. При этом формат машинного представления чисел с фиксированной запятой состоит только из двух структурных компонент: поле знака и поле цифр.

Диапазон представления чисел для этого формата .

В зависимости от размеров целой и дробной частей возможны следующие случаи:

1) Если , , то  

2) Если , , то  

3) Если , , то   

4) Если , , то   

Очевидно, что ограничение длины разрядной сетки приводит к ограничению диапазона хранимых чисел и потере точности их представления. Поэтому на практике широко используется и другая форма представления чисел.

3.2. Представление чисел в форме с плавающей запятой

В общем виде числа с плавающей запятой имеют следующий вид:

,

где  – мантисса числа ;

       – порядок числа .

Порядок (с учетом знака) показывает, на сколько разрядов и в какую сторону сдвинута запятая при замене формы записи числа с естественной на нормальную. Например, число  можно представить, как  и как .

В двоичной системе исчисления формат машинного изображения чисел с плавающей запятой включает знаковые поля (мантиссы и порядка), поле мантиссы и поле порядка числа и имеет следующий вид:

Для данного формата разрядной сетки можно записать следующий диапазон представления чисел:

 

   

Примеры представление целых и дробных двоичных чисел в форме с плавающей запятой приведены на рисунке 3.

  а)

  б)

Рисунок 3 – Представление двоичных чисел в форме с плавающей запятой:

а) целая часть; б) дробная часть

Примечание 3. Для упрощения операций над порядками применяют представление чисел с плавающей запятой со смещенным порядком:

,

где  – целое положительное число (смещение), .

Обычно , где  – число двоичных разрядов в поле цифр несмещенного порядка. В этом случае поле знака порядка избыточно, так как  всегда положительно. Такие смещенные порядки называют характеристиками. В зависимости от типа данных числа с плавающей запятой в памяти ЭВМ хранятся в одном из следующих форматов:

При выполнении арифметических операций над числами с плавающей запятой может получаться результат, выходящий за пределы диапазона представления чисел. При этом выход за правую границу диапазона принято называть переполнением порядка (получение очень большого числа), а выход за левую границу – исчезновением порядка (получение очень малого числа).

Примечание 4. В стандарте IEEE крайние значения порядка (характеристики) зарезервированы и не используются для представления обычных чисел. Максимальное значение характеристики, представленное всеми единицами при положительном знаке числа, зарезервировано для представления значения +∞ при нулевой мантиссе. При знаке минус число с максимальной характеристикой используется для представления -∞ и неопределенности. Значение с минимальной характеристикой, равной нулю, зарезервировано для представления денормализованных чисел (положительных и отрицательных), а также для представления нуля (представляется всеми нулями), причем различают +0 и –0.

Наиболее распространено и удобно для представления в ЭВМ ограничение вида <1. Форма представления чисел, для которых справедливо данное ограничение, называется нормализованной.

Если нормализованное двоичное число положительно (в знаковом разряде стоит ), то в старшем цифровом разряде должна стоять . Если же число отрицательно (в знаковом разряде стоит ), то в старшем цифровом разряде дополнительного или обратного кода должен стоять .

Примечание 1. Сочетания  и  в знаковом и старшем цифровом разрядах означают выполнение одного из условий нормализации , а сочетания  и  в этих же разрядах – нарушение этого условия.

Для нормализации числа в этом случае следует повторить цикл сдвига цифровой части влево на один разряд (т. е. умножение на ) с одновременным вычитанием единицы из порядка (что эквивалентно делению на ) до тех пор, пока не начнет выполняться условие нормализации.

Например, отрицательное число

        

является ненормализованным, так как в разряде знака и в старшем цифровом разряде имеет место сочетание . Для нормализации необходимо сдвинуть мантиссу на  разряда влево, а из порядка вычесть число два . В результате получим нормализованное число

        

Порядок выполнения работы

  1.  Ознакомиться с методическими указаниями к лабораторной работе.
  2.  В соответствии с заданным вариантом (см. таблицу 1) изучить порядок перевода чисел из одной системы исчисления в другую.

Таблица 1–Варианты заданий

№ вар.

А

В

С

1

-10,125

13,75

0,12

2

1,22

-6,82

42,25

3

96,5

4,3

-0,96

4

-12,4

3,33

-24,5

5

21,18

-0,82

14,15

6

-15,42

0,08

-6,45

  1.  Представить десятичные числа в двоичной системе в форме с фиксированной и плавающей точкой. При записи чисел в системе счисления с плавающей точкой применять количество разрядов мантиссы – 8, порядка – 6.
  2.  Изучить порядок записи двоичных чисел в прямом, обратном и дополнительном коде, а также порядок.

Контрольные вопросы и задания

  1.  Каковы способы физического представления данных?
  2.  В чем различия позиционной системы исчисления и непозиционной?
  3.  Каковы преимущества и недостатки десятичной и двоичной систем исчисления?
  4.  Приведите правила перевода из десятичной системы исчисления в двоичную и наоборот.
  5.  Как представить отрицательные числа в двоичном коде?
  6.  Какие основные формы представления чисел в ЭВМ?
  7.  Что такое нормализация и переполнение разрядной сетки?
  8.  Приведите правила образования обратного и дополнительного кода.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

74334. Понятие пропускной способности электропередачи, факторы её определяющие 32 KB
  Второе ограничение связано с риском нарушения синхронной работы генератора при повышении нагрузки на которых возникает условие для выхода из синхронизма. Это ограничение чаще практикуется по статической устойчивости. При некоторой меньшей длине активным ограничение будет являться ограничение по нагреванию. Заметим что ограничение по нагреванию не зависит от длины ЛЭП.
74335. Компактные, компенсированные электропередачи переменного тока 66 KB
  Компактные компенсированные электропередачи переменного тока. В основу конструкций перспективных компактных воздушных линий электропередач разработанных в нашей стране положена простая идея. Образцы таких распорок уже созданы и составлены проекты будущих компактных воздушных линий электропередач рис. В скобках показаны для сравнения расстояния между фазами для обычных воздушных линий электропередач Расчеты показали что при меньших по сравнению с обычными воздушными линиями электропередач размерами компактные воздушные линии электропередач...
74336. Моделирование (представление) эл нагрузок при расчете рабочих режимов эл.передач и эл.сетей 114.5 KB
  Активные элементы схем замещения электрических сетей и систем нагрузки и генераторы представляются в виде линейных или нелинейных источников. Способы задания нагрузок при расчетах режимов: а постоянный по модулю и фазе ток; б постоянная по модулю мощность; вгпостоянные проводимость или сопротивление; дстатические характеристики нагрузки по напряжению; еслучайный ток Нагрузка задается постоянным по модулю и фазе током рис.Такая форма представления нагрузки принимается при всех расчетах распределительных сетей низкого напряжения...
74337. Статические характеристики электрических нагрузок 75 KB
  Зависимости показывающие изменение активной и реактивной мощности и от частоты f и подведенного напряжения U при медленных изменениях менее 1 сек этих параметров называют статическими характеристиками нагрузки СХН. Полученные при этом СХН называются естественными. Примерный состав нагрузки соответствующий типовым СХН Асинхронные двигатели...
74338. Представление генераторов при расчете установившихся режимов эл.передач ЭЭС. 105 KB
  В расчетах установившихся режимов электрических сетей и систем как правило не учитываются и а генератор представляется источником подключенным к шинам генераторного напряжения. Обычно для генерирующих узлов при фиксированных и не известны модуль и фаза напряжения узла и либо активные и реактивные составляющие напряжения и . Постоянные активная мощность и модуль напряжения В этом случае переменными являются как правило реактивная мощность и фаза напряжения. Задание постоянного модуля напряжения при соответствует реальным...
74339. Моделирование (представление) линии эл.передачи 0,38-220 кВ. характерные данные и основные соотношения между параметрами схем замещения ЛЭП 210.5 KB
  Характерные данные и основные соотношения между параметрами схем замещения ЛЭП. Выше приведена характеристика отдельных элементов схем замещения линий. При расчете симметричных установившихся режимов ЭС схему замещения составляют для одной фазы
74340. Особенности моделирования воздушных линий электропередачи со стальными проводами 116.5 KB
  Особенности моделирования воздушных линий электропередачи со стальными проводами. Поэтому стальные провода применяют при выполнении больших переходов через естественные препятствия широкие реки горные ущелья и т.
74341. Моделирование протяженных линий эл.передачи напряжением 330-750 кВ 38 KB
  Линии электропередачи с номинальным напряжением 330 500 750 кВ разделяют посредством переключательных пунктов на участки в 250 350 км что локализует и уменьшает влияние поврежденных участков на изменение параметров режима и устойчивость работы сети рис. Такое построение линии а также включение промежуточных подстанций разбивает электропередачу на участки и ее удобно моделировать цепочной схемой замещения. Протяженные линии в режиме минимальных нагрузок имеют избыток реактивной мощности генерируемой линией. Для компенсации этой...
74342. Режим передачи активной мощности для идеализированной электропередачи. Условия передачи активной мощности 319.5 KB
  Отложим вектор фазного напряжения U1ф в начале линии по вещественной оси. Под углом φ к нему построим вектор тока I в линии. В результате получим падение напряжения ΔU и вектор фазного напряжения U2ф в конце линии. Линия без потерь: а схема замещения; б векторная диаграмма; в угловая характеристика мощности Тогда активная мощность в начале линии 10.