Talrepresentation. Ett tal kan representeras binärt på många sätt. De vanligaste taltyperna som skall representeras är:

Transkript

1 Talrepresentation Ett tal kan representeras inärt på många sätt. De vanligaste taltyperna som skall representeras är: Heltal, positiva heltal (eng. integers ett-komplementet, två-komplementet, sign-magnitude Decimala tal med fix tal-område Fix-tal (eng. fixed-point Decimala tal i olika talområden Flyt-tal (eng. floating-point

2 Heltal Positiva Heltal: = = 109 Negativa Heltal: = = -19

3 Multiplikation av två positiva heltal * *11 Skifta, addera multiplikanden eller 0 =22

4 Multiplikation med teckenit Teckeniten har negativ vikt! => Två-komplementera! *

5 Teckeniten på det andra stället Teckenförläng! (Sign Extension, här till 7 itar *

6 Multiplikation av två negativa tal Teckenförläng! Teckeniten har negativ vikt! => Två-komplementera! * Svar 7-itar med tecken Det här verkade komplicerat

7 Eller så gör vi det enkelt för oss Använd enart positiva tal i multiplikationen Konvertera till positiva tal Håll reda på resultatets tecken Två-komplementera till negativt tal om nödvändigt ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (

8 Enkel lösning, forts Sign A Sign A F correct A N-1 A N-2 A 0 Sign B Sign B F correct =Sign A Sign B HA HA... HA Korrektionen sker genom att man invertera itarna och lägg till 1 2 s complement of Product, when correction is needed.

9 Multiplikation (två positiva tal ( a 3a2a1a0 ( = ( q7q6q5q4q3q2q1q0 AND AND FA, carry AND FA, carry AND FA, carry

14 ( aaaa( = ( qqqqqqqq Multiplikation (två positiva tal Skiftning av multiplikatorn sker genom att den förs ett steg till vänster i nätet för varje nivå a 3 a 3 a 3 a 2 a 2 a 1 a2 a1 a0 a 1 a 0 a a 3 a2 a1 a0 q7 q6 q5 q4 q3 q2 q1 q FA för 4 4 itar

15 ( aaaa( = ( qqqqqqqq Multiplikation (två positiva tal T MUL ~(3*N-4*T FA a 3 a 3 a 2 a 2 a 1 a 1 a 0 a a 3 a2 a1 a0 2 a 3 a2 a1 a0 q7 q6 q5 q4 q3 q2 q1 q0 3 Carryfördröjs genom 8 steg!

16 Kan itarna adderas i någon annan ordning?

17 Ripple Carry-adderaren: a3 3 Snafråga C in3 a2 2 C in2 a1 1 C in1 a0 0 C in0 Vad händer om man förväxlar ledningarna a C in? Här har någon rört till det ordentligt med ledningarna! a 3 3 C in3 C out3 C out3 s 3 s 3 a2 2 C out 2 C out 2 C in2 C out1 a1 1 C in1 C out0 a0 0 a Katastrof! Don t care! C in0 Diskutera fram svaret tillsammans med din änkgranne! s 2 s 2 C out1 s 1 s 1 C out0 s 0 s 0

18 Snafråga a 3 3 C in3 a2 2 C in2 a1 1 C in1 a0 0 C in0 C out3 s 3 C out 2 s 2 C out1 s 1 C out0 s 0 Don t care! Summaiten är lika med udda paritet av initarna. Carry out är lika med majoritetsvärdet av initarna. I ingendera fallen har itarnas inördes ordning någon som helst etydelse.

19 Kan itarna adderas i någon annan ordning? Så här får q 2 samma resultat men med en annan itordning! Carry förs nu direkt till andra raden!

20 ( aaaa( = ( qqqqqqqq En snaare lösning - Carry- Save Multiplier (BV: sida 311 Figure 5.45 Multiplier carry-save array.

21 ( aaaa( = ( qqqqqqqq Save Multiplier (BV: sida 311 T MUL ~(2*N-2*T FA Minskar fördröjningen eftersom carry utgången kopplas direkt till nästa steg! En snaare lösning - Carry- Carryfördröjs nu genom 6 steg! Figure 5.45 Multiplier carry-save array.

22 ( aaaa( = ( qqqqqqqq En snaare lösning - Carry- Save Multiplier (BV: sida 311 Extra tips: sna Carrylook ahead adderare här! Figure 5.45 Multiplier carry-save array.

23

24 Multiplikation med två 0101*2 = 1010 (5*2= *2 = (-6*2= *2 = (85*2= *2 = (-107*2=-214 jmfr multiplikation med 10 i asen 10: 63*10 = 630, -63*10 = -630 etc.

25 Multiplikation med 2 n 0101*2 = 1010 (5*2= *2 2 = (5*4= *2 3 = (5*8= *2 4 = (5*16=80 jmfr multiplikation med 10 i asen 10: 6*10 = 60, 6*100 = 600, 6*1000 = 6000 etc.

26 Multiplikation med 2 n En multiplikation med 2 n kan göras med genom att skifta alla itar n steg till vänster och att fylla på med nollor 13 8 kan eräknas genom att skifta (01011 tre itar till höger Resultat: motsvarar ( Oservera att man ehöver flera itar för att representera resultatet!

27 Barrel-shifter B 0 B 1 Multiplexor A 0 A 1 A 2 A 3 MUX B 0 B 1 Multiplikation med (2 0, 2 1, 2 2, 2 3 dvs 1, 2, 4, 8 ( S 6 S 5 S 4 S 3 S 2 S 1 S 0 = ( A 3 A 2 A A ( B B 1 0

28 Division mellan två positiva heltal (BV sid 693 fig /2 = 5 Rest = 1 a = q + r

29 Lite mer detaljerat /2 = 5 Rest = 1 a = q + r

30 Lite mer detaljerat a = q + r 11 2 = a: r: : 1 0 q:

31 Lite mer detaljerat a = q + r 11 2 = a: r: : -1 0 q: 0

32 Lite mer detaljerat a = q + r 11 2 = a: r: : -1 0 q: 0 0

33 Lite mer detaljerat a = q + r 11 2 = a: r: : -1 0 q: 0 0 1

34 Lite mer detaljerat a = q + r 11 2 = a: r: : -1 0 q:

35 Lite mer detaljerat a = q + r 11 2 = a: r: : -1 0 q:

36 Lite mer detaljerat a = q + r 11 2 = r: 1 q:

37 Divideraren a 3 a2a1a = q 3 q q q r1 r q 3 tecken -it 0 FA a Y / N FA 1 0 FA sutraktion 1 FA q 1 a FA 1 Y / N a FA FA a FA FA FA 1 q Y / N q 0 Y / N 1 0 r r 0

38 Using a multiplier and a ROM Q=A/B=A (1/B Properties - Fast - VERY ig multiplicator! for division 8-itarstal A Bara heltalsdelen B ROM 1/B MUL Q 8-itarstal Bara fraction multiplikator Hur många Byte måste ROM innehålla om A och B är 8 itars tal?

39 Using a multiplier and a ROM for division a = 25 5 = = 25,0 0,2 = 5,00 a (0,50 (0,33 (0,25 (0,20 (0,17 (0,

40 Division med negativa heltal Division med negativa tal är ganska knepigt. Ett sätt att utföra divisionen ändå Konvertera till positiva tal Håll reda på resultatets tecken Två-komplementera till negativt tal om nödvändigt ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( (

41 Division med /2 = (10/2 = /2 = (-12/2 = -6 jmfr division med 10 i asen 10: 630/10 = 63, -630/10 = -63 etc.

42 Logiskt och Aritmetisk shift höger Man skiljer mellan logisk och aritmetiskt shift Logisk shift höger shiftar ara till höger. Bitarna skall ej tolkas som ett tal. Man fyller ara på med 0:or. Aritmetisk shift höger ehandlar itarna som ett tal. Teckeniten ehålls vid shift. Man fyller på till vänster med teckeniten.

43 Division med 2 n 1010/2 = 101 (10/2= /2 2 = 101 (20/4= /2 3 = 101 (40/8= /2 4 = 101 (80/16=5 jmfr division med 10 i asen 10: 60/10 = 6, 600/100 = 6, 6000/1000 = 6 etc.

44 Division med 2 n En division med 2 n kan göras med genom att skifta alla itar n steg till höger och att fylla på med nollor Oservera att resultatet ehöver inte li korrekt, eftersom man egentligen ehöver itar efter kommatecknet 17/4 motsvarar att skifta itar till höger Resultat: = (4 10 Eftersom ( inte kan representeras är resultatet inte korrekt!

45

46 Barrel-shifter A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A B 0 B 1 Division med (2 0, 2 1, 2 2, 2 3 dvs 1, 2, 4, 8 ( S S S S S S S = ( A A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A A 1 0 / 2 ( B B 1 0

47 Fix-tal (Fixed-point numers Två-komplementsrepresentation B= N-1. N where i {0,1} N-1 N Sign Bit Decimalt värde FiP(B=- N N (N (N-1 Detta format kallas också för Q N-1 -format eller fractional representation

48 Fixed-Point Q2-Representation 000 Se detta som ett pedagogiskt exempel: Tre-itars fixpunktstal Ett talsystem med ara 8 tal är ju i praktiken oanvändart!

49 Fixed-Point Q2-Representation ,75 0,5 0,25 0 0,25 0,5 0,

50 Maximalt kvantiseringsfel Q MQE: QE: Maximum Quantization Error: Since not all numers can e represented, quantization errors occur.

51 Multiplikation i Q-formatet Multiplikation orsakar inte overflow i Q-formatet, men kan resultera i förlust av precision ( ( = ( (Q4-format = ( (Q2-format Generellt: Q Q2 Utökade teckenitar ehålles Q4 kan vara smart att avrunda

52 Q-formatet Fixpunktsmultiplikation och fixpunktsdivision utnyttjar samma hårdvara som heltalsmultiplikation och heltalsdivision. Användning: Digitala filter tex. ljudkortet

53

54 Flyt-tal (eng. Floating-Point Numers Ett flyt-tal representeras med en tecken-it, exponent-itar och en mantissa ( fraktionsitar S Exponent Mantissa Sign-Bit exp m Värdet eräknas som FlP(B = (-1 s * (1.m * 2 ±exp Ofta är exp iaserad (har en offset, vilket då ger FlP(B = (-1 s * (1.m * 2 exp-(ias

55 IEEE-754 Flyttals-standarden IEEE-754 definierar ett 32- it flyttal som S 2 7 exp m 2-23 Exponent Mantissa exp m 0 Värdet eräknas för en 8-itars exponent enligt nedan FlP(B = (-1 s * (1.m * 2 exp-(127 Specialla it pattern har reserverats för att representera negativ och positiv nolla

56 Floating-Point Numers (IEEE Exponent Values 1 to 254: normalized non-zero floating-point numers; iased exponent ( Exponent of zero and fraction of zero: positive or negative zero Exponent of ones and fraction of zero: positive or negative infinity Exponent of zero and fraction of non-zero: Denormalized numer (true exponent is 126, represent numers from 0 to FlP(B = (-1 s * (0.m * Exponent of ones with a non-zero fraction: NotANumer (Exception Condition There is also a standard for a 64-it numer

57 IEEE 32 it float Tecken 1 it, exponent 8 itar, signifikand (mantissa 23 itar. Genom att exponenteten skrivs exess 127 kan flyttal storlekssorteras med vanlig heltalsaritmetik! Behandlas igen i Datortekniken

58 Decimalt additionsexempel a = = normalized = = aligned = Det tal som är minst (här skiftas (align så åda talen får samma exponent. c = a Svaret kan ehöva normaliseras (skiftas Flyttalsoperationer är mycket krävande, om man inte har specialiserad hårdvara - addition kan vara mer krävande än multiplikation! 5

59 Addition med flyttal Givet två flyttal: c = = a + ( a ( + ( + ( a a = = a 2 2 frac frac ( a ( 2 2 a a exp exp Summan av dessa tal är: frac frac frac frac exp exp exp exp *2 *2 a exp exp,, Det tal som är minst skiftas if if a exp exp a exp exp

60 Sutraktion med flyttal Givet två flyttal: a = = frac frac 2 2 Differensen mellan dessa tal är: c = a = ( a ( frac frac ( ( a frac frac a 2 2 ( a ( exp exp a a exp exp exp exp *2 *2 a exp exp,, Det tal som är minst skiftas if if a exp exp a exp exp

61 Decimalt multiplikationsexempel c a c c = a = 4, = 4, , = 2, = 5, normalisera 5 Resultatet har fler siffror än vad som ryms avrunda. = 25, Multiplikation inneär att man gör en addition av exponenterna, och en multiplikation med fraktionsdelarna. Svaret måste sedan normaliseras (skiftas.

62 Multiplikation med flyttal Givet två flyttal: a = = a a* frac frac 2 2 Produkten av dessa tal är: c = = a exp exp ( * 2 a + a frac frac exp Enklare! exp

63 Givet två flyttal: Division med flyttal a = frac frac 2 2 Kvoten mellan dessa tal är: c = = = a a / a exp exp ( / 2 a a frac frac exp exp

64 Uppstädning efter flyttalsoperationer... När en flyttals-operation är klar måste den normaliseras Mantissans skiftas tills dess första it är 1 För varje skift-steg så räknas exponenten upp eller ned med ett. Mantissans itar till höger om den första ettan sparas FlP(B = (-1 s * (1.m * 2 exp-(127 Om exponenten är noll är mantissans första it 0 FlP(B = (-1 s * (0.m * 2 -(126

65 Flyttalsenhet Det krävs mycket kod och eräkningstid för att utföra flyttalsoperationer med en dator som saknar hårdvarustöd för detta. PC-datorerna har haft inyggda flyttalsenheter från och med 486 (1989.

66 Dyraste mjukvaruuggen? ESA rocket crashes at launch doule (64-itars flyttal Översättningen lev fel rymdes inte! signed short int (16-itars 2-komplementtal Användes i systemet för horisontel ias Någon hade sovit under föreläsningen aritmetik2!

67 Fixed-Point vs. Floating-Point Fixed-Point operationer fungerar pss som heltals-operations och är snaare Fixed-point värden ehöver skalas, vilket ofta leder till förlust av precision Kostnaden för att ygga hårdvara är signifikant större för flyttalsprocessorer/räknare

68 Sammanfattning Multiplikation och division av heltal Konvertera negativa tal till sitt positiva dito. Utför multiplikationen eller divisionen Håll reda på vilket tecken resultatet skall ha Konvertera positivt resultat till sitt negativa dito om resultatet skall vara negativt Multiplikation med potenser av 2 (mul med 2 k Implementeras som ett skift till vänster med k steg Division med potenser av 2 (div med 2 k Implementeras som ett (aritmetiskt skift till höger med k steg. Teckeniten kopieras till vänster.

69