7. Формы представления чисел в эвм. Двоичная арифметика. Представление отрицательных чисел. Выполнение арифметических действий в эвм.
В различных ЭВМ может быть различная длина ячейки памяти и различные формы представления чисел. Пусть, например, ячейка памяти машины имеет 24 двоичных разряда. В ячейку можно поместить любое машинное слово, т.е. произвольный набор из нулей и единиц. Если слово - число, то его представление может быть таким: крайний слева разряд - знаковый, затем следующие 9 разрядов отводятся под целую часть, затем следует разряд под запятую и, наконец, оставшиеся 14 разрядов отводятся под дробную часть числа.
Диапазон чисел, которые можно записать в ячейку памяти машины, здесь таков:
2-14
| а | < 29
.
Для увеличения диапазона представимых чисел используют другую форму записи чисел - с плавающей запятой. Любое число в системе счисления с основанием Q можно записать как
а = А* QP,
где А называют мантиссой числа, а Р - порядком.
Очевидно, что такое представление не однозначно. Так, например, число 3,14 можно записать в виде:
3,14 = 3,14*100 = 31,4*10-1 = 0,0314*102 = ...
Порядок числа определяет положение запятой в записи мантиссы. При корректировке порядка соответствующим образом меняется и положение запятой - запятая как бы “плавает”. Отсюда и название метода представления чисел.
Для однозначного представления чисел в форме с плавающей запятой их нормализуют. Число а называется нормализованным, если выполняется условие:
1/ Q | A | < 1,
где Q - основание системы счисления, а А - мантисса.
Так, для двоичной системы счисления 0,5 | A | <1.
При представлении чисел с плавающей запятой в ячейке памяти ЭВМ нулевой разряд отводят под знак числа, первый - под знак порядка, в следующих семи разрядах, т.е. со 2-го по 8-й - порядок, и, наконец, с 9-го по 23-й разряды отводятся под мантиссу числа. Причем знак “+” обозначается нулем, а знак “-” обозначается единицей, как для знака числа, так и для знака порядка.
8. Логические элементы ЭВМ. Алгебра логики. Законы алгебры логики.
Для описания логики функционирования аппаратных и программных средств ЭВМ используется алгебра логики или, Булева алгебра. Основоположником этого раздела математики был Дж. Буль.
Булева алгебра оперирует с логическими переменными, которые могут принимать только два значения: истина или ложь, обозначаемые соответственно 1 и 0.
Совокупность значений логических переменных x1, x2, ..., xn называется набором переменных.
Логической функцией от набора логических переменных (аргументов) F(x1, x2, ..., xn ) называется функция, которая может принимать только два значения: истина или ложь (1 или 0). Любая логическая функция может быть задана с помощью таблицы истинности, в левой части которой записываются возможные наборы аргументов, а в правой — соответствующие им значения функции. Логическую функцию порой называют функцией алгебры логики (ФАЛ).
В случае большого числа аргументов табличный способ задания функции алгебры логики становится громоздким, поэтому ФАЛ удобно выражать через другие, более простые ФАЛ.
Общее число ФАЛ n переменных определяется возведением числа 4 в степень n, т. е. 4n. Существуют четыре ФАЛ одной логической переменной.
Функции F0(х) = 0 и F3(х)
= 1 являются константами (функции не
изменяются при изменении аргумента).
Функция F1(х) = х повторяет
значение аргумента х. Функция F2(x)
называется отрицанием переменной или
инверсией и обозначается так: F2(x)
=
.
Число ФАЛ двух
переменных x1
и x2
равно 16: F0(x)
...
F15(x).
Шесть функций являются вырожденными:
F0(x)
= 0, F3(x)
= x1,
F5(x)
= x2,
F10(x)
=
,
F12(x)
=
,
F15(x)
= 1.
Из оставшихся десяти логических функций широкое распространение имеют функции F1(х) (конъюнкция или логическое умножение) и F7(х) (дизъюнкция или логическое сложение), которые совместно с функцией инверсии составляют функционально полную систему логических функций. С помощью этих трех функций можно представить (аналитически выразить) любую сколь угодно сложную логическую функцию. Очень важной для вычислительной техники является логическая функция исключающее ИЛИ (неравнозначность, сложение по модулю два). Функция исключающее ИЛИ обозначается символом Å. Ниже приведены таблицы истинности для этих трех функций.
Логические переменные, объединенные знаками логических операций, составляют логические выражения. При определении значения логического выражения принято следующее старшинство (приоритет) логических операций: сначала выполняется инверсия, затем конъюнкция и в последнюю очередь — дизъюнкция. Для изменения указанного порядка используют скобки.
Рассмотрим аксиомы, тождества и основные законы алгебры логики.
В алгебре логики рассматриваются переменные, которые могут принимать только два значения: 0 и 1. Базируется алгебра логики на отношении эквивалентности и трех упомянутых ранее операциях: дизъюнкции (синонимы — логическое сложение, операция ИЛИ), конъюнкции (логическое умножение, операция И) и отрицании (инверсия, операция НЕ).
Отношение эквивалентности обозначается знаком =.
Дизъюнкция обозначается знаком Ú, а иногда символом +.
Конъюнкция обозначается символом Ù либо точкой, которую можно опускать.
Отрицание обозначается чертой над
переменной:
.
Алгебра логики определяется следующей системой аксиом:
x = 0, если x ¹ 1.
x = 1, если x ¹ 0.
1 Ú 1 = 1 0 Ù 0 = 0
0 Ú 0 = 0 1 Ù 1 = 1
0 Ú 1 = 1 Ú 0 = 1 1 Ù 0 = 0 Ù 1 = 0
.
Если в аксиомах произвести взаимную замену операций дизъюнкции и конъюнкции, а также элементов 0 и 1, то из одной аксиомы данной пары получается другая. Это свойство называется принципом двойственности.