Εισαγωγή στην επιστήµη των υπολογιστών. Πράξεις µε µπιτ

Transcript

1 Εισαγωγή στην επιστήµη των υπολογιστών Πράξεις µε µπιτ 1

2 Πράξεις µε µπιτ 2

3 Αριθµητικές Πράξεις σε Ακέραιους Πρόσθεση, Αφαίρεση, Πολλαπλασιασµός, Διαίρεση Ο πολλαπλασιασµός και η διαίρεση στο επίπεδο του λογισµικού βασίζονται στην πρόσθεση και την αφαίρεση αντίστοιχα 3

4 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Πλήθος µονάδων Αποτέλεσµα Κρατούµενο Καµία 0 Μία 1 Δύο 0 1 Τρεις 1 1 Κανόνας πρόσθεσης ακεραίων σε µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Προσθέτουµε δύο µπιτ και µεταφέρουµε το κρατούµενο στην επόµενη στήλη. Αν υπάρχει κάποιο τελικό κρατούµενο µετά την πρόσθεση στην πιο αριστερή στήλη, το αγνοούµε. 4

5 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Προσθέστε δύο αριθµούς σε αναπαράσταση συµπληρώµατος ως προς δύο, µε µήκος µπιτ 8 : (+17) + (+22) (+39) 5

6 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Προσθέστε δύο αριθµούς σε αναπαράσταση συµπληρώµατος ως προς δύο, µε µήκος µπιτ 8: (+17) + (+22) (+39) Λύση Κρατούµενο Αποτέλεσµα Το αποτέλεσµα είναι 39 στο δεκαδικό σύστηµα. 6

7 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Προσθέστε το 24 και το 17. Και οι δύο αριθµοί είναι σε µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο, µε µήκος µπιτ 8. (+24) + ( 17) (+7) 7

8 Πως µετατρέπουµε έναν αρνητικό αριθµό σε δυαδική µορφή σε µορφή συµπληρώµατος ως προς 2; 8

9 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Προσθέστε το 24 και το 17. Και οι δύο αριθµοί είναι σε µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο, µε µήκος µπιτ 8 (+24) + ( 17) (+7) Λύση Κρατούµενο Αποτέλεσµα Προσέξτε ότι το αποτέλεσµα είναι +7 και ότι το τελευταίο κρατούµενο (από την πιο αριστερή στήλη) αγνοείται 9

10 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Προσθέστε το 35 και το 20. Και οι δύο αριθµοί είναι σε µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο. ( 35) + (+20) ( 15) 10

11 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Προσθέστε το 35 και το 20. Και οι δύο αριθµοί είναι σε µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο. ( 35) + (+20) ( 15) Λύση Κρατούµενο Αποτέλεσµα Προσέξτε ότι το αποτέλεσµα είναι 15 (το συµπλήρωµα ως προς δύο του αποτελέσµατος είναι το 15). 11

12 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Προσθέστε το 127 και το 3. Και οι δύο αριθµοί είναι σε µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο, µε µήκος µπιτ 8 (+127) + (+3) (+130) 12

13 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Προσθέστε το 127 και το 3 αφού τους µετατρέψετε σε µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο, µε µήκος µπιτ 8. (+127) + (+3) (+130) 13

14 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Προσθέστε το 127 και το 3. Και οι δύο αριθµοί είναι σε µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο, µε µήκος µπιτ 8. (+127) + (+3) (+130) Λύση Κρατούµενο Αποτέλεσµα

15 Πρόσθεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Εδώ αµέσως παρατηρούµε ένα σφάλµα. n Το πιο αριστερό µπιτ του αποτελέσµατος είναι το 1, πράγµα που σηµαίνει ότι ο αριθµός είναι αρνητικός (εµείς περιµέναµε θετικό αριθµό). n Ποιος είναι αυτός ο αριθµός; w => w Το συµπλήρωµα ως προς δύο είναι το 126. w Άρα ο αριθµός είναι το 126 αντί για το 130. w Το αποτέλεσµα αυτό οφείλεται στην υπερχείλιση 15

16 Υπερχείλιση Υπερχείλιση (overflow) ονοµάζεται το σφάλµα που παρουσιάζεται όταν προσπαθούµε να αποθηκεύσουµε έναν αριθµό ο οποίος δεν είναι στο διάστηµα τιµών που ορίζεται από τη δέσµευση Διάστηµα τιµών αριθµών στην αναπαράσταση συµπληρώµατος ως προς δύο: 2 N-1 0 (2 N-1 1) 16

17 Υπερχείλιση 127+1=-128!!! 127+3= =127!!! 17

18 Αφαίρεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο Αριθµός 1 Αριθµός 2 Είναι ισοδύναµο µε Αριθµός 1 + ( Αριθµός 2) Αφαιρέστε το 62 από το 101 σε µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο (+101) (+62) (+101) + ( 62) (+39) 18

19 Αφαίρεση στη µορφή συµπληρώµατος ως προς δύο (+101) (+62) (+101) + ( 62) (+39) Λύση Κρατούµενο Αποτέλεσµα Το αποτέλεσµα είναι +39. Παρατηρήστε ότι το πιο αριστερό κρατούµενο αγνοείται. 19

20 Αριθµητικές Πράξεις σε Αριθµούς Κινητής Υποδιαστολής Ελέγχονται τα πρόσηµα. n Αν τα πρόσηµα είναι τα ίδια, προστίθενται οι αριθµοί και αντιστοιχίζεται το πρόσηµο στο αποτέλεσµα. n Αν τα πρόσηµα είναι διαφορετικά, συγκρίνονται οι απόλυτες τιµές, αφαιρείται η µικρότερη από τη µεγαλύτερη, και χρησιµοποιείται το πρόσηµο της µεγαλύτερης στο αποτέλεσµα. Μετακινούνται οι υποδιαστολές ώστε να εξισωθούν οι εκθέτες. Αυτό σηµαίνει ότι αν οι εκθέτες δεν είναι ίδιοι, µετατίθεται προς τα αριστερά η υποδιαστολή του αριθµού µε τον µικρότερο εκθέτη ώστε οι εκθέτες να εξισωθούν. Προστίθενται ή αφαιρούνται τα δεκαδικά µέρη σηµαινόµενα τµήµατα (τόσο συµπεριλαµβάνοντας το ακέραιο µέρος όσο και το κλασµατικό µέρος). Κανονικοποιείται το αποτέλεσµα, πριν από την αποθήκευσή του στη µνήµη. Γίνεται έλεγχος για υπερχείλιση. 20

21 Αριθµητικές Πράξεις σε Αριθµούς Κινητής Υποδιαστολής Προσθέστε δύο αριθµούς κινητής υποδιαστολής Λύση n Ο εκθέτης του πρώτου αριθµού είναι , δηλαδή 5. Ο εκθέτης του δεύτερου αριθµού είναι , δηλαδή 3. Άρα οι αριθµοί έχουν ως εξής: n ,1011 n ,011 21

22 Αριθµητικές Πράξεις σε Αριθµούς Κινητής Υποδιαστολής Εξισώνουµε τους εκθέτες και προσθέτουµε: , ,01011 (Στο βιβλίο είναι λάθος!) ,00001 Τώρα κανονικοποιούµε το αποτέλεσµα: , O αριθµός αποθηκεύεται στον υπολογιστή µε την εξής µορφή: (6+127=133) (το κλασµατικό µέρος του 1,000001) 22

23 Λογικές Πράξεις Η τιµή ενός µπιτ µπορεί να είναι είτε 0 είτε 1. Θεωρούµε ότι n το 0 αντιπροσωπεύει τη λογική τιµή ψευδής (false) και n το 1 αντιπροσωπεύει τη λογική τιµή αληθής (true) Άρα, ένα µπιτ που έχει αποθηκευτεί στη µνήµη ενός υπολογιστή αντιπροσωπεύει µια λογική τιµή, η οποία είναι είτε αληθής είτε ψευδής 23

24 Λογικές Πράξεις Η τιµή ενός µπιτ µπορεί να είναι είτε 0 είτε 1. Αν θεωρήσουµε ότι n το 0 αντιπροσωπεύει τη λογική τιµή ψευδής (false) και n το 1 αντιπροσωπεύει τη λογική τιµή αληθής (true) τότε µπορούµε για τον χειρισµό των δεδοµένων να εφαρµόζουµε τις πράξεις που ορίζονται στην Άλγεβρα Boole Η Άλγεβρα Boole κατατάσσεται σ ένα ειδικό πεδίο των µαθηµατικών που ονοµάζεται Λογική) 24

25 Λογικές Πράξεις 25

26 Πίνακες Αλήθειας 26

27 Μονοµελής Τελεστής 27

28 Ο Διµελής Τελεστής ΑΝD 28

29 Ο Διµελής Τελεστής OR 29

30 Ο Διµελής Τελεστής XOR 30

31 Εφαρµογές Οι τρεις λογικές διµελείς πράξεις χρησιµοποιούνται για την τροποποίηση σχηµάτων µπιτ. Μπορούν n n n να ενεργοποιούν, να απενεργοποιούν, ή να αντιστρέφουν συγκεκριµένα µπιτ Το σχήµα µπιτ προς τροποποίηση έρχεται n n n Σε σύζευξη (AND), Σε διάζευξη (OR), ή Σε αποκλειστική διάζευξη (XOR) µε το δεύτερο σχήµα µπιτ, το οποίο ονοµάζεται µάσκα 31

32 Εφαρµογές - Μάσκες Οι µάσκες χρησιµοποιούνται για την τροποποίηση άλλων σχηµάτων µπιτ 32

33 Εφαρµογή του τελεστή ΑΝD: Απενεργοποίηση συγκεκριµένων µπιτ Μια εφαρµογή του τελεστή AND είναι η απενεργοποίηση συγκεκριµένων µπιτ ενός σχήµατος n δηλ. η επιβολή της τιµής 0 σε αυτά Για να γίνει αυτό χρησιµοποιείται µια µάσκα απενεργοποίησης µε το ίδιο πλήθος µπιτ, και µε τιµή 0 στα µπιτ που αντιστοιχούν σε αυτά που θέλουµε να απενεργοποιήσουµε. 33

34 Κανόνες κατασκευής µάσκας απενεργοποίησης συγκεκριµένων µπιτ Για να απενεργοποιηθεί ένα µπιτ στο σχήµα προορισµού, το αντίστοιχο µπιτ στη µάσκα πρέπει να είναι 0. Για να µείνει ένα µπιτ στο σχήµα προορισµού ως έχει, το αντίστοιχο µπιτ της µάσκας πρέπει να είναι 1. 34

35 Παράδειγµα Χρησιµοποιείστε µια µάσκα για να απενεργοποιήσετε το 1 o και 3 o από αριστερά και το δύο πρώτα µπιτ από δεξιά ενός σχήµατος µπιτ µήκους 8. Λύση: η µάσκα είναι και ο τελεστής AND 35

36 Εφαρµογή του τελεστή ΟR: Eνεργοποίηση συγκεκριµένων µπιτ Μια εφαρµογή του τελεστή OR είναι η ενεργοποίηση συγκεκριµένων µπιτ ενός σχήµατος n δηλ. η επιβολή της τιµής 1 σε αυτά Για να γίνει αυτό χρησιµοποιείται µια µάσκα ενεργοποίησης µε το ίδιο πλήθος µπιτ και µε τιµή 1 στα µπιτ που αντιστοιχούν σε αυτά που θέλουµε να ενεργοποιήσουµε 36

37 Κανόνες κατασκευής µάσκας ενεργοποίησης συγκεκριµένων µπιτ Για να ενεργοποιηθεί ένα µπιτ στο σχήµα προορισµού, το αντίστοιχο µπιτ στη µάσκα πρέπει να είναι 1. Για να µείνει ένα µπιτ στο σχήµα προορισµού ως έχει, το αντίστοιχο µπιτ της µάσκας πρέπει να είναι 0. 37

38 Παράδειγµα Χρησιµοποιείστε µια µάσκα για να ενεργοποιήσετε τα 4 αριστερά µπιτ και το πρώτο δεξί µπιτ ενός σχήµατος µπιτ µήκους 8. Λύση: η µάσκα είναι και ο τελεστής που θα χρησιµοποιηθεί είναι ο OR 38

39 Εφαρµογή του τελεστή XΟR: Aντιστροφή συγκεκριµένων µπιτ Μια εφαρµογή του τελεστή ΧΟR είναι η αντιστροφή συγκεκριµένων µπιτ ενός σχήµατος n δηλ. η αλλαγή της τιµής από 0 σε 1 και το αντίστροφο Για να γίνει αυτό χρησιµοποιείται µια µάσκα αντιστροφής µε το ίδιο πλήθος µπιτ και µε τιµή 1 στα µπιτ που αντιστοιχούν σε αυτά που θέλουµε να αντιστρέψουµε. 39

40 Πίνακες Αλήθειας 40

41 Κανόνες κατασκευής µάσκας αντιστροφής συγκεκριµένων µπιτ Για να αντιστραφεί ένα µπιτ στο σχήµα προορισµού, το αντίστοιχο µπιτ στη µάσκα πρέπει να είναι 1. Για να µείνει ένα µπιτ ως έχει στο σχήµα προορισµού, το αντίστοιχο µπιτ της µάσκας πρέπει να είναι 0. 41

42 Παράδειγµα Χρησιµοποιείστε µια µάσκα για να αντιστρέψετε τα 5 αριστερά µπιτ του σχήµατος

43 Παράδειγµα Χρησιµοποιείστε µια µάσκα για να αντιστρέψετε τα 5 αριστερά µπιτ του σχήµατος Λύση Η µάσκα είναι