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Università degli Studi di
Cassino e del Lazio MeridionaleC. Marrocco
Rappresentazione dei numeri
• Base di numerazione: dieci
– Cifre: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
• Rappresentazione posizionale
– possibile per la presenza dello zero
Esempio:
3201 = (3·103) + (2·102) + (0·101) + (1·100)
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In generale
• Rappresentazione in base B B-1 cifre
– 0 1 2 … B-1
• Conversione verso la base decimale:
– dn-1dn-2 ... d2d1d0 è un numero a n cifre
– valore =
dn-1 · Bn-1 + dn-2 · Bn-2 + ... + d2 · B2 + d1 · B1 + d0 · B0
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Altre basi
• B=2 :
– cifre: 0 1
– 1011010
1·26 + 0·25 + 1·24 + 1·23 + 0·22 + 1·2 + 0·1 =
64 + 16 + 8 + 2 = 90 7 cifre binarie 2 cifre decimali
• B=16 :
– cifre: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
– 524
5·162 + 2·16 + 4·1 = 1316
3 cifre esadecimali 4 cifre decimali
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Quale base usare ?
• Decimale
– naturale per gli esseri umani.
• Esadecimale
– utile (agli esseri umani) per esaminare lunghe stringhe di
bit
• Binaria
– rappresentazione ottimale per il calcolatore
… perché non usare una codifica binaria
della rappresentazione in base 10 ?
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Conversione base 10 base 2 (interi)
• Come ottenere la rappresentazione in base 2 di un
numero intero T rappresentato in base 10 ?
• Supponiamo:
T = cn-1·2n-1 + cn-2·2
n-2 + … + c2·22 + c1·2
1 + c0·20
ci{0,1}
• Non conosciamo:
– le cifre ci
– il numero di cifre n
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Conversione base 10 base 2 (interi)
T = cn-1·2n-1 + cn-2·2
n-2 + … + c2·22 + c1·2
1 + c0·20 =
= (cn-1·2n-2 + cn-2·2
n-3 + … + c2·21 + c1) ·2 + c0 =
= Q0·2 + c0
Q0= T div 2 c0 = T mod 2
Q0 = (cn-1·2n-3 + cn-2·2
n-4 + … + c2)·2 + c1 = Q1·2 + c1
Q1 = Q0 div 2 c1 = Q0 mod 2
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Conversione base 10 base 2 (interi)
• In generale, per ottenere la rappresentazione in base 2 di un
numero intero rappresentato in base 10, se non si conoscono
né le cifre né il numero di cifre, basta dividere il numero per la
base e prendere il resto in ordine inverso.
Es.:
43/2 = 21 con resto 1
21/2 = 10 con resto 1
10/2 = 5 con resto 0 4310 = 110112
5/2 = 2 con resto 1
2/2 = 1
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Aritmetica in base 2
Le operazioni aritmetiche si svolgono in maniera analoga a
quanto si fa in base 10.
+ 0 1
0 0 1
1 1 10
* 0 1
0 0 0
1 0 1 “tavola pitagorica” in
base 2
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Aritmetica in base 2
1 1
1 1 1 +
1 1 0 =
1 1 0 1
1 0 1 *
1 1 =
1 0 1
1 0 1
1 1 1 1
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Aritmetica dei registri
• I registri di memoria sono supporti di lunghezza finita
• Ciò impone delle restrizioni all’insieme di numeri
rappresentabili e, di conseguenza, dei vincoli all’aritmetica
• Registro a N bit 2N valori diversi rappresentabili
– Es.: 8 bit 256 valori
possibile rappresentare l’intervallo [0, 255]
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Aritmetica dei registri
0 1 1 0 1 1 0 1 +
1 0 0 0 1 0 0 1 =
1 1 1 1 0 1 1 0
1 0 9 +
1 3 7 =
2 4 6
Non ci sono problemi nel caso in cui l’operazione produce un
risultato rappresentabile nel registro
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Aritmetica dei registri
1 1 1 0 1 1 0 1 +
1 0 0 0 1 0 0 1 =
1 0 1 1 1 0 1 1 0
2 3 7 +
1 3 7 =
3 7 4
1 1 8
Se l’operazione fornisce un risultato R non rappresentabile, si produce
un riporto uscente dal registro, mentre all’interno rimane una parte
della rappresentazione del risultato (l’aritmetica dei registri a N bit è
caratterizzata da una congruenza mod 2N : R mod 2N)
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Rappresentazione dei numeri relativi
• Rappresentazione in segno e modulo
• Rappresentazione in complementi alla base
• Rappresentazione per eccessi
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Rappresentazione dei numeri negativi
• Dobbiamo tener conto del segno del numero.
• La soluzione più immediata è quella di utilizzare un bit del
registro come segno del numero. I restanti bit
costituiscono il numero in valore assoluto.
• L’intervallo di rappresentazione è [-2N-1+1 , +2N-1-1].
+/- modulo
Possibile
convenzione:
0 + 1 -
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Rappresentazione dei numeri negativi
• La posizione del bit di segno diventa di notevole
importanza.
• Con questa rappresentazione si ha un’ambiguità nello 0.
Lo zero può essere rappresentato sia dalla stringa tutti
zero sia dalla stringa uno (come bit di segno) seguito da
tutti zero.
• Le operazioni diventano alquanto complicate. Somma e
sottrazione sono operazioni nettamente diverse.
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Rappresentazione in complemento alla base
• Complementi alla base: i numeri aventi segno
negativo sono rappresentati come complemento a 2
del numero rappresentato.
• La rappresentazione di un numero x nell’intervallo è
data da R(x)=(x+2N) mod 2N.
• Il bit più significativo è indicativo del segno (“bit di
segno”). In questo caso il valore 1 rappresenta il
segno negativo.
• L’intervallo di numeri rappresentati è [-2N-1 , +2N-1-1].
Si risolve l’ambiguità dello zero che viene
rappresentato dalla stringa tutti zero mentre la
stringa 1 e tutti zero ora rappresenta il -1.
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Calcolo rapido del complemento alla base
• Per ottenere rapidamente la rappresentazione in
complemento alla base di un numero negativo su N bit
– si estrae la rappresentazione del valore assoluto del
numero su N bit
– si complementano le cifre ad una ad una
– si aggiunge 1
Es.: complemento alla base su 8 bit di -33
3310 =00100001
Complemento tutti i bit ottenendo 11011110
Poi aggiungo 1: 11011110 + 1 = 11011111
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Operazioni in complemento alla base
• Un ulteriore vantaggio dei complementi è che
l’uguaglianza tra le operazioni di somma e differenza.
• Le addizioni si realizzano direttamente sulle
rappresentazioni in quanto R(x + y) = R(x) + R(y)
• Anche le sottrazioni si valutano tramite addizioni,
ponendo x-y come x+(-y); di conseguenza
R(x-y) = R(x) + R(-y)
• Nel caso in cui l’operazione produce un numero al di fuori
dell’intervallo di rappresentazione si ha un overflow.
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Operazioni in complemento alla base
Supponendo di avere 4 bit a disposizione:
+4 0100 +4 0100
+2 + 0010 -2 +1110
+6 0|0110 +2 1|0010
-4 1100 +5 0101 -6 1010
-2 + 1110 +4 +0100 -3 +1101
-6 1|1010 -7 0|1001 +7 1|0111
overflow
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Rappresentazione per eccessi
• Un altro metodo per la rappresentazione
dei numeri interi è dato dagli eccessi.
• La rappresentazione di un numero x
nell’intervallo è data da R(x) = x+2N-1.
• Anche in questo caso il bit più
significativo è indicativo del segno ma
questa volta lo zero rappresenta i numeri
negativi.
• L’intervallo di numeri rappresentati è
[-2N-1,+2N-1-1]. Lo 0 è rappresentato dalla
stringa 1 e tutti 0.
00000 -16
00001 -15
00010 -14
00011 -13
. .
. .
01110 -2
01111 -1
10000 0
10001 +1
10010 +2
. .
. .
11101 +13
11110 +14
11111 +15
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Operazioni in eccessi
• Le addizioni si realizzano direttamente sulle
rappresentazioni in quanto R(x+y) = R(x) + R(y)
• Anche le sottrazioni si valutano tramite addizioni,
ponendo x-y come x+(-y); di conseguenza
R(x-y) = R(x) + R(-y)
• Siccome R(x) + R(y) = x + y + 2N-1 + 2N-1, il risultato
necessita di una correzione
• Nel caso in cui l’operazione produce un numero al di
fuori dell’intervallo di rappresentazione si ha un
overflow
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Confronto tra complementi alla base ed
eccessi
• Entrambe permettono di realizzare una sottrazione
tramite addizione (macchine aritmetiche più semplici).
• Le operazioni in eccessi richiedono un aggiustamento
finale.
• La rappresentazione in complementi rende più difficile
il confronto.