Numeri con segno ed in virgola

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1 Numeri con segno ed in virgola Marco D. Santambrogio Ver. aggiornata al 20 Marzo 2016

2 Obiettivi Complemento a due Numeri in virgola 2

3 Rappresentazione dei numeri In realtà, una semplice codifica binaria come quella discussa fino ad ora non è sufficiente, per due motivi: Numeri negativi Numeri con la virgola Per questi numeri vengono utilizzate delle rappresentazioni differenti Per esempio complemento a due per rappresentare i numeri negativi 3

4 Stampa caratteri Si scriva un programma in C che stampi a video tutti i caratteri Nota: si ricorda che i caratteri sono un insieme di 256 elementi 4

5 Stampa caratteri 5

6 Stampa caratteri: int8_t 6

7 Numeri negativi Si può pensare di usare un bit per il segno 0 identifica + 1 identifica - Gli altri bit vengono usati per codificare il valore assoluto (modulo) del numero [ , 2 2-1] [0, 2 3-1]

8 Numeri negativi - problemi Con 3 bit avremo: Problemi: n Il numero 0 ha due rappresentazioni n Per l operazione di somma si deve tener conto dei segni degli addendi (+2) = (-3) (-5 ERRATO) 8

9 Stampa caratteri: unsigned 9

10 Stampa caratteri: unsigned 10

11 Il fattoriale 11

12 Il fattoriale: codice 12

13 Proviamo ad eseguirlo int sono interi con segno 13

14 Il fattoriale: unsigned int 14

15 Proviamo ad eseguirlo 15

16 Numeri negativi: Complemento a due Il bit più significativo rappresenta il segno del numero: 0 per i numeri positivi e 1 per i numeri negativi La rappresentazione di un numero positivo si ottiene codificando il valore assoluto del numero con i bit restanti La rappresentazione di un numero negativo si ottiene in tre passi: Si rappresenta in complemento a due il numeri positivo con lo stesso valore assoluto del numero negativo da codificare Si invertono tutti i bit in tale rappresentazione (0 1,1 0) Si somma uno al risultato ottenuto al passo precedente 16

17 Complemento a due Esempio (con 4 bit a disposizione): La codifica di +5 è 0101 La codifica del numero 5 avviene in tre passi: La rappresentazione in complemento a due di +5 è 0101 Invertendo tutti i bit si ottiene 1010 Sommando 1 si ottiene 1011, la rappresentazione in complemento a due di -5 17

18 Complemento a due Per ottenere un numero con segno data la sua rappresentazione in complemento a due: Se il primo bit è 0 il numero è positivo: per calcolarne il valore assoluto si esegue la conversione da binario a decimale Se il primo bit è 1 il numero è negativo: Si ignora il primo bit Si invertono i restanti bit Si converte il numero da binario a decimale Si somma uno al numero ottenuto per ottenere il valore assoluto del numero negativo 18

19 Complemento a due Esempio: 1011 Si esclude il primo bit Invertendo 011 si ottiene 100 che è codifica di 4 Va aggiunto 1 per ottenere il valore assoluto 5 Il risultato è quindi -5 19

20 Complemento a due Con 3 bit avremo: Esempi di addizione: (+2) = (-5) (-3) (+7) = (-5) (+2) Nel secondo esempio, l overflow è ignorato 20

21 E ora.. Quanto fa 0,4 * 20? 21

22 E ora.. Quanto fa 0,4 * 20? 22

23 E ora.. Quanto fa 0,4 * 20? W A T 23

24 E ora.. Quanto fa 0,4 * 20? 24

25 Numeri in virgola fissa Fino a questo punto abbiamo assunto che Un vettore di bit rappresentasse sempre un numero intero Eventualmente con segno Tutte le considerazioni fatte fino ad ora e tutti i metodi esposti continuano a valere se si attribuisce ai vettori di bit il significato di numeri in virgola fissa Un sistema di numerazione in virgola fissa è quello in cui: La posizione della virgola decimale è implicita La posizione della virgola decimale uguale in tutti i numeri La posizione della virgola equivale alla interpretazione del valore intero moltiplicato per un fattore di scala 25

26 Numeri in virgola fissa: fattore di scala Si consideri ad esempio il vettore di k+n bit (k bit per rappresentare la parte intera e n bit per rappresentare la parte frazionaria): B = b k-1... b 0,b B -n Il suo valore è dato da V(B) = b k-1 x2 k b 0 x2 0 + b -1 x b -n x2 -n Il fattore di scala che consente di passare dalla rappresentazione intera a quella a virgola fissa è pari a parte frazionaria S n = 2 -n = 1 / 2 n Detti V I il valore intero e V VF il valore in virgola fissa di B: V VF (B) = V I (B) x S n = V I (B) x 2 -n 26

27 Esempio Si consideri il vettore binario: B = Il suo valore in virgola fissa è: V VF (B) = = / / / 16 = 43 / 16 = Il fattore di scala da utilizzare per la conversione è: S 5 = 2-5 = 1 / 32 = Il valore di B, considerandolo intero è: V I (B) = = = 86 Da cui, moltiplicando per il fattore di scala, si ha: V VF (B) = V I (B) x S 5 = 86 x =

28 Numeri in virgola mobile Codifica in virgola mobile per i numeri in base 10 Un numero in virgola mobile è composto da diverse parti: Si dice normalizzato un numero in cui 1 M < Segno Mantissa Esponente Facilmente estendibile al sistema di numerazione binario In un numero binario in virgola mobile e normalizzato La prima cifra della mantissa è sempre 1 (1 M < 2) Tale cifra non viene rappresentata esplicitamente 28

29 Numeri in virgola mobile Valori rappresentabili IEEE standard: Numeri floating-point in singola precisione S E M 1 bit Segno 8 bit Esponente 23 bit Mantissa L esponente utilizza la codifica in eccesso 127, e cioè il valore effettivo dell esponente è pari a (E-127) E = 0 e M = 0 Rappresenta lo zero (pos/neg) E = 255 e M = 0 Rappresenta infinito (pos/neg) E = 255 e M!=0 NotANumber 0<E<255 (-1) s x 2 (E-127) x (1,M) (127 E 254 esp.positivi 126 E 1esp.negativi) E = 0 e M!=0 (-1) s x x (0,M) non normalizzati Standard IEEE 32 bit: intervallo rappresentato -1.M x x +1.M x La precisione consentita è di circa 7 cifre decimali 29

30 Numeri in virgola mobile: Valori rappresentabili Motivazione della rappresentazione non normalizzata E = 0 e M!=0 (-1) s x x (0,M) non normalizzati Il valore più piccolo rappresentabile normalizzato è ± x 1,00 00 = ± che espresso in virgola mobile da E=1 e M = ? rappresentazione non normalizzata E=0 e M!= 0 Interpretata nel modo seguente: Valore numerico = ± x 0, Il più piccolo valore rappresentabile è ± x 0,00 01 = ± x 2 23 = ±

31 Come passo da DEC a BIN? Come rappresentiamo il numero 3, in binario? 1 bit di segno 8 bit di esponente 23 bit di mantissa 31

32 3, in binario: segno La ricerca del segno è semplice 0 per indicare un segno + 1 per indicare un segno - 32

33 3, in binario: mantissa 3, è composto da 3 e 0,375 3 in binario (N>0, divido per 2): 11 0,375 in binario (N<0, moltiplico per 2) 0,375 x 2 = 0,750 e quindi 0 e 0,750 0,750 x 2 = 1,5 e quindi 1 e 0,5 0,5 in binario? 0,5 x 2 = 1,0 e quindi 1 e 0 0 in binario?... ZERO E quindi 3, è

34 3, in binario: mantissa E quindi 3, è Ricordiamo La prima cifra della mantissa è sempre 1 Quindi devo normalizzare! E come si normalizza? 34

35 Op virgola mobile: Normalizzazione Tutte le operazioni descritte nel seguito operano su numeri normalizzati (1 implicito prima della virgola) Se l 1 implicito manca, la normalizzazione di un numero con mantissa M ed esponente n, si esegue come segue: Si fa scorrere verso sinistra la mantissa M fino al primo uno, compreso; sia k il numero di posizioni di tale scorrimento Si sottrae k all esponente n Da ricordare: Scorrimento a sx equivale a moltiplicazione Scorrimento a dx equivale a divisione 35

36 3, in binario: mantissa normalizzata E quindi 3, è > x 2 1 Mantissa =

37 3, in binario: esponente Esponente (eccesso 127) = L uno deriva dalla normalizzazione delle mantissa: > x

38 3, in binario Come rappresentiamo il numero 3, in binario? 1 bit di segno: 0 8 bit di esponente: (128) 23 bit di mantissa: Mettiamo tutti insieme: 3, =

39 Operazioni in virgola mobile Le operazioni che si possono compiere su numeri in virgola mobile sono: Somma Sottrazione Moltiplicazione Divisione Elevamento a potenza Estrazione di radice Inoltre sono definite le operazioni di: Normalizzazione (già vista) Troncamento 39

40 Operazioni in virgola mobile L esecuzione di una operazione in virgola mobile può provocare una eccezione Una eccezione è il risultato di una operazione anomala, quale, ad esempio: Divisione per zero Estrazione della radice quadrata di un numero negativo Le eccezioni che vengono generate dalle unità aritmetiche in virgola mobile sono: Operazione non valida Divisione per zero Overflow Underflow 40

41 Userete ad esercitazione 41

42 Op virgola mobile: Somma e Sottrazione La somma o sottrazione tra numeri in virgola mobile viene eseguita secondo i seguenti passi: Si sceglie il numero con esponente minore Si fa scorrere la sua mantissa a destra un numero di bit pari alla differenza dei due esponenti Si assegna all esponente del risultato il maggiore tra gli esponenti degli operandi Si esegue l operazione di somma (algebrica) tra le mantisse per determinare il valore ed il segno del risultato Si normalizza il risultato così ottenuto Non sempre quest ultima operazione è necessaria Attenzione!!! Il riporto si può propagare anche dopo la posizione della virgola 42

43 Op virgola mobile: Moltiplicazione La moltiplicazione tra numeri in virgola mobile viene eseguita secondo i seguenti passi: Si sommano gli esponenti e si sottrae 127 Si calcola il risultato della moltiplicazione delle mantisse Si determina il segno del risultato Si normalizza il risultato così ottenuto Non sempre quest ultima operazione è necessaria La sottrazione di 127 dalla somma degli esponenti è necessaria in quanto sono rappresentati in eccesso 127 E a,127 = E a E b,127 = E b E axb,127 = E axb = (E a + 127) + (E b + 127)

44 Op virgola mobile: Divisione La divisione tra numeri in virgola mobile viene eseguita secondo i seguenti passi: Si sottraggono gli esponenti e si somma 127 Si calcola il risultato della divisione delle mantisse Si determina il segno del risultato Si normalizza il risultato così ottenuto Non sempre quest ultima operazione è necessaria La somma di 127 alla differenza degli esponenti è necessaria in quanto sono rappresentati in eccesso 127 E a,127 = E a E b,127 = E b E a/b,127 = E a/b = (E a + 127) - (E b + 127)

45 Op virgola mobile: Troncamento Spesso accade di rappresentare i risultati intermedi di una operazione con una precisione maggiore di quella degli operandi e del risultato Al termine dell operazione è necessario effettuare una operazione di troncamento Il troncamento serve a rimuovere un certo numero di bit per ottenere una rappresentazione approssimata del risultato Si consideri il valore numerico rappresentato dal vettore: B = 0.b b -(k-1) b -k b -(k+1)... b -n Si voglia effettuare troncamento al bit k-esimo 45

46 Op virgola mobile: troncamento Chopping Consiste nell ignorare i bit dal k-esimo all n-esimo Questo metodo è polarizzato o biased L errore è sempre positivo e varia nell intervallo: 0 < ε < +(2 -k+1-2 -n ) Rounding Se il bit k-esimo vale 0, lasciare invariato il bit in posizione (k-1) e ignorare i bit dal k-esimo all n-esimo Se il bit k-esimo vale 1, sommare 1 in posizione (k-1) e ignorare i bit dal k-esimo all n-esimo Questo metodo è simmetrico o unbiased L errore è centrato sullo zero e vale: -(2 -k+1-2 -n ) < ε < +(2 -k+1-2 -n ) 46

47 Virgola fissa vs. virgola mobile Intervallo di variazione di un numero binario di 32 bit Codifica intera 0 V I (B) x 10 9 Codifica a virgola fissa x V VF (B) +1 A pari numero di bit disponibili con la rappresentazione intera o in virgola fissa, i valori rappresentati sono distribuiti uniformemente nel campo di rappresentabilità con la rappresentazione in virgola mobile, i valori rappresentati sono distribuiti non uniformemente nel campo di rappresentabilità sono più fitti vicino allo 0 e più radi per valori assoluti grandi Nella rappresentazione in virgola mobile (floating point) la posizione della virgola è mobile ed è indicata dal valore di un fattore moltiplicativo 47

48 Errore di quantizzazione: virgola fissa vs. virgola mobile Virgola fissa (con n bit per la parte frazionaria) E Ass = Val Vero - Val Rappr = costante con (-1/2)2 -n < E Ass < (+1/2)2 -n E Rel = E Ass / Val Vero (e cioè E Rel Val Vero = costante) Virgola mobile E Rel = costante (= 2 -#bit della M ) E Ass = aumenta all aumentare del valore valore vero da rappresentare tanto più piccolo è il valore vero da rappresentare tanto maggiore è l errore relativo che si commette nel rappresentarlo tanto più grande è il valore vero da rappresentare tanto minore è l errore relativo che si commette nel rappresentarlo 48

49 Esempio Numeri in virgola fissa Dato ed il suo successivo Errore percentuale: ( )/0.001*100 = 100% Dato ed il suo successivo Errore percentuale: ( )/ *100 = 0.001% Numeri in virgola mobile Dato 0.128e-100 ed il suo successivo 0.129e-100 Errore percentuale: ((0.129e e-100)/0.128e-100)*100 = % Dato 0.128e+100 ed il suo successivo 0.129e+100 Errore percentuale: ((0.129e e-+100)/0.128e+100)*100 = % 49

50 Fine 50