modificato da andynaz Cambiamenti di base Tecniche Informatiche di Base

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1 Cambiamenti di base Tecniche Informatiche di Base TIB 1

2 Il sistema posizionale decimale L idea del sistema posizionale: ogni cifra ha un peso Esempio: 132 = = Un numero generico N, in base 10, è rappresentato dalla sequenza di cifre: a n, a n-1, a n-2,..., a 0 a n cifra più significativa, a 0 cifra meno significativa a i {0, 1,..., 9} insieme delle cifre utilizzabili Notazione: N 10 =(a n a n-1 a n-2... a 0 ) 10 2

3 Rappresentazione in base p Nel sistema posizionale, un numero naturale N, composto da n cifre, in base p, si esprime come: N p = a n p n + a n 1 n 1 p a 1 p 1 + a 0 p 0 = n i= 0 a i p i Esempio (p=5): (412) 5 = Posso rappresentare i numeri nell intervallo discreto: [0, p m 1]. N in base p ha k=[ log p N ] 1 cifre 3

4 Conversione base dieci base p Si effettuano delle divisioni intere successive, fermandosi quando si ha quoziente pari a 0 e considerando i resti dall'ultimo al primo Esempio, =(???) 3 14 : 3 = 4 resto = 2 4 : 3 = 1 resto = 1 1 : 3 = 0 resto = 1 Dunque = (112) 3 4

5 Conversione base p base 10 Si sviluppa ogni cifra del numero con la giusta potenza di p. Esempio, (1110) 2 =(???) 10 (1110) 2 = ( ) 10 = ( ) 10 =

6 Conversione base p base r Il modo più semplice è effettuare due conversioni: base p base 10 Base 10 base r Esempio: (25) 7 = (???) 3 (25) 7 = ( ) 10 = = (201) 3 Ci sono in alcuni casi delle scorciatoie... 6

7 Binario, base ottale e base esadecimale 7

8 Base due (o base binaria) Base binaria o base due: (p=2) In m bit posso rappresentare i numeri nell intervallo discreto: [0, 2 m 1] Esempio: con m=8, rappresento numeri nell'intervallo [ , ], ovvero [0 10, ] 8

9 Base ottale (o base otto) p=8; a i {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} Esempio: = ( ) 10 = Sapendo che 8 = 2 3 : conversione binario ottale Esempio: = (???) = ( ) 10 = 5 10 = = ( ) 10 = 7 10 = = ( ) 10 = 4 10 = 4 8 Quindi, = Sapendo che 8 = 2 3 : conversione ottale binario Esempio: = (???) = 1 10 = = 2 10 = = 6 10 = Quindi, =

10 Base esadecimale (o base sedici) p=16; a i {0, 1, 2,, 9, A, B, C, D, E, F} B al posto di 11 e F al posto di 15 Esempio: B7F 16 = ( ) 10 = Sapendo che 16=2 4 : Conversione binario esadecimale Esempio: = (???) = ( ) 10 = 1 10 = = ( ) 10 = 7 10 = = ( ) 10 = = D 16 Quindi, = 17D 16 Sapendo che 16=2 4 : Conversione esadecimale binario Esempio: A3 16 = (???) 2 A 16 = = = 3 10 = Quindi, A3 16 =

11 Codifiche 11

12 Codifiche Un calcolatore tratta solo informazioni binarie Per poter trattare vari tipi di numeri (interi senza segno, interi con segno, frazioni, etc...) ho bisogno di codifiche: permettono di associare ad ogni sequenza binaria un particolare valore danno delle regole per gestire e convertire queste stringe Ci sono codifiche anche per codici non numerici 12

13 Numeri naturali (numeri senza segno) 13

14 Numeri naturali Vengono semplicemente scritti in base 2!!! a i {0, 1} chiamati bit (binary digit) Una sequenza di otto bit è detta byte Ho in questo modo una corrispondenza biunivoca tra i numeri e la loro scrittura Num. intero, base 10 Num. intero, base due

15 Somma Le cifre sono 0 e 1 si usano le elementari regole dell'addizione il riporto può essere solo 1 Riporto precedente Somma Risultato Riporto

16 Overflow Con m bit posso rappresentare i numeri interi nell'intervallo [0, 2 m -1] non è un insieme chiuso rispetto alla somma Nel caso si abbiano un numero limitato di bit a disposizione, si può avere il caso particolare di carry (riporto) sulla cifra più significativa Esempio: calcoliamo 9+7 utilizzando 4 bit (1001) 2 + (0111) 2 = (10000) 2 4 bit non sono sufficienti a scrivere 16: overflow 16

17 Somma e carry Esempio: 1 riporto (5 10 ) 1001 = (9 10 ) (14 10 ) 111 riporti (15 10 ) 1010 = (10 10 ) carry (25 10 se uso 5 bit; 9 10 se considero 4 bit: errato). 17

18 Numeri interi (numeri con segno) 18

19 Modulo e segno Non posso memorizzare il segno, uso una codifica Uso il bit più a sinistra per memorizzare il segno: 1 significa numero negativo 0 numero positivo In m bit posso memorizzare i numeri nell'intervallo [-2 m-1 +1, 2 m-1-1] 19

20 Modulo e segno (problemi) Come posso fare la somma (con numeri di segno discorde o con numeri negativi)?? Ho due rappresentazioni dello 0 Esempio m=3: Num. intero, Num. intero, base due, base 10 modulo e segno ? 20

21 Complemento a due (CPL 2 ) Risolve i problemi della precedente rappresentazione In m bit posso rappresentare i numeri nell intervallo: Esempio (m=8): [ 2 m 1, 2 m 1 1] [ 128, +127], perché 2 7 = 128 e = +127 Tutti i numeri negativi cominciano con il bit più significativo posto a 1 Tutti i positivi e lo zero iniziano con il bit più signifatico posto a 0 21

22 Conversione decimale CPL 2 Se ho m bit e voglio scrivere N in CPL 2 se N [0,2 m 1 1] allora N viene convertito in binario senza segno utilizzando tutti i bit a disposizione se N [ 2 m 1, 1] 2, ovvero: allora viene effettuato il complemento a N viene scritto in binario senza segno, utilizzando tutti i bit a disposizione si complementano tutti i bit (si scambiano tra loro 0 e 1) si aggiunge 1 22

23 Complemento a due (CPL 2 ) Usando m bit: ( N) CPL2 = (2 m N 10 ) 2 Esempio (m=3) : ( N) CPL2 = (2 3 N 10 ) 2 Num. intero base Trasformazione 8 4 = = = = 7 nessuna nessuna nessuna nessuna Num. intero, base 2, CPL 2, m= = = = = = = = =

24 Conversione decimale CPL (esempi) 2 Esempio: 2 10 con m=8 bit: 2 10 = = Esempio: 5 10 con m=? bit: provo con m=2,3,4 e scopro che 5 2 (4 1), allora m=4; adesso codifico 5 con m=4 bit: 5 10 = =

25 Conversione CPL 2 decimale (1) Se il numero è positivo (bit più significativo posto a 0 ), lo converto usando la solita sommatoria Se il numero è negativo (bit più significativo posto a 1 ), allora: sottrago 1 complemento i bit Considero il numero risultante N 2 come un NATURALE (cioè come un numero senza segno, l eventuale 1 iniziale non indica più il segno) e lo converto con la solita sommatoria. Ottengo N 10 A questo punto, il numero decimale è N 10 25

26 Conversione CPL 2 decimale (2) Se il numero è positivo (bit più significativo posto a 0 ), lo converto usando la solita sommatoria Se il numero è negativo (bit più significativo posto a 1 ), allora: Calcolo il modulo del numero, ovvero applico ancora su di esso il CPL 2 Considero il numero risultante N 2 come un NATURALE (cioè come un numero senza segno, l eventuale 1 iniziale non indica più il segno) e lo converto con la solita sommatoria. Ottengo N 10 A questo punto, il numero decimale è N 10 26

27 Conversione CPL 2 decimale (esempio) Esempio: = (???) 10 Numero negativo Applichiamo CPL 2 e otteniamo: Consideriamolo un naturale e convertiamolo usando la solita sommatoria: = Allora = Esempio: = (???) 10 Numero positivo Convertiamolo usando la solita sommatoria: =

28 Somma e sottrazione in CPL 2 Somma: come per i naturali Sottrazione: N 1 N 2 = N 1 + ( N 2 ) CPL2 Carry: Il bit di carry non viene considerato! Overflow: Se, sommando due interi di m bit dotati di segno concorde, ottengo un risultato di segno discorde (sempre considerando m bit), allora si ha un overflow (il risultato non è codificabile su m bit) e l operazione è errata L overflow non può verificarsi se gli operandi sono di segno discorde. 28

29 Somma e sottrazione in CPL 2 (esempi 1) m=7 cioè da a (+5 10 ) = ( 8 10 ) ( 3 10 ) 1111 riporti (-5 10 ) = (+8 10 ) carry (butto via il carry) (+3 10 ). 29

30 Somma e sottrazione in CPL 2 (esempi 2) 1 riporti ( ) = ( 8 10 ) carry (butto via il carry) ( : sbagliato; dovrebbe essere ) Overflow: non è codificabile su 7 bit in CLP riporti ( ) = (+2 10 ) ( : è sbagliato; dovrebbe essere ) Overflow: non è codificabile su 7 bit in CPL 2. 30

31 I Flag Insieme di segnalatori, calcolati dopo ogni istruzione: Z (Zero). Vale 1 sse il risultato dell addizione è zero; 0 altrimenti N (Negative). Vale 1 sse il risultato dell addizione è negativo; 0 altrimenti C (Carry). Vale 1 sse l addizione ha prodotto un carry; 0 altrimenti V (overflow). Vale 1 sse l addizione ha prodotto un overflow; 0 altrimenti Per esempio, nell esercizio che aveva per risultato , avrei ottenuto: Z=0; N=1; C=0; V=1 I Flag sono usati da alcune istruzioni della macchina di Von Neumann 31

32 Conclusione Se si opera con numeri che si considerano naturali, si sta attenti al Flag di carry (C), se si opera con numeri che si considerano interi, si sta attenti al Flag di overflow (V) I Flag sono computati tutti, al termine di ogni istruzione (escluse le istruzioni di salto) Come fa a macchina di Von Neumann a sapere se sta operando su numeri naturali o interi? Semplicemente, NON LO SA! Le operazioni che la macchina esegue sono identiche in entrambi i casi, soltanto l interpretazione dei risultati cambia. 32

33 Numeri reali 33

34 Parte frazionaria di un numero Un numero reale x è la somma di [x] + {x} Rappresentiamo la parte frazionaria di un numero reale In base 2, un numero frazionario N (0<=N <1), composto da n cifre, si esprime come: N n i 2 = a a a n 2 = ai 2 i= n Date n cifre in base 2, posso rappresentare i numeri nell intervallo: [0 2, 0, ], ovvero [0, 1 2 n ] l errore di approssimazione è ε < ε max = 2 n 34

35 Conversione binario decimale Si espande semplicemente il numero, similimente alla codifica in binario dei numeri naturali Esempio: n= 3 ε max = 2 3 = 0,125 (0,101) 2 = ( ) 10 = (0,875) 10 35

36 Conversione decimale binario Per passare dalla base 10 alla base 2 si moltiplica di seguito la parte frazionaria per due e si considera la parte intera Termino quando: ho utilizzato tutti gli n bit a disposizione ottengo 1 A questo punto prendo le parti intere dalla prima all'ultima 36

37 Conversione decimale binario (esempio) Convertiamo (0,21) 10 avendo n=6: 0,21 2 = 0,42 parte intera = 0 parte fraz. = 0,42 0,42 2 = 0,84 parte intera = 0 parte fraz. = 0,84 0,84 2 = 1,68 parte intera = 1 parte fraz. = 0,68 0,68 2 = 1,36 parte intera = 1 parte fraz. = 0,36 0,36 2 = 0,72 parte intera = 0 parte fraz. = 0,72 0,72 2 = 1,44 parte intera = 1 parte fraz. = 0,44 Prendo le parti intere, dalla prima all ultima 0, , Riconvertendo: 0, = 0, ε=0,21 0,203125=0, ε < ε max = 2 6 =0,

38 Numeri fazionari (nota) Si noti che un numero frazionario decimale finito può avere uno sviluppo binario infinito periodico Esempio: (0,3) 10 = (0, ) 2 Non è però possibile il contrario!! 38

39 Virgola fissa Uso m bit e n bit per parte intera e frazionaria Esempio (m=8, n=6, tot. 14 bit): -123, = , , , Come scelgo m e n? R Precisione costante lungo : 0 R 39

40 Virgola mobile (floating point) Il numero è espresso come: r = m b n m e n sono in base p m: mantissa (numero frazionario con segno) b: base della notazione esponenziale (numero naturale) n: caratteristica (numero intero) Esempio (p=10, b=10): -331,6875 = 0, m = 0, n = 3 R Precisione variabile lungo. Per es. con 5 cifre per m: 13212,4323 = 0, = (ho perso 0,4323) 7, = 0, = 7,3453 (ho perso 0,000012) R 0 40

41 Virgola mobile (floating point) Mantissa (m): Codifico solo la parte a destra della virgola Codifico il segno Caratteristica (n): l 2 bit l 1 bit m con segno (l 1 bit) n (l 2 bit) 41

42 Virgola mobile (floating point) Quando la prima cifra a destra della virgola è diversa da zero, il numero in virgola mobile si dice normalizzato Es. 0, è normalizzato perché la prima cifra a destra della virgola è 3 La normalizzazione permette di avere, a parità di cifre usate per la mantissa, una maggiore precisione. Es. Uso l 1 =5 cifre per la mantissa: +45, , , Ho perso 0,0008 Ho perso 0,

43 Caratteri 43

44 Caratteri Codifica numerica ASCII (American Standard Code for Information Interchange) utilizza 7 bit (estesa a 8 bit) L ASCII codifica I caratteri alfanumerici (lettere maiuscole e minuscole e numeri), compreso lo spazio I simboli ecc) Alcuni caratteri di controllo (TAB, LINEFEED, RETURN, BELL, ecc). 44

45 Tabella ASCII (parziale) DEC CAR DEC CAR DEC CAR DEC CAR DEC CAR A 75 K 97 a 107 k B 67 C 68 D 69 E 70 F 71 G 72 H 73 I 74 J 76 L 77 M 78 N 79 O 80 P 81 Q 82 R 83 S 84 T 85 U 86 V 87 W 88 X 89 Y 90 Z 98 b 99 c 100 d 101 e 102 f 103 g 104 h 105 i 106 j 108 l 109 m 110 n 111 o 112 p 113 q 114 r 115 s 116 t 117 u 118 v 119 w 120 x 121 y 122 z 45

46 Tabella ASCII Anche le cifre numeriche sono codificate Le lettere sono in sequenza alfabetica Per passare dal minuscolo al maiuscolo: Codice maiuscolo = Codice minuscolo Alcuni caratteri sulla tastiera italiana: ALT-123= { oppure SHIFT-ALTGR-[ ALT-125= } oppure SHIFT-ALTGR-] ALT-126= ~ 46

47 Raissunto codifiche Ad una stringa binaria deve essere associato un significato: la codifica fa questo Esempio: la stringa può essere 106 in binario puro -42 in modulo con segno -22 in complemento a 2 j nel codice ASCII 47