Bài giảng Kiến trúc máy tính & hợp ngữ - Bài 3: Biểu diễn số thực

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính & hợp ngữ - Bài 3: Biểu diễn số thực

1. 1 KIẾN TRÚC MÁY TÍNH & HỢP NGỮ 03 – Biểu diễn số thực
2. Đặt vấn đề 2  Biểu diễn số 123.37510 sang hệ nhị phân?  Ý tưởng đơn giản: Biểu diễn phần nguyên và phần thập phân riêng lẻ  Với phần nguyên: Dùng 8 bit ([010, 25510]) 12310 = 64 + 32 + 16 + 8 + 2 + 1 = 0111 10112  Với phần thập phân: Tương tự dùng 8 bit -2 -3 0.375 = 0.25 + 0.125 = 2 + 2 = 0110 00002 123.37510 = 0111 1011.0110 00002  Tổng quát công thức khai triển của số thập phân hệ nhị phân: n 1 n 2 0 1 2 m xn 1xn 2 x0.x 1x 2 x m xn 1.2 xn 2.2 x0.2 x 1.2 x 2.2 x m 2
3. Đặt vấn đề 3  Tuy nhiên với 8 bit:  Phần nguyên lớn nhất có thể biểu diễn: 255  Phần thập phân nhỏ nhất có thể biểu diễn: 2-8 ~ 10-3 = 0.001 -4 -5 Biểu diễn số nhỏ như 0.0001 (10 ) hay 0.000001 (10 )? Một giải pháp: Tăng số bit phần thập phân  Với 16 bit cho phần thập phân: min = 2-16 ~ 10-5  Có vẻ không hiệu quả Cách tốt hơn ? Floating Point Number (Số thực dấu chấm động)
4. Floating Point Number ? 4  Giả sử ta có số (ở dạng nhị phân) -15 -16 X = 0.00000000000000112 = (2 + 2 )10 14 số 0 -14 -1 -2 -14 -15 -16 X = 0.112 * (2 )10 (= (2 + 2 ).2 = 2 + 2 ) Thay vì dùng 16 bit để lưu trữ phần thập phân, ta có thể chỉ cần 6 bit: X = 0.11 1110 Cách làm: Di chuyển vị trí dấu chấm sang phải 14 vị trí, dùng 4 bit để lưu trữ số 14 này Đây là ý tưởng cơ bản của số thực dấu chấm động (floating point number)
5. Chuẩn hóa số thập phân 5  Trước khi các số được biểu diễn dưới dạng số chấm động, chúng cần được chuẩn hóa về dạng: ±1.F * 2E  F: Phần thập phân không dấu (định trị - Significant)  E: Phần số mũ (Exponent)  Ví dụ: -4  +0.0937510 = 0.000112 = +1.1 * 2 2  -5.2510 = 101.012 = -1.0101 * 2
6. Biểu diễn số chấm động 6  Có nhiều chuẩn nhưng hiện nay chuẩn IEEE 754 được dùng nhiều nhất để lưu trữ số thập phân theo dấu chấm động trong máy tính, gồm 2 dạng: (slide sau)
7. Biểu diễn số chấm động 7  Số chấm động chính xác đơn (32 bits): Sign Exponent (biased) Significand 1 bit 8 bits 23 bits  Số chấm động chính xác kép (64 bits): Sign Exponent (biased) Significand 1 bit 11 bits 52 bits  Sign: Bit dấu (1: Số âm, 0: Số dương)  Exponent: Số mũ (Biểu diễn dưới dạng số quá K (Biased) với  Chính xác đơn: K = 127 (2n-1 - 1 = 28-1 - 1) với n là số bit lưu trữ Exponent  Chính xác kép: K = 1023 (2n-1 - 1 = 211-1 - 1)  Significand (Fraction): Phần định trị (phần lẻ sau dấu chấm)
8. Ví dụ 8  Biểu diễn số thực sau theo dạng số chấm động chính xác đơn (32 bit): X = -5.25  Bước 1: Đổi X sang hệ nhị phân X = -5.2510 = -101.012  Bước 2: Chuẩn hóa theo dạng ±1.F * 2E X = -5.25 = -101.01 = -1.0101 * 22  Bước 3: Biểu diễn Floating Point  Số âm: bit dấu Sign = 1  Số mũ E = 2 Phần mũ exponent với số thừa K=127 được biểu diễn: Exponent = E + 127 = 2 + 127 = 12910 = 1000 00012  Phần định trị = 0101 0000 0000 0000 0000 000 (Thêm 19 số 0 cho đủ 23 bit) Kết quả nhận được: 1 1000 0001 0101 0000 0000 0000 0000 000
9. Thảo luận về exponent 9  Vì sao phần số mũ exponent không giữ nguyên lại phải lưu trữ dưới dạng số quá K (Dạng biased)?  Giả sử trong số chấm động chính xác đơn (32 bits), ta dùng 8 bits để lưu giá trị exponent (biểu diễn dưới dạng số quá K), vậy miền giá trị của nó là [0, 255] Với K = 127, số mũ gốc ban đầu có miền giá trị [-127, 128] Miền giá trị này khá vô lý, vậy tại sao chúng ta không chọn số K = 128 để miền giá trị gốc là [-128, 127] như bình thường?
10. Câu hỏi 1 - Đáp án 10  Sở dĩ Exponent được lưu trữ dưới dạng Biased vì ta muốn chuyển từ miền giá trị số có dấu sang số không dấu (vì trong biased, số k được chọn để sau khi cộng số bất kỳ trong miền giá trị gốc, kết quả là số luôn dương) Dễ dàng so sánh, tính toán
11. Câu hỏi 2 - Đáp án 11  Số K được chọn là 127 mà không phải là 128 vì tại bước 2 trước khi biểu diễn thành số chấm động, chúng ta cần phải chuẩn hóa thành dạng ±1.F * 2E  Tức là chúng ta sẽ luôn luôn để dành 1 bit (số 1) phía trước dấu chấm chứ không đẩy sang trái hết Với 8 bit, số mũ gốc ban đầu không thể đạt mức nhỏ nhất là -128 mà chỉ là -127 Do vậy ta chỉ cần chọn K = 127 là được
12. Vậy thì 12  Khi muốn biểu diễn số 0 thì ta không thể tìm ra bit trái nhất có giá trị = 1 để đẩy dấu chấm động, vậy làm sao chuẩn hóa về dạng ±1.F * 2E ? -127  Với số dạng ±0.F * 2 thì chuẩn hóa được nữa không?  Với K = 127, exponent lớn nhất sẽ là 255 Số mũ gốc ban đầu lớn nhất là 255 – 127 = +128 Vô lý vì với 8 bit có dấu ta không thể biểu diễn được số +128 ?
13. Trả lời 13  Vì đó là những số thực đặc biệt, ta không thể biểu diễn bằng dấu chấm động 
14. Số thực đặc biệt 14  Số 0 (zero)  Exponent = 0, Significand = 0  Số không thể chuẩn hóa (denormalized)  Exponent = 0, Significand != 0  Số vô cùng (infinity)  Exponent = 111 1 (toàn bit 1), Significand = 0  Số báo lỗi (NaN – Not a Number)  Exponent = 111 1 (toàn bit 1), Significand != 0
15. Phân bố các số thực (32 bits) 15
16. Chuẩn IEEE 754 16
17. Bài tập 1 17  Biểu diễn số thực sau theo dạng số chấm động chính xác đơn (32 bit): X = +12.625  Bước 1: Đổi X sang hệ nhị phân X = -12.62510 = -1100.1012  Bước 2: Chuẩn hóa theo dạng ±1.F * 2E 3 X = -12.62510 = -1100.1012 = -1.100101 * 2  Bước 3: Biểu diễn Floating Point  Số dương: bit dấu Sign = 0  Số mũ E = 3 Phần mũ exponent với số thừa K=127 được biểu diễn: Exponent = E + 127 = 3 + 127 = 13010 = 1000 00102  Phần định trị = 1001 0100 0000 0000 0000 000 (Thêm 13 số 0 cho đủ 23 bit) Kết quả nhận được: 0 1000 0010 1001 0100 0000 0000 0000 000
18. Bài tập 2 18  Biểu diễn số thực sau theo dạng số chấm động chính xác đơn (32 bit): X = -3050  Bước 1: Đổi X sang hệ nhị phân X = -305010 = -1011 1110 10102  Bước 2: Chuẩn hóa theo dạng ±1.F * 2E 11 X = -305010 = - 1011 1110 10102 = -1.01111101010 * 2  Bước 3: Biểu diễn Floating Point  Số âm: bit dấu Sign = 1  Số mũ E = 11 Phần mũ exponent với số thừa K=127 được biểu diễn: Exponent = E + 127 = 11 + 127 = 13810 = 1000 10102  Phần định trị = 0111 1101 0100 0000 0000 000 (Thêm 13 số 0 cho đủ 23 bit) Kết quả nhận được: 1 1000 1010 0111 1101 0100 0000 0000 000
19. Homework 19  Sách W.Stalling – Computer Arithmetic, đọc chương 9  Đọc file 04_FloatingPoint.doc  Trả lời các câu hỏi:  Overflow, underflow?  Cộng trừ nhân chia trên số thực?  Quy tắc làm tròn?  NaN: nguyên tắc phát sinh?  Quiet NaN và Signaling NaN?