L`aritmetica in complemento a 2 (nozioni minime per passare l
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L`aritmetica in complemento a 2 (nozioni minime per passare l
L’aritmetica in complemento a 2 (nozioni minime per passare l’esame)∗ Mauro Brunato Andrea Delai Giovedı̀ 9 ottobre 2003 1 Qual è il problema? Nell’usuale notazione intera in base 10, la necessità di rappresentare i numeri relativi ci obbliga ad utilizzare un simbolo aggiuntivo, il segno “meno” (“−”) per rappresentare numeri negativi, con la convenzione che se tale segno non è presente il numero è da considerare positivo. La rappresentazione convenzionale dei numeri relativi nel sistema decimale ci obbliga dunque a utilizzare undici simboli diversi (in alternativa si aggiunge un dodicesimo segno, il “+”, che però non è necessario). Nell’aritmetica del calcolatore questo non è fattibile: il fatto di usare soltanto due simboli (zero e uno) nelle rappresentazioni interne non è arbitrario, ma segue necessariamente dalla struttura della macchina. Non è dunque possibile introdurre un simbolo ulteriore. I numeri, positivi o negativi, vanno rappresentati come sequenze di cifre binarie di lunghezza prefissata. 2 Una prima soluzione Ipotizziamo di lavorare con parole di otto bit, e di voler rappresentare il numero 3710 = 1001012. La disposizione dei bit nella parola sarà la seguente (sopra a ogni bit è riportato il suo peso nella notazione posizionale): 27 0 26 0 25 1 24 0 23 0 22 1 21 0 20 1 Per rappresentare un numero negativo, una prima strada consiste nell’interpretare in modo speciale il bit più significativo, quello di peso 27 . Si può assegnare a quel bit il significato di bit di segno: se vale 0, il numero è positivo; se vale 1 il numero rappresentato è negativo. In tal caso, il numero −37 ha la seguente rappresentazione: ± 1 26 0 25 1 24 0 23 0 ∗ Il 22 1 21 0 20 1 sottotitolo è un chiaro esempio di terrorismo psicologico, come qualcuno ha detto a lezione... 1 La differenza dal numero 37 è esclusivamente nel primo bit. Tale notazione, pur semplice da capire, non è però adatta alle operazioni aritmetiche. Proviamo, ad esempio, a calcolare l’operazione −37 + 1, il cui risultato — a detta degli esperti — dovrebbe essere −36: 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 + = = −38 L’operazione di somma fornisce risultati sbagliati quando gli addendi hanno segni diversi. Quando si esegue una somma, dunque, si dovrebbero verificare i segni dei due numeri e, se risultano diversi, si dovrebbe eseguire una sottrazione. Ciò costringe il calcolatore ad eseguire un’operazione di verifica in più prima di eseguire l’addizione, proprio come accade quando la eseguiamo a mano nel sistema decimale, aggiungendo complicazioni al codice eseguibile. Un problema ulteriore di questa notazione è il fatto che lo zero ha due rappresentazioni distinte, corrispondenti a +0 e a −0: ± 0 26 0 25 0 24 0 23 0 22 0 21 0 20 0 ± 1 26 0 25 0 24 0 23 0 22 0 21 0 20 0 Ne risulta che due espressioni intere possono entrambe avere valore zero, eppure essere diverse se confrontate tra loro, a meno di trattare a parte il caso particolare, aggiungendo nuovamente complicazioni al codice da eseguire. 3 La soluzione “giusta” Una soluzione migliore, che risolve entrambi i problemi citati in precedenza, è la cosiddetta notazione in “complemento a due”. Essa consiste ancora nall’interpretare in modo arbitrario il significato del bit più significativo. A differenza dalla rappresentazione vista prima, però, l’interpretazione posizionale viene mantenuta e si modifica soltanto il suo peso, invertendolo. Il bit più significativo di una parola a otto bit pesa dunque −27 = −128. Consideriamo ad esempio il seguente numero (che nella notazione precedente vale −37): −27 1 26 0 25 1 24 0 23 0 22 1 21 0 20 1 In complemento a due, questa rappresentazione vale −27 + 25 + 22 + 20 = −128 + 37 = −91. In generale, siccome la somma di tutti i pesi positivi è 26 + 25 + · · · + 20 = 27 − 1, tutti i pesi positivi presi insieme non arrivano a bilanciare il peso negativo. Ne segue che lo zero ha una rappresentazione unica e che tutti i numeri che hanno il bit più significativo uguale a 1 sono negativi (come prima). 2 Per stabilire la codifica di un generico numero negativo n < 0, dunque, sapendo che necessariamente il bit più significativo va posto a 1, è sufficiente riportare nei restanti bit il numero positivo che, sommato a −27 , dà il valore di n. Per esempio, proviamo a codificare −37. Essendo un numero negativo, il bit più significativo vale 1: −27 1 26 ? 25 ? 24 ? 23 ? 22 ? 21 ? 20 ? Nella parte restante della tabella dovremo inserire quel numero che sommato a −128 dà −37: −128 + x = −37 ⇒ x = 128 − 37 = 91. La codifica di 91 è 1011011 (esercizio!), che riportato nella tabella precedente fornisce la codifica desiderata: −27 1 4 4.1 26 1 25 0 24 1 23 1 22 0 21 1 20 1 Operazioni in complemento a due Somma La somma funziona sempre, senza il bisogno da considerare casi particolari, a patto che il risultato possa essere contenuto nella parola di memoria. Ad esempio, la somma tra un numero positivo e uno negativo genera il risultato corretto. Consideriamo la somma −37 + 41: 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 + = =4 Si noti che la somma funziona, a patto di trascurare l’ultimo riporto. Dal punto di vista della CPU questo non è un problema: il bit di riporto andrebbe posto come nona cifra (come si fa nelle somme tradizionali in base dieci), e quindi cade automaticamente “fuori” dal numero! Ovviamente, l’aritmetica in complemento a due non pone al riparo dalle vere situazioni di overflow. Il numero positivo più grande rappresentabile con otto bit in complemento a due è 27 − 1 = 127 (la somma di tutti i pesi positivi). Sommando 1 a 127 si ottiene −128 (verificare!). 4.2 Inversione Se già si conosce la rappresentazione binaria di un numero positivo, invertirne il segno è semplice. Supponiamo di conoscere la rappresentazione binaria di n > 0 (positivo, quindi il bit più significativo vale 0). La rappresentazione di −n avrà il primo bit posto a 1, in quanto negativo, e come visto sopra la parte positiva sarà quel numero x tale che −128 + x = −n. Spostando la costante, otteniamo x = 128 − n. Scriviamo quest’ultima uguaglianza nel modo seguente: x = (127 − n) + 1. 3 (1) Il numero 127 è rappresentato, come sappiamo, da una sequenza di sette 1. Sottrarre n (che essendo positivo e rappresentabile in complemento a due con otto bit è minore di 127) da 127 equivale a invertire tutti i suoi bit. Ad esempio, calcoliamo 127-37 su 7 bit: 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 − = = 90 In base alla (1), basta sommare 1 per trovare il valore corretto per la parte positiva del numero. Sono dunque sufficienti due passaggi per trasformare la rappresentazione binaria di n in quella di −n in complemento a due: −27 0 26 0 25 1 24 23 22 0 0 1 ⇓ Inversione dei bit (anche quello ⇓ −27 26 25 24 23 22 1 1 0 1 1 0 ⇓ Incremento di 1 ⇓ −27 26 25 24 23 22 1 1 0 1 1 0 21 0 20 1 del segno) 21 1 20 0 21 1 20 1 Il sistema funziona, ovviamente, anche per trasformare la rappresentazione di un numero negativo in quella del suo inverso. 5 Generalizzazione Tutto quello che è stato scritto per parole di 8 bit è banalmente generalizzabile a lunghezze di parola diverse. Per parole di ` bit, il bit più significativo, che nell’aritmetica senza segno varrebbe 2`−1 , vale −2`−1 . Gli altri pesi restano invariati. Ne segue che, mentre nell’aritmetica senza segno gli interi rappresentabili vanno da 0 a 2` − 1, nell’aritmetica in complemento a due vanno da −2`−1 a 2`−1 − 1 (verificare). In linguaggio C, tutti i tipi numerici interi (int, short, char) adottano, in mancanza di indicazioni specifiche, l’aritmetica in complemento a due. Per dichiarare una variabile senza segno (ossia in grado di contenere solo numeri positivi, utilizzando anche il bit più significativo), è necessario premettere la parola chiave unsigned al nome di tipo: Tipo Carattere con segno Carattere senza segno Intero corto con segno Intero corto senza segno Intero con segno Intero senza segno Dichiarazione char unsigned char short unsigned short int unsigned int 4 bit 8 8 16 16 32 32 valori −128 . . . 127 0 . . . 255 −32768 . . . 32767 0 . . . 65535 −2147483648 . . . 2147483647 0 . . . 4294967295