Вычисления и ЭВМ

Управляя вычислительным процессом

Двоичное кодирование текстовой информации

Начиная с конца 60-х годов, компьютеры всё больше стали использоваться для обработки текстовой информации и в настоящее время большая часть персональных компьютеров в мире (и в наибольшее время) занято обработкой именно текстовой информации.

Традиционно для кодирования одного символа используется количество информации, равное 1 байту, т.е. I = 1 байт = 8 битов

Для кодирования одного символа требуется 1 байт информации.

Если рассматривать символы как возможные события, то по формуле N = 2I можно вычислить, какое количество различных символов можно закодировать:
N = 2I = 28 = 256.

Такое количество символов вполне достаточно для представления текстовой информации, включая прописные и строчные буквы русского и латинского алфавита, цифры, знаки, графические символы и пр. Смотреть запись полностью

Арифметические операции в позиционных системах счисления

Рассмотрим основные арифметические операции: сложение, вычитание, умножение и деление. Правила выполнения этих операций в десятичной системе хорошо известны – это сложение, вычитание, умножение столбиком и деление углом. Эти правила применимы и ко всем другим позиционным системам счисления. Только таблицами сложения и умножения надо пользоваться особыми для каждой системы.

Таблица сложения легко составить, используя Правило Счёта.

Правило Счёта: для образования целого числа, следующего за любым данным целым числом, нужно продвинуть самую правую цифру числа; если какая-либо цифра после продвижения стала нулём, то нужно продвинуть цифру, стоящую слева от неё. Смотреть запись полностью

Перевод правильных десятичных дробей в любую другую позиционную систему счисления

При переводе правильной десятичной дроби в систему счисления с основанием q необходимо сначала саму дробь, а затем дробные части всех последующих произведений последовательно умножать на q, отделяя после каждого умножения целую часть произведения. Число в новой системе счисления записывается как последовательность полученных целых частей произведения.

Умножение производится до тех поp, пока дробная часть произведения не станет равной нулю. Это значит, что сделан точный перевод. В противном случае перевод осуществляется до заданной точности. Достаточно того количества цифр в результате, которое поместится в ячейку.

Пример: Перевести число 0,35 из десятичной системы в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную:

Векторная графика

Векторные графические изображения являются оптимальным средством хранения высокоточных графических объектов (чертежи, схемы и пр.), для которых имеет значение сохранение четких и ясных контуров. С векторной графикой вы сталкиваетесь, когда работаете с системами компьютерного черчения и автоматизированного проектирования (САПР), программами обработки трехмерной графики и др.

Векторные изображения формируются из объектов (точка, линия, окружность, прямоугольник и пр.), которые хранятся в памяти компьютера в виде графических примитивов и описывающих их математических формул. Смотреть запись полностью

Перевод целых чисел из десятичной системы в любую другую позиционную систему счисления

При переводе целого десятичного числа в систему с основанием q его необходимо последовательно делить на q до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный q–1. Число в системе с основанием q записывается как последовательность остатков от деления, записанных в обратном порядке, начиная с последнего.

Пример: Перевести число 75 из десятичной системы в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную:

Перевод из любой позиционной системы счисления в двоичную с помощью таблиц

Двоичная система, удобная для компьютеров, для человека неудобна из-за ее громоздкости и непривычной записи.

Перевод чисел из десятичной системы в двоичную и наоборот выполняет машина. Однако, чтобы профессионально использовать компьютер, следует научиться понимать слово машины. Для этого и разработаны восьмеричная и шестнадцатеричная системы.

Числа в этих системах читаются почти так же легко, как десятичные, требуют соответственно в три (восьмеричная) и в четыре (шестнадцатеричная) раза меньше разрядов, чем в двоичной системе (ведь числа 8 и 16 – соответственно, третья и четвертая степени числа 2).

Перевод восьмеричных и шестнадцатеричных чисел в двоичную систему очень прост: достаточно каждую цифру заменить эквивалентной ей двоичной триадой (тройкой цифр) или тетрадой (четверкой цифр). Смотреть запись полностью

Позиционные и непозиционные системы счисления

В любой системе счисления для представления чисел выбираются некоторые символы (их называют цифрами), и числа получаются в результате каких-либо операций над цифрами данной системы счисления.

В разные исторические периоды развития человечества для подсчетов и вычислений использовались различные системы счисления. Например, довольно широко была распространена двенадцатеричная система счисления. Многие предметы (ножи, вилки, тарелки, носовые платки и т.д.) и сейчас считают дюжинами. Число месяцев в году – двенадцать.

Двенадцатеричная система счисления сохранилась в английской системе мер (например, 1 фут = 12 дюймов) и в денежной системе (I шиллинг—12 пенсов).

В древнем Вавилоне существовала весьма сложная шестидесятеричная система счисления. Она, как и двенадцатеричная система, в какой-то мере сохранилась и до наших дней (в системе измерения времени: 1час=60 мин, 1мин=60 сек, в системе измерения углов: 1 град.=60 мин).

У некоторых африканских племен была распространена пятеричная система счисления, а у ацтеков и народов майя, населявших в течение многих столетий обширные области американского континента, – двадцатеричная система счисления. Смотреть запись полностью

Как компьютер выполняет арифметические действия над нормализованными числами

К началу выполнения арифметического действия операнды операции помещаются в соответствующие регистры АЛУ.

Сложение и вычитание. При сложении и вычитании сначала производится подготовительная операция, называемая выравниванием порядков.

В процессе выравнивания порядков мантисса числа с меньшим порядком сдвигается в своем регистре вправо на количество разрядов, равное разности порядков операндов. После  каждого сдвига порядок увеличивается на единицу. Смотреть запись полностью

Стандартные форматы представления вещественных чисел

1) Одинарный — 32-разрядное нормализованное число со знаком, 8-разрядным смещенным порядком и 24-разрядной мантиссой (старший бит мантиссы, всегда равный 1, не хранится в памяти, и размер поля, выделенного для хранения мантиссы, составляет только 23 разряда).

2) Двойной — 64-разрядное нормализованное число со знаком, 11-разрядным смещенным порядком и 53-разрядной мантиссой (старший бит мантиссы не хранится, и размер поля, выделенного для хранения мантиссы, составляет 52 разряда).

3) Расширенный — 80-разрядное число со знаком, 15-разрядным смещенным порядком и 64-разрядной мантиссой. Позволяет хранить ненормализованные числа.

Следует отметить, что вещественный формат с m-разрядной мантиссой позволяет абсолютно точно представлять m-разрядные целые числа, т. е. любое двоичное целое число, содержащее не более т разрядов, может быть без искажений преобразовано в вещественный формат.

Как представляются в компьютере вещественные числа

Система вещественных чисел в математических вычислениях предполагается непрерывной и бесконечной, т. е. не имеющей ограничений на диапазон и точность представления чисел. Однако в компьютерах числа хранятся в регистрах и ячейках памяти с ограниченным количеством разрядов. Вследствие этого система вещественных чисел, представимых в машине, является дискретной и конечной.

Для отображения вещественных чисел, которые могут быть как очень маленькими, так и очень большими, используется форма записи чисел с порядком основания системы счисления.

Пример.
Десятичное число 1.25 в этой форме можно представить так:
1.25 * 10° = 0.125 * 10^1 = 0.0125 * 10^2 = … или так:
12.5 * 10^-1 = 125.0 * 10^2 = 1250.0 * 10^ -3 = … .

Любое число N в системе счисления с основанием q можно записать в виде N = М • q^p, где М  — множитель, содержащий все цифры числа (мантисса), а р — целое число, называемое порядком. Такой способ записи чисел называется представлением числа с плавающей точкой. Смотреть запись полностью