Arithmetik-druck

  • June 2020
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  • Words: 1,340
  • Pages: 32
Arithmetische Grundlagen H.-G. Hopf

Inhalt • Darstellung von ganzen Zahlen • Darstellung von negativen ganzen Zahlen • Darstellung von Gleitpunktzahlen

GDI: Arithmetische Grundlagen / 2

© H.-G. Hopf

Inhalt • Darstellung von ganzen Zahlen • Darstellung von negativen ganzen Zahlen • Darstellung von Gleitpunktzahlen

GDI: Arithmetische Grundlagen / 3

© H.-G. Hopf

Ganze Zahlen – Addition von Dualzahlen

GDI: Arithmetische Grundlagen / 4

+

0

1

0 1

0 1

1 10

© H.-G. Hopf

Ganze Zahlen • Addition im Dezimalsystem

• Addition im Dualsystem 310

116 + 45

011 + 010

1

1

161

101

210 510

5 + 6 = 11 Übertrag 1

0+1=1

1+4 + 1 = 6

1 + 1 = 10

1+0=1

0 + 0 +1 = 1

GDI: Arithmetische Grundlagen / 5

Übertrag 1

© H.-G. Hopf

Ganze Zahlen • Alphabet vierstelliger Dualzahlen B=2

S=4

0000, 0001, 0010, ... , 1110, 1111

– Elementarvorrat: EV = Bs = 24 = 16 – Mit diesem Alphabet können 16 Zeichen (Zahlen) dargestellt werden

GDI: Arithmetische Grundlagen / 6

© H.-G. Hopf

Ganze Zahlen

16 Zahlen

positive Zahlen

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

GDI: Arithmetische Grundlagen / 7

Zuordnung

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 © H.-G. Hopf

Ganze Zahlen

GDI: Arithmetische Grundlagen / 8

? Zuordnung

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7

8 Zahlen

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

8 Zahlen

16 Zahlen

negative Zahlen

© H.-G. Hopf

Ganze Zahlen

GDI: Arithmetische Grundlagen / 9

? Zuordnung

0 +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1

8 Zahlen

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

8 Zahlen

16 Zahlen

negative Zahlen

© H.-G. Hopf

Ganze Zahlen • Subtraktion im Dezimalsystem

Ergänzungsmethode

116 - 45 1

071 71

5+1=6 4 + 7 = 11 1+0=1

GDI: Arithmetische Grundlagen / 10

Übertrag 1

116 45

© H.-G. Hopf

Ganze Zahlen • Subtraktion im Dezimalsystem

• Subtraktion im Dualsystem 510

116 - 45

-

1

101 010 1

071

011 5+1=6 4 + 7 = 11 1+0=1

GDI: Arithmetische Grundlagen / 11

-210 310 0+1=1

Übertrag 1

1 + 1 = 10

Übertrag 1

1+0=1

© H.-G. Hopf

Ganze Zahlen • Subtraktion im Dezimalsystem

116 +9 5 5 1

Komplementmethode 1071

= 1000 - 45

1

955

1000

1071 Subtrahent: 45 Ergänzen auf 999: 9 5 4 Addieren von 1: 9 5 5 GDI: Arithmetische Grundlagen / 12

71

955 116

116 45

0 © H.-G. Hopf

Ganze Zahlen • Subtraktion im Dezimalsystem

116 +9 5 5 1

Komplementmethode

= 1000 - 45

1

1071 Subtrahent: 45 Ergänzen auf 999: 9 5 4 Addieren von 1: 9 5 5 GDI: Arithmetische Grundlagen / 13

Stellenkomplement Zahlensystemkomplement © H.-G. Hopf

Ganze Zahlen • Subtraktion im Dezimalsystem

116 +9 5 5 1

= 1000 - 45

1

1071 Subtrahent: 45 Ergänzen auf 999: 9 5 4 Addieren von 1: 9 5 5 GDI: Arithmetische Grundlagen / 14

• Subtraktion im Dualsystem

101 + 110

= 1000 -010

1

1011 Subtrahent: 010 Ergänzen auf 111: 1 0 1 Addieren von 1: 110 © H.-G. Hopf

Ganze Zahlen Dualzahlen

negative Zahlen

1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000

-001 -010 -011 -100 -101 -110 -111

GDI: Arithmetische Grundlagen / 15

+7 +6 +5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8

Dualzahlen

+111 +110 +101 +100 +011 +010 +001 +000

0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000

Positive Zahlen

Komplementmethode

Dezimalzahlen

© H.-G. Hopf

Positive Zahlen

Ganze Zahlen 310

410 0100 0011

0101 510

210 0010

0110 610

110 0001

0111 710

negative Zahlen

010 0000

1000 -810

-110 1111

1001 -710

-210 1110 -310 1101

GDI: Arithmetische Grundlagen / 16

1010 -610 1011 1100 -410

-510 © H.-G. Hopf

Positive Zahlen

Ganze Zahlen 310

410 0100 0011

0101 510

210 0010

0110 610

110 0001

0111 710

negative Zahlen

010 0000

1000 -810

-110 1111

1001 -710

-210 1110 -310 1101

GDI: Arithmetische Grundlagen / 17

1010 -610 1011 1100 -410

-510 © H.-G. Hopf

Ganze Zahlen • Alphabet achtstelliger Dualzahlen B=2

S=8

0000 0000, 0000 0001, ... .... 1111 1110, 1111 1111

– Elementarvorrat: EV = Bs = 28 = 256 – Mit diesem Alphabet können 256 Zeichen (Zahlen) dargestellt werden GDI: Arithmetische Grundlagen / 18

© H.-G. Hopf

Ganze Zahlen Dualzahlen (signed)

0000 0000

0

-128

1000 0000

0000 0001

1

...

1000 0001

...

...

...

...

...

...

-1

1111 1111

...

...

0

0000 0000

...

...

+1

0000 0001

1111 1110

...

...

...

1111 1111

+255

+127

0111 1111

Wertebereich 1 .. 255 GDI: Arithmetische Grundlagen / 19

128 Zahlen

Dezimalzahlen

128 Zahlen

256 Zahlen

Dualzahlen (unsigned)

Wertebereich -128 .. 127 © H.-G. Hopf

Ganze Zahlen • INTEGER - Zahlen – small int

Vorzeichen-Bit

– int

– long int

GDI: Arithmetische Grundlagen / 20

8 Bit = 1 Byte

16 Bit = 2 Byte

32 Bit = 4 Byte

© H.-G. Hopf

Ganze Zahlen • INTEGER - Zahlen – small int Wertebereich:

Vorzeichen-Bit

1-

8 Bit = 1 Byte

256

Wertebereich: -128 - +127

– int Wertebereich:

16 Bit = 2 Byte

1-

65536

Wertebereich: -32768 - +32767

– long int

Wertebereich:

32 Bit = 4 Byte

1-

4294967296

Wertebereich: -2147483648 - + 2147483647 GDI: Arithmetische Grundlagen / 21

© H.-G. Hopf

Inhalt • Darstellung von ganzen Zahlen • Darstellung von negativen ganzen Zahlen • Darstellung von Gleitpunktzahlen

GDI: Arithmetische Grundlagen / 22

© H.-G. Hopf

Gleitpunktzahlen • Gleitpunktzahlen

-12.74

-25 10

• Gleitpunktzahl-Formate: Float, Real, Single, Double, Extended, ... GDI: Arithmetische Grundlagen / 23

© H.-G. Hopf

Gleitpunktzahlen • Gleitpunktzahlen Exponent

-12.74 Vorzeichen

-25 10

Mantisse

-0.1274

Exponent

-23 10

Mantisse (normalisiert) GDI: Arithmetische Grundlagen / 24

© H.-G. Hopf

Gleitpunktzahlen • Gleitpunktzahl-Formate Exponent

-23 10

-0.1274 Mantisse (normalisiert) Vorzeichen-Bit

Größenordnung

Exponent = 8 Bit GDI: Arithmetische Grundlagen / 25

Genauigkeit

Mantisse = 23 Bit © H.-G. Hopf

Gleitpunktzahlen • Gleitpunktzahl-Formate Max(Mantisse) = 0.111111111111111111111112 = 110 Max(Exponent) = 11111112 = 2710 = 12810 Max(Gleitpunktzahl) = 110 * 212810 = 3.4 *103810

Vorzeichen-Bit

Größenordnung

Exponent = 8 Bit GDI: Arithmetische Grundlagen / 26

Genauigkeit

Mantisse = 23 Bit © H.-G. Hopf

Gleitpunktzahlen • Gleitpunktzahl-Formate Max(Mantisse) = 0.111111111111111111111112 = 110 Min(Exponent) =-11111112 =-2710 =-12810 Min(Gleitpunktzahl) = - 110 * 2-12810 = 2.9 *10-3910

Vorzeichen-Bit

Größenordnung

Exponent = 8 Bit GDI: Arithmetische Grundlagen / 27

Genauigkeit

Mantisse = 23 Bit © H.-G. Hopf

Gleitpunktzahlen • Gleitpunktzahl-Formate Größenbereich: 10-38 -

Vorzeichen-Bit

1038

Größenordnung

Exponent = 8 Bit GDI: Arithmetische Grundlagen / 28

Genauigkeit

Mantisse = 23 Bit © H.-G. Hopf

Gleitpunktzahlen • Gleitpunktzahl-Formate – float

Vorzeichenbit

4 Byte

– double

23 Bit - Mantisse

8 Bit 31

Position des Binärpunktes

/1

23

0 /1

8 Byte

11 Bit 63

52 Bit - Mantisse 52

– long double

/

14 Bit

10 Byte 79

0

1

64 Bit - Mantisse

65

0 Integerbit

GDI: Arithmetische Grundlagen / 29

© H.-G. Hopf

Gleitpunktzahlen • Gleitpunktzahl-Formate – float Größenbereich: Genauigkeit:

10-38 - 1038 7 - 8 Stellen

– double Größenbereich: Genauigkeit:

10-308 - 10308 15 - 16 Stellen

– long double Größenbereich: Genauigkeit:

GDI: Arithmetische Grundlagen / 30

10-4932 - 104932 19 - 20 Stellen

© H.-G. Hopf

Zusammenfassung • Es gibt verschiedene Zahlenbereiche • Nicht jeder Zahlenbereich ist für die zu lösende Aufgabe geeignet – z.B.: Zahlenbereich small int Aufgabe 100 + 50 = -106

• Nicht jede reelle Zahl läßt sich exakt repräsentieren – z.B. Zahl π GDI: Arithmetische Grundlagen / 31

© H.-G. Hopf

Zusammenfassung • Nicht jeder Zahlenbereich ist für die zu lösende Aufgabe geeignet – z.B.: Zahlenbereich small int Aufgabe 100 + 50 = -106 100 50 150

-106 GDI: Arithmetische Grundlagen / 32

0110 0100 0011 0010 1001 0110

1001 0110 001 0110 110 1001 110 1010 © H.-G. Hopf