Institute of Information Science - University of Miskolc

Egy mérési eredmény lehet negatív, például −5 °C, és lehet tört érték, például 13,25 mm. A számítógép memóriájában azonban csak bitek, vagyis nullák és egyesek szerepelnek. Hogyan jelöljük ezekkel a mínuszjelet és a törtrészt?

Ehhez meg kell állapodnunk a bitek értelmezésében. Először a negatív egész számok tárolását vizsgáljuk meg, majd a törtekből kiindulva eljutunk a lebegőpontos számábrázolásig és az IEEE 754 szabvány szerinti tárolásig.

A kettes számrendszerben a helyi értékek jobbról balra kétszereződnek: 1, 2, 4, 8, 16 és így tovább. Egy bit helyén álló 1 azt jelenti, hogy az adott helyi értéket hozzáadjuk a számhoz; a 0 azt, hogy nem adjuk hozzá.

Például a 00001101 bitsorozat értéke:

A szám tehát 8 + 4 + 1 = 13.

Nyolc bit együtt egy bájt. Nyolc bitből 256 különböző bitsorozat készíthető. Ha mindegyiket nemnegatív egész számként értelmezzük, 0-tól 255-ig tudunk számokat ábrázolni. Ezt nevezzük előjel nélküli egész számábrázolásnak.

Ha negatív számokat is szeretnénk tárolni, akkor ugyanezt a 256 bitsorozatot kell másképpen felosztanunk.

A bitsorozat önmagában nem mondja meg, hogyan kell értelmezni. Tudnunk kell, milyen számábrázolási szabály tartozik hozzá.

Kézenfekvő megoldás, hogy az első bit az előjelet adja meg, a többi pedig a szám abszolút értékét, vagyis az előjel nélküli nagyságát.

Állapodjunk meg abban, hogy az első bit 0 esetén pozitív, 1 esetén negatív előjelet jelent. Nyolc bitből így egy az előjelé, hét pedig a nagyságé:

Ezt előjeles abszolútértékes ábrázolásnak nevezzük. Könnyű megérteni, de az egész számokkal végzett műveleteknél kényelmetlen:

• A nullának két alakja van: 00000000 és 10000000, azaz +0 és −0.
• A bitsorozatok közönséges bináris összeadása önmagában nem adja meg helyesen az előjeles összeget.

Például +5 és −5 matematikai összege 0. A fenti két bitsorozat szokásos bináris összeadása viszont 10001010, ami ebben az ábrázolásban −10 lenne.

Az egész számokhoz ezért általában más megoldást használunk: a kettes komplemens ábrázolást.

Olyan bitsorozatot keresünk −5 számára, amelyet +5 bitsorozatához hozzáadva az alsó nyolc biten nullát kapunk.

Nyolc biten legfeljebb 255 ábrázolható előjel nélkül. A következő szám, 256, már kilenc bitet igényel: 100000000. Ha egy nyolcbites eredményből csak az alsó nyolc bitet tartjuk meg, ebből 00000000 marad.

Melyik nemnegatív számmal kell az 5-öt kiegészíteni 256-ra? A válasz: 256 − 5 = 251.

Ezért nyolcbites kettes komplemensben a −5 tárolt bitmintája megegyezik az előjel nélkül 251-et jelentő bitmintával: 11111011.

Az eljárás két egyszerű lépésből áll, de előtte rögzíteni kell a bitszámot. Most nyolc bittel dolgozunk.

1. Felírjuk a pozitív számot nyolc biten.
2. Minden bitet megfordítunk: a 0-ból 1, az 1-ből 0 lesz.
3. Az eredményhez hozzáadunk 1-et, és nyolc bitet tartunk meg.

Példa: −5 előállítása.

+5 nyolc biten:       00000101
Bitek megfordítása:  11111010
Egy hozzáadása:      11111011

Az eredmény tehát −5 = 11111011 nyolcbites kettes komplemensben.

Miért működik a megfordítás és az egy hozzáadása? A nyolc egyesből álló szám értéke 255. Egy pozitív x szám bitjeinek megfordítása 255 − x-et ad, az ezt követő +1 pedig 256 − x-et. Pontosan ezt kerestük.

Nyolcbites kettes komplemensben az első bit helyi értéke −128, a többi bité változatlanul pozitív:

Az érték: −128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 2 + 1 = −5.

Ezért az első bit valóban jelzi az előjelet: 0 esetén nemnegatív, 1 esetén negatív a szám. De nem egyszerűen külön mínuszjel a többi bit elé. A maradék hét bit itt nem a negatív szám abszolút értékét tárolja.

Másik visszaolvasási módszer: az 11111011 előjel nélkül 251. Mivel az első bit 1, kivonunk 256-ot: 251 − 256 = −5.

A pozitív és negatív számok bitmintáit ugyanazzal a bináris összeadással kezelhetjük. Az összeadásban 1 + 1 eredménye 0 az adott helyen, és 1-et továbbviszünk a következő helyi értékre. Ezt átvitelnek nevezzük.

Vizsgáljuk meg az 5 + (−5) összeget:

    00000101     +5
  + 11111011     -5
  ----------
  1 00000000

A bal oldali kilencedik bit nem fér bele a nyolcbites eredménybe. Az alsó nyolc bit 00000000, vagyis 0, ahogyan vártuk.

A kivonás is összeadássá alakítható: 7 − 5 = 7 + (−5).

    00000111     +7
  + 11111011     -5
  ----------
  1 00000010

Az alsó nyolc bit értéke 2.

Fontos: A helyes előjeles eredményhez az is szükséges, hogy a matematikai eredmény beleférjen az adott bitszám értéktartományába. A kilencedik bit elhagyása önmagában nem oldja meg a túl nagy eredmények problémáját.

Nyolcbites kettes komplemensben:

• a legnagyobb pozitív érték 01111111, vagyis 127;
• a legkisebb érték 10000000, vagyis −128;
• a nulla egyetlen alakja 00000000.

A tartomány azért nem szimmetrikus, mert az első bit 0-val kezdődő 128 lehetősége közé a nulla is beletartozik: 0–127. Az 1-gyel kezdődő 128 lehetőség a −128 és −1 közötti számoké.

Általánosan n bit esetén a kettes komplemens tartománya −2ⁿ⁻¹ … 2ⁿ⁻¹ − 1. A felső index hatványozást jelent.

Ugyanaz a bitsorozat eltérő szabállyal mást jelent:

A −128 pozitív párja, +128 nem fér el nyolcbites kettes komplemensben. Ezért a legkisebb negatív érték előjelének megfordítása is túlcsordulhat.

Ha egy kettes komplemens számot változatlan értékkel több bitre bővítünk, az új bal oldali biteket a régi első bit értékével töltjük ki. Ezt előjelkiterjesztésnek nevezzük.

A szóköz csak az olvashatóságot segíti. Negatív szám elé tehát nem nullákat írunk, mert az megváltoztatná az értékét.

Tízes számrendszerben a vessző utáni helyi értékek: egy tized, egy század, egy ezred. Kettes számrendszerben ugyanígy folytatódik a helyiérték-rendszer, de minden új helyen kettővel osztunk:

Például a bináris 0,101 értéke:

1 × 1/2 + 0 × 1/4 + 1 × 1/8 = 0,625.

A következőkben a szám mögötti alsó 2 a kettes, az alsó 10 a tízes számrendszert jelöli. Így az előző összefüggés:

0,101₂ = 0,625₁₀.

Ez nem azonos a tízes számrendszerbeli 0,101-gyel. A vessző mindkét esetben az egész és a tört részt választja el, de a helyi értékek különböznek.

Az egész részt és a tört részt külön vizsgáljuk:

• 13 = 8 + 4 + 1, ezért az egész rész 1101.
• 0,25 = 1/4, ezért a tört rész 01.

Tehát 13,25₁₀ = 1101,01₂.

Ellenőrzés: 8 + 4 + 1 + 1/4 = 13,25.

A törtjegyeket ismételt kettővel szorzással is meghatározhatjuk. Minden lépésben felírjuk a szorzat egész részét, majd a következő lépésben csak a megmaradt törtrésszel dolgozunk.

Például 0,625 esetén:

A jegyeket keletkezésük sorrendjében olvassuk: 0,101₂. A maradék nulla lett, ezért a felírás véget ért.

A memóriában nincs a bitek közé rajzolt vessző. A helyét is értelmezési szabállyal kell megadnunk.

Az egyik lehetőség, hogy előre rögzítjük, hány bit tartozik a törtrészhez. Ezt fixpontos számábrázolásnak nevezzük.

Például használjunk nyolc előjel nélküli bitet, és állapodjunk meg abban, hogy az utolsó négy bit a törtrész. A tárolt 00110100 bitmintát ilyenkor 0011,0100 alakban értelmezzük:

2 + 1 + 1/4 = 3,25.

Ugyanez megfogalmazható úgy is, hogy a tárolt egész szám 52, és annak értékét 16-tal osztjuk: 52/16 = 3,25.

Ebben az egyszerű formátumban két szomszédos szám távolsága mindig 1/16 = 0,0625. A legnagyobb szám 255/16 = 15,9375. Több törtbit finomabb felbontást adna, de ugyanennyi összes bit mellett kisebb egész rész férne el.

A fixpontos ábrázolás állandó lépésközt használ. Ez hasznos lehet, ha a mérési tartomány és a szükséges felbontás előre ismert. Mi történjen azonban, ha nagyon kicsi és nagyon nagy számokkal is szeretnénk dolgozni?

A mérnöki gyakorlatban gyakran használunk hatványalakot. Például:

• 13 250 = 1,325 × 10⁴;
• 0,001325 = 1,325 × 10⁻³.

Mindkét számban az 1,325 hordozza az értékes számjegyeket. A tíz hatványa mondja meg, mekkora legyen a szám. A kitevő az a szám, amelyet a hatvány alapjának felső indexébe írunk: itt 4, illetve −3.

A negatív kitevő osztást jelent: 10⁻³ = 1/1000. Ugyanígy 2⁻³ = 1/8.

A lebegőpontos számábrázolás ezt az ötletet használja: külön tárolja a szám előjelét, értékes jegyeit és a nagyságrendet meghatározó kitevőt. A vessző helye a kitevőtől függ, ezért mondjuk, hogy „lebeg”.

A bináris lebegőpontos számoknál a hatvány alapja 2, nem 10.

A 13,25 korábban kapott bináris alakja 1101,01. A vesszőt három hellyel balra helyezve 1,10101-et kapunk. Ez nyolcadakkora szám, ezért 2³-nal, azaz nyolccal kell szoroznunk:

1101,01₂ = 1,10101₂ × 2³.

A nem nulla szám abszolút értékét úgy rendezzük át, hogy a vessző előtt pontosan egy 1-es maradjon. Ezt az alakot normalizált alaknak, az átrendezést normalizálásnak nevezzük.

Az 1,10101 részt szignifikansnak nevezzük; sok tananyag a mantissza elnevezést használja rá. Ez hordozza a szám értékes bináris jegyeit. Értéke normalizált alakban legalább 1, de kisebb 2-nél.

Egy egynél kisebb számnál negatív kitevőt kapunk:

0,00101₂ = 1,01₂ × 2⁻³ = 0,15625₁₀.

Itt a vesszőt jobbra mozdítottuk három hellyel, ezért az érték megtartásához nyolccal osztunk.

Az alapötlet még nem határozza meg, hány bitet kapjon az előjel, a kitevő és a szignifikáns. Ha különböző számítógépek ugyanúgy szeretnék értelmezni az adatot, közös szabályokra van szükségük.

Az IEEE 754 a lebegőpontos számábrázolás és aritmetika szabványa. Többek között tárolási formátumokat, kerekítési szabályokat és különleges értékeket határoz meg. Itt a binary32 nevű, 32 bites bináris formátumot vezetjük le részletesen. Ezt egyszeres pontosságú ábrázolásnak is nevezik.

A 32 bitet három egymás utáni részre osztjuk. Az ilyen, meghatározott szerepű bitcsoportot mezőnek nevezzük.

Ez összesen 1 + 8 + 23 = 32 bit, vagyis négy bájt. A következő levezetések a normál, véges, nem nulla számokra vonatkoznak. A nulla és más különleges esetek szabályait később külön tárgyaljuk.

A normalizált bináris alak mindig 1,-gyel kezdődik. Ezt az első 1-est ezért nem szükséges külön eltárolni: visszaolvasáskor automatikusan eléírjuk a tárolt törtbiteknek.

Például az 1,10101 szignifikansból csak az 10101 rész kerül a törtrészmezőbe. A hiányzó helyeket jobbról nullákkal töltjük ki.

Az elhagyott első 1-est rejtett vezető bitnek nevezik. Emiatt a 23 tárolt törtbit a normál számoknál 24 értékes bináris jegyet biztosít. A szignifikans és a tárolt törtrészmező tehát nem pontosan ugyanaz.

A kitevő lehet pozitív és negatív is. A binary32 kitevőmezőjét azonban nem kettes komplemens szerint értelmezzük. Ehelyett a valódi kitevőhöz hozzáadunk 127-et, és ezt a nemnegatív értéket tároljuk.

Ezt az állandó hozzáadást eltolásnak nevezzük; angol neve bias.

• Tárolás: tárolt kitevő = valódi kitevő + 127.
• Visszaolvasás: valódi kitevő = tárolt kitevő − 127.

A normál számok tárolt kitevője 1 és 254 közötti lehet, ami −126 és +127 közötti valódi kitevőt jelent. A 0 és a 255 mezőérték különleges esetek számára van fenntartva.

A szám negatív, ezért az előjelbit 1. A továbbiakban a 13,25 abszolút értékével dolgozunk.

A korábbi levezetés szerint:

13,25₁₀ = 1101,01₂ = 1,10101₂ × 2³.

A valódi kitevő tehát 3, a szignifikáns 1,10101.

A 3-hoz hozzáadjuk az eltolást: 3 + 127 = 130.

Mivel 130 = 128 + 2, a kitevőmező nyolc bitje 10000010.

Az 1,10101 elejéről elhagyjuk a rejtett 1-est. A maradó 10101 öt bit hosszú; jobbról 18 nullával egészítjük ki 23 bitre:

10101000000000000000000.

Itt nincs szükség kerekítésre, mert az összes értékes jegy elfér.

A teljes 32 bites minta:

1 10000010 10101000000000000000000

A szóközök csak a mezőhatárokat mutatják, nem tárolt jelek. A bitmintát a legfelső előjelbittől a legalsó törtbit felé írtuk fel; a memóriabeli bájtsorrend külön kérdés.

Fontos különbség: itt a negatív előjelet egy külön bit tárolja. A −13,25 előállításához nem fordítjuk meg a +13,25 teljes bitmintáját, és nem adunk hozzá 1-et. A kettes komplemens az egész számoknál tanult másik ábrázolás.

1. Az előjelbit 1, ezért az eredmény negatív.
2. A kitevőmező 10000010, vagyis 130. A valódi kitevő 130 − 127 = 3.
3. A törtmező elé visszaírjuk a rejtett 1-est: 1,10101.
4. A szignifikáns értéke 1 + 1/2 + 1/8 + 1/32 = 1,65625.
5. Megszorozzuk 2³-nal: 1,65625 × 8 = 13,25.
6. Alkalmazzuk a negatív előjelet: −13,25.

Jelöljük az előjelbitet s-sel, a kitevőmező előjel nélküli egész értékét E-vel, a 23 bites törtrészmező előjel nélküli egész értékét pedig F-fel. Normál binary32 számnál:

érték = (−1)^s × (1 + F / 2²³) × 2^E−127.

A képlet ugyanazokat a lépéseket foglalja össze, amelyeket az előbb külön elvégeztünk. Csak akkor alkalmazható ebben az alakban, ha 1 ≤ E ≤ 254.

Ábrázoljuk a 0,15625 számot! Mivel 0,15625 = 1/8 + 1/32, bináris alakja 0,00101.

Normalizálva: 1,01₂ × 2⁻³.

• Az előjelbit 0, mert a szám pozitív.
• A valódi kitevő −3, így a tárolt kitevő −3 + 127 = 124, azaz 01111100.
• A rejtett 1-es utáni törtbitek 01, amelyeket 23 bitre egészítünk ki.

Visszaolvasva a szignifikáns 1,25, a kettes hatvány 1/8, ezért az eredmény 1,25 / 8 = 0,15625.

A tízes számrendszerben az 1/3 felírása végtelen: 0,3333… Kettes számrendszerben is vannak végtelen felírású törtek, de nem pontosan ugyanazok.

Például a 0,1₁₀ bináris alakja 0,0001100110011…₂. A 0011 rész az első törtjegy után ismétlődik.

Az ismételt kettővel szorzásnál is látszik az ismétlődés:

Az ötödik lépésben újra 0,2 maradt, ezért innentől ugyanaz a folyamat ismétlődik. A szám felírása nem ér véget.

Véges számú biten csak véges számú jegyet tárolhatunk, ezért közelítő értéket választunk. A binary32 formátumban a 0,1 legközelebbi tárolható értéke körülbelül 0,10000000149.

Ez nem meghibásodás. Hasonló ahhoz, amikor az 1/3 helyett csak 0,333-at írunk le.

Az IEEE 754 alapértelmezett bináris kerekítése a legközelebbi ábrázolható értéket választja. Pontos félútnál azt az értéket részesíti előnyben, amelynek utolsó megtartott bináris jegye 0. Ezt „legközelebbire, döntetlennél párosra” kerekítésnek nevezik.

Ezért a tárolás nem minden esetben puszta levágás: a megtartott utolsó jegyek a kerekítés hatására megváltozhatnak.

A binary32 normál számoknak 24 értékes bináris jegyük van. Amikor a kitevő nő, ugyanezek a jegyek nagyobb helyi értékeket jelölnek. Ezért a nagyobb számok között általában nagyobb a távolság.

Például binary32 esetén:

• 1 és 2 között a szomszédos számok távolsága 2⁻²³, körülbelül 0,0000001192.
• 2²⁴ = 16 777 216 és 2²⁵ között a lépésköz már 2.

A 16 777 217 egész szám ezért nem tárolható pontosan binary32-ben, pedig nem közelíti meg a formátum legnagyobb értékét. A szomszédai 16 777 216 és 16 777 218. Az alapértelmezett kerekítés itt a 16 777 216-ot választja.

Az ábrázolható tartomány és az ábrázolás pontossága külön tulajdonság. Attól, hogy egy érték a tartományon belül van, még nem feltétlenül tárolható pontosan.

A normál alak mindig rejtett 1-essel kezdődik, ezért ezzel a szabállyal a nullát nem tudnánk leírni. A szabvány ezért bizonyos kitevőmintákhoz külön értelmezést rendel.

A következő táblázatban E a kitevőmező egész értéke, F pedig a törtrészmezőé:

A szubnormális számoknál a vezető bit 0, a kettes hatvány kitevője pedig rögzítetten −126. Így a normál tartomány alatt is tárolhatók nullától különböző értékek, de kevesebb értékes jeggyel. A legkisebb pozitív binary32 érték 2⁻¹⁴⁹, körülbelül 1,4 × 10⁻⁴⁵.

A szubnormális érték képlete: (−1)^s × (F / 2²³) × 2⁻¹²⁶. Itt nem írunk vissza rejtett 1-est.

A végtelen jelölés például túl nagy eredménynél jelenhet meg. Nem egy rendkívül nagy véges számot jelent, hanem különleges érték.

A NaN az angol Not a Number rövidítése. Olyan eredményt jelölhet, amelyhez nem rendelhető szokásos számérték, például a 0/0 műveletnél. A program konkrét szabályai szerint ilyen helyzetben különleges érték vagy hibajelzés is keletkezhet.

A +0 és −0 a szokásos numerikus egyenlőségvizsgálatban egyenlő, de bitmintájuk eltér, és egyes műveletek különbséget tesznek közöttük. Ez az egész számok kettes komplemens ábrázolásának egyetlen nullájától eltérő szabály.

Az IEEE 754 másik gyakori formátuma a binary64, más néven kétszeres pontosságú ábrázolás. Ugyanarra az elvre épül, de több bitet használ a kitevőhöz és a törtrészhez is.

Az „értékes jegy” nem ugyanaz, mint a „vessző utáni jegy”. Például az 1,234567 és az 1 234 567 egyaránt hét értékes decimális jegyet tartalmaz. A táblázat kerekített tájékoztatást ad, nem minden decimális számra érvényes pontos tárolási garanciát.

A binary64 lényegesen pontosabb, de a 0,1-et ez sem tárolja pontosan, mert annak bináris felírása végtelen.

• Egész számoknál ellenőrizzük a tartományt. Például egy számláló tárolásakor fontos, elfér-e benne a legnagyobb várható érték.
• A lebegőpontos eredményben lehet kerekítési eltérés. Ez nem azonos a műszer mérési hibájával, bár a számítás során mindkettő jelentős lehet.
• Nagy érték mellett egy kis változás elveszhet. Ha a változás kisebb a helyi lépésköznél, kerekítés után ugyanaz a szám maradhat.
• A számítás sorrendje is számíthat. A részeredmények kerekítése miatt az összeadások átcsoportosítása eltérő eredményt adhat.
• Számított vagy mért értékek egyezését gyakran tűréssel vizsgáljuk. A tűrést a mértékegységhez, a nagyságrendhez és a feladat pontossági követelményéhez kell választani.

Például ha két hosszúságeredmény eltérését legfeljebb 0,001 mm-ig tekintjük elfogadhatónak, azt vizsgáljuk, hogy különbségük abszolút értéke legfeljebb 0,001 mm-e. Más nagyságrendű feladatnál relatív, az érték nagyságához viszonyított tűrésre is szükség lehet.

A több megjelenített tizedesjegy nem teszi pontosabbá sem az eredeti mérést, sem a már elvégzett számítást.

1. Írja fel a −6 értéket nyolcbites kettes komplemens ábrázolással!
2. Mit jelent az 11110110 nyolcbites kettes komplemens szerint?
3. Miért okoz problémát a 100 + 40 művelet nyolcbites kettes komplemensben?
4. Írja fel a 0,375 számot bináris tört alakban!
5. Írja fel a 6,5 számot normalizált bináris alakban!
6. Adja meg a +6,5 három mezőjét IEEE 754 binary32 formátumban!
7. Az előző bitmintában mely bitek változnak meg, ha +6,5 helyett −6,5-et tárolunk?
8. Miért nem tárolható pontosan a 0,1 sem binary32, sem binary64 formátumban?
9. Hogyan lehetséges, hogy egy tartományon belüli egész szám sem tárolható pontosan lebegőpontos formában?

1. +6: 00000110; megfordítva: 11111001; egyet hozzáadva: 11111010.
2. Előjel nélkül 246, ezért kettes komplemens szerint 246 − 256 = −10.
3. A matematikai eredmény 140, de a legnagyobb ábrázolható érték 127. Túlcsordulás történik.
4. 0,375 = 1/4 + 1/8, ezért 0,011₂.
5. 6,5 = 110,1₂ = 1,101₂ × 2².
6. Előjel: 0; kitevő: 2 + 127 = 129, azaz 10000001; törtrész: 10100000000000000000000.
7. Csak az előjelbit változik 0-ról 1-re.
8. A 0,1 bináris alakja végtelen szakaszos tört, a tárolható bitek száma pedig véges.
9. A tartomány a nagyságrendet korlátozza, a szignifikáns hossza pedig a pontosságot. Nagy értékeknél a szomszédos tárolható számok között egynél nagyobb távolság is lehet.

• Oracle Numerical Computation Guide: IEEE-formátumok és különleges értékek
• David Goldberg: What Every Computer Scientist Should Know About Floating-Point Arithmetic