浮点数的表示

2019-07-27 17:00发布

在实际应用中,往往会使用实数,例如下面的一些十进制实数:
                           179.2356=0.1792356x10^3
                           0.000000001=0.1x10^8
                           3155760000=0.215576x10^6
很明显,上述第一个数既有整数也有小数,不能用定点数格式化直接表示,后两个数则可能超出了定点数的表示范围,所以计算机引入了类似与科学表示法来标示实数。
(1)典型的浮点数格式
在机器中,典型的浮点数格式如图所示



浮点数代码由两部分组成:阶码E和尾数M。浮点数真值为:
                                N=+/-(R^E)xM
R是阶码的底。在机器中一般规定R为2,4,8或16,与尾数的基数相同。例如尾数为二进制,则R也为2。同一种机器的R值是固定不变的,所以不需要在浮点数代码中表示出来,他是隐含约定的。因此,机器中的浮点数只需表示出阶码和尾数部分。
E是阶码,即指数值,为带符号整数,常用移码或补码表示。
M是尾数,通常是纯小数,常用原码或补码表示。
S是尾数的符号位,安排在最高位。它也是整个浮点数的符号位,表示该浮点数的正负。
浮点数表示范围主要由阶码决定,精度则主要由尾数决定。为了充分利用尾数的有效位数,同时也使一个浮点数具有确定的表示形式,通常采用浮点数规格化形式,即将位数的绝对值限定在某个范围之内。如果阶码的底位2,则规格化浮点数的尾数应满足条件:1/2=<|M|<1.尾数作为定点数小数,其绝对值应小于1;由于利用了最高位,其绝对值应大于或等于(0.1)2,即1/2。从形式上看:对于正数,规格化尾数最高数位m1=1,这意味着尾数的有效位数被充分利用了。对于负数补码,一般情况下尾数最高位数m1=0,但有一种特殊情况除外,即M=-1/2(此时m1=1)。(这时它讨论的前提是位数是用补码表示)
例:某浮点数长12位,其中阶码4位用补码表示;尾符1位,尾数7位用补码表示。写出二进制(-101.011)2的规格化浮点数代码。
(-101.011)2=(-0.101011)2x2^3
其浮点数代码为| 1| 0 | 011|0101010|
                      尾符 阶码       尾数
这个题你要小心的是尾数是7位,你把-0.101011换成补码时要先补满7位。
(2)移码(增码)
浮点数的阶码是带符号定点整数,常用移码表示。
若浮点数阶码为n+1(包括阶符),则移码定义如下:
[x]移=2^n+x    -2^n=<x=<2^n-1
上式中x表示真值,[x]移表示x的移码,
移码的一些性质a移码其实就是把真值映射到0~255正数域,若将移码视作无符号数,则移码的大小就反映了真值的大小,这讲便于两个浮点数的阶码比较。
              b最高位为符号位,表示形式与原码和补码相反,1表示正,0表示负。
              c移码与补码的关系:[x]补=2^(n+1)+x(mod 2^(n+1))=2^n+2^n+x=2^n+[x]移。从形式上看,[x] 移与[x]补符号位相反外,其余各位相同。
              d移码表示中,0有唯一的编码,即[+0]移=[-0]移=100……0。
              e[x]移位全0时,表示阶码最小
(3)浮点数表示范围
浮点数的表示范围和阶码的底有关,也与阶码和尾数的位数以及采用的机器数表示形式有关。
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典型值            阶码           尾数                真值               
-------------------------------------------------------------------------
最大整数          11……1        0.11……1           2^(2^k-1)x(1-2^(-n))
-------------------------------------------------------------------------
绝对值最大负数    11……1        1.00……0           2^(2^k-1)x(-1)      
-------------------------------------------------------------------------
非0最小正数       00……0        0.10……0           2^(-2^k)x2^(-1)     
-------------------------------------------------------------------------
绝对值最小负数    00……0         1.0……0           2^(-2^k)x(-2^(-1))
-------------------------------------------------------------------------
(4)使用浮点数格式举例
按IEEE标准,常用的浮点数的格式为:
                                数符         阶码        尾数       总位数
                   短实数        1            8           23          32
                   长实数        1           11           52          64
                  临时实数       1           15           64          80
下面以32位浮点数(短实数)为例,讨论浮点代码与其真值之间的关系,其浮点格式如下
            
                         31 30              23 22                   0
                      | s |   |           |   |   |               |   |
                      数符|…… 阶码 …………||………… 阶码 …………|
最高位是数符s,其后8位阶码,以2为底,阶码偏置位127。其余23位是尾数,为了尾数部分能表示更多一位的有效值,IEEE754采用隐含尾数最搞数位1(即这一位1不表示出来)的方法,因此尾数实际上是24位。应注意隐含的1是一位整数(即位权位2^0),在浮点格式中表示出来的23位尾数是纯小数并用原码表示,尾数的真值为:1+尾数。这样,上述格式的非0浮点数真值为
(-1)x2^(阶码-127)x(1+尾数)
根据上式,可得出上述格式的浮点数表示范围位-2^128x(2-2^(-23))~2^128x(2-2^(-23)),所能表示的最小绝对值位2^(-127).
例:
若采用IEEE短实数格式,试求出32位浮点数代码(CC968000)16的真值。
解:以上代码转换位2进制如下:
                           1,10011001,00101101000000000000000
                                阶码           尾数
由于数符是1,所以该数是负数。
阶码真值=10011001-(127)10=(153)10-(127)10=(26)10
尾数真值=1+0.00101101=1+(0.00101101)2=1+(0.17578125)10=(1.17578125)10
故该浮点数的真值=-2x1.17578125 。
例:
试将-(0.11)2用IEEE短实数浮点数格式表示出来。
解:(-0.11)2=-0.11x2^0
            =-1.1x2^(-1)
            =-(1+0.1)x2^(-1)
该数为负数,所以数符为1.
阶码=阶码真值+127=-1+127=126=(01111110)2
尾数=0.1000……0
所以浮点数代码为1,01111110,10000000000000000000000
注意:IEEE标准尾数采用的是原码

现在来看一个10进制转换为16进制以IEEE为标准:
float
共计32位,折合4字节
由最高到最低位分别是第31、30、29、……、0位
31位是符号位,1表示该数为负,0反之。
30-23位,一共8位是指数位。
22-0位,一共23位是尾数位。
每8位分为一组,分成4组,分别是A组、B组、C组、D组。
每一组是一个字节,在内存中逆序存储,即:DCBA
    一步步的将float型浮点数12345.0f转换为十六进制代码。在处理这种不带小数的浮点数时,直接将整数部转化为二进制表示:1 11100010 01000000也可以这样表示:11110001001000000.0然后将小数点向左移,一直移到离最高位只有1位,就是最高位的1:1.11100010010000000一共移动了16位,在布耳运算中小数点每向左移一位就等于在以2为底的科学计算法表示中指数+1,所以原数就等于这样:1.11100010010000000 * ( 2 ^ 16 )好了,现在我们要的尾数和指数都出来了。显而易见,最高位永远是1,因为你不可能把买了16个鸡蛋说成是买了0016个鸡蛋吧!所以这个1我们还有必要保留他吗?好的,我们删掉他。这样尾数的二进制就变成了:11100010010000000最后在尾数的后面补0,一直到补够23位:11100010010000000000000 再回来看指数,一共8位,可以表示范围是0 - 255的无符号整数,也可以表示-128 - 127的有符号整数。但因为指数是可以为负的,所以为了统一把十进制的整数化为二进制时都先加上127,在这里,我们的16加上127后就变成了143,二进制表示为:1000111112345.0f这个数是正的,所以符号位是0,那么我们按照前面讲的格式把它拼起来:
0 10001111 11100010010000000000000
01000111 11110001 00100000 00000000
再转化为16进制为:47 F1 20 00,最后把它翻过来,就成了:00 20 F1 47。(因为在内存中的存储是倒序的)
现在你自己把54321.0f转为二进制表示,自己动手练一下!

最后我们来讨论精度的问题:
记得以前我和我们老师讨论个问题,这个老师的确不咋样,float的确有个取值区间,可是不是在这区间里的值它都能准确表示。由于灵敏度的原因。
以下为COPY
有了上面的基础后,下面我再举一个带小数的例子来看一下为什么会出现精度问题。
按照IEEE浮点数表示法,将float型浮点数123.456f转换为十六进制代码。对于这种带小数的就需要把整数部和小数部分开处理。整数部直接化二进制:100100011。小数部的处理比较麻烦一些,也不太好讲,可能反着讲效果好一点,比如有一个十进制纯小数0.57826,那么5是十分位,位阶是1/10;7是百分位,位阶是1/100;8是千分位,位阶是1/1000……,这些位阶分母的关系是10^1、10^2、10^3……,现假设每一位的序列是{S1、S2、S3、……、Sn},在这里就是5、7、8、2、6,而这个纯小数就可以这样表示:n = S1 * ( 1 / ( 10 ^ 1 ) ) + S2 * ( 1 / ( 10 ^ 2 ) ) + S3 * ( 1 / ( 10 ^ 3 ) ) + …… + Sn * ( 1 / ( 10 ^ n ) )。把这个公式推广到b进制纯小数中就是这样:
n = S1 * ( 1 / ( b ^ 1 ) ) + S2 * ( 1 / ( b ^ 2 ) ) + S3 * ( 1 / ( b ^ 3 ) ) + …… + Sn * ( 1 / ( b ^ n ) )

天哪,可恶的数学,我怎么快成了数学老师了!没办法,为了广大编程爱好者的切身利益,喝口水继续!现在一个二进制纯小数比如0.100101011就应该比较好理解了,这个数的位阶序列就因该是1/(2^1)、1/(2^2)、1/(2^3)、1/(2^4),即0.5、0.25、0.125、0.0625……。乘以S序列中的1或着0算出每一项再相加就可以得出原数了。现在你的基础知识因该足够了,再回过头来看0.45这个十进制纯小数,化为该如何表示呢?现在你动手算一下,最好不要先看到答案,这样对你理解有好处。
我想你已经迫不及待的想要看答案了,因为你发现这跟本算不出来!来看一下步骤:1 / 2 ^1位(为了方便,下面仅用2的指数来表示位),0.456小于位阶值0.5故为0;2位,0.456大于位阶值0.25,该位为1,并将0.45减去0.25得0.206进下一位;3位,0.206大于位阶值0.125,该位为1,并将0.206减去0.125得0.081进下一位;4位,0.081大于0.0625,为1,并将0.081减去0.0625得0.0185进下一位;5位0.0185小于0.03125,为0……问题出来了,即使超过尾数的最大长度23位也除不尽!这就是著名的浮点数精度问题了。不过我在这里不是要给大家讲《数值计算》,用各种方法来提高计算精度,因为那太庞杂了,恐怕我讲上一年也理不清个头绪啊。我在这里就仅把浮点数表示法讲清楚便达到目的了。
OK,我们继续。嗯,刚说哪了?哦对对,那个数还没转完呢,反正最后一直求也求不尽,加上前面的整数部算够24位就行了:1111011.01110100101111001。某BC问:“不是23位吗?”我:“倒,不是说过了要把第一个1去掉吗?当然要加一位喽!”现在开始向左移小数点,大家和我一起移,众:“1、2、3……”好了,一共移了6位,6加上127得131(怎么跟教小学生似的?呵呵~),二进制表示为:10000101,符号位为……再……不说了,越说越啰嗦,大家自己看吧:
0 10000101 11101101110100101111001
42 F6 E9 79
79 E9 F6 42

下面再来讲如何将纯小数转化为十六进制。对于纯小数,比如0.0456,我们需要把他规格化,变为1.xxxx * (2 ^ n )的型式,要求得纯小数X对应的n可用下面的公式:
n = int( 1 + log (2)X );

0.0456我们可以表示为1.4592乘以以2为底的-5次方的幂,即1.4592 * ( 2 ^ -5 )。转化为这样形式后,再按照上面第二个例子里的流程处理:
1. 01110101100011100010001
去掉第一个1
01110101100011100010001
-5 + 127 = 122
0 01111010 01110101100011100010001
最后:
11 C7 3A 3D

另外不得不提到的一点是0.0f对应的十六进制是00 00 00 00,记住就可以了。
最后贴一个可以分析并输出浮点数结构的函数源代码,有兴趣的自己看看吧:
// 输入4个字节的浮点数内存数据
void DecodeFloat( BYTE pByte[4] )
{
printf( "原始(十进制):%d %d %d %d " , (int)pByte[0],
(int)pByte[1], (int)pByte[2], (int)pByte[3] );
printf( "翻转(十进制):%d %d %d %d " , (int)pByte[3],
(int)pByte[2], (int)pByte[1], (int)pByte[0] );
bitset<32> bitAll( *(ULONG*)pByte );
string strBinary = bitAll.to_string<char, char_traits<char>, allocator<char> >();
strBinary.insert( 9, " " );
strBinary.insert( 1, " " );
cout << "二进制:" << strBinary.c_str() << endl;
cout << "符号:" << ( bitAll[31] ? "-" : "+" ) << endl;
bitset<32> bitTemp;
bitTemp = bitAll;
bitTemp <<= 1;
LONG ulExponent = 0;
for ( int i = 0; i < 8; i++ )
{
ulExponent |= ( bitTemp[ 31 - i ] << ( 7 - i ) );
}
ulExponent -= 127;
cout << "指数(十进制):" << ulExponent << endl;
bitTemp = bitAll;
bitTemp <<= 9;
float fMantissa = 1.0f;
for ( int i = 0; i < 23; i++ )
{
bool b = bitTemp[ 31 - i ];
fMantissa += ( (float)bitTemp[ 31 - i ] / (float)( 2 << i ) );
}
cout << "尾数(十进制):" << fMantissa << endl;
float fPow;
if ( ulExponent >= 0 )
{
fPow = (float)( 2 << ( ulExponent - 1 ) );
}
else
{
fPow = 1.0f / (float)( 2 << ( -1 - ulExponent ) );
}
cout << "运算结果:" << fMantissa * fPow << endl;
}
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