Системы счисления

     Лабораторная  работа №7

     Тема: «Системы счисления»

 

      Цель  работы: Рассмотреть позиционные системы счисления, а также получить навыки по представлению числовых данных в различных системах счисления. 

   Порядок выполнения работы

1. Изучить общие понятия, лежащие в основе систем счисления: алфавит, основание.
2. Освоить правила перевода чисел из одной системы счисления в другую, а также правила выполнения арифметических операций с двоичными числами.
3. Получить навыки представления чисел в машинных двоичных кодах.

     Теоретическая часть

     Под системой счисления понимается определенный способ записи числа с помощью некоторого алфавита символов a₁, a₂,…, a_n. При этом каждой цифре a_i в записи числа ставится в соответствие определенное количественное значение.

     Количество  цифр, используемых для изображения  числа в позиционной системе  счисления, называется основанием системы счисления (S).

     Любое число A в позиционной системе счисления может быть представлено в виде суммы коэффициентов a_i из алфавита данной системы умноженных на степени основания S системы счисления:

     A_S=a_na_n-1a_n-2…a₂a₁a₀,a_-1a_-2…a_-m=

    =a_n*Sⁿ + a_n-1*S^n-1 + a_n-2*S^n-2 + …a₂*S² + a₁*S¹ + a₀*S⁰ +a_-1*S^-1 + a_-2*S^-2 + … + a_-m*S^-m.

Таблица 1

Алфавит основных систем счисления

 

     В математике для записи числа используется десятичная система счисления (S=10), ее алфавит состоит из десяти арабских цифр 0, 1, 2,…, 9. Любое число в этой системе счисления можно представить следующим образом:

     A₁₀=a_n*10ⁿ + a₁*10¹ + a₀*10⁰+a_-1*10^-1 … + a_-m*10^-m_.

     Например, 32,19₁₀=3·10¹+2·10⁰+1·10^-1+9·10^-2.

     В аппаратной основе вычислительной техники  для физического представления  чисел, предназначенных для обработки, используются двухпозиционные элементы, которые могут находиться только в одном из устойчивых состояний. Одно из этих состояний обозначает цифру 0, а другое – цифру 1. Поэтому наибольшее распространение в ЭВМ получила двоичная система счисления, основание которой S=2. Ее алфавит состоит из двух цифр 0 и 1.

Например, двоичное число

10011,01=1·2⁴+0·2³+0·2²+1·2¹+1·2⁰+0·2^-1+1·2^-2=16+2+1+0,25=19,25₁₀

соответствует десятичному числу 19,25₁₀.

Таблица 2

Правила двоичного сложения, вычитания и умножения

 

     Для более компактной записи чисел обычно используются восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления. Поэтому большое практическое значение имеют процедуры перевода из одной системы счисления в другую. 

 

     В восьмеричной системе счисления (S=8) используется восемь цифр 0,1,…,7. Например, переведем число из восьмеричной системы счисления 237,4₈ в десятеричную систему счисления

     237,4₈=2·8² + 3·8¹ + 7·8⁰ + 4·8^-1 = 128+24+7+0,5=159,5₁₀.

     Переведем число из десятичной системы счисления  75,59₁₀ в восьмеричную систему счисления

                       Остаток

      75:8 = 9        (3)

     9:8 = 1         (1)

     1:8 = 0         (1) 

     0,59·8 = 4,72;

     0,72·8 = 5,76;

     0,76·8 = 6,08, …

     Таким образом, 75,59₁₀ = 113,456₈ 

     В шестнадцатеричной системе счисления алфавит состоит из 16 цифр, где первые десять символов обозначаются цифрами от 0 до 9, а далее используются буквенные обозначения: 10 – A, 11 – B, 12 – C, 13 – D, 14 – E, 15 – F. Предложенный алфавит позволяет записать все десятичные цифры от 0 до 15, остальные цифры представляются следующим образом: 

                  Остаток    Остаток            Остаток

           16:16 = 1      (0)            17:16 = 1      (1)       18:16 = 1        (2)

            1:16 = 0      (1)             1:16 = 1      (1)        1:16 = 0          (1) 

16₁₀=10₁₆ = 1·16¹+0·16⁰; 17₁₀=11₁₆ = 1·16¹+1·16⁰; 18₁₀=12₁₆ = 1·16¹+2·16⁰. 

     Существует  также способ взаимного перевода чисел из восьмеричной и шестнадцатеричной системы счисления в двоичную систему счисления, благодаря использованию таблицы соответствия чисел в двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления (Табл.3).

Таблица 3

Соответствие чисел в двоичной, восьмеричной и

  шестнадцатеричной  системах счисления

 

     Например, переведем число 162,37₈ из восьмеричной системы счисления в двоичную и шестнадцатеричную системы счисления

     162,37₈ = 001 110 010, 011 111 ₂,

                    1    6     2      3     7

     0111 0010, 0111 1100 ₂ = 72,7C₁₆

        7       2        7       C

     Получаем, 162,37₈ = 1110010,011111₂ = 72,7C₁₆ 

     Для выполнения арифметических операций над  числами в ЭВМ используют специальные машинные коды: прямой, обратный и дополнительный. Применение машинных кодов сводит операцию вычитания к алгебраическому суммированию кодов этих чисел, упрощается определение знака результата операции.

     В данных машинных кодах перед старшим  цифровым разрядом располагается знаковый разряд, в котором записывается нуль для положительного числа и единица для отрицательного числа. В дальнейшем при написании машинных кодов будем отделять знаковый разряд от цифровых разрядов точкой.

     Прямой  код двоичного числа содержит цифровые разряды, перед которыми записан знаковый разряд. Прямой код используется для представления отрицательных чисел в запоминающем устройстве ЭВМ.

     Например, для двоичных чисел x = +1010₂ и y = -1101₂ их прямые коды будут иметь следующий вид:

     x_пр = 0.1010₂ и y_пр = 1.1101₂.

     Обратный  код положительного числа полностью совпадает с его прямым кодом. Для отрицательного числа он содержит единицу в знаковом разряде, а значащие цифровые разряды числа заменяются на инверсные, то есть единицы заменяются нулями, а нули – единицами.

     Таким образом, для приведенного выше примера  имеем:

     x_обр = x_пр = 0.1010₂ и y_обр = 1.0010₂.

     Дополнительный  код положительного числа полностью совпадает с прямым кодом, а следовательно и с обратным. Для отрицательного числа он образуется из обратного путем прибавления к нему единицы к младшему цифровому разряду.

     Следовательно, получаем:

     x_доп = x_обр = x_пр = 0.1010₂ и y_доп = 1.0011₂. 

 

      Практическая работа

     Задание 1. Переведите число из указанной системы счисления (см. вариант) в десятичную систему счисления.

 

     Задание 2. Переведите число (см. вариант) из десятичной системы счисления в двоичную систему счисления с точностью 3 знака после запятой.