Двоичная система счисления

 

В двоичной (binary) системе счисления всего две цифры, называемые дво­ичны­ми (binary digits). Сокращение этого наименования привело к появлению тер­мина бит, ставшего наз­ванием разряда двоичного числа. Веса разрядов в дво­ичной системе изменяются по степе­ням двойки. Поскольку вес каждого раз­ря­да умножается либо на 0, либо на 1, то в резуль­тате значение числа опреде­ляется как сумма соответствующих значений степеней двойки. Если какой-ли­бо разряд двоичного числа равен 1, то он называется значащим разрядом. За­пись числа в двоичном виде намного длиннее записи в десятичной системе счисления.

 

Арифметические действия, выполняемые в двоичной системе, подчиня­ют­ся тем же правилам, что и в десятичной системе. Только в двоичной сис­теме перенос единиц в старший разряд возникает чаще, чем в десятичной. Вот как выглядит таблица сложения в двоичной системе:

 

0 + 0 = 0 0 + 1 = 1

1 + 0 = 1 1 + 1 = 10 (перенос в старший разряд)

 

 

Таблица умножения для двоичных чисел еще проще:

0 * 0 = 0 0 * 1 = 0 1 * 0 = 0 1 * 1 = 1

 

Пример выполнения операции сложения в двоичной системе счисления:

 

1 1 1

1 0 1 1₂ Красным цветом показан перенос из младших разрядов в

⁺ 1 1 0₂ старшие

1 0 0 0 1₂

 

Для проверки правильности выполнения операции переведем все три чис­ла из двоичной системы в 10-ую:

 

1011 = 1*2³ + 1*2¹ + 1 = 8 + 2 + 1 = 11₁₀

3 2 1 0

 

110 = 1*2² + 1*2¹ = 4 + 2 = 6₁₀

2 1 0

 

10001 = 1*2⁴ + 1 = 16 + 1 = 17₁₀

4 3 2 1 0

 

Сумма первых двух чисел (11 и 6) равна третьему числу (17), следователь­но операция выполнена верно.

Обратите внимание на то, что при добавлении к числу, состоящему из еди­ниц (11…1), еще одной единицы, получается число, равное 1 с количест­вом нулей, равным количеству единиц исходного числа, например:

1111 1111₂ + 1 = 1 0000 0000₂ = 2⁸

 

Пример выполнения операции вычитания в двоичной системе счисле­ния:

Вычитание выполняется по тем же правилам, что и в 10-ой системе, но в 10-й системе при заеме единицы старшего разряда она превращается в 10 еди­­ниц младшего разряда, а в 2-й системе – в 2 единицы. Если нужно про­извести заем не в соседнем разряде, а далее влево, то из каждых двух единиц текущего разряда одна остается в этом разряде, а вторая передается вправо. Сравните:

9 9 10 1 1 2

1 0 0 0₁₀ 1 0 0 0₂

^- 1 ^- 1

9 9 9₁₀ 1 1 1₂

 

Выполним в 2-й системе счисление вычитание 17₁₀ – 6₁₀ :

0 1 1 2

1 0 0 0 1₂

^- 1 1 0₂

1 0 1 1₂ = 11₁₀ Проверка показывает, что вычитание выполнено верно.

 

Если в двоичной системе счисления из числа, являющегося степенью двойки, вычесть 1, то получается число, состоящее из единиц, количество которых равно количеству нулей двоичного числа, например:

2⁸ - 1 = 1 0000 0000₂ – 1 = 1111 1111₂

1023 = 1024 – 1 = 2¹⁰ – 1 = 11 1111 1111₂

 

Пример выполнения операции умножения в двоичной системе счисле­ния:

1 1 0 1₂ = 13₁₀

^* 1 0 1₂ = 5₁₀

1 1 0 1

⁺1 1 0 1

1 0 0 0 0 0 1₂ = 2⁶ +1 = 64 +1 =65₁₀ (13 * 5 = 65)

6 5 4 3 2 1 0

 

Рассмотрим подробнее, как процессор выполняет умножение двоичных чисел. Пусть надо умножить число 1101 на 101 (оба числа в двоичной сис­теме счисления). Машина де­лает это следующим образом: она берет число 1101 и, если первый справа элемент второго множи­теля равен 1, то она за­носит его в сумму. Затем сдвигает число 1101 влево на одну позицию, полу­чая тем самым 11010, и, если, второй элемент второго множителя равен еди­нице, то добавляет его к сумме. Если элемент второго множителя равен ну­лю, то сумма не изменяется. Этот процесс сдвигов и сложений повторяется.

Пример выполнения операции деления в двоичной системе счисле­ния:

 

Двоичное деление основано на методе, знакомом вам по десятичному де­ле­нию, т. е. сводится к выполнению операций умножения и вычитания. Вы­пол­нение основной процедуры - выбор числа, кратного делителю и пред­наз­наченного для уменьшения делимого, здесь проще, так как таким числом мо­гут быть только либо 0, либо сам делитель.

В качестве примера разделим 143₁₀ = 10001111₂ на 13₁₀ = 1101₂

 

1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1

^- 1 1 0 1 1 0 1 1₂ = 11₁₀

1 0 0 1 1

^- 1 1 0 1

1 1 0 1

^- 1 1 0 1

0

Проверка показывает, что деление выполнено верно (143 / 13 = 11).

 

Умножение или деление двоичного числа на 2 приводит к перемещению запятой, отделяющей целую часть от дробной на один разряд соответственно вправо или влево:

1011₂ * 10₂ = 10110_2.

1011₂ / 10₂ = 101.1_2.

 

Ая система счисления

 

При наладке аппаратных средств ЭВМ или создании новой программы возникает необходимость "заглянуть внутрь" памяти машины, чтобы оценить ее текущее состояние. Но там все заполнено длинными последователь­нос­тя­ми нулей и единиц двоичных чисел. Эти последовательности очень неудобны для восприятия человеком, привыкшим к более короткой записи десятичных чисел. Кроме того, естественные возможности человеческого мышления не позволяют оценить быстро и точно величину числа, представленного, напри­мер, комбинацией из 16 нулей и единиц.

 

Для облегчения восприятия двоичного числа решили разбивать его на группы разрядов, например, по три или четыре разряда. Эта идея оказалась очень удачной, так как последовательность из трех бит имеет 8 комбинаций, а последовательность из 4 бит - 16. Числа 8 и 16 являются степенями двойки, поэтому легко находить соответствие с двоичными числами. Развивая эту идею, пришли к выводу, что группы разрядов можно закодировать, сократив при этом длину последовательности знаков. Для кодировки трех битов требу­ется восемь цифр, поэтому взяли цифры от 0 до 7 десятичной системы. Для кодировки же четырех битов необходимо шестнадцать знаков; для этого взя­ли 10 цифр десятичной системы и 6 букв латинского алфавита: A, B, C, D, E, F. Полученные системы, имеющие основания 8 и 16, назвали соответственно восьмеричной и шестнадцатеричной.

 

В восьмеричной (octal) системе счисления используются восемь раз­лич­ных цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Основание системы - 8. При записи отрица­тель­ных чисел перед последовательностью цифр ставят знак минус. Сло­же­ние, вычитание, умножение и деление чисел, представленных в восьмерич­ной системе, выполняются весьма просто, подобно тому, как это делают в общеизвестной десятичной системе счисления.

Пример выполнения операции сложения в восьмеричной системе счис­ления:

1 1 Красным цветом показан перенос из младших разрядов в старшие.

4 7 6 Выполнение операции в каждом разряде:

⁺ 3 4 1) 6 + 4 = 10 = 1*8 + 2 = 12₈

5 3 2 2) 1 + 7 + 3 = 1*8 + 3 = 13₈

3) 1 + 4 = 5

Проверим результат путем перевода чисел в десятичную систему счис­ления:

476₈ = 4*8² + 7*8 + 6 = 318 318

34₈ = 3*8 + 4 = 28 ⁺28

532 = 5*8² + 3*8 + 2 = 346 346

 

Пример выполнения операции вычитания в восьмеричной системе счис­ления:

7 8 Красным цветом показан перенос из старших разрядов в младшие.

5 3 2 Выполнение операции в каждом разряде:

^- 3 4 1) 8 + 2 – 4 = 6

4 7 6 2) 7 + 2 - 3 = 1 *8 + 3 = 13₈

3) 1 + 4 = 5

Пример выполнения операции умножения в восьмеричной системе счис­ле­ния:

5 4 54 4*4 = 16 = 2 *8 + 0 = 20₈ (записываем 0)

^* 3 4 ^* 4 2+ 5*4 = 22 = 2 *8 + 6 = 26₈

2 6 0 260

⁺ 2 0 4

2 3 2 0 54 4*3 = 12 = 1 *8 + 4 = 14₈ (записываем 4)

^* 3 1 + 5*3 = 16 = 2 *8 + 0 = 20₈

Выполним проверку:

54₈ = 5*8 + 4 = 44₁₀ 44

34₈ = 3*8 + 4 = 28₁₀ ^* 28

2320₈ = 2*8³ + 3*8² + 2*8 = 1232₁₀ 352

⁺ 88 = 1232₁₀

Пример выполнения операции деления в восьмеричной системе счис­ле­ния:

 

2 3 2 0₈ 5 4₈

^- 2 0 4 3 4₈

2 6 0

^- 2 6 0

Деление в восьмеричной системе близко делению в десятичной системе: нужно подобрать цифры частного. 232 делим на 54, в десятичной системе мы получили бы целое частное 4, но из предидущего примера мы знаем, что в восьмеричной системе 54*4 = 260, это много, попробуем взять цифру поменьше – 3, умножаем 54*3 = 204, эта цифра подходит, и т.д.

 

В различных языках про­грам­мирования запись восьмеричных чисел начинается с 0, например, запись 011 означает десятичное число 9.

Ая система счисления

 

В шестнадцатеричной (hexadecimal) системе счисления применяются десять цифр от 0 до 9 и шесть первых букв латинского алфавита:

10 – A 11 – B 12 – C 13 – D 14 – E 15 – F.

При запи­си отрицательных чисел слева от последовательности цифр ставят знак ми­нус.

Для того чтобы при написании компьютерных программ отличить чис­ла, записанные в шестнадцатеричной системе, от других, перед числом ста­вят 0x. То есть 0x11 и 11 - это разные числа.

Шестнадцатеричная система счисления широко используется при зада­нии различных оттенков цвета при кодировании графической информации (модель RGB). Так, в редакторе гипертекста Netscape Composer можно зада­вать цвета для фона или текста как в десятичной, так и шестнадцатеричной системах счисления (см. рисунок).

 

 

Пример выполнения операции сложения в 16-ой системе счис­ления:

1 1 Красным цветом показан перенос из младших разрядов

A 7 B₁₆ Выполнение операции в каждом разряде:

⁺ C 8₁₆ B + 8 = 11 + 8 = 19 = 1*16 + 3 = 13₁₆ (записываем 3)

B 4 3₁₆ 1+7+С = 8+12 = 20 = 1*16 + 4 = 14₁₆ (записываем 4)

1 + A = B

Проверим резульат путем перевода чисел в 10-ю систему:

A7B₁₆ = 10*16² + 7*16 +11 = 2683

2 1 0 2683

C8₁₆ = 12*16 + 8 = 200 ⁺ 200

1 0 2883

B43₁₆ = 11*16² + 4*16 +3 = 2883

2 1 0

 

Пример выполнения операции вычитания в 16-ой системе счис­ления:

 

15 16 Красным цветом показан заем из старших разрядов

B 4 3₁₆ Выполнение операции в каждом разряде:

- A 7 B₁₆ 16 + 3 – B = 19 -11 = 8

C 8₁₆ 15 + 4 – 7 = 12 = C

B - 1 – A = 0

 

Умножение и деление в 16-ой системе обычно не выполняется ввиду сложности вычислений.