Олег Вальпа - Разработка устройств на основе цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Devices с использованием Visual DSP++

Как известно, в двоичной арифметике операция вычитания заменяется сложением чисел, представленных в дополнительном коде. Положительные числа не требуется переводить в дополнительный код. Отрицательные числа в дополнительном коде изменяют свою запись.

Существует несколько форматов представления отрицательных чисел в дополнительном коде. Наиболее распространенным методом является дополнение до двух, который используется в семействе процессоров ADSP-21XX.

Преимущество формата дополнения до двух состоит в том, что он обеспечивает уникальное представление нулевого значения числа, в то время как другие форматы имеют разные представления отрицательного и положительного нуля. В формате дополнения до двух ноль считается положительным, поэтому абсолютная величина максимального отрицательного числа, которое может быть представлено определенным количеством двоичных разрядов, больше на единицу, чем величина наибольшего положительного числа.

С помощью n бит в дополнительном коде можно представлять диапазон чисел от -2 n-1до 2 n-1-1, где n-1 разрядов отводится под величину, а 1 разряд под знак числа. Например, с помощью 16-разрядной шины данных в дополнительном коде можно представить числа в диапазоне от -32768 до 32767.

Существует два способа перевода отрицательного числа в формат дополнения до двух. Первый способ состоит из инвертирования всех разрядов числа и прибавления к нему единицы. Второй способ заключается в инвертировании всех разрядов числа левее младшего единичного разряда. Положительные числа не требуется переводить в дополнительный код. Ниже приведен пример перевода отрицательного 16-разрядного числа -5 по первому способу:

Двоичная запись числа 5:0000 0000 0000 0101

Инверсия бит: 1111 1111 1111 1010

Добавление 1: 0000 0000 0000 0001

---------------------------------

Результат=-5: 1111 1111 1111 1011

Пример перевода отрицательного числа -5 по второму способу:

Двоичная запись числа 5:0000 0000 0000 0101

Инверсия бит: 1111 1111 1111 1011

---------------------------------

Результат=-5: 1111 1111 1111 1011

Если сложить число -5 в дополнительном коде с числом 6, получим:

Число -5: 1111 1111 1111 1011

Число 6: 0000 0000 0000 0110

----------------------------

Число 1: 0000 0000 0000 0001

Как видим, результат получился верным.

При записи числа в дробном формате предполагается, что запятая размещается между какими-то определенными двоичными разрядами в числе. Биты слева от запятой представляют целую часть числа, а биты справа от запятой дробную часть числа. Существует два способа указания местоположения запятой, в формате с фиксированной точкой и в формате с плавающей точкой.

Формат с фиксированной точкой располагает запятую в одном, предопределенном месте. Часто это местоположение слева от всех разрядов числа, когда все разряды отводятся под дробную часть, или справа от всех разрядов, когда все разряды отводятся под целую часть. Местоположение запятой устанавливается программным способом. Некоторые арифметические операции, например умножение, могут изменять позицию запятой, поэтому может понадобиться сдвиг, чтобы сохранить число в том же формате с фиксированной точкой.

Формат с плавающей точкой состоит из двух частей, которые представляют значение мантиссы и экспоненты числа. Экспонента указывает местоположение запятой. Она может храниться вместе с мантиссой или в отдельном регистре.

Семейство процессоров ADSP-21XX поддерживают операции с числами в формате с фиксированной точкой. В настоящем изложении при указании формата числа используется запись L.R, где L — число двоичных разрядов слева от запятой, a R — число разрядов справа от запятой. Например, формат записи 1.15 указывает на то, что дробное число имеет один знаковый разряд и 15 разрядов для представления величины дробной части. Целое число имеет для такого представления формат записи 16.0. Для большинства приложений обработки сигналов предполагается использование дробных чисел в формате 1.15, поскольку умножитель и делитель процессора ADSP-2181 оптимизированы для операций с числами именно в таком формате.

Ассемблер ADSP-21XX поддерживает четыре формата представления данных при вычислениях. Формат представления данных имеет следующие условные названия: двоичная строка, двоичные числа без знака, знаковые числа в дополнительном коде и дробное представление.

Двоичная строка является самым простым форматом представления чисел в процессорах семейства ADSP-21XX. Этот формат используется при выполнении элементарных логических операций типа NOT, OR, AND и XOR. Ниже приведены весовые значения битов для этого формата записи.

2 152 142 132 122 112 102 92 82 72 62 52 42 32 22 12 0

Под двоичными числами без знака понимаются положительные числа. Диапазон их представления в процессоре в два раза больше чем у чисел со знаком, за счет самого знакового разряда. Фактически они выглядят также, как двоичная строка.

Знаковые числа можно отнести к числам в дополнительном коде. Большинство операций процессора поддерживают работу с числами в дополнительном коде. Процессоры семейства ADSP-21XX не поддерживают работу с остатками и числами в двоично-десятичном формате BCD (Binary Coded Decimal), когда каждая десятичная цифра представляется 4-битным двоичным позиционным кодом. Ниже приведены весовые значения битов для этого формата знаковых чисел.

-2 02 142 132 122 112 102 92 82 72 62 52 42 32 22 12 0

Дробное представление чисел имеет формат записи 1.15. Это означает, что 16-разрядное число имеет один знаковый разряд и пятнадцать дробных битов. Ниже представлены весовые значения битов в формате 1.15.

-2 02 -12 -22 -32 -42 -52 -62 -72 -82 -92 -102 -112 -122 -132 -142 -15

Для вычисления числа, записанного в этом формате, необходимо подставить вместо цифры 2 значение соответствующего разряда (0 или 1) и сложить все полученные значения. В табл. 12.1 приведены примеры соответствия чисел записанных в шестнадцатеричном виде формата 1.15 их десятичным значениям.

Таблица 12.1 Примеры соответствия чисел, записанных в шестнадцатеричном виде формата 1.15, их десятичным значениям

Как видно из таблицы, самый младший разряд эквивалентен десятичному значению 0,000030517578125. Это значение и определяет точность представления всех чисел в данном формате. Для достижения большей точности необходимо расширять разрядность числа, например программным образом размещая число в два или три 16-разрядных регистра. Аналогично можно увеличить и диапазон обрабатываемых чисел.