在实际的工程应用中,往往会进行大量的数学运算。运算时除了会用到整数,很多时候也会用到小数。而我们知道在数字电路底层,只有「高电平1」和「低电平0」的存在,那么仅凭 0和1 该如何表示小数呢?
数字电路中,小数可以用两种形式来表示:「定点数」和「浮点数」。浮点数的内容我们下篇文章再讲,本文只讲定点数。
首先要明确的是,「定点数」的说法是相对「浮点数」来说的。要理解什么是定点数,可以先从要理解它的名字开始–定是什么?点又是什么?
「定点数」是英语「fixed-point number」的中文翻译,fixed的意思是固定的,point的意思是小数点,所以「定点数」其实也可以叫「固定小数点的数」。同样的,「浮点数」自然就是「浮动小数点的数」。
在10进制中,小数的表示是通过小数点和它所在位置来实现的。比如12.5,它表示的值是十二点五;而1.25则是一点二五。尽管12.5和1.25都用了「1 2 5」这3个数来表示,但由于小数点位置的不同,使得前者的数值是后者的十倍。
遗憾的是,电路只能表示1和0,无法直接表示小数点,所以上面的方法在电路中是行不通的。
假如你现在收到一条信息「我传一个小数过来,10100111」,看到这样一条信息,你恐怕只会觉得莫名其妙!10100111是哪门子小数?慢着,10100111如果直接转换成10进制数就是167,167当然不是小数,因为它没有小数点。但是仔细想想?它真的没有小数点吗?如果把167看做是167.0呢?也就是默认它的小数点是在最右边呢?
接着你很快又收到了第二条信息「我再传一个小数过来,10100111,它的小数点在从右往左数第1位」。这次你终于能看懂了 ,这不就是1010011.1吗?也就是10进制数83.5。那么直接说83.5不就完事了吗?说这么多干吗?
然后是第三条消息「我再传一个小数过来,10100111,它的小数点在从右往左数第2位」。这次传的是101001.11,即10进制数41.75。
······(省略后面的10086条消息)······
看到这是不是清晰很多了–尽管我们无法直接用小数点来表示2进制小数,但可以通过指定小数点的位置来说明这是一个小数啊!
约定小数点的位置,且这个位置固定不变,小数点前、后的数字,分别用2进制表示,组合起来就可以用来表示和使用2进制小数了。用这种方式表示的数就叫做「定点数」。
很容易想到,定点数除了能表示小数外,也可以表示整数。因为你可以把小数点的位置约定在最右面,这样其实相当于没有小数点,所以表示的都是整数;同样的,你也可以把小数点规定在最左边,这样表示的就是一个整数部分为0的小数。
所以定点数的表示可以分为三种情况:
这种情况约定小数点在最右边。例如10进制数85用8位无符号2进制数表示就是0101_0101,因为小数点在最右边,所以可以看做是0101_0101.0 。
定点纯小数是指整数部分为0的小数。根据是无符号数还是有符号数,分为两种情况:
(1)无符号数
无符号数的最高位不表示符号,仅表示数值。这种情况约定小数点的位置在最左边。例如10进制数0.125用8位无符号2进制数表示就是0.0010_0000,因为小数点在最左边,所以是0010_0000。
(2)有符号数
有符号数的最高位表示符号,不表示数值。这种情况约定小数点的位置在次高位。例如10进制数-0.125用8位无符号2进制数表示就是1.0010_000,因为小数点在次高位,所以是1010_0000。
除了纯整数和纯小数这两种情况外,其实定点数主要是用来表示 「整数 + 小数」的情况,例如3.14、1.5、25.125等等。这种情况需要确定以下信息才能正确表示该数:
整数和小数的长度之和确定了用多大的电路来表示定点数,而二者的长度之比则确定了小数点的位置。符号位则确定了该数是一个有符号数还是一个无符号数。
光说不练云玩家,接下来看几个例子。
(1)1.25 的定点数表示
首先约定用无符号数来表示,然后约定5 位为整数部分,3 位为小数部分。所以有:
1.25(D) = 1.01(B) = 00001.010 = 000010101
(2)-9.5 的定点数表示
首先需要用有符号数来表示,因为整数9需要4位来表示,而小数0.5仅需1位就可表示。为此可以约定5位为整数部分(注意最高位为符号位),3 位为小数部分。所以有:
-9.5(D) = 10110.1(B) = 10110.100 = 101101001
定点数用来表示小数很方便,但是它也有个很大的问题–它的表示范围很小。
以5 位表示整数部分,3 位表示小数部分的无符号定点数为例,它的整数部分可以表示的范围是00000-11111,即0-31,步长是1;小数部分的范围是0.000-0.111,即0-0.875,步长是0.125。综合起来范围是0-31.875,步长为0.125。
有符号数的因为是用补码表示,所以它的范围取值比较特殊。以5 位表示整数部分,3 位表示小数部分的有符号定点数为例,它能表示的最小值是10000_000,即-32,它能表示的最大值是01111_111,即15.875。
若以m表示定点数的整数位宽(m不包含符号位),以n表示定点数的小数位宽,则有符号数和无符号数的定点数的表示范围为:
有符号数 | -2^m ~ (2^m - 2^-n) |
---|---|
无符号数 | 0 ~ (2^m - 2^-n) |
如果想表示更大范围、更高精度的值,怎么办?
除了可以用类似「以5 位表示整数部分,3 位表示小数部分的无符号定点数」的语言来描述定点数的格式外,还有多种定点数的表示格式。常见的有以下几种:
Q格式的一般形式是:
Qm.n
默认情况下,用Q格式描述的都是有符号定点数。其中m表示整数部分的长度(这个值不包括符号位),n表示小数部分的长度。所以用Q格式描述的定点数的整体长度为:
w = m + n + 1 //整数部分长度 + 小数部分长度 + 符号位长度
例如 「 Q3.12 」描述的是一个整体长度为16位的2进制有符号定点数,它的整数部分长度是3,而小数部分长度是12。根据小数部分的长度,可以推断出分辨率为 2^-12。
在Q前面加一个 U 即可用来表示无符号的2进制定点数。例如 「 UQ1.15」描述的就是一个整数部分长度为1,小数部分长度为15的无符号的2进制定点数。
整数部分的长度值和小数点可以被省略,而只描述小数部分的长度。例如「 Q12 」描述的就是一个小数部分长度是12的2进制有符号定点数,但是它的整体长度是不确定的,你可以额外指定整体长度,或者说整体长度就取决于存储这个定点数的寄存器。
如果这个定点数存储一个16位的寄存器,那它的值就是:
xxxx . xxxx_xxxx_xxxx
如果这个定点数存储一个32位的寄存器,那它的值就是:
xxxx_xxxx_xxxx_xxxx_xxxx_xxxx . xxxx_xxxx_xxxx
其实也可以看出来,这种表示方法就是把它的值乘以 2^-12 。
这种整数长度m不包括符号位的Q格式主要是TI公司的DSP在使用,ARM公司也有一种类似的Q格式,但是它的整数长度m是包含符号位的。表示方式的不同不是什么大不了的事,只要是使用过程中确定好了就行,为此你甚至也可以自己创造一套定点数表示方式(只要不怕没人用就行,嘿嘿)。
S表示法的一般形式是:
Sm.n
其中S表示这是一个有符号的定点数,m表示整数位数(m不包括符号位),n表示小数位数。这种方法其实跟Q格式很像,只不过它的表示无符号定点数的方法不是在前面加 U ,而是去掉 S,像这样:
m.n
例如「 2.4 」表示的就是一个整数位数为2,小数位数为4的无符号定点数。
总的来说,用定点数表示的小数,不仅数值的范围表示有限,而且其精度也很低。要想解决这 2 个问题,人们就提出了使用「浮点数」的方式表示数字,关于浮点数的表示方法,我们会在下一篇文章进行讲解。
定点数和浮点数都可以表示小数,而定点数的精度固定,表现范围比较有限;但是,定点数在硬件上比较容易实现,在实际的数据算法中,定点数运算效率比浮点数的运算效率高很多,同时定点数使用的资源也比较少。因此,定点数被广泛地应用在数字信号处理的各种应用场景中。
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