3.2.3. Внутренний формат вещественных чисел

3.2.3. Внутренний формат вещественных чисел

Рассмотрим тип Single, т. к. он самый короткий и, следовательно, самый простой для понимания. Остальные типы отличаются от него только количественно. В дальнейшем числа в формате Single мы будем записывать как s eeeeeeee mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm, где s означает знаковый бит, е — бит экспоненты, m — бит мантиссы. Порядок хранения битов в типе Single показан на рис. 3.1, б (по принятым в процессорах Intel правилам байты в многобайтных значениях переставляются так. что младший байт идет первым, а старший — последним, и вещественных чисел это тоже касается В мантиссе хранится двоичное число. Чтобы получить истинное значение мантиссы, к ней надо мысленно добавить слева единицу с точкой (т. е., например, мантисса 1010000000000000000000 означает двоичную дробь 1.101). Таким образом, имея 23 двоичных разряда, мы записываем числа с точностью до 24-х двоичных разрядов.

Экспонента — по определению всегда целое число. Но способ записи экспоненты в вещественных числах не совпадает с рассмотренным ранее способом записи чисел со знаком. Ноль в этом представлении записывается как 01111111 (в обычном представлении это равно 127). Соответственно. 10000000 (128 в обычном представлении) означает единицу, а 01111110 (126) означает -1, и т. д. (т. е. из обычного беззнакового числа надо вычесть 127, и получится число, закодированное в экспоненте). Такая запись чиста называется нормализованной.

Из описанных правил есть исключения. Так, если все биты экспоненты равны нулю (т. е. там стоит число -127), то к мантиссе перед ее началом надо добавлять не "1.", а "0." (денормализованная запись). Это позволяет увеличить диапазон вещественных чисел. Если бы этого исключения не было, то минимально возможное положительное число типа Single было бы равно примерно 5,9?10^-39. А так появляется возможность использовать числа до 1,4?10^-45. Побочным эффектом этого является то, что числа, меньшие чем 1,17?10^-38, представляются с меньшей, чем 24 двоичных разряда, точностью. Если все биты в экспоненте равны единице, а в мантиссе — нулю, то мы получаем комбинацию, известную как INF (от англ. Infinity — бесконечность). Эта комбинация используется тогда, когда результат вычислений превышает максимально допустимое форматом число. В зависимости от значения бита s бесконечность может быть положительной или отрицательной. Если же при такой экспоненте в мантиссе хоть один бит не равен нулю, такая комбинация называется NAN (Not A Number — не число). Попытки работы с комбинациями NAN или INF приводят к ошибке времени выполнения.

Для задания нуля все биты мантиссы и экспоненты должны быть равны нулю (формально это означает 0?10^-127). С учетом описанных правил, если хотя бы один бит экспоненты не будет равен нулю (т. е. экспонента будет больше -127), запись будет считаться нормализованной, и нулевая мантисса будет рассматриваться как единица. Поэтому никакие другие комбинации значений мантиссы и экспоненты не могут дать ноль.

Тип Double устроен точно так же, разница только в количестве разрядов и в том, какое значение экспоненты берется за ноль. Итак, мы имеем 11 разрядов для экспоненты. За ноль берется значение 1023.

Несколько иначе устроен Extended. Кроме количественных отличий добавляется еще и одно качественное: в мантиссе явно указывается первый разряд. Это означает, что мантисса 1010… интерпретируется как 1.01, а не как 1.101, как это было в типах Single и Float. Поэтому если 23-битная мантисса типа Single обеспечивает 24-знаковую точность, а 52-битная мантисса Double — 53-битную, то 64-битная мантисса Extended обеспечивает 64-х, а не 65-битную точность. Соответственно, при денормализованной форме записи первый разряд мантиссы явно содержит 0. За ноль экспоненты принимается значение 16 383.

Тип Real, как уже упоминалось, стоит особняком. Во-первых, в нем биты следуют в другом порядке, а во-вторых, нет денормализованной формы. Мы не будем касаться внутреннего устройства типа Real, т. к. эта информация уже перестала быть актуальной.