IEEE 754 浮点数加减运算

电子科技大学 - 计算机组成原理

小数的十进制和二进制转换

移码

定义：[X]_移 = X + 2ⁿ ( -2ⁿ ≤ X < 2ⁿ )
X为真值，n为整数的位数

数值位和X的补码相同，符号位与补码相反

舍入方法

0舍1入

保留4位尾数：
0 00100 -> 0 0010
/*
**0直接舍去
*/
1 00101 -> 1 0011
/*
**1进位
*/
1 11011 -> 1 1110

末位恒置1

保留4位尾数：
0 00100 -> 0 0011
1 00101 -> 1 0011
1 11011 -> 1 1101

IEEE 754

32位单精度

Sign	8位阶码 [偏移量为28-1-1 = 127的非标准移码]	23位尾数

真值表达式	E的取值范围
N = (-1)s × 2E-127 × 1.M	1到254

64位双精度

Sign	11位阶码 [偏移量为211-1-1 =1023的非标准移码]	252位尾数

真值表达式	E的取值范围
N = (-1)s × 2E-1023 × 1.M	1到2046

为了确保浮点数表示的唯一性，约定 0 ≤ M < 1

各字段的含义( 以单精度为例 )

规范浮点数

1 ≤ E ≤ 254

真值表达式：N = (-1)^s × 2^E-127 × 1.M，尾数部分隐含开头的1

• 最小的正规格化数

0	0000 0001	0000 0000 0000 0000 0000 000

• 最大的正规格化数

0	1111 1110	1111 1111 1111 1111 1111 111

非规范浮点数

E = 0，M ≠ 0

s	0000 0000	≠ 0
真值表达式：N = (-1)s × 2-126 × 0.M，尾数部分不隐含开头的1

最小的正非规格化数

s	0000 0000	0000 0000 0000 0000 0000 001

最大的正非规格化数

s	0000 0000	1111 1111 1111 1111 1111 111

浮点数0

E = 0，M = 0

s	0000 0000	0000 0000 0000 0000 0000 000
有+0.0和-0.0两种零

无穷大

E全为1(255)，M = 0

正无穷大

0	1111 1111	0000 0000 0000 0000 0000 000

负无穷大

1	1111 1111	0000 0000 0000 0000 0000 000

NaN Not a Number

计算sqrt(-1)或∞-∞时会返回NaN

E全为1(255)，M ≠ 0

s	1111 1111	≠ 0

为什么要使用127作为偏移量而不是128

https://stackoverflow.com/questions/8909841/why-does-the-ieee-754-standard-use-a-127-bias

溢出

上溢：阶码大于机器的最大阶码，不能继续运算，一般要进行中断处理

下溢：阶码小于最小阶码，当做零处理，机器可以继续运算

规格化浮点数

• 当尾数结果为00.0x...x 或 11.1x...x
  尾数左移，阶码减1，直到尾数形式为00.1x...x 或 11.0x...x

• 当尾数结果为01.x...x 或 10.x...x
  尾数右移，阶码加1，尾数形式变为00.1x...x 或 11.0x...x

阶码加减

设：
AE、BE为阶码，CE为结果阶码

[ AE + BE ]_移
= ( AE + BE ) + 127
= ( AE + 127 ) + ( BE + 127 ) - 127
= [ AE ]_移 + [ BE ]_移 -127
= [ AE ]_移 + [ BE ]_移 + [ -127 ]_补
= [AE]_移 + [BE]_移 + 129

= ( [AE]_移 + [BE]_移 + 129 ) mod 2⁸

[ AE - BE ]_移
= ( AE - BE ) + 127
= ( AE + 127 ) - ( BE + 127 ) + 127
= [ AE ]_移 - [ BE ]_移 + 127

= ( [AE]_移 - [BE]_移 + 127 ) mod 2⁸

浮点数加减

设：
A = 2^AE × A_M，B = 2^BE × B_M
AE、BE为阶码，A_M、B_M为尾数

舍入

右移时：

• 0舍1入
• 末位恒置1

例题

x = 0.5, y = 0.4375, 32位单精度表示，求x + y和x - y

转换为二进制

1. 0.5 x 2 = 1.0 取1

0.1 → 1.0 x 2 ^-1
[x]_浮 =

0	0111 1110	0000 0000 0000 0000 0000 000
	-1 + 127 = 126

1. 0.4375 x 2 = 0.875 取0
2. 0.8750 x 2 = 1.750 取1
3. 0.7500 x 2 = 1.500 取1
4. 0.5000 x 2 = 1.000 取1

-0.0111 → 1.11 x 2^-2

[y]_浮 =

1	0111 1101	1100 0000 0000 0000 0000 000
	-2 + 127 = 125

求阶差

（0111 1110 - 0111 1101 + 127）mod 2⁸ = 1
y向x对齐
y = 0.111 x 2^-1
[y]_浮 =

1	0111 1110	1110 0000 0000 0000 0000 000

尾数加减

+

00.0000 0000 0000 0000 0000 000

00.0010 0000 0000 0000 0000 000

00.0010 0000 0000 0000 0000 000

结果为00.0x...x，左规

得到1.0... x 2^-4

结果 = 0.0625

0	0111 1011	0000 0000 0000 0000 0000 000
	-4 + 127 = 123

-

00.0000 0000 0000 0000 0000 000

00.1110 0000 0000 0000 0000 000

00.1110 0000 0000 0000 0000 000

结果 = 0.9345

0	0111 1110	1110 0000 0000 0000 0000 000