计算机系统基础4---值的表示3---定点数的除法运算详解

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1、定点数除法的常用算法

定点数除法通常采用逐位相除的方法,类似于手工长除法,但在计算机中需要通过加减和移位操作实现。主要算法有原码除法和补码除法,其中原码除法又分为恢复余数法和不恢复余数法(加减交替法)。补码除法则常用补码加减交替法。

2、原码除法

2.1、步骤

符号位单独处理:商的符号 = 被除数符号 ⊕ 除数符号(异或)。

数值部分取绝对值进行无符号除法。

最后将商的符号与数值组合。

2.2、恢复余数法

2.2.1、原理

模仿手算,每次用当前余数减去除数,若够减(余数≥0),商上1;若不够减(余数为负),商上0,并恢复原来的余数(加上除数)。然后余数左移一位,继续下一步。

2.2.2、缺点

当不够减时需恢复余数,多了一次加法,效率较低。

2.2.3、步骤

先看题目:

描述:

符号 符号说明
Y* 除数Y的绝对值
[-Y*]补 -Y*的补码

当左移次数和除数Y的位数一致时,结束。

看例题:

易错点:

若最后一步上商0(即余数小于0),则还需进行一次恢复余数,即余数再加Y*,才能得到正确的余数。

2.2.4、参考视频

看不懂文字的推荐到这个视频学习:
原码除法 恢复余数法和不恢复余数法(加减交替法) 计组

【细碎知识2】定点数的乘除运算(原码一位乘、恢复余数法、加减交替法)

2.3、不恢复余数法(加减交替法)

2.3.1、核心思想

不恢复余数法的核心在于:当某一步试减发现不够减(余数为负)时,不立即恢复余数,而是带着这个负的余数继续下一步,但下一步的操作由"减法"改为"加法"。

通过数学推导可以证明,这种"加减交替"的结果与"先恢复再左移后试减"的结果是完全等价的。

2.3.2、步骤(设被除数、除数均为n位无符号数)

结束条件也是:当左移次数=被除数的位数时,结束。

易错点:

若最后一步上商0(即余数小于0),则还需进行一次恢复余数,即余数再加Y*,才能得到正确的余数。

2.3.3、优缺点

2.3.3.1、优点

速度快:去掉了"恢复"所需的额外加法操作,每一步固定一次加法或减法,执行时间确定且更短。

控制逻辑统一:非常适合硬件流水线实现。

2.3.3.2、缺点

最后可能需要修正:如果最终余数为负,需要加一次除数来得到正确的正余数。

理解难度稍高:相对于恢复余数法,加减交替的逻辑在概念上没有那么直观。

2.2.4、参考视频

看不懂文字的推荐到这个视频学习:
原码除法 恢复余数法和不恢复余数法(加减交替法) 计组

【细碎知识2】定点数的乘除运算(原码一位乘、恢复余数法、加减交替法)

3、补码除法(加减交替法)

3.1、补码除法介绍

这种算法相对于原码除法的核心优势在于:商符在运算过程中自动形成,不需要单独处理符号位,并且将操作数的加减统一为补码加法运算,简化了控制逻辑。

3.2、算法前提

被除数 和 除数 都用补码表示。

运算过程中涉及双符号位(变形补码),以防止溢出并方便判断余数的正负。

3.3、核心运算规则

补码除法与常见的原码恢复余数法逻辑不同。它的每一步是加还是减,取决于被除数(余数) 和 除数 的符号关系。

规则表如下:

步骤 判断条件 (余数 R 与 除数 D 的符号关系) 操作 商上 (上商规则)
第一步 同号 做减法:R=R−D 商上 1
第一步 异号 做加法:R=R+D 商上 0
后续步 新余数 与 除数 同号 左移一位后,做减法:R=2R−D 商上 1
后续步 新余数 与 除数 异号 左移一位后,做加法:R=2R+D 商上 0

3.4、计算过程

3.5、学习视频推荐

补码的除法 加减交替法 计组

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