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2021 iThome 鐵人賽

DAY 3
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自我挑戰組

杰哥的考研紀錄系列 第 3

Day-3 小學數學(bit ver.)

小學數學(bit ver.)

tags: IT鐵人

例題答案

不知道各位有沒有試試看前面的題目呢??這邊稍微講解一下ㄅ
首先是a.

op=0 (代表R-type), funct=32 (也就是100000)

代表加法ADD指令

rs=1, rt=2, rd=3

分別代表$at, $v0, $v1

所以代表將$at+$v0的結果放在$v1
Assembly的寫法就會是

add $v1, $at, $v0

再來是b.

op=43 (101011)

代表sw指令

rs=16, rt=5

分別代表$s0, $a1

而immediate只是代表位移的數量而已

所以代表將$s0中存的位置加上4
結果所指到的位址中的資料放進$a1中
Assembly的寫法為

sw $a1, 4($s0)

你答對了嗎??

稍微有點困難啦,畢竟sw上次沒有提到。
不過大學就是這樣嘛,東西很多教授不可能全部講一次。

所以我們繼續努力吧!

二進位轉換方式

前面我們在標記register的位置時,使用2進位制,也就是說最初的代表2的0次方,在往前為2的1次方,以此類推,所以當我們要將數字從10進位制轉換成2進位制時,基本上用短除法就能夠做出來,或是一直用小於當下數字且最大的2的次方減下去也可以,以109來舉例的話…

109 - 64 = 45 (1xxxxxx)
45 - 32 = 13 (11xxxxx)
13 < 16 (110xxxx)
13 - 8 = 5 (1101xxx)
5 - 4 = 1 (11011xx)
1 < 2 (110110x)
1 - 1 = 0 (1101101)

噹啷!是不是很簡單阿~結果就是1101101喔!

負數表示方式

那麼既然正數可以如此表示,那麼負數呢?
既然負數會有一個減號在前面,我們可以在2進位的最前面多增加一個代表正負數的bit。
這就叫做sign and magnitude
所以 109 = 01101101
如果-109 = 11101101
那麼問題來了,以8個bit來表示數字的話
0就有正負0兩種可能
+0 = 00000000
-0 = 10000000

另外一種沒什麼在用的方法稱為1's Complement
就是直接取補數就好(1變0,0變1)
所以 109 = 01101101
那麼-109 = 10010010
這麼一來有些加減法可以正常運作,有些不行
不過0一樣有正負0兩種表示方法,所以

最後一個最實用的,升級版的前者:2's Complement
取完補數後將結果+1
這麼一來
0 = 00000000
-0 = 11111111 + 1 = 1 00000000
最前面的1會跑出我們在意的8 bit
所以結果仍然是00000000
並且負數換成正數也是同樣的作法
有興趣的同學可以試試看
採用了2's Complement,可以解決正負0的問題 不會撞號

加減法

定義好數字的正負如何表示之後,加減法的部份就簡單多了。
加法只要將兩者加起來;減法則要將後者變號,再使用加法即可。

舉例來說

7 + 9 = 16
00000111
+ 00001001
= 00010000

| | 13 - 20 = -7 |
| -------- | -------- |-|
| | 00001101 |
| + | 11101100 |(00010100的負數) |
| = | 11111001 |(00000111的負數) |

要特別注意的是,在7+9=16之中,發生了進位,要是進位的時候壓到了最前面的bit,就會讓人認為結果是負數,這種情況稱為Overflow

Overflow

寫過程式的同學,應該聽過這個詞,中文稱為溢位(腋味)。
![](https://i.imgur.com/REO8ZFr.jpg =30%x30%)

如果在c語言中執行以下程式碼片段

int x = 1000000000;
int y = 2000000000;
printf("%d\n", x+y);

則會出現

-1294967296

這就是因為加法之後進位壓到了sign bit,導致程式以為結果為負數。
所以做計算的時候要特別注意,基本上正數加上正數,以及負數加上負數都有可能發生溢位。

加法器

以int來說,最大的數字為 ${2}^{31}-1$,也就是說如果要一次加起兩個數字,我們需要一個32 bit的加法器,不過太大了,並且如果又要支援更大的加法,又會需要更大的加法器來一次實施,所以我們不是這樣想的,我們用的是多個加法器連接來計算。

也就是說,以一個32 bit的加法來看,我們用的是32個1 bit的加法器,一個一個的加上去,並且將進位往後傳,就像是國小老師教的那樣,那個我們單純將一堆加法器連接在一起,就稱為Ripple Carry Adder
![](https://i.imgur.com/E40bA13.png =70%x70%)

不過這代表每次都要等前面一個adder做完運算才能輪到下一位。

為了加快速度,出現了新的加法加速器,這就是Carry Lookahead Adder(CLA)

透過邏輯運算,我們可以將前面是否會進位提早告訴後面的adder,這麼一來就能將結果加速,至於CLA的原理,礙於篇幅的關係,杰哥打算留到下一篇再跟各位介紹。

牛刀小試

這篇輕輕鬆鬆,我們做兩個簡單的加減法就好了,題目如下:

a. 28 + 90
b. 30 - 120

在紙上寫出計算過程吧~~

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