基于IEEE 754的浮點(diǎn)數(shù)存儲格式分析研究

1、基于IEEE 754的浮點(diǎn)數(shù)存儲格式分析研究    摘 要 浮點(diǎn)數(shù)的表示和存儲直接影響計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能，IEEE 754是浮點(diǎn)運(yùn)算部件事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是計(jì)算機(jī)上使用最為廣泛的浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)。文章在闡述了浮點(diǎn)數(shù)的基本概念和IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)的表示形式及其格式的基礎(chǔ)上，比較深入的比較、分析和研究了Intel x86和SPARC結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)上使用的三種IEEE浮點(diǎn)數(shù)的存儲格式。    關(guān)鍵詞 IEEE 754；浮點(diǎn)數(shù)；浮點(diǎn)格式；浮點(diǎn)存儲格式；規(guī)格化0引言    IEEE（Insti

2、tute of Electrical and Electronics Engineers，電子電氣工程師協(xié)會）在I985年制定的IEEE 754（IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic, ANSI/IEEE Std 754-1985 ）二進(jìn)制浮點(diǎn)運(yùn)算規(guī)范，是浮點(diǎn)運(yùn)算部件事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。許多計(jì)算機(jī)用戶有機(jī)會在Intel x86和SPARC 或Power PC機(jī)之間交換二進(jìn)制數(shù)據(jù)，所以對照Intel x86和SPARC結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)表示及相關(guān)程序設(shè)計(jì)語言，討論IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)存儲格式的細(xì)節(jié)是有意義的。本文對浮點(diǎn)數(shù)、IEEE 7

3、54浮點(diǎn)數(shù)的表示方法、規(guī)格化處理等進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析、比較了Intel x86和SPARC結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)的存儲格式。1 浮點(diǎn)數(shù)    在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展過程中，曾經(jīng)提出過多種方法表示實(shí)數(shù)，但是到目前為止使用最廣泛的是浮點(diǎn)表示法。相對于定點(diǎn)數(shù)而言，浮點(diǎn)數(shù)利用指數(shù)使小數(shù)點(diǎn)的位置可以根據(jù)需要而上下浮動(dòng)，從而可以靈活地表達(dá)更大范圍的實(shí)數(shù)。    浮點(diǎn)數(shù)表示法利用科學(xué)計(jì)數(shù)法來表達(dá)實(shí)數(shù)。通常，將浮點(diǎn)數(shù)表示為 ± d.ddd ×e，其中d.dd d 稱為有效數(shù)字（significand），

4、它具有 p 個(gè)數(shù)字（稱p位有效數(shù)字精度），為基數(shù)（Base），e為指數(shù)（Exponent），±表示實(shí)數(shù)的正負(fù)1,2。更精確地，± d0.dddp1 × e， 表示以下數(shù) ±（d0d11 dp1（p1）e，（0di）。    對實(shí)數(shù)的浮點(diǎn)表示僅作如上的規(guī)定是不夠的，因?yàn)橥粚?shí)數(shù)的浮點(diǎn)表示還不是唯一的。例如，1.0×102 ，0.1 ×103 ，和0.01 ×104 都可以表示100.0。為了達(dá)到表示單一性的目的，有必要對其作進(jìn)一步的規(guī)范。規(guī)定有效數(shù)字的最高位(即前導(dǎo)有效位)必須非零，即0

5、d0。符合該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)稱為規(guī)格化數(shù)（Normalized Numbers），否則稱為非規(guī)格化數(shù)(Denormalized Numbers)。 2 IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)與其浮點(diǎn)格式2.1 實(shí)數(shù)的IEEE 754表示形式    一個(gè)實(shí)數(shù)V在IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)中可以用V(1)s×M×2E 的形式表示3,4，說明如下：    (1)符號s(sign)決定實(shí)數(shù)是正數(shù)(s0)還是負(fù)數(shù)(s1)，對數(shù)值0的符號位特殊處理。    (2)有效數(shù)字M（significand

6、）是二進(jìn)制小數(shù)，M的取值范圍在1M2或0M1。    (3)指數(shù)E（exponent）是2的冪，它的作用是對浮點(diǎn)數(shù)加權(quán)。2.2 浮點(diǎn)格式    浮點(diǎn)格式是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它規(guī)定了構(gòu)成浮點(diǎn)數(shù)的各個(gè)字段，這些字段的布局，及其算術(shù)解釋2。IEEE 754浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)位被劃分為3個(gè)字段，對以上參數(shù)值進(jìn)行編碼：    (1)一個(gè)單獨(dú)的符號位s直接編碼符號s。    (2)k位的偏置指數(shù)e（eek1e1e0）編碼指數(shù)E，移碼表示。 

7、0;  (3)n位的小數(shù)f(fraction)（ffn1f1f0）編碼有效數(shù)字M，原碼表示。2.3 浮點(diǎn)數(shù)的分類    根據(jù)偏置指數(shù)e的值，被編碼的浮點(diǎn)數(shù)可分成三種類型。    (1)規(guī)格化數(shù)    當(dāng)有效數(shù)字M在范圍1M2中且指數(shù)e的位模式ek1e1e0既不全是0也不全是1時(shí)，浮點(diǎn)格式所表示的數(shù)都屬于規(guī)格化數(shù)。這種情況中小數(shù)f（0f1 ) 的二進(jìn)制表示為0. fn1f1f0。有效數(shù)字M1f，即M1. fn1f1f0 (其中小數(shù)點(diǎn)左側(cè)的數(shù)值位稱為前導(dǎo)有效位

8、) 。我們（京師論文輔導(dǎo)中心）總是能調(diào)整指數(shù)E，使得有效數(shù)字M在范圍1M2中，這樣有效數(shù)字的前導(dǎo)有效位總是1，因此該位不需顯示表示出來，只需通過指數(shù)隱式給出。需要特別指出的是指數(shù)E要加上一個(gè)偏置值Bias，轉(zhuǎn)換成無符號的偏置指數(shù)e，也就是說指數(shù)E要以移碼的形式在存放計(jì)算機(jī)中。且e、E和Bias三者的對應(yīng)關(guān)系為e=EBias，其中Bias=2k11。    (2)非規(guī)格化數(shù)    當(dāng)指數(shù)e的位模式ek1e1e0全為零（即e0）時(shí)，浮點(diǎn)格式所表示的數(shù)是非規(guī)格化數(shù)。這種情況下，E=1Bais，有效數(shù)字M=f=0. fn1

9、f1f0 ，有效數(shù)字的前導(dǎo)有效位為0。非規(guī)格化數(shù)的引入有兩個(gè)目的。其一是它提供了一種表示數(shù)值0的方法，其二是它可用來表示那些非常接近于0.0的數(shù)。    (3)特殊數(shù)    當(dāng)指數(shù)e的位模式ek1e1e0全為1時(shí)，小數(shù)f的位模式fn1f1f0全為0（即f=0）時(shí)，該浮點(diǎn)格式所表示的值表示無窮，s=0 時(shí)是，s=1時(shí)是。當(dāng)指數(shù)e的位模式ek1e1e0全為1時(shí)，小數(shù)f的位模式fn1f1f0不為0（fn1、f1、f0、至少有一個(gè)非零即f0）時(shí)，該浮點(diǎn)格式所表示的值被稱為NaN（Not a Number）。比如當(dāng)計(jì)算 或時(shí)

10、用作返回值，或者用于表示未初始化的數(shù)據(jù)。3 IEEE 754浮點(diǎn)存儲格式    與浮點(diǎn)格式對應(yīng)，浮點(diǎn)存儲格式規(guī)定了浮點(diǎn)格式在存儲器中如何存放。IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義了這些浮點(diǎn)存儲格式，但具體選擇哪種存儲格式由實(shí)現(xiàn)工具（程序設(shè)計(jì)語言）決定。匯編語言軟件有時(shí)取決于所使用的存儲格式，但更高級的語言通常僅處理浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型的語言概念。這些浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型在不同高級語言中有不同的名字，相應(yīng)的IEEE格式如表1。表1 IEEE 格式和語言類型IEEE精度C，C FORTRAN單精度floatREAL or REAL*4雙精度doubleDOUBLE PRECISION or R

11、EAL*8擴(kuò)展雙精度long doubleREAL*16 僅適用于SPARC和PowerPC    IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確地定義了單精度和雙精度浮點(diǎn)格式，并為這兩種基本格式的分別定義了擴(kuò)展格式，表1里擴(kuò)展雙精度格式是IEEE標(biāo)準(zhǔn)定義的擴(kuò)展雙精度類中的一種。下面詳細(xì)討論在Intel x86和SPARC平臺上使用的三種IEEE浮點(diǎn)存儲格式。3.1 單精度格式    IEEE單精度浮點(diǎn)格式共32位，包含三個(gè)構(gòu)成字段：23位小數(shù)f，8位偏置指數(shù)e，1位符號s。將這些字段連續(xù)存放在一個(gè)32位字里，并對其進(jìn)行編碼。其中0:2

12、2位包含23位的小數(shù)f； 23:30位包含8位指數(shù)e；第31位包含符號s。如圖1所示。圖1 單精度存儲格式    一般地，32位字的第0位存放小數(shù)f的最低有效位LSB（the least significant bit），第22位存放小數(shù)f的最高有效位MSB（the most significant bit）；第23位存放偏置指數(shù)的最低有效位LSB，第30位存放偏置指數(shù)的最高有效位MSB；最高位，第31位存放符號s。3.2 雙精度格式    IEEE雙精度浮點(diǎn)格式共64位，占2個(gè)連續(xù)32位字，包含三個(gè)構(gòu)成字段：52

13、位的小數(shù)f，11位的偏置指數(shù)e，1位的符號位s。將這2個(gè)連續(xù)的32位字整體作為一個(gè)64位的字，進(jìn)行重新編號。其中0：51位包含52位的小數(shù)f；52：62位包含11位的偏置指數(shù)e；而最高位，第63位包含符號位s。如圖2所示。圖 2 雙精度浮點(diǎn)數(shù)的存儲格式    f31:0存放小數(shù)f的低32位，其中第0位存放整個(gè)小數(shù)f的最低有效位LSB，第31位存放小數(shù)f的低32位的最高有效位MSB。    在另外的32位的字里，第0 到19位，即f51:32，存放小數(shù)f的最高的20位，其中第0位存放這20位最高有效數(shù)中的最低有效位L

14、SB，第19位存放整個(gè)小數(shù)f的最高有效位MSB。第20到30位，即e52：62，存放11位的偏置指數(shù)e，其中第20位存放偏置指數(shù)的最低有效位LSB，第30位存放最高有效位MSB。最高位，第31位存放符號位s。    在Intel x86結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)存放采用小端法（little endian），故較低地址的32位的字中存放小數(shù)f的f31：0位。而在在SPARC結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)中，因其數(shù)據(jù)存放采用大端法（big endian），故較高地址的32位字中存放小數(shù)f的f31：0位。3.3 擴(kuò)展雙精度格式     擴(kuò)展雙精度格

15、式（SPARC 結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)）    該4倍精度浮點(diǎn)環(huán)境符合IEEE關(guān)于擴(kuò)展雙精度格式的定義。該浮點(diǎn)環(huán)境的4倍精度浮點(diǎn)格式共128位，占4個(gè)連續(xù)32位字，包含3個(gè)構(gòu)成字段：112位的小數(shù)f，15位的偏置指數(shù)e，和1位的符號s。將這4個(gè)連續(xù)的32位字整體作為一個(gè)128位的字，進(jìn)行重新編號。其中0：110位包含小數(shù)f；112：126位包含偏置指數(shù)e；第127位包含符號位s。如圖3所示。在SPARC結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)中，地址最高的32位字存放小數(shù)的32位最低有效位，即f31:0；但是在PowerPC結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)中，卻是地址最低的32位字存放這些位。緊鄰的兩個(gè)32位字（在S

16、PARC機(jī)中向下計(jì)算，在PowerPC機(jī)中向上計(jì)算）分別存放f63:32和f95:64。    最后一個(gè)字的第0到15位存放小數(shù)的最高16位,即f111:96。其中第0位存放該16位的最低有效位，第15位存放整個(gè)小數(shù)f的最高有效位。第16到30位存放15位的偏置指數(shù)e，其中第16位存放偏置指數(shù)的最低有效位，第30位存放它的最高有效位。最高位，第31位存放符號s。圖 3 擴(kuò)展雙精度存儲格式 (SPARC 結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī))     擴(kuò)展雙精度格式（Intel x86結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)）    

17、;該浮點(diǎn)環(huán)境雙精度擴(kuò)展格式符合IEEE雙精度擴(kuò)展格式的定義。該浮點(diǎn)環(huán)境的擴(kuò)展雙精度格式共80位，占3個(gè)連續(xù)32位字，包含四個(gè)構(gòu)成字段：63位的小數(shù)f，1位顯式前導(dǎo)有效位（explicit leading significand bit）j，15位偏置指數(shù)e，和1位符號位s。將這3個(gè)連續(xù)的32位字整體作為一個(gè)96位的字，進(jìn)行重新編號。其中0：63包含63位的小數(shù)f，第63位包含前導(dǎo)有效位j，64：78位包含15位的偏置指數(shù)e，最高位第79位包含符號位s。    在Intel結(jié)構(gòu)系計(jì)算機(jī)中，這些字段依次存放在十個(gè)連續(xù)的字節(jié)中。但是，由于 UNIX Syste

18、m V Application Binary Interface Intel 386 Processor Supplement (Intel ABI) 要求雙精度擴(kuò)展參數(shù)，從而占用堆棧中3個(gè)相連地址的32位字，其中最高一個(gè)字的高16位未被使用，如圖4所示。圖4 擴(kuò)展雙精度存儲格式(Intel x86結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī))    地址最低的32位字存放小數(shù)f的低32位，即f31:0。其中第0位存放整個(gè)小數(shù)f的最低有效位LSB 第31位存放小數(shù)低32位的最高有效位MSB。    地址居中的32位字，第0到30位存放小數(shù)f的31位

19、最高位，即f62:32。其中第0位存放31位最高小數(shù)位的最低有效位LSB，第30位存放整個(gè)小數(shù)的最高有效位，地址居中的32位字的最高位第31位存放顯式的前導(dǎo)有效位j。    地址最高32位字里，第0到14位存放15位的偏置指數(shù)e，第0位存放偏置指數(shù)的最低有效位LSB，第14位存放最高有效位MSB，第15位存放符號位s。雖然地址最高的32位字的高16位在Intel x86結(jié)構(gòu)系列機(jī)種未被使用，但他們對符合Intel ABI的規(guī)定來說，是必需的。4 總結(jié)    以上討論了Intel x86、Power PC和SPARC平臺上使用的三種IEEE 754浮點(diǎn)