Лекция № 2. Системы счисления

1. Позиционные и непозиционные системы

Системой счисления называется метод записи чисел в виде комбинаций графических символов. Число – это некоторая абстрактная сущность для описания количества, а цифры – знаки, используемые для записи чисел. В наше время самыми распространёнными являются арабские цифры, менее распространены римские цифры. Система римских цифр основана на употреблении особых знаков для десятичных разрядов: I=1, X=10, C=100, M=1000 и их половин: V=5, L=50, D=500. Существует множество других способов записи чисел. Например, древние греки использовали для этой цели буквы своего алфавита, а древние шумеры – клинописные знаки. Существуют позиционные и непозиционные системы счисления.

Позиционная система счисления – система записи чисел в виде последовательности символов, в которой численное значение каждого символа зависит от его положения в записи.

Примером позиционной системы является хорошо известная десятичная система счисления. Примером непозиционной системы – римская система. Выполнение арифметических действий над числами в непозиционной системе весьма неудобно. Поэтому позиционные системы в настоящее время получили наибольшее распространение.

Изобретение позиционной системы приписывается шумерам и вавилонянам. Затем она была развита индусами. В средневековой Европе позиционная десятичная система появилась благодаря итальянским купцам, которые заимствовали её у мусульман. В 9 веке великий арабский математик Мухаммед ибн Мусе Аль Хорезми впервые описал десятичную систему исчисления и правила выполнения простых арифметических действий в ней. В 12 веке его работы были переведены на латинский язык, благодаря чему Европа смогла познакомиться с этим изобретением человеческого ума.

2. Десятичная система

Существуют различные позиционные системы исчисления, отличающиеся между собой количеством используемых знаков. Чтобы различать числа в разных системах исчисления, в конце числа ставят индекс – символ системы. Например, запись означает обычное число 483,56 в десятичной системе счисления, а записьозначает совсем другое число (хотя и похожее по виду) вшестнадцатеричной системе счисления (в десятичной оно равно 1155,335938). Если из контекста понятно, что используется только десятичная система (или только шестнадцатеричная, или какая-нибудь другая), то при записи числа индекс обычно опускают.

Десятичная система использует десять различных знаков: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 – которые обозначают натуральные числа в порядке их возрастания от нуля до девяти. Число 10 является основанием десятичной системы. Оно не имеет специального знака, а обозначается с помощью двух первых символов этой системы.

Например, запись 483,56 в десятичной системе означает, что данное число складывается из четырех сотен (), восьми десяток (), трех единиц (), пяти десятых частей единицы () и шести сотых частей единицы (). Другими словами, мы можем записать:

. (2.1)

3. Двоичная система

Двоичная (бинарная) система счисления является самой простой из всех позиционных систем. Она содержит только два символа 0 и 1, и используется в компьютерной технике благодаря своей простоте и высокой надежности. Двоичная система была изобретена великим немецким ученым Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1646-1716), который использовал ее в созданной им механической счетной машине. В первом столбце табл. 2.1 приведены десятичные числа, а во втором – соответствующие им двоичные числа.

Таблица 2.1

Десятичное число	Бинарный код	Код Грея	Десятичное число
0 1 2 3 = 2 + 1 4 5 = 4 +1 6 = 4 + 2 7 = 4 + 2 + 1 8 9 = 8 + 1 10 = 8 + 2 11 = 8 + 2 + 1 12 = 8 + 4 13 = 8 + 4 + 1 14 = 8 + 4 + 2 15 = 8 + 4 + 2 + 1	0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111	0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000	0 1 2 = 3 – 1 3 4 = 7 – 3 5 = 7 – 3 +1 6 = 7 – 1 7 8 = 15 – 7 9 = 15 – 7 + 1 10 = 15 – 7 + 3 – 1 11 = 15 – 7 + 3 12 = 15 – 3 13 = 15 – 3 + 1 14 = 15 – 1 15

Предположим, что нам нужно преобразовать двоичное число с дробной частью 1100,1011 в более привычное десятичное число. В табл. 2.2 показано, как осуществляется такое преобразование.

Таблица 2.2

Двоичное число								Десятичное число
Целая часть				Дробная часть
1	1	0	0,	1	0	1	1
	+	+	+	+	+	+	+	=

Обратное преобразование десятичного числа d в двоичное число (бинарный код) осуществляется в соответствии со следующим алгоритмом. Присваиваем числу d индекс (), и ищем целое число, удовлетворяющее неравенству

, . (2.2)

Если , то задача выполнена – искомое двоичное число содержит единицу в старшем разряде инулей за ней.

Если , то вычисляем разность, и ищем для нее соответствующее число, пользуясь формулой (2.2) с. Операцию вычисления разницыи нахожденияповторяем до тех пор, пока при каком-либоне выполнится условие:.

Очевидно, что (т.е.). При построении искомого бинарного числа используют правило: численные значениясоответствуют разрядам бинарного кода, в котором стоят единицы. Остальные разряды заполняются нулями.

Используем это правило для нахождения бинарного кода десятичного числа 108,5. Согласно формуле (2.2), получаем: .

Искомое двоичное число равно: 1101100,1. Первая единица слева в записи числа соответствует 6 разряду, вторая за ней – пятому разряду. Четвертого разряда нет, поэтому за двумя первыми единицами записываем ноль. Третий и второй разряды есть – после нуля записываем две единицы. Единичного и нулевого разрядов также нет – после двух единиц записываем два нуля. Минус первый разряд есть – поэтому после запятой записываем единицу.

Арифметические операции в двоичной системе осуществляются так же, как и в десятичной («столбиком»). Например, возьмем числа 0111 () и 0101 (), и произведем операции сложения и умножения:

,

В результате получим 1100 () и 100011 (), что и следовало ожидать.

4. Код Грея

Помимо двоичных чисел на практике применяются и другие коды, использующие два знака: 0 и 1. В этом разделе мы познакомимся с кодом Грея. При сортировке данных естественным представлением является обычное целочисленное описание, поскольку среди десяти цифр каждая на 1 больше предыдущей. При переходе к двоичному описанию эта естественность исчезает. Рассмотрим битовое представление чисел 6, 7, 8 и 9:

0110 0111 1000 1001.

Числа 6 и 7, а также 8 и 9 отличаются друг от друга на один бит. Однако числа 7 и 8 не имеют между собой ничего общего! Это свойство представления может вызвать большие проблемы при решении задач, требующих систематизации числовых данных. Для решения проблемы неоднородности представления используется код Грея.

Код Грея – система нумерации, в которой два соседних значения различаются только в одном разряде.

Код Грея показан в третьем столбце табл. 2.1. Наиболее часто на практике применяется рефлексивный двоичный код Грея, хотя в общем случае существует бесконечное множество кодов Грея для систем счисления с любым основанием. В большинстве случаев, под термином «код Грея» понимают именно рефлексивный бинарный код Грея. Название рефлексный (отражённый) двоичный код происходит от факта, что вторая половина значений в коде Грея эквивалентна первой половине, только в обратном порядке, за исключением старшего бита, который просто инвертируется. Если же разделить каждую половину ещё раз пополам, свойство будет сохраняться для каждой из половин половины и т.д.

Код Грея был разработан Фрэнком Греем, исследователем Bell Labs. Он использовал этот код в своей импульсной системе связи (на него был получен патент № 2632058).

При преобразовании бинарного кода в десятичное число мы умножаем ноль или единицу на , где – номер позиции бита в бинарном коде (; и т.д.), а затем суммируем полученные результаты.

При преобразовании кода Грея в десятичное число мы умножаем ноль или единицу на (), где – номер позиции бита в коде Грея (; и т.д.). Дальше вычитаем из результата, соответствующего старшей единице, результат, соответствующий единице меньшего разряда, прибавляем результат, соответствующий единице еще более меньшего разряда и т.д. (смотри последний столбец табл. 2.1).

5. Троичная система счисления

Троичная система счисления – позиционная система счисления с целочисленным основанием равным 3. Она существует в двух вариантах: несимметричная и симметричная троичные системы. Несимметричная система обычно использует символы: 0, 1 и 2. Симметричная: –1, 0, +1. В табл. 2.3 показаны десятичные числа и соответствующие им числа в троичной системе счисления.

Таблица 2.3

Десятичная	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Троичная несимметричная	-10	-2	-1	0	1	2	10	11	12	20	21	22	100
Троичная симметричная								11					100

Элементы троичной системы существовали еще у древних шумеров. Полноценную симметричную троичную систему впервые предложил итальянский математик Фибоначчи (Леонардо Пизанский) (1170–1250). Симметричная троичная система позволяет изображать отрицательные числа, не используя отдельный знак минуса.

В момент зарождения компьютерной техники троичная система составляла серьезную конкуренцию двоичной системе. Ее преимущество заключается в том, что она обеспечивает наибольшую плотность записи чисел по сравнению с другими целочисленными системами. Поясним это на следующем примере.

Предположим, что в компьютере мы используем числа в позиционной системе с целочисленным основанием . При этом каждое число имеет максимумразрядов. Значит, для сохранения числа в памяти компьютера требуетсяячеек памяти, причем каждая ячейка должна быть способна находиться всостояниях. Аппаратные затраты составляют:.

Используя систему с основанием иразрядов, мы способны представитьразличных чисел. Эффективность применяемой в компьютере системы счисления можно оценить с помощью следующего числового критерия:

. (2.3)

Чем больше чисел мы можем представить в данной системе счисления, и чем меньше при этом аппаратные затраты, тем эффективнее система по данному критерию.

Чаще критерий эффективности используют в такой форме

. (2.4)

Практически критерий (2.4) равнозначен критерию (2.3), однако удобнее в использовании. Равнозначность основана на факте: если , то. График функциипоказан на рис. 2.1.

Рис.2.1. График функции

Эта функция имеет максимум для . При целых значенияхмаксимум достигается для= 3.

;

;

;

.

Таким образом, наиболее эффективной по критерию (2.4) является троичная система счисления (используемая в троичных компьютерах), следом за которой идут двоичная система счисления (традиционно используемая в большинстве распространённых компьютеров) и четверичная система счисления.

В 1958 году Николай Петрович Брусенцов из МГУ построил первую серийную электронную троичную ЭВМ «Сетунь» на ячейках из ферритдиодных магнитных усилителей переменного тока, работавших в двухбитном троичном коде, четвёртое состояние двух битов не использовалось. В 1970 году Брусенцов построил вторую серийную электронную троичную ЭВМ «Сетунь-70».

В 1973 году в США впервые был создан экспериментальный троичный компьютер, а в 2008 году там же была построена троичная цифровая компьютерная система TCA2 на 1484-х интегральных транзисторах.

Тем не менее, в настоящее время двоичные компьютеры доминируют в компьютерной технике благодаря своей простоте и высокой надежности.

6. Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления

Позиционную систему счисления можно построить по любому основанию. Однако наибольшее практическое значение имеют: двоичная, десятичная, восьмеричная и шестнадцатеричная. Причем, последние две используются, в основном, не для вычислений, а для представления двоичного кода в форме, удобной для человека.

В табл. 2.4 представлено 24-битное двоичное слово и соответствующие ему 8-ричный и 16-ричный коды.

Таблица 2.4

Двоичный код	1011001111000101100010112
Восьмеричный код	547426138
Шестнадцатеричный код	B3C58B16

Очевидно, что человеку легче воспринимать двоичный код в форме 8-ричного или 16-ричного кодов. При использовании 8-ричного кода три бита двоичного слова преобразуются в один символ. При использовании 16-ричного слова каждые четыре бита двоичного слова преобразуются в один символ. В табл. 2.5 показано, как осуществляется это преобразование. Как можно видеть, шестнадцатеричные числа обозначаются с помощью 10 арабских цифр и шести букв латинского алфавита.

Таблица 2.5

8-ричное число	Бинарный код	16-ричное число	Бинарный код
0 1 2 3 4 5 6 7	000 001 010 011 100 101 110 111	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F	0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111