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IEEE-754浮點(diǎn)格式應(yīng)用分析

2019-03-25

  IEEE-754是由電子與電氣工業(yè)協(xié)會(huì)制定的一整套浮點(diǎn)數(shù)表示的標(biāo)準(zhǔn)。本文主要分析最常用的binary32(單精度),binary64(雙精度可以此類推)。
  Binary32占用存儲(chǔ)器4bytes,可以表示最大數(shù)值(2?2?23)×2127≈3.402823×1038,相比之下,int32(有符號(hào)32位整型數(shù))可以表示到2-31-1=2,147,483,647。在同樣的存儲(chǔ)寬度下,binary32表示的范圍是int32的158,456,293,939,825,284,266,763,033,469.56倍。

  Binary32存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下:

IEEE-754浮點(diǎn)格式應(yīng)用分析

  Hex:0x419C0000

  二進(jìn)制表示為
  
  十進(jìn)制表示為
  
  value=(-1)0×2(131-127)×(1+2(-3)+2(-4)+2(-5)=(19.5)10
  因此,對(duì)于每一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)來(lái)說(shuō),主要有兩個(gè)部分構(gòu)成:指數(shù)部分和尾數(shù)部分。
  指數(shù)部分有兩個(gè)特例:即0x00和0xFF
  當(dāng)為0x00時(shí)適用如下:(-1)signbit×2-126×0.significandbits即表示±0.0。此時(shí),尾數(shù)部分沒(méi)有實(shí)際的意義。
  當(dāng)為0xFF時(shí)表示±infinity。
  尾數(shù)部分0~11111111111111111111111b
  各位的權(quán)值如下:
  bit23=1為了節(jié)省存儲(chǔ)空間此位為隱藏位;
  bit22=0.5
  bit21=0.25
  bit20=0.125
  bit19=0.0625
  bit18=0.03125
  .
  .
  bit0=0.00000011920928955078125
  一個(gè)整型數(shù),如果用IEEE-754表示可能會(huì)有誤差。
  [-224,224]=[-16777216,16777216],沒(méi)有誤差。
  [-225,-224]=[-33554432,-16777217]或[16777217,33554432],向2倍數(shù)舍入。
  [-226,-225-1]或[225+1,226],向4的倍數(shù)舍入。
  …
  [-2127,-2126-1]或[2126+1,2127],向2103的倍數(shù)舍入。
  [-2128,-2127-1]或[2127+1,2128],向2127-23的倍數(shù)舍入。
  value≤-2128或value≥2128,向∞舍入。
  要注意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化時(shí)帶來(lái)的系統(tǒng)誤差,如要克服,就需要綜合考慮。

  計(jì)為超聲波液位計(jì)在測(cè)量過(guò)程中,由于液位的測(cè)量要計(jì)算聲波來(lái)回的時(shí)間差,而時(shí)間差的測(cè)量要用到當(dāng)前環(huán)境下的聲速。而環(huán)境的不同導(dǎo)致聲速的不同,在用不同尾數(shù)表示聲速時(shí),會(huì)帶給系統(tǒng)一定的誤差。為了減小這種系統(tǒng)誤差,聲速的計(jì)算采用的是64bit雙精度,保證在計(jì)算距離的時(shí)候,使公式本身帶來(lái)的系統(tǒng)誤差最小,也整體提高了測(cè)量的精度。

  同樣的例子,輸出的4~20mA電流的數(shù)值,也需精準(zhǔn)表示。在使用當(dāng)前的距離計(jì)算液位,再根據(jù)液位計(jì)算電流值的情況下,如果使用尾數(shù)少的小數(shù)表示,可能一次的計(jì)算誤差幾乎可以忽略不計(jì),但經(jīng)過(guò)多次級(jí)聯(lián)的運(yùn)算后,帶來(lái)的誤差便不可忽視。一些特殊的情況下,可能還會(huì)直接影響到測(cè)量的精度,為了保證高精度液位的測(cè)量,選用雙精度是明智的選擇。

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(深圳計(jì)為自動(dòng)化技術(shù)有限公司研發(fā)中心2019年3月25日發(fā)布)


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