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Representación de la Información en las Computadoras




Enviado por phantom_nomore



     

    1. Sistemas de
      Numeración
    2. Sistema
      Binario
    3. Operaciones con Números
      Binarios
    4. Representación de
      Números Enteros
    5. Notación
      Científica Normalizada
    6. Representación de
      los números en punto flotante

     Sistemas de
    Numeración

    Los sistemas de
    numeración son las distintas formas de representar la
    información numérica. Se nombran haciendo
    referencia a la base, que representa el número de
    dígitos diferentes para representar todos los
    números.

    El sistema habitual
    de numeración para las personas es el Decimal, cuya base
    es diez y corresponde a los distintos dedos de la mano, mientras
    que el método
    habitualmente por los sistemas
    electrónicos digitales es el Binario que utiliza
    únicamente dos cifras para representar la
    información, el 0 y el 1.

    Otros sistemas como el Octal (base 8) y el Hexadecimal
    (base 16) son utilizados en las computadoras.

     Sistema
    Binario

    Los circuitos
    digitales internos que componen las computadoras utilizan el
    sistema de numeración Binario para la interpretación de la información,
    por tal motivo será el que desarrollaremos en mayor
    detalle a continuación.

    Como mencionamos anteriormente este sistema utiliza dos
    cifras (el 0 y el 1) en dónde cada una de ellas se
    denomina bit (contracción de binary digit).

    Para medir la cantidad de información
    representada en binario se utilizan múltiplos que a
    diferencia de otras magnitudes físicas utilizan el factor
    multiplicador 1024 en lugar de 1000, debido a que es el
    múltiplo de 2 más cercano a este último
    (210=1024).

    Múltiplo

    R e p r e s e n t
    a

    Nibble

    Conjunto de 4 bits

    1001

    Byte

    Conjunto de 8 bits

    10101010

    Kilobyte (Kb)

    Conjunto de 1024 bytes

    1024 * 8 bits

    Megabyte (Mb)

    Conjunto de 1024 Kb

    10242 * 8 bits

    Gigabyte (Gb)

    Conjunto de 1024 Mb

    10243 * 8 bits

    Terayte (Tb)

    Conjunto de 1024 Gb

    10244 * 8 bits

    El byte es la unidad básica de medida de la
    información representada mediante este sistema.

     

    Operaciones con
    Números Binarios

    Antes de ver las operaciones
    básicas de suma, resta, producto y
    cociente necesitamos conocer como se representa un número
    decimal en binario y viceversa.

    Ejemplo: Decimal a Binario.

     

    Para obtener de un número decimal su
    representación en el sistema
    binario, debemos dividir el primero por 2 siendo el resto de
    cada una de las divisiones leído de derecha a izquierda
    los que compondrán el número binario.

    Ejemplo: Binario a Decimal.

    Para transformar un número representado como
    binario en decimal multiplicamos cada cifra del binario por 2
    elevado a una potencia que ira
    disminuyendo hasta llegar a cero. Para determinar la primer
    potencia contamos las cifras del binario (5 en este caso) y
    disminuimos dicho número en 1 unidad (4 en el
    ejemplo).

    Suma de Números Binarios

    Es similar a la suma decimal excepto que se manejan
    sólo dos dígitos (0 y 1).

    Las sumas básicas son:

    • 0 + 0 = 0
    • 0 + 1 = 1
    • 1 + 0 = 1
    • 1 + 1 = 10 (número 2 en binario)

    Ejemplo: 100110101 + 11010101 =

    Se comienza a sumar desde la izquierda, en el ejemplo, 1
    + 1 = 10, entonces escribimos 0 y "llevamos" 1. Se suma este 1 a
    la siguiente columna: 1 + 0 + 0 = 1, y seguimos hasta terminar
    todas la columnas (exactamente como en decimal).

    Resta de Números Binarios

    Es semejante a la decimal excepto que se utilizan dos
    dígitos y teniendo en cuenta que se realizan las restas
    parciales entre dos dígitos de idénticas
    posiciones, uno del minuendo y otro del sustraendo, si el segundo
    excede al primero, se sustrae una unidad del dígito de
    más a la izquierda en el minuendo (si existe y vale 1),
    convirtiéndose este último en 0 y equivaliendo la
    unidad extraída a 1 * 2 en el minuendo de resta parcial
    que estamos realizando. Si es 0 el dígito siguiente a la
    izquierda, se busca en los sucesivos teniendo en cuenta que su
    valor se
    multiplica por 2 a cada desplazamiento a la derecha.

    Las restas básicas son:

    0 – 0 = 0

    0 – 1 = No se puede realizar.

    1 – 0 = 1

    1 – 1 = 0

    Ejemplo: 11001 – 1010 =

    Producto de Números Binarios

    El producto de números binarios es semejante al
    decimal, ya que el 0 multiplicado por cualquier otro da 0, y el 1
    es el elemento neutro del producto.

    Los productos
    básicos son:

    0 * 0 = 0

    0 * 1 = 0

    1 * 0 = 0

    1 * 1 = 1

    Ejemplo: 10110 * 1001 =

    Cociente de Números Binarios

    La división se realiza en forma semejante al
    decimal, con la salvedad que las multiplicaciones y restas
    internas del proceso de la
    división se realizan en binario.

    Ejemplo: 100010 / 110 =

    Representación de Números
    Enteros

    Aritmética de computadores

    Los computadores no almacenan los números con
    precisión infinita sino de forma aproximada empleando un
    número fijo de bits o bytes (grupos de ocho
    bits). Prácticamente todos las computadoras permiten al
    programador elegir entre varias representaciones o 'tipos de datos'.
    Los diferentes tipos de datos pueden
    diferir en el número de bits empleados, pero
    también (lo que es más importante) en cómo
    el número representado es almacenado: en formato fijo
    (también denominado 'entero') o en punto flotante
    (denominado 'real').

    Aritmética de punto fijo

    Un entero se puede representar empleando todos los bits
    de una palabra de computadora,
    con la salvedad de que se debe reservar un bit para el signo. Por
    ejemplo, en una máquina con longitud de palabra de
    32 bits, los enteros están comprendidos entre
    -(231 – 1) y 231 – 1 = 2147483647. Un
    número representado en formato entero es 'exacto'. Las
    operaciones aritméticas entre números enteros son
    también 'exactas' siempre y cuando:

    1. La solución no esté fuera del rango del
      número entero más grande o más
      pequeño que se puede representar (generalmente con
      signo). En estos casos se dice que se comete un error de
      desbordamiento por exceso o por defecto (en inglés: Overflow y Underflow) y es
      necesario recurrir a técnicas
      de escalado para llevar a cabo las operaciones.
    2. La división se interpreta que da lugar a un
      número entero, despreciando cualquier resto.

    Por estos motivos, la aritmética de punto fijo se
    emplea muy raramente en cálculos no triviales.

     

    Notación
    Científica Normalizada

    En el sistema decimal, cualquier número real
    puede expresarse mediante la denominada Notación
    científica normalizada. Para expresar un número en
    notación científica normalizada multiplicamos o
    dividimos por 10 tantas veces como sea necesario para que todos
    los dígitos aparezcan a la derecha del punto decimal y de
    modo que el primer dígito después del punto no sea
    cero. Por ejemplo:

    Para ver la fórmula seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

    En general, un número real x distinto de cero, se
    representa en notación científica normalizada en la
    forma:

     Para ver la
    fórmula seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    Exactamente del mismo modo podemos utilizar la
    notación científica en el sistema binario. En este
    caso, tenemos que:

     Para ver la
    fórmula seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    Donde m es un entero. El número q se denomina mantisa y el
    entero m exponente. En un ordenador binario tanto q como m
    estarán representados como números en base 2.
    Puesto que la mantisa q está normalizada, en la
    representación binaria empleada se cumplirá
    que:

     Para ver la
    fórmula seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    Representación de los números en
    punto flotante

    En un ordenador típico los números en
    punto flotante se representan de la manera descrita en el
    apartado anterior, pero con ciertas restricciones sobre el
    número de dígitos de q y m impuestas
    por la longitud de palabra disponible (es decir, el número
    de bits que se van a emplear para almacenar un
    número). Para ilustrar este punto, consideraremos un
    ordenador hipotético que denominaremos MARC-32 y que
    dispone de una longitud de palabra de 32 bits (muy similar
    a la de muchos ordenadores actuales). Para representar un
    número en punto flotante en el MARC-32, los bits se
    acomodan del siguiente modo: 

    Signo del número real x:

    1 bit

    Signo del exponente m:

    1 bit

    Exponente (entero |m|):

    7 bits

    Mantisa (número real |q|):

    23 bits

     En la mayoría de los cálculos en
    punto flotante las mantisas se normalizan, es decir, se toman de
    forma que el bit más significativo (el primer bit) sea
    siempre '1'. Por lo tanto, la mantisa q cumple siempre la
    ecuación (3).

    Dado que la mantisa siempre se representa normalizada,
    el primer bit en q es siempre 1, por lo que no es
    necesario almacenarlo proporcionando un bit significativo
    adicional. Esta forma de almacenar un número en punto
    flotante se conoce con el nombre de técnica del 'bit
    fantasma'.

    Se dice que un número real expresado como aparece
    en la ecuación (2) y que satisface la ecuación (3)
    tiene la forma de punto flotante normalizado. Si además
    puede representarse exactamente con |m| ocupando 7 bits y |q|
    ocupando 24 bits, entonces es un número de máquina
    en el MARC-32

    .

    La restricción de que |m| no requiera más
    de 7 bits significa que:

     Para ver la
    fórmula seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    Por ejemplo: 0.5 representado en punto flotante en el
    MARC-32 (longitud de palabra de 32 bits) se almacena en la memoria del
    siguiente modo:

     Para ver la
    fórmula seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    Solución: El número 26.32 en binario se
    escribe del siguiente modo:

     Para ver la
    fórmula seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    Si expresamos el error como la diferencia entre el valor
    y el número realmente almacenado en el ordenador,
    obtenemos:

     Para ver la
    fórmula seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    Antes de entrar con detalle en la aritmética de
    los números en punto flotante, es interesante notar una
    propiedad de
    estos números de especial importancia en los
    cálculos numéricos y que hace referencia a su
    densidad en la
    línea real. Supongamos que p, el número de
    bits de la mantisa, sea
    24.

     Para ver
    la fórmula seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior
       
     

    Figura:
    Evolución de la separación
    entre dos números consecutivos en función del exponente, f, de
    la representación en punto flotante de un
    número real.

     

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