О чём не пишут в книгах по Delphi - А. Григорьев

3.2.2. Вещественные типы Delphi

В Delphi существует четыре вещественных типа: Single, Double, Extended и Real. Их общий формат одинаков (рис. 3.1, а).

Знак — это всегда один бит. Он равен нулю для положительных чисел и единице для отрицательных. Что же касается размеров мантиссы и экспоненты, то именно в них и заключается различие между типами.

Прежде чем перейти к конкретным цифрам, рассмотрим подробнее тип Real, сделав для этого небольшой экскурс в историю. Real — это стандартный тип языка Паскаль, присутствовавший там изначально. Когда создавался Паскаль, процессоры еще не имели встроенной поддержки вещественных чисел, поэтому все операции с данными типа Real сводились к операциям с целыми числами. Соответственно, размер полей в типе Real был подобран так, чтобы оптимизировать эти операции.

а) общий вид вещественного числа

б) Двоичное представление числа типа Single

Рис. 3.1. Хранение вещественного числа в памяти

Микропроцессор Intel 8086/88 и его улучшенные варианты — 80286 и 80386 — также не имели аппаратной поддержки вещественных чисел. Но у систем на базе этих процессоров была возможность подключения так называемого сопроцессора. Эта микросхема работала с памятью через шины основного процессора и обеспечивала аппаратную поддержку вещественных чисел. В системах средней руки гнездо сопроцессора обычно было пустым, т.к. это уменьшало цену (разумеется, вставить туда сопроцессор не было проблемой). Для каждого центрального процессора выпускались свои сопроцессоры, маркировавшиеся Intel 8087, 80287 и 80387 соответственно. Были даже сопроцессоры, выпускаемые другими фирмами. Они работали быстрее, чем сопроцессоры Intel, но появлялись на рынке позже. Тип вещественных чисел, поддерживаемый сопроцессорами, не совпадает с Real. Он определяется стандартом IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Чтобы обеспечить в своих системах поддержку типов IEEE, Borland вводит в Turbo Pascal типы Single, Double и Extended. Extended — это основной для сопроцессора тип, a Single и Double получаются из него очень простым усечением. Система команд сопроцессора допускает работу с этими типами: при загрузке числа типа Single или Double во внутренний регистр сопроцессора последний конвертирует их в Extended. Напротив, при выгрузке чисел этих типов из регистра в память сопроцессор усекает их до нужного размера. Внутренние же операции всегда выполняются с данными типа Extended (впрочем, из этого правила есть исключение, на котором мы остановимся позже, после детального рассмотрения формата различных типов). Single и Double позволяют экономить память. Ни один из них также не совпадает с типом Real. В системах с сопроцессорами новые типы обрабатываются заметно (в 2–3 раза) быстрее, чем Real (это с учетом того, что тип Real после соответствующего преобразования также обрабатывался сопроцессором; если же сравнивать обработку типа Extended на машине с сопроцессором и Real на машине без сопроцессора, то там на отдельных операциях достигалась разница в скорости примерно в 100 раз). Чтобы программы с этими типами можно было выполнять и в системах без сопроцессора, была предусмотрена возможность подключать к ним программный эмулятор сопроцессора. Обработка этих типов эмулятором была медленнее, чем обработка Real.

Начиная с 486-й серии Intel берет курс на интеграцию процессора и сопроцессора в одной микросхеме. Процент брака в микросхемах слишком велик, поэтому Intel идет на хитрость: если у микросхемы брак только в сопроцессорной части, то на этом кристалле прожигаются перемычки, блокирующие сопроцессор, и микросхема продается как процессор 80486SX, не имеющий встроенного сопроцессора (в отличие от полноценной версии, которую назвали 80486DX). Бывали и обратные ситуации, когда сопроцессор повреждений не имел, зато процессор был неработоспособен. Такие микросхемы превращали в "сопроцессор 80487". Но это уже из области экзотики, и, по имеющейся у нас информации, до России такой сопроцессор не дошел.

Процессор Pentium во всех своих вариантах имел встроенный блок вычислений с плавающей точкой (FPU — Floating Point Unit), и отдельный сопроцессор ему не требовался. Таким образом, с приходом этого процессора тип Real остался только для обратной совместимости, а на передний план вышли типы Single, Double и Extended. Начиная с Delphi 4, тип Real становится синонимом типа Double, а старый 6-байтный тип получает название Real48.

Здесь и далее под словом Real мы будем понимать старый 6-байтный тип.

Примечание

Существует директива компилятора {$REALCOMPATIBILITY ON/OFF}, при включении которой (по умолчанию она отключена) Real становится синонимом Real48, а не Double.

Размеры полей для различных вещественных типов указаны в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Размеры полей в вещественных типах

Тип Размер типа, байты Размер мантиссы, биты Размер экспоненты, биты Single 4 23 8 Double 8 52 11 Extended 10 64 15 Real 6 40 7

Другие параметры вещественных типов, такие как диапазон и точность, можно найти в справке Delphi.

3.2.3. Внутренний формат вещественных чисел

Рассмотрим тип Single, т.к. он самый короткий и, следовательно, самый простой для понимания. Остальные типы отличаются от него только количественно. В дальнейшем числа в формате Single мы будем записывать как s eeeeeeee mmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmmm, где s означает знаковый бит, е — бит экспоненты, m — бит мантиссы. Порядок хранения битов в типе Single показан на рис. 3.1, б (по принятым в процессорах Intel правилам байты в многобайтных значениях переставляются так. что младший байт идет первым, а старший — последним, и вещественных чисел это тоже касается В мантиссе хранится двоичное число. Чтобы получить истинное значение мантиссы, к ней надо мысленно добавить слева единицу с точкой (т.е., например, мантисса 1010000000000000000000 означает двоичную дробь 1.101). Таким образом, имея 23 двоичных разряда, мы записываем числа с точностью до 24-х двоичных разрядов.

Экспонента — по определению всегда целое число. Но способ записи экспоненты в вещественных числах не совпадает с рассмотренным ранее способом записи чисел со знаком. Ноль в этом представлении записывается как 01111111 (в обычном представлении это равно 127). Соответственно. 10000000 (128 в обычном представлении) означает единицу, а 01111110 (126) означает -1, и т. д. (т.е. из обычного беззнакового числа надо вычесть 127, и получится число, закодированное в экспоненте). Такая запись чиста называется нормализованной. 

Из описанных правил есть исключения. Так, если все биты экспоненты равны нулю (т.е. там стоит число -127), то к мантиссе перед ее началом надо добавлять не "1.", а "0." (денормализованная запись). Это позволяет увеличить диапазон вещественных чисел. Если бы этого исключения не было, то минимально возможное положительное число типа Single было бы равно примерно 5,9·10-39. А так появляется возможность использовать числа до 1,4·10-45. Побочным эффектом этого является то, что числа, меньшие чем 1,17·10-38, представляются с меньшей, чем 24 двоичных разряда, точностью. Если все биты в экспоненте равны единице, а в мантиссе — нулю, то мы получаем комбинацию, известную как INF (от англ. Infinity — бесконечность). Эта комбинация используется тогда, когда результат вычислений превышает максимально допустимое форматом число. В зависимости от значения бита s бесконечность может быть положительной или отрицательной. Если же при такой экспоненте в мантиссе хоть один бит не равен нулю, такая комбинация называется NAN (Not A Number — не число). Попытки работы с комбинациями NAN или INF приводят к ошибке времени выполнения.

Для задания нуля все биты мантиссы и экспоненты должны быть равны нулю (формально это означает 0·10-127). С учетом описанных правил, если хотя бы один бит экспоненты не будет равен нулю (т.е. экспонента будет больше -127), запись будет считаться нормализованной, и нулевая мантисса будет рассматриваться как единица. Поэтому никакие другие комбинации значений мантиссы и экспоненты не могут дать ноль.

Тип Double устроен точно так же, разница только в количестве разрядов и в том, какое значение экспоненты берется за ноль. Итак, мы имеем 11 разрядов для экспоненты. За ноль берется значение 1023.