TranslateProject/published/202212/20221026.0 ⭐️⭐️⭐️ Doing 64-bit math on a 16-bit system.md
2023-01-01 10:31:56 +08:00

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[#]: subject: "Doing 64-bit math on a 16-bit system"
[#]: via: "https://opensource.com/article/22/10/64-bit-math"
[#]: author: "Jerome Shidel https://opensource.com/users/shidel"
[#]: collector: "lkxed"
[#]: translator: "yzuowei"
[#]: reviewer: "wxy"
[#]: publisher: "wxy"
[#]: url: "https://linux.cn/article-15332-1.html"
如何在 16 位系统上进行 64 位数学运算
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![][0]
> 只要对汇编有一点基本的了解,这些函数就能扩展到任意位长的整型数学运算。
几年前,我为 FreeDOS 写了一个叫做 VMATH 的命令行数学程序。它只能在很小的无符号整型上执行十分简单的数学运算。随着近来 FreeDOS 社区里对基础数学的兴趣,我改进了 VMATH 使其可以为有符号 64 位整型提供基本的数学支持。
仅使用 16 位 8086 兼容的汇编指令来操控大型数字的过程并不简单。我希望能够分享一些在 VMATH 中用到的技术例子。其中一些方法掌握起来相当容易。而另外一些方法则看起来有点奇怪。你甚至可能学到一种进行基本数学运算的全新方式。
接下来要讲的加、减、乘、除会用到的技术将不局限于并不局限于 64 位整型。只要对汇编有一点基本的了解,这些函数就能扩展到任意位长的整型数学运算。
在深入研究这些数学函数前,我想先从计算机的角度介绍一下数字的一些基本知识。
### 计算机是如何读取数字的
一个英特尔兼容的 CPU 以<ruby>字节<rt>Byte</rt></ruby>的形式贮存数字,储存顺序为从最低有效字节到最高有效字节。每个字节由 8 个二进<ruby><rt>Bit</rt></ruby>组成,两个字节组成一个<ruby><rt>Word</rt></ruby>
一个储存在内存里的 64 位整型占用了 8 个字节(即 4 个字)。例如,数字 `74565`(十六进制表示为 `0x12345`)的值长得是这个样子的:
```
用字节表示db 0x45, 0x23, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00
用字表示dw 0x2345, 0x0001, 0x0000, 0x0000
```
当读取或写入数据到内存时CPU 会以正确的顺序处理这些字节。对于比 8086 更现代的处理器而言,数据分组可以再大些,比如一个<ruby>四字组<rt>Quadword</rt></ruby>就可以表达整个 64 位整型 `0x0000000000012345`
8086 CPU 不能理解这么大的数字。当为 FreeDOS 编程时,你想要写的是一个能在任意电脑上跑的程序,甚至是原始的 IBM PC 5150。你想要使用能够扩展到任意大小整型的技术。我们其实并不关心更现代 CPU 的能力。
为了能做整型运算,我们的数据需要表达两种不同类型的数字。
第一种是<ruby>无符号<rt>unsigned</rt></ruby>整型,其使用了所有的位来表达一个正数。无符号整型的值域为从 `0` 到 $2^{位长} - 1$。例如8 位数可以是 `0``255` 之间的任意值,而 16 位数则在 `0`
`65535` 之间,以此类推。
有符号整型也很类似。不同之处在于数字的最高位代表了这个数是一个正数(`0`)还是一个负数 `1`)。有符号整型的值域前半部分为正数,正数值域是从 `0` 到 $2^{(位长 - 1)} - 1$。整型值域的后半部分为负数,负数值域则从 $0 - (2^{位长 - 1})$ 到 `-1`
比如说,一个 8 位数代表着 `0``127` 之间的任意正数,以及 `-128``-1` 之间的任意负数。为了能更好的理解这一点,想象 **字节** 为一列数组 `[0...127,-128...-1]`。因为 `-128` 在数组内紧跟着 `127``127` 加 `1` 等于 `-128`。当然这可能看起来有点奇怪甚至反常,但这其实让这个层级的基本数学运算变简单了。
为了能够对大型整型进行简单的加、减、乘、除,你应该摸索一些简单的公式来计算一个数的绝对值或负值。你在做有符号整型运算的时候会用上它们的。
### 绝对值与负值
计算一个有符号整型的绝对值并没有它看起来的那么糟糕。由于无符号和有符号数字在内存里的储存形式,我们其实有一个简单的方案。你只需要翻转一个负数的所有字位,得出的结果再加 `1`
如果你从没接触过二进制的话,这可能听上去有点奇怪,但这就是这么工作的。让我们来举一个例子,取一个负数的 8 位表达,比如说 `-5`。因为 `-5` 靠近 `[0...127,-128...-1]` 字节组末端,它的十六进制值为 `0xfb`,二进制值为 `11111011`。如果你翻转了所有字位,你会得到 `0x04` 或二进制值 `00000100`。结果加 `1` 你就得到了你的答案:你刚刚把 `-5` 的值变成了 `+5`
你可以用汇编写下这个程序用以返回任意 64 位数字的绝对值:
```
; 语法NASM for DOS
proc_ABS:
  ; 启动时SI 寄存器会指向数据段DS内的内存位置那里存放着程序内包含着
  ; 会被转为正数的 64 位数。
  ; 结束时如果结果数字不能被转正CF 寄存器会被设置。这种情况只
  ; 有在遇到最大负值时会发生。其余情况CF 不会被设置。
 
  ; 检查最高字节的最高位
  test [si+7], byte 0x80
  ; 如不为 1值为正值
  jz .done_ABS
  ; 翻转所有位
  not word [si+6] ; 字 #4
  not word [si+4]       ; 字 #3
  not word [si+2]       ; 字 #2
  not word [si]         ; 字 #1
  ; 字 #1 加 1
  inc word [si]
  ; 如结果不为 0结束
  jnz .done_ABS
  ; 字 #2 加 1
  inc word [si+2]
  ; 如结果为 0进位下一个字
  jnz .done_ABS
  inc word [si+4]
  jnz .done_ABS
  ; 此处无法进位
  inc word [si+6]
  ; 再一次检查最高位
  test [si+7], byte 0x80
  ; 如不为 1我们成功了结束
  jz .done_ABS
  ; 溢出错误,它被转成了负数
  stc
  ; 设置 CF 并返回
  ret
.done_ABS:
  ; 成功,清理 CF 并返回
  clc
  ret
```
你可能已经注意到了,这个函数有一个潜在问题。由于正数和负数的二进制值表达方式,最大负数无法被转成正数。以 8 位数为例,最大负数是 `-128`。如果你翻转了 `-128` 的所有位数(二进制 `1__0000000`),你会得到 127二进制 `0__1111111`)这个最大正值。如果你对结果加 `1`,它会因溢出回到同样的负数(`-128`)。
要将正数转成负数,你只需要重复计算绝对值的步骤就行。以下的程序十分相似,你唯一需要确认的就是一开始的数字不是已经负了。
```
; 语法, NASM for DOS
proc_NEG:
  ; 开始时SI 会指向需要转负的数字在内存里的位置。
  ; 结束时CF 永远不会被设置。
 
  ; 检查最高字节的最高位
  test [si+7], byte 0x80
  ; 如为 1数已经是负数
  jnz .done_NEG
  not word [si+6]       ; 翻转字的所有位,字 #4
  not word [si+4]       ; 字 #3
  not word [si+2]       ; 字 #2
  not word [si]         ; 字 #1
  inc word [si]         ; 字 #1 加 1
  ; 如结果不为 0结束
  jnz .done_NEG
  ; 字 #2 加 1
  inc word [si+2]
  ; 如结果为 0进位下一个字
  jnz .done_NEG
  inc word [si+4]
  jnz .done_NEG
  ; 此处无法进位或转化
  inc word [si+6]
  ; 正。
.done_NEG:
  clc                   ; 成功,清理 CF 并返回
  ret
```
看着这些绝对值函数与负值函数间的通用代码,它们应该被合并起来节约一些字节。合并代码也会带来额外的好处。首先,合并代码能帮助防止简单的笔误。这样也可以减少测试的要求。进一步来讲,这样通常会让代码变得简单易懂。在阅读一长串的汇编指令时,忘记读到哪里是常有的事。现在,我们可以不管这些。
计算一个数的绝对值或负值并不难。但是,这些函数对于我们即将开始的有符号整型数学运算至关重要。
我已经介绍了整型数字在位这一层面的基本表示方法,也创造了可以改变这些数字的基本程序,现在我们可以做点有趣的了。
让我们来做些数学运算吧!
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via: https://opensource.com/article/22/10/64-bit-math
作者:[Jerome Shidel][a]
选题:[lkxed][b]
译者:[yzuowei](https://github.com/yzuowei)
校对:[wxy](https://github.com/wxy)
本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译,[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
[a]: https://opensource.com/users/shidel
[b]: https://github.com/lkxed
[0]: https://img.linux.net.cn/data/attachment/album/202212/09/150829g7c7x5e22qqo53c4.jpg