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[#]: subject: "Doing 64-bit math on a 16-bit system"
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[#]: via: "https://opensource.com/article/22/10/64-bit-math"
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[#]: author: "Jerome Shidel https://opensource.com/users/shidel"
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[#]: collector: "lkxed"
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[#]: translator: "yzuowei "
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[#]: reviewer: " "
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[#]: publisher: " "
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[#]: url: " "
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在16位系统上做64位数学
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只需要一点点汇编的基础理解，这些函数就能适应体任意大小的整型数学运算。
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几年前，我为 FreeDOS 写了一个命令行数学程序叫做 VMATH。它可以在很小的无符号整型上执行十分简单的数学运算。出于近来对 FreeDOS 社区里基本数学的兴趣，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。
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仅使用兼容16位 8086 的汇编来操控大型数字的过程并不直接。我希望能够分享一些在 VMATH 中用到的技术的例子。其中一些方法掌握起来还挺容易。同时，也有着别的看起来有点奇怪的方法。你甚至可能学到一种全新的进行基本数学运算的方式。
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接下来要讲的加，减，乘，除会用到的技术将不局限于将不局限于64位整型。只需要一点点汇编的基础理解，这些函数就能适应任意大小的整型数学运算。
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在深挖这些数学函数前，我想要覆盖一些计算机看数字的基础视角。
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### 计算机是如何读取数字的
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一个兼容 Intel 的 CPU 以字节 (byte) 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个二进位组成，两个字节组成一个字 (word)。
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一个储存在内存里的64位整型占用了8个字节 （或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：
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```
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as bytes: db 0x45, 0x23, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00
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as words: dw 0x2345, 0x0001, 0x0000, 0x0000
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```
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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。对于一个比 8086 更现代的处理器而言，数据组可以再大些，比如一个四字组就可以表达整个64为整型为 **0x0000000000012345**。
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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，甚至是早期的 IBM PC 5150。你想要使用能够适应任意大小整型的技术。我们并不关心现代 CPU 的能力。
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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。
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第一种是无符号整型，其使用了所有字位来表达一个正数。无符号整型的值域为从 **0** 到 **(2 ^ (字位数量) - 1)**。例如，8位数可以是 **0** 到 **255** 之间的任意值，而16位数则在 **0** 到
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**65535** 之间，以此类推。
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有符号整型也很类似。不同之处在于数字的最显著位代表了这个数是一个整数 (**0**) 还是一个负数 (**1**)。有符号整型的值域前半部分位正数，正数值域是从 **0** 到 **(2 ^ (字位数量 - 1) - 1)**。整型值域的后半部分为负数，负数值域则从 **(0-(2 ^ (字位数量 - 1)))** 到 **-1**。
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比如说，一个8位数代表着 **0** 到 **127** 之间的任意正数，以及 **-128** 到 **-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。
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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。
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### 绝对值与负值
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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**。
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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**。
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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：
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```
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; 语法，NASM for DOS
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proc_ABS:
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; 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
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; 会被转正的64位数。
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; 结束时，如果结果数字不能被转正，Carry Flag (CF) 会被设置。这种情况只
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; 有在遇到最大负值时会发生。其余情况，CF 不会被设置。
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; 检查最高字节的最高位
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test [si+7], byte 0x80
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; 如不为1，值为正值
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jz .done_ABS
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; 翻转字的所有字位 #4
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not word [si+6]
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not word [si+4] ; 字 #3
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not word [si+2] ; 字 #2
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not word [si] ; 字 #1
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; 字#1 加一
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inc word [si]
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; 如结果不为0，结束
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jnz .done_ABS
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; 字#2 加一
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inc word [si+2]
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; 如结果为0，进位下一个字
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jnz .done_ABS
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inc word [si+4]
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jnz .done_ABS
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; 此处无法进位
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inc word [si+6]
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; 再一次检查最高位
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test [si+7], byte 0x80
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; 如不为1，我们成功了，结束
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jz .done_ABS
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; 溢出错误，它被转成了负数
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stc
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; 设置 Carry Flag 并返回
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ret
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.done_ABS:
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; 成功，清理 Carry Flag 并返回
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clc
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ret
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```
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你可能已经注意到了，这个函数有一个潜在问题。由于正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) 即最大正值。如果你对结果加 **1**，它会因溢出回到同样的负数 (-128)。
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你只需要重复计算绝对值的步骤就可以将正数转成负数。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。
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```
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; 语法， NASM for DOS
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proc_NEG:
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; 开始时，SI会指向需要转负的数字在内存里的位置。
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; 结束时，Carry Flag永远不会被设置。
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; 检查最高字节的最高位
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test [si+7], byte 0x80
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; 如为1，数已经是负数
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jnz .done_NEG
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not word [si+6] ; 翻转字的所有字位 #4
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not word [si+4] ; 字 #3
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not word [si+2] ; 字 #2
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||
not word [si] ; 字 #1
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inc word [si] ; 字#1 加一
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||
; 如结果不为0，结束
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||
jnz .done_NEG
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||
; 字#2 加一
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||
inc word [si+2]
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||
; 如结果为0，进位下一个字
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||
jnz .done_NEG
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||
inc word [si+4]
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||
jnz .done_NEG
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||
; 此处无法进位或转化
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inc word [si+6]
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||
; 正。
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.done_NEG:
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clc ; 成功，清理 Carry Flag 并返回
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||
ret
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```
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看着这些绝对值与负值函数间的通用代码，它们应该被结合起来来节约一些字节。结合代码也会带来额外的好处。首先，结合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，忘记读到哪是常有的事。现在，我们可以不管这些。
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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。
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我已经覆盖了整型数字在字位层的表达的基础，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。
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让我们来做些数学吧！
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via: https://opensource.com/article/22/10/64-bit-math
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作者：[Jerome Shidel][a]
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选题：[lkxed][b]
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译者：[yzuowei](https://github.com/yzuowei)
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校对：[校对者ID](https://github.com/校对者ID)
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本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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[a]: https://opensource.com/users/shidel
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[b]: https://github.com/lkxed
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