布斯乘法算法

✍ dations ◷ 2025-12-09 18:58:23 #电脑架构,计算机科学,算法,二进制算术

布斯乘法算法(英语:Booth's multiplication algorithm)是计算机中一种利用数的2的补码形式来计算乘法的算法。该算法由安德鲁·唐纳德·布思于1950年发明,当时他在伦敦大学柏贝克学院做晶体学研究。布斯曾使用过一种台式计算器,由于用这种计算器来做移位计算比加法快,他发明了该算法来加快计算速度。布斯算法在计算机体系结构学科中备受关注。

对于位乘数,布斯算法检查其2的补码形式的最后一位和一个隐含的低位,命名为-1,初始值为0。对于, = 0, 1, ..., - 1,考察 - 1。当这两位相同时,存放积的累加器的值保持不变。当 = 0且 - 1 = 1时,被乘数乘以2加到中。当 = 1且 - 1 = 0时,从中减去被乘数乘以2的值。算法结束后,中的数即为乘法结果。

该算法对被乘数和积这两个数的表达方式并没有作规定。一般地,和乘数一样,可以采用2的补码方式表达。也可以采用其他计数形式,只要支持加减法就行。这个算法从乘数的最低位执行到最高位,从 = 0开始,接下来和2的乘法被累加器的算术右移所取代。较低位可以被移出,加减法可以只在的前位上进行。

布斯算法的实现,可以通过重复地在上加两个预设值和 S其中的一个,然后对实施算术右移。设和分别为被乘数和乘数,再令和分别为和中的数字位数。

换另一种说法:把前x位用一个单独的数R0表示,中间y位用另一个数表示R1表示,辅助位用Z表示在这里,要通过重复的把R0加上或者减去m来得到结果。具体如下:初始值R0=0,R1=r.Z=0,此时来考查yi和yi-1这两位,在这里就是m的最后一位和Z的值。这里要说下为什么每次看的都是这两位了。在下边每次运算后都会把R0,R1,Z中的值右移一次,RO的最后一位移入R1的高位,R1的最后一位移入Z。这里要注意的是在右移R0时,如果他的最高位是1,则移位后最高位用1填充,如果最高位是0,移位后最高位用0填充。接下来要按m的最后一位和Z的值来判断怎么加减了:

最后是结果,结果就是R0并上R1的值。比如R0=3,R1=25,结果就是325.

考虑一个由若干个0包围着若干个1的正的二进制乘数,比如00111110,积可以表达为:

其中,M代表被乘数。变形为下式可以使运算次数可以减为两次:

事实上,任何二进制数中连续的1可以被分解为两个二进制数之差:

因此,我们可以用更简单的运算来替换原数中连续为1的数字的乘法,通过加上乘数,对部分积进行移位运算,最后再将之从乘数中减去。它利用了我们在针对为零的位做乘法时,不需要做其他运算,只需移位这一特点,这很像我们在做和99的乘法时利用99 = 100 − 1这一性质。这种模式可以扩展应用于任何一串数字中连续为1的部分(包括只有一个1的情况)。那么,

布斯算法遵从这种模式,它在遇到一串数字中的第一组从0到1的变化时(即遇到01时)执行加法,在遇到这一串连续1的尾部时(即遇到10时)执行减法。这在乘数为负时同样有效。当乘数中的连续1比较多时(形成比较长的1串时),布斯算法较一般的乘法算法执行的加减法运算少。

相关

  • 现象学现象学(英语:phenomenology,源自希腊语phainómenon,意为“显现的东西”;以及lógos,意为“研究”),20世纪最重要的哲学流派之一,由德国哲学家胡塞尔正式创立。胡塞尔深受弗朗兹·布
  • 水体水体(英语:body of water或waterbody) 是一个译自英文的外来词,指各种明显具水的累积之处;通常位于地表或其他星球。水体一词,通常指的是较多水所累积之处,例如河海湖泊等,但也可指
  • 猛犸象猛犸象又称长毛象,古哺乳动物,是长鼻目象科中特化的一类象,属于猛犸象属(学名:Mammuthus),大小近似现代的象,周身覆盖有棕色长毛,门齿向上弯曲。猛犸象源于非洲,早更新世时分布于欧洲
  • 马约特岛马约特大区(法语:Mayotte;斯马奥莱语:Maore;马拉加斯语:Mahori) 通称马约特,位于莫桑比克海峡,与大科摩罗岛、昂儒昂岛、莫埃利岛共同组成科摩罗群岛。面积为374平方公里,经济以农业为
  • 中国的科学与文明《中国科学技术史》(英语:Science and Civilisation in China)乃李约瑟研究所李约瑟博士和国际学者们所编著的一套关于中国的科学技术历史的著作。李约瑟在书中列出中国人的发
  • 汉特-曼西自治区汉特-曼西自治区(俄语:Ханты-Мансийский автономный округ,罗马化:Khanty-Mansysky avtonomny okrug),旧称尤格拉(俄语:Югра́,Yugra),2003年后称汉
  • 内涝内涝是指城市内部由于雨水无法及时通过排水系统排出造成的积水灾害,俗称水浸或淹水。内涝被视为城市规划中的一项世界级难题,许多城市为了治理内涝,斥巨资修建大型排水系统。
  • 反应速率常数在化学动力学中,反应速率常数,又称速率常数 k或 λ是化学反应速率的量化表示方式。对于反应物A和反应物B反应成生成物C的化学反应,反应速率可表示成此式:k(T)是反应速率常数,会随
  • 基隆级驱逐舰基隆级驱逐舰是中华民国海军所操作、一系列为数共四艘的导弹驱逐舰。2005年起陆续成军的基隆级原为美国海军基德级驱逐舰(Kidd class),这是种以史普鲁恩斯级(Spruance-class)驱逐
  • 提贝里乌斯提贝里乌斯·克劳狄乌斯·尼禄(拉丁语:Tiberius Claudius Nero,前42年11月16日-37年3月16日),又译提比留、提庇留、台伯留、提比略,罗马帝国的第二任皇帝,在位于公元14年-37年。提贝