Что такое BCD
BCD — это Binary-Coded Decimal (двоично-десятичный код). Он же 8421-BCD.
Это форма записи рациональных чисел, когда каждый десятичный разряд числа записывается в виде его четырёхразрядного двоичного кода.
Вообще с помощью четырёхразрядного двоичного кода можно закодировать 16 чисел — это шестнадцатеричная система.
Двоично-десятичный код отличается от шестнадцатеричной системы тем, что он использует только первые десять комбинаций. Значения BCD приведены в таблице ниже.
| Десятичное | HEX | BIN | BCD |
| 0 | 0 | 0000 | 0000 |
| 1 | 1 | 0001 | 0001 |
| 2 | 2 | 0010 | 0010 |
| 3 | 3 | 0011 | 0011 |
| 4 | 4 | 0100 | 0100 |
| 5 | 5 | 0101 | 0101 |
| 6 | 6 | 0110 | 0110 |
| 7 | 7 | 0111 | 0111 |
| 8 | 8 | 1000 | 1000 |
| 9 | 9 | 1001 | 1001 |
| 10 | A | 1010 | Запрещено |
| 11 | B | 1011 | Запрещено |
| 12 | C | 1100 | Запрещено |
| 13 | D | 1101 | Запрещено |
| 14 | E | 1110 | Запрещено |
| 15 | F | 1111 | Запрещено |
В BCD используются только первые 10 комбинаций, которыми можно закодировать 10 цифр от 0 до 9. Остальные комбинации в BCD являются запрещёнными.
BCD код также применяется в телефонной связи. В этом случае кроме десятичных цифр кодируются символы * или #, или любые другие. Для записи этих символов в коде BCD используются запрещенные комбинации:
| BCD | Дополнительный символ |
| 1010 | * (звёздочка) |
| 1011 | # (решётка) |
| 1100 | (плюс) |
| 1101 | — (минус) |
| 1110 | , (десятичная запятая) |
| 1111 | символ гашения |
Преимущества и недостатки формата BCD
Преимущества
- Удобно использовать для вывода на индикаторы с одной цифрой. Например, в часах каждый индикатор отображает десятичное число в двоично-десятичной системе (от 0 до 9).
- Упрощён вывод чисел на индикацию — вместо последовательного деления на 10 требуется просто вывести на индикацию каждый полубайт. По этой же причине проще ввод данных с цифровой клавиатуры.
- Для дробных чисел (как с фиксированной, так и с плавающей запятой) при переводе в человекочитаемый десятичный формат и наоборот не теряется точность.
- Упрощены умножение и деление на 10, а также округление.
По этим причинам двоично-десятичный формат применяется в калькуляторах и других устройствах, которые выводят данные на семисегментные или другие индикаторы, где каждый отдельный индикатор отображает только одну цифру.
Недостатки
- Требует больше памяти.
- Усложнены арифметические операции.
Операции с BCD
Так как в BCD данных используются только 10 возможных комбинаций 4-х битового поля вместо 16, существуют запрещённые комбинации битов (см. выше). Поэтому, при сложении и вычитании чисел BCD действуют следующие правила:
- При сложении двоично-десятичных чисел каждый раз, когда происходит перенос бита в старший полубайт, необходимо к полубайту, от которого произошёл перенос, добавить поправочное значение 0110 = 610 = (1610 — 1010) — разница количеств комбинаций полубайта и используемых значений, то есть всего комбинаций в тетраде 16, из них разрешённых 10, а запрещенных 6.
- При сложении двоично-десятичных чисел каждый раз, когда встречается недопустимая для полубайта комбинация (число, большее 9), необходимо к каждой недопустимой комбинации добавить поправочное значение 0110 с разрешением переноса в старшие полубайты.
- При вычитании двоично-десятичных чисел, для каждого полубайта, получившего заём из старшего полубайта, необходимо провести поправку, отняв значение 0110.
Поэтому почти в любом языке ассемблера есть специальные команды для работы с BCD числами.
Пример операции сложения двоично-десятичных чисел:
Требуется: Найти число Х = Y + Z, где Y = 0929, Z = 1538
Решение: Представим числа Y и Z в двоично-десятичной форме:
Суммируем числа Y и Z по правилам двоичной арифметики:
В тетраду, помеченную символом *, добавляем шестёрку, так как по правилам двоичной арифметики перенос унёс с собой 16, а по правилам десятичной арифметики должен был унести 10.
В тетраду, помеченную символом **, добавляем шестёрку и разрешаем распространение переноса, так как комбинация битов 1110 в сумме после сложения соответствует десятичному числу 14 и является запрещённой.
ПРИМЕЧАНИЕ
По сути BCD — это та же шестнадцатеричная система, только с числами от 0 до 9 (числа A. F являются запрещёнными). То есть каждая тетрада записывается в числе BCD в отдельном разряде.
ДВОИЧНО-ДЕСЯТИЧНАЯ СИСТЕМА
Двоично-десятичная система счисления. Десятичные цифры от 0 до 9 заменяются представляющими их двоичными тетрадами: 0=0000, 1=0001, 2=0010, 3=0011, 4=0100, 5=0101, 6=0110, 7=0111, 8=1000 и 9=1001. Такая запись очень часто используется как промежуточный этап перевода числа из десятичной системы в двоичную или обратно. Так как 10 не является точной степенью 2, то используются не все 16 тетрад, а алгоритмы арифметических операций над многозначными числами здесь более сложны, чем в основных системах счисления. И тем не менее, двоично-десятичная система счисления применяется даже на этом уровне во многих микрокалькуляторах и некоторых компьютерах (в частности, «Ямаха» стандарта MSX).
Поскольку человеку наиболее привычны представление и арифметика в десятичной системе счисления, а для компьютера — двоичное представление и двоичная арифметика, была введена компромиссная система двоично-десятичной записи чисел. Такая система чаще всего применяется там, где существует необходимость частого использования процедуры десятичного ввода-вывода. (электронные часы, калькуляторы, АОНы, и т.д.). В таких устройсвах не всегда целесообразно предусматривать универсальный микрокод перевода двоичных чисел в десятичные и обратно по причине небольшого объема программной памяти.
Принцип построения этой системы достаточно прост: каждая десятичная цифра преобразуется прямо в свой десятичный эквивалент из 4 бит, например: 369110=0011 0110 1001 0001DEC:
Десятичное число 3 6 9 1 Двоично-десятичное число 0011 0110 1001 0001
Преобразуем двоично-десятичное число 1000 0000 0111 0010 в его десятичный эквивалент. Каждая группа из 4 бит преобразуется в её десятичный эквивалент. Получим 1000 0000 0111 0010DEC = 807210:
Двоично-десятичное число 1000 0000 0111 0010 Десятичное число 8 0 7 2
Микропроцессоры используют чистые двоичные числа, однако понимают и команды преобразования в двоично-десятичную запись. Полученные двоично-десятичные числа легко представимы в десятичной записи, более понятной людям.
Преобразование двоичных чисел в двоично-десятичные
Арифметико-логическое устройство AVR-микроконтроллеров (как и других микропроцессоров) выполняет элементарные арифметические и логические операции над числами, представленными в двоичном коде. В двоичном коде считываются результаты преобразования АЦП, в двоичном коде (в формате целых чисел или чисел с плавающей точкой) удобно выполнять обработку результатов измерения. Однако, когда окончательный результат отображается на индикаторе, он должен быть преобразован в десятичный формат, удобный для восприятия человеком.
В данном разделе рассматриваются программы преобразования двоичных чисел в двоично-десятичные.
1. Форматы представления десятичных чисел
В настоящее время распространены два формата представления десятичных чисел в микропроцессорах — упакованный двоично-десятичный код (BCD-Binary-Coded Decimal) и неупакованный десятичный код [1].
Упакованный BCD-код — это такое представление десятичного числа, когда каждая десятичная цифра представляется 4-х битным двоичным позиционным кодом 8-4-2-1. При этом байт содержит две десятичные цифры. Младшая десятичная цифра занимает правую тетраду (биты 3 : 0), старшая — левую тетраду (биты 7 : 4). Многоразрядные BCD-числа занимают несколько смежных байт. Если число является знаковым, то для представления знака в BCD-формате отводится старшая тетрада старшего байта. Для кодирования знака можно использовать шесть двоичных кодовых комбинаций, которые не используются для представления десятичных цифр. Это коды 1010-1111 (A-F в шестнадцатеричном представлении). Обычно для кодирования знака плюс применяют код 1100 (С), а для знака минус — 1101 (D).
Неупакованный десятичный код является подмножеством международной таблицы кодирования символов ASCII (Таблица 1). Видно, что для хранения неупакованных десятичных чисел требуется в два раза больше памяти, так как каждая цифра представляется 8-битным кодом. Таблица 1: ASCII-коды десятичных цифр 
2. Преобразование целых 16-битных чисел в двоично-десятичные числа
На сайте www.atmel.com предлагается программа «bin2bcd16» для преобразования целых 16-битных двоичных чисел в двоично-десятичные упакованные числа. В данной статье рассматривается программа «bin16bcd5» (см. Приложение, Программа 1), написанная Терешкиным А. В. согласно алгоритму, изложенному в [1], и выполняющая ту же задачу. Последняя программа по быстродействию, длине кода и количеству используемых регистров оказалась более эффективной, чем первая.
Алгоритм программы «bin16bcd5» заключается в следующем. Предположим, что имеется целое беззнаковое 16-битное число (диапазон от 0 до 65535). Очевидно, что необходимо найти 5 десятичных цифр. Способ преобразования заключается в том, чтобы, вычитая из исходного числа число 10000, сначала определить десятичную цифру десятков тысяч. Затем находится цифра тысяч последовательным вычитанием числа 1000 и т. д. Вычитание каждый раз производится до получения отрицательной разности с подсчетом числа вычитаний. При переходе к определению каждого следующего десятичного разряда в регистрах исходного числа восстанавливается последняя положительная разность. После того, как будет найдена десятичная цифра десятков, в регистрах исходного числа останется десятичная цифра единиц.
Программа «bin16ASCII5» (см. Приложение, Программа 2) преобразует целое двоичное 16-битное число в десятичное неупакованное число. При этом используется тот же алгоритм.
3. Преобразование двоичной дроби в двоично-десятичную дробь
Двоичная дробь, по определению, представляется следующим выражением:
0.A-1A-2 . A-m = A-1*2-1 + A-2*2-2 + . A-m*2-m
Из этого представления следует алгоритм преобразования (Рис. 2), который содержит m шагов. На каждом шаге к двоично-десятичному результату прибавляется очередная двоичная цифра и весь результат делится на 2.
На изображены двоичный регистр, который содержит исходную двоичную дробь и регистр двоично-десятичного упакованного результата. Для наглядности у обоих регистров также показаны разряд единиц и положение точки, которые в памяти микропроцессора никак не представлены, но положение которых всегда строго оговорено. Количество циклов рассматриваемого алгоритма равно количеству бит двоичной дроби. Разрядность двоично-десятичного регистра определяется требуемой точностью вычислений.
Сложить эту цифру с двоично-десятичным числом означает, что ее нужно поместить в разряд единиц двоично-десятичного числа, откуда при последующем делении на два цифра A-i сдвинется в старший разряд старшей тетрады десятичной дроби. При программировании мы можем представлять, что разрядом единиц десятичной дроби является бит переноса С.
При делении на два двоично-десятичного упакованного числа, так же как и при делении двоичного числа, его сдвигают вправо на один разряд. При этом на два делится каждая тетрада, то есть каждая десятичная цифра. При делении четной десятичной цифры в соответствующем разряде снова получается десятичная цифра, и никакой коррекции не требуется. При делении на 2 нечетной десятичной цифры остаток, равный 5, должен быть добавлен к более младшему десятичному разряду, но на самом деле при двоичном сдвиге в более младшую тетраду добавляется число 8 (вес старшего разряда тетрады). Поэтому требуется коррекция результата, которая заключается в вычитании числа 3 из содержимого тех тетрад, которые после сдвига вправо имеют установленные старшие разряды.
4. Преобразование чисел с плавающей точкой в двоично-десятичные числа
Представление чисел с плавающей точкой имеет следующий вид:
где М — двоичная мантисса числа, П — двоичный порядок числа.
Такое представление часто используется и в десятичной системе счисления для представления очень больших или очень малых чисел. Мантисса и порядок представляют собой целые знаковые числа. Знак мантиссы является знаком всего числа. Порядок показывает истинное положение точки вместо того, которое она занимает в изображении мантиссы. Двоичное число с плавающей точкой отличается от привычного нам десятичного тем, что точка является двоичной, то есть порядок показывает на количество двоичных (а не десятичных) разрядов, на которое необходимо переместить эту точку влево или вправо.
Нормализованным представлением числа с плавающей точкой называют такое представление, когда мантисса является правильной дробью, и старшая ее цифра отличается от нуля. Но для двоичного числа требование того, что старшая цифра отличается от нуля означает, что эта цифра равна 1. Если старшая цифра точно известна, то ее можно не хранить в памяти.