浮点数与定点数¶

Abstract

浮点数的运算开销较大，在 FPGA 上往往需要用定点数来代替浮点数，虽然在精度上会有所损失，但是可以大大提高运算速度。

参考：

原理¶

浮点数转化为定点数

决定定点格式: \(Q_{m,n}\) （其中 m 表示整数部分位数，n 表示小数部分位数）
将浮点数乘以 2 的 \(n\) 次方（放大操作），以把要转换的浮点数移动到整数部分。
最后进行取整操作（一般采用四舍五入方法）。

假设我们要表示的数是 \(x\)，其 IEEE 形式为 \(2^{exp}\times 1.frac\)，记作 \(x_f\)。要找到其对应的定点数表示 \(x_d\)。

根据定义， \(x_d\) 相当于是最低 \(n\) 位表示小数部分，那么我们让 \(x_d \times 2^n\) 就得到了一个整数，我们记作 \(y\)，可以看到 \(y\) 的正常二进制表示和 \(x_d\) 是相同的（即定点表示 \(x_d\) 对应的二进制串等价于 \(x\times 2^n\) 的普通二进制表示）

我们对 \(x_f\) 也乘上 \(2^n\)，这样得到了 \(2^{exp+n}\times 1.frac\)，此时四舍五入，将 \(frac\) 部分中前 \(n+exp\) 位以后的位全部归 0（因为前 \(n+exp\) 位乘上前面的幂后得到的是整数，后面的部分仍然是小数，这样在四舍五入时就被抹去了）。

四舍五入后，我们将这个数转化为整数类型，此时就从 IEEE 浮点类型转化为了正常的二进制表示，这就是 \(y\)，我们可以直接把它作为 \(x\) 的定点数表示。

Examples¶

假设我们要将浮点数转为 \(Q_{1, 14}\) 格式的定点数，代码如下：
```
float limit = 1.99993896484375;
int16_t float_to_q14_f(double x) {
    return ((int16_t)((x) <= limit ? ((x) >= -limit ? (x)*0x7FFF : -0x7FFF) : 0x7FFF));
}
```
这里我们要先判断 x 是否超过我们能表示的范围。对于 \(Q_{1,14}\) 我们用最高位来表示正负号，次高位表示整数部分，剩下 14 位表示小数。那么所能表示的最大的数是 \((1.11111111111111)_2\)，即小数点后 14 个 1，表示的数是 \(1.99993896484375\)。对于超过范围的数，我们直接返回定点数所能表达的最值，否则我们将输入乘上 \(2^{14}\)。
假设我们输入的是 32 位浮点数，要将其转为 \(Q_{1,31}\) 格式的定点数，代码如下：
```
/*
x: float
输出 32 位定点数，其中最高位为整数位，剩余 31 位为小数位
*/
uint32_t float_to_int32(float x) {
    if (x >= 1.0) return (1<<31);
    return (uint32_t)((x) * 0x80000000);
}
```
- x=0.5 时函数返回 0x4000000；
- x=0.67 时函数返回 0x55c28f80=0101 0101 1100 0010 1000 1111 1000 0000，计算可得这个定点数表示的是 0.670000016689300537109375
上述的代码常用于对数据预处理时，我们可以将数据先归一化到 \([0,1]\) 范围上，随后就可以转为 32 位定点，只需要 1 位来存储整数位，不会有较大的精度损失。

Hints¶

转化过程中可能会有溢出。
如何四舍五入。
定点数运算时：需要考虑溢出、÷0 和舍入误差；对乘除等运算时需要关注精度。
对于有符号数，需要留出一位给符号位。

最后更新: 2023年12月7日 15:10:29
创建日期: 2023年12月7日 15:10:29

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原理¶

Examples¶

Hints¶

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