Битовая операция (теория алгоритмов)

Битовая операция (теория алгоритмов)

У этого термина существуют и другие значения, см. Битовая операция (значения).

Битовая операция (теория алгоритмов) — в теории алгоритмов, криптографии запись знаков 0, 1, плюс, минус, скобка; сложение, вычитание и умножение двух битов (числа записаны в двоичной системе счисления)^[1][2]. Используется для оценки сложности алгоритма.

Битовая операция в теории сложности алгоритмов

Термин битовая операция, часто используется в области вычислений так называемых быстрых алгоритмов, которые изучают алгоритмы вычисления заданной функции с заданной точностью с использованием как можно меньшего числа битовых операций.

Связь с другими науками

Битовые операции и математическая логика

Битовые операции очень близки (хотя и не тождественны) логическим связкам в классической логике. Бит можно рассматривать как логическое суждение — его значениями являются 1 «истина» и 0 «ложь». При такой интерпретации известные в логике связки конъюнкции, дизъюнкции, импликации, отрицания и другие имеют представление на языке битов. И наоборот, битовые операции легко описываются на языке исчисления высказываний.

Однако, связкам математической логики более соответствуют логические операции в том числе в программировании, нежели собственно битовые операции.

Битовые операции как основа цифровой техники

Битовые операции лежат в основе обработки цифровых сигналов. А именно, посредством них мы можем из одного или нескольких сигналов на входе получить новый сигнал, который в свою очередь может быть подан на вход одной или нескольким таким операциям. По сути, именно битовые операции в сочетании с запоминающими элементами (напр. триггерами) реализуют всё богатство возможностей современной цифровой техники.

Практические применения

Понятно, что с точки зрения применения отдельная битовая операция мало интересна. Поэтому практическое применение основывается на способах комбинирования различных битовых операций, для реализации более сложного вычисления. Можно отметить два аспекта:

1. увеличение размера регистров, в которых битовые операции выполняются не по одной, а сразу на множестве 8, 16, 32, 64 - битах
2. экспериментальные устройства, где обобщают битовые операции с двоичной системы, на троичные и прочие системы счисления (так например, разработана теория работы с четверичной системы (ДНК-компьютер), так же делаются исследования в области квантового компьютера ).

Физическая реализация битовых операций

Реализация битовых операций может в принципе быть любой: механической (в том числе гидравлической и пневматической), химической, тепловой,^[3] электрической, магнитной и электромагнитной (диапазоны — ИК, видимый оптический, УФ и далее по убыванию длин волн), а также в виде комбинаций, например, электромеханической.

В первой половине XX века до изобретения транзисторов применяли электромеханические реле и электронные лампы.

В пожароопасных и взрывоопасных условиях до сих пор применяют пневматические логические устройства (пневмоника).

Наиболее распространены электронные реализации битовых операций при помощи транзисторов, например резисторно-транзисторная логика (РТЛ), диодно-транзисторная логика (ДТЛ), эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), N-МОП логика, КМОП логика и др..

Одной из причин, из-за которой базовые (основные) логические элементы строят на инверторах, а повторители являются дополнительными элементами, было то, что в электронике инверторы (ОЭ) мощнее повторителей (ОК). Но основной причиной является то, что два инвертора заменяют один повторитель, а на повторителях инвертор не построить.

В квантовых вычислениях из перечисленных булевых операций реализуются только НЕ и искл. ИЛИ (с некоторыми оговорками). Квантовых аналогов И, ИЛИ и т. д. не существует.

Схемы аппаратной логики

Результат операции ИЛИ-НЕ или ИЛИ ото всех битов двоичного регистра проверяет, равно ли значение регистра нулю; то же самое взятое от выхода искл. ИЛИ двух регистров проверяет равенство их значений между собой.

Битовые операции применяются в знакогенераторах и графических адаптерах; особенно велика была их роль в адаптере EGA в режимах с 16 цветами — хитроумное сочетание аппаратной логики адаптера с логическими командами центрального процессора позволяет рассматривать EGA как первый в истории графический ускоритель.

Использование в программировании

Благодаря реализации в арифметическом логическом устройстве (АЛУ) процессора многие их регистровые битовые операции аппаратно доступны в языках низкого уровня. В большинстве процессоров реализованы в качестве инструкции регистровый НЕ; регистровые двухаргументные И, ИЛИ, исключающее ИЛИ; проверка равенства нулю (см. выше); три типа битовых сдвигов, а также циклические битовые сдвиги.

Регистровая операция И используется для сброса конкретных битов по битовой маске, ИЛИ — для установки, исключающее ИЛИ — для инвертирования битов регистра по маске.

Так, например, в сетевых интернет-технологиях операция И между значением IP-адреса и значением маски подсети используется для определения принадлежности данного адреса к подсети.

Примечания

1. ↑ Карацуба Е. А. Быстрые алгоритмы и метод БВЕ — 2008
2. ↑ Ященко В. В. (ред.) Введение в криптографию — 2000
3. ↑ Создан логический вентиль для теплового компьютера // Lenta.ru. — В. 05.11.2007.

Ссылки

• http://digital.sibsutis.ru/digital/logic.htm Логические элементы

См. также

• Булева алгебра
• Булевы функции
• Алгебра логики
• Логический вентиль
• Логические элементы
• Секвенциальная логика