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GATE 2025 कंप्यूटर आर्किटेक्चर: नंबर सिस्टम और टूज़ कॉम्प्लीमेंट

नंबर सिस्टम और कोडिंग (GATE कंप्यूटर आर्किटेक्चर)

GATE और अन्य प्रतियोगी परीक्षाओं में कंप्यूटर आर्किटेक्चर की यह एक मजबूत नींव है। यहाँ संख्याओं को कंप्यूटर मेमोरी में कैसे स्टोर किया जाता है, इस पर विस्तार से चर्चा की गई है। इससे पहले, Digital Electronics: Lecture 1 - Number Systems & Base Conversions for GATE 2025 में बेसिक नंबर सिस्टम को समझना मददगार हो सकता है।

अनसाइंड vs साइन नंबर

  • अनसाइंड: केवल मैग्नीट्यूड (मान) स्टोर करता है, जैसे 5, 7, 23।
  • साइन: पॉजिटिव और नेगेटिव दोनों को स्टोर करता है (जैसे +5, -7), जिसके लिए अलग तरीकों की आवश्यकता होती है।

रिप्रेजेंटेशन के तरीके

1. साइन मैग्नीट्यूड

  • काम करने का तरीका: सबसे बाईं ओर का बिट (MSB) साइन के लिए (0 = पॉजिटिव, 1 = नेगेटिव) और बाकी बिट्स मैग्नीट्यूड के लिए।
  • रेंज: 4-बिट के लिए -7 से +7 (दो बार शून्य: +0 और -0)।
  • लिखना और पढ़ना: बहुत आसान।
    • उदाहरण: 10110 = -6 (पहला बिट 1 = नेगेटिव, 0110 = 6) – 5-बिट का उदाहरण।
    • लिखना: -17 लिखने के लिए 1 (नेगेटिव) + 17 (10001) = 1 10001।
  • नंबर एक्सटेंशन: साइन बिट को एक्सट्रीम लेफ्ट में कॉपी करें, बाकी बिट्स में शून्य भरें।
  • नुकसान: शून्य के दो रिप्रेजेंटेशन; अंकगणितीय संक्रियाएँ जटिल।

2. वन्स कॉम्प्लीमेंट

  • काम करने का तरीका: पॉजिटिव नंबर साइन मैग्नीट्यूड जैसे ही। नेगेटिव नंबर के लिए, पहले उसका पॉजिटिव काउंटरपार्ट लिखें, फिर सभी बिट्स को फ्लिप (0↔1) करें।
  • रेंज: 4-बिट के लिए -7 से +7 (दो शून्य)।
  • उदाहरण: -3 = ?
    • +3 = 0 011
    • फ्लिप करें: 1 100
  • पढ़ना: नेगेटिव को डायरेक्ट नहीं पढ़ा जा सकता; पहले फ्लिप करके पॉजिटिव बनाएं।
  • नंबर एक्सटेंशन: पॉजिटिव के लिए लेफ्ट में शून्य; नेगेटिव के लिए लेफ्ट में वन।

3. टूज़ कॉम्प्लीमेंट (सबसे महत्वपूर्ण)

  • काम करने का तरीका: वन्स कॉम्प्लीमेंट में 1 जोड़ें।
  • रेंज: 4-बिट के लिए -8 से +7 (शून्य का एक ही रिप्रेजेंटेशन)।
  • पढ़ना (डायरेक्ट तरीका):
    1. यदि पहला बिट 0 है → पॉजिटिव, सीधे पढ़ें।
    2. यदि पहला बिट 1 है → उस बिट का वेट नेगेटिव मानें, बाकी बिट्स पॉजिटिव।
    • उदाहरण: 1101 = -8 (पहला बिट) + 4 + 0 + 1 = -3
    • उदाहरण: 10110 = -16 + 4 + 2 = -10
  • नंबर एक्सटेंशन: पॉजिटिव के लिए लेफ्ट में शून्य; नेगेटिव के लिए लेफ्ट में वन।
  • सूत्र: n बिट्स के लिए रेंज = -2^(n-1) से +2^(n-1)-1 तक।

GATE प्रश्नों का समाधान

GATE 2022 (1 mark)

  • प्रश्न: 4-बिट r1 और r2 रजिस्टर, टूज़ कॉम्प्लीमेंट में संग्रहीत। कौन सा जोड़ overflow देगा?
  • समाधान:
    • रेंज: -8 से +7
    • विकल्प A: -5 + (-2) = -7 (range में)
    • विकल्प B: -4 + (-6) = -10 (overflow) ✅
    • विकल्प C: +3 + (+4) = +7 (range में)
    • विकल्प D: -7 + (-1) = -8 (range में)

GATE 2019 (2 marks)

  • प्रश्न: -28 को 16-बिट टूज़ कॉम्प्लीमेंट में रिप्रेजेंट करें।
  • समाधान:
    • -28 = -32 + 4 ⇒ बाइनरी में = 1 00100 (6-बिट)
    • 16-बिट में विस्तार: साइन बिट (1) को लेफ्ट में कॉपी करें, 10 बार → 1111 1111 1110 0100
    • सही विकल्प: C

GATE 2016 (1 mark)

  • प्रश्न: P = FADE (16-बिट हेक्स, टूज़ कॉम्प्लीमेंट) को 8 से गुणा करके परिणाम ज्ञात करें।
  • समाधान:
    • FADE को बाइनरी में: 1111 1010 1101 1110
    • 8 (2^3) से गुणा करना = 3 बिट लेफ्ट शिफ्ट
    • बाईं ओर से 3 बिट हटेंगे, दाईं ओर 0 भरेंगे: 1101 0110 1111 0000
    • हेक्स में: D6F0

GATE 2013 (1 mark)

  • प्रश्न: 8-बिट टूज़ कॉम्प्लीमेंट में सबसे छोटा पूर्णांक?
  • समाधान: n=8, smallest = -2^(8-1) = -128

GATE 2010 (2 marks)

  • प्रश्न: 16-बिट हेक्स नंबर FADE (टूज़ कॉम्प्लीमेंट) का दशमलव मान?
  • समाधान:
    • पहले 1 को छोड़ दें (शेष सभी वन एक्सटेंशन हैं) और जीरो के बाद के भाग पर ध्यान दें।
    • प्रभावी बिट्स: 1 0010 1 (5 बिट)
    • = -16 + 2 + 1 = -13

GATE 2016 (1 mark, overflow)

  • प्रश्न: -3 + 4 (4-बिट टूज़ कॉम्प्लीमेंट) का परिणाम?
  • समाधान:
    • -3 + 4 = +1, जो रेंज -8 से +7 में है → कोई overflow नहीं।
    • परिणाम: 0001

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