ระบบ

หน่วยที่ 1 ระบบจำนวน (Number System)

ตอนที่ 1 คณิตศาสตร์พื้นฐานสำหรับคอมพิวเตอร์

คณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของคอมพิวเตอร์ ทั้งฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ การออกแบบวงจรการทำงานของคอมพิวเตอร์อาศัยระบบเลขฐานสองเพราะคอมพิวเตอร์ใช้วงจรไฟฟ้าที่มีสถานะเพียง 2 อย่างเท่านั้นก็คือวงจรเปิดและวงจรปิด การออกแบบวงจรที่สั้นที่สุดอาศัยพีชคณิตที่เรียกว่าพีชคณิตบูลีนเพราะตัวแปรของพีชคณิตที่ใช้ในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์คือตัวแปรที่มีแค่ 2 สถานะ แทนวงจรเปิดและปิดเท่านั้น การค้นคืนระบบฐานข้อมูลจำเป็นต้องมีความรู้เรื่องทฤษฎีกราฟ ที่จะอธิบายเส้นทางเครือข่าย และ/หรือ ระดับชั้นในการจัดเก็บและค้นคืนข้อมูล การทำงานในลักษณะซ้ำซ้อนกันของการคำนวณต้องมีความรู้เรื่องฟังก์ชันเวียนเกิด และการเขียน        อัลกอริทึ่มของซอฟต์แวร์ให้คอมพิวเตอร์ทำงานน้อยที่สุด

ตอนที่ 2 ระบบจำนวน

การแทนข้อมูลไม่ว่าจะเป็นอักขระ หรือ จำนวนเต็มและจำนวนจริง ในคอมพิวเตอร์ จะต้องเปลี่ยนเป็น ระบบเลขฐานสอง ทำให้จะต้องพิจารณาวิธีการที่เหมาะสมที่สุดในการแทนระบบจำนวนในคอมพิวเตอร์ เป็นที่ทราบกันว่าคอมพิวเตอร์มีความสามารถเพียงแต่บวกจำนวนเลขในระบบฐานสองได้เท่านั้น จึงต้องสร้างระบบการแทนข้อมูลที่ สามารถแทนได้ทั้งจำนวนบวกและจำนวนลบเพื่อว่าเอาจำนวนบวกกับจำนวนลบบวกกันจะได้มีความหมายเท่ากับลบกัน ดังนั้นคอมพิวเตอร์ที่บวกกันได้ก็สามารถลบกันได้ การบวกหลายๆครั้งก็เป็นการคูณ การลบหลายๆครั้งก็เป็นการหาร ทำให้ขยายการทำงานออกไปได้กว้างขวาง แต่ต้องไม่ลืมว่าจำนวนใดก็ตามที่แปลงเป็นเลขฐานสองแล้วไม่ลงตัวจะทำให้เกิดความผิดพลาดในการคำนวณขึ้นเสมอ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ระบบจำนวน

จำนวนจริง (Real Number)

จำนวนอตรรกยะ (Irrational Number) เช่น , ,

จำนวนตรรกยะ (Rational Number)

เช่น  , ,

จำนวนเต็ม (Integer Number)

จำนวนเศษส่วน (Fraction Number)

จำนวนเต็มลบ (Negative Integer Number)

ศูนย์ (Zero)

จำนวนเต็มบวก (Positive Integer Number)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ตอนที่ 3 ระบบเลขฐานที่เกี่ยวข้องกับคอมพิวเตอร์

คอมพิวเตอร์เข้าใจเฉพาะเลขฐานสองเท่านั้น แต่การเขียนด้วยเลขฐานสอง คือมีรหัส 0 กับ 1 เท่านั้นเป็นจำนวนมากๆทำให้คนเข้าใจยาก เราจึงใช้เลขฐานสองกลุ่มละ 4 หลัก แทน ทำให้เข้าใจและจำได้ง่ายขึ้น นั่นก็คือที่มาของเลขฐานสิบหก เพราะรหัสฐานสอง 4 หลักแทนด้วยเลขฐานสิบหก 1 หลัก

 

3.1 ระบบเลขฐาน

เลขฐาน หมายถึงกลุ่มข้อมูลที่มีจำนวนหลัก (Digit) ตามชื่อของฐาน

นั้นๆเช่น เลขฐานสอง ฐานแปด และฐานสิบ ประกอบด้วยข้อมูลตัวเลขจำนวนสองหลัก (0-1) แปดหลัก (0-7) และสิบหลัก (0-9) ตามลำดับ ดังรูปในตารางที่ 1

            ในระบบคอมพิวเตอร์มีการใช้ระบบเลขฐาน 4 แบบ ประกอบด้วย

            1).เลขฐานสอง (Binary Number)

            2).เลขฐานแปด (Octal Number)

            3).เลขฐานสิบ (Decimal Number)

            4).เลขฐานสิบหก (Hexadecimal Number)

 

 

 

 

ตารางที่ 1 แสดงจำนวนตัวเลข ของเลขฐานต่างๆ

ชื่อฐานเลข

จำนวนตัวเลขในแต่ละหลัก

ฐานสอง

0

1

 

ฐานแปด

0

1

2

...

7

 

ฐานสิบ

0

1

2

...

7

8

9

 

ฐานสิบหก

0

1

2

...

7

8

9

A

B

C

D

E

F

            การเขียนตัวเลขในรูปเลขฐานต่างๆโดยทั่วไปนิยมเขียนตัวเลขระบุฐานกำกับไว้ด้วยเสมอ (ยกเว้นเลขฐานสิบ) เช่น             (1011) 2 หมายถึงเลขฐานสอง

                                    (452) 8  หมายถึงเลขฐานแปด

                                    (1000) 10หมายถึงเลขฐานสิบ แต่ทั่วไปไม่เขียนตัวเลขระบุฐานกำกับ

                                    (3C) 16  หมายถึงเลขฐานสิบหก

1).เลขฐานสอง

คือตัวเลขที่มีค่าไม่ซ้ำกันสองหลัก ( 0 และ 1) เป็นเลขฐานเดียวที่เข้ากันได้กับ Hardware ของเครื่องคอมพิวเตอร์ได้โดยตรง เพราะการใช้เลขฐานอื่น จะสร้างความยุ่งยากให้กับเครื่องคอมพิวเตอร์อย่างมาก เช่น เลขฐานสิบมีตัวเลขที่เป็นสถานะที่ต่างกันถึง 10 ตัว ในขณะที่ระบบไฟฟ้ามีเพียง 2 สถานะ ซึ่งในช่วงเวลาหนึ่งๆมีเพียงสถานะเดียวเท่านั้น แต่ละหลักของเลขฐานสอง เรียกว่า Binary Digit (BIT)

2).เลขฐานแปด

เลขฐานแปด มีความสัมพันธ์กับเลขฐานสอง คือ เลขฐานสองจำนวน 3 หลัก แทนด้วยเลข

ฐานแปด 1 หลัก ดังนั้นเราจึงสามารถเขียนเลขฐานสอง 6 บิท แทนด้วยเลขฐานแปด 2 บิท การใช้เลขฐานแปดแทนเลขฐานสองทำให้จำนวนบิทสั้นลง

3).เลขฐานสิบ (Decimal Number)

            คือตัวเลขที่มีค่าไม่ซ้ำกันสิบหลัก (0,1,2,...,9) เป็นเลขฐานที่มนุษย์คุ้นเคยและใช้ในชีวิตประจำวันมากที่สุด ตัวเลขที่มีจำนวนมากกว่า 9 ให้ใช้ 10 ซึ่งเป็นการกลับไปใช้เลข 1 และ 0 อีก เพียงแต่ค่าของ 1 เปลี่ยนไปเป็น 10 เท่าของตัวมันเอง เช่น 333 (สามร้อยสามสิบสาม) แม้จะใช้ตัวเลข 3 ทั้งหมด แต่ตำแหน่งของตัวเลขย่อมมีความหมายตามตำแหน่งของแต่ละหลักนั้น กล่าวคือ หลักหน่วยน้อยกว่าหลักสิบ 10 เท่า หลักสิบน้อยกว่าหลักร้อย 10 เท่า ตามลำดับ

 

 

 

4).เลขฐานสิบหก (Hexadecimal Number)

เลขฐานสิบหก มีความสัมพันธ์กับเลขฐานสอง คือ เลขฐานสองจำนวน 4 หลัก แทนด้วย

เลขฐานสิบหก 1 หลัก ดังนั้นเราจึงสามารถเขียนเลขฐานสอง 8 บิทแทนด้วยเลขฐานสิบหก 2 บิท การใช้เลขฐานสิบหกแทนเลขฐานสองทำให้จำนวนบิทสั้นลง

 

3.2 การเปลี่ยนฐานเลข (Base Number Conversion)

            เนื่องจากตัวเลขในแต่ละฐานมี ค่าคงที่เฉพาะ ในแต่ละหลักของตัวเอง เช่นตัวเลข 100 มีค่าเท่ากับหนึ่งร้อยในระบบเลขฐานสิบ แต่ตัวเลข 100 ในระบบเลขฐานสอง (อ่านว่า หนึ่ง-ศูนย์-หนึ่ง) ซึ่งมีค่าเท่ากับ 4 เป็นต้น ดังนั้น จึงไม่สามารถนำค่าของเลขฐานใดๆไปคำนวณเปรียบเทียบกับเลขฐานอื่นได้โดยตรง

            เมื่อต้องการคำนวณหรือเปรียบเทียบตัวเลข (ประมวลผล) จำเป็นต้องเปลี่ยนฐานเลขเหล่านั้นให้เป็นฐานเดียวกันก่อน การเปลี่ยนฐานเลขสามารถกระทำได้หลายวิธี ในหน่วยเรียนนี้จะใช้วิธีที่สะดวกที่สุดวิธีหนึ่ง ดังนี้

            ก่อนเปลี่ยนฐานเลขใดๆจำเป็นต้องทราบค่าคงที่เฉพาะในแต่ละหลักของเลขฐานสองดังนี้

ตาราง แสดงค่าคงที่เฉพาะในแต่ละหลักของเลขฐานสอง

...

128

64

32

16

8

4

2

1

จากตาราง พบว่าค่าคงที่เฉพาะ จะมีค่าเป็น 2 เท่า จากขวาไปซ้าย

 

3.2.1 การเปลี่ยนเลขฐานสอง เป็นเลขฐานสิบ

            ให้นำค่าคงที่เฉพาะที่ตรงกับเลข 1 ของฐานสองมารวมกัน เช่นจำนวน (11010)2 ประกอบด้วยเลข "1" จำนวน 3 ตัว เมื่อนำค่าคงที่เฉพาะที่ตรงกับเลข 1 มารวมกัน ทำให้ได้จำนวนในฐานสิบเป็น 16+8+2 = 26 ดังนี้

ค่าคงที่เฉพาะ

....

128

64

32

16

8

4

2

1

 

 

 

 

1

1

0

1

0

เลขฐานสอง

                                                                        (16+8+2)10 = (26)10 

 

 

ตัวอย่างที่ 1 (10011)2  = (?)10

 

...

128

64

32

16

8

4

2

1

 

 

 

 

1

0

0

1

1

                                (10011) 2  = (16+2+1) 10 = (19) 10

 

ตัวอย่างที่ 2 (1111) 2  = (?)10

 

...

128

64

32

16

8

4

2

1

 

 

 

 

 

1

1

1

1

                        (1111) 2  = (8+4+2+1) 10 = (15) 10

 

ตัวอย่างที่ 3 (1000001)2 = (?)10

 

...

128

64

32

16

8

4

2

1

 

 

1

0

0

0

0

0

1

                        (1000001) 2  = (64+1) 10 = (65) 10

            นอกจากนี้การเปลี่ยนเลขฐานสองให้เป็นเลขฐานสิบยังสามารถทำได้โดย นำตัวเลขในแต่ละตำแหน่งคูณด้วยค่าประจำตำแหน่งแล้วนำมารวมกัน

            ค่าประจำตำแหน่งของเลขฐานสองเริ่มตั้งแต่ 20,21,22,...

ตัวอย่างเช่น

            (1011)2            = (1x23)+(0x22)+(1x21)+(1x20)

                        = (1x8)+(0x4)+(1x2)+(1x1)

                        = 8+0+2+1

                        = 11

 

 

 

 

 

 

 

3.2.2 การเปลี่ยนเลขฐานสิบ เป็นเลขฐานสอง

            ให้พิจารณานำค่าคงที่เฉพาะหลักใดๆมารวมกัน เพื่อให้ได้ค่าเท่ากับเลขฐานสิบที่กำหนด จากนั้นเติมเลข "1" ณ ตำแหน่งที่นำตัวเลขมารวมนั้น เช่น (26) 10จะต้องใช้ค่าคงที่เฉพาะรวมกัน 3 หลัก (16+8+2) ดังนั้นจึงเติม "1" ณ ตำแหน่ง 16,8 และ 2 ตามลำดับ ส่วนตำแหน่งที่เหลือให้เติม "0"    

ค่าคงที่เฉพาะ

....

128

64

32

16

8

4

2

1

 

 

 

 

1

1

0

1

0

เลขฐานสอง

                        ทำให้ได้เลขฐานสองเป็น (11010) 2

 

ตัวอย่างที่ 4 (5)10= (?)2

 

...

128

64

32

16

8

4

2

1

 

 

 

 

 

 

1

0

1

                                (5) 10 = (4+1) 10 = (101) 2  

 

ตัวอย่างที่ 5  (40)10= (?) 2

 

...

128

64

32

16

8

4

2

1

 

 

 

1

0

1

0

0

0

                        (40) 10 = (32+8) 10 = (101000) 2

 

ตัวอย่างที่ 6  (197)10= (?)2

 

...

128

64

32

16

8

4

2

1

 

1

1

0

0

0

1

0

1

                        (197) 10 = (128+64+4+1) 10= (11000101) 2

 

 

นอกจากนี้ยังสามารถเปลี่ยนค่าจากเลขฐานสิบให้เป็นฐานสอง โดยการหารเลขฐานสิบด้วยสองไปเรื่อยๆจะได้เศษจากการหาร คือ เลขฐานสอง ที่ต้องการ ตำแหน่งของเศษที่เกิดจากการหารก็คือกำลังของเลขฐานสอง นั่นคือเศษที่ได้จากการหารครั้งแรกจะคูณด้วย 20 เศษที่ได้จากการหารด้วย 2 ครั้งที่ 2 จะคูณด้วย 2 1เป็นต้น

ตัวอย่างเช่น

            2          527

2          263      เศษ 1  

2          131      เศษ 1

2          65        เศษ 1

2          32        เศษ 1

2          16        เศษ 0

2          8          เศษ 0

2          4          เศษ 0

  • 2 2 เศษ 0
  • 1 เศษ 0

ดังนั้น 527 = 10000011112

 

3.2.3 การเปลี่ยนระหว่างเลขฐานอื่น (ระหว่างฐานสอง ฐานแปด ฐานสิบ และฐานสิบหก)

            ในที่นี้จะได้อธิบายถึงการเปลี่ยนฐานเลข ระหว่างเลขฐานสอง ฐานแปด ฐานสิบ และฐานสิบหก ซึ่งใช้ในระบบคอมพิวเตอร์ทั่วไป โดยมีหลักการเบื้องต้น 3 ประการ ดังนี้

  • (a) เปลี่ยนเลขฐานจากโจทย์ ไปสู่เลขฐานสองก่อน (ใช้เลขฐานสองเป็นตัวเชื่อมไปสู่เลข ฐานอื่น)
  • (b) เลขฐานแปด 1 หลัก ประกอบด้วยเลขฐานสอง 3 หลัก คือ (111) 2

1              1              1

                                              (เนื่องจากเลขฐานแปด ต้องมีค่าไม่เกิน 7)

(c) เลขฐานสิบหก 1 หลัก ประกอบด้วยเลขฐานสอง 4 หลัก คือ (1111) 2

1              1              1              1

                                              (     (เนื่องจากเลขฐานสิบหก ต้องมีค่าไม่เกิน 15)

 

 

 

 

 

ตัวอย่างที่ 7    (75) 8  = (?)10

  • ใช้หลักการ (a) เปลี่ยนเลขฐานแปด เป็นเลขฐานสอง ดังนี้

(?)2

(75) 8

(?)10

 

 

 

 

  • แยก (75) 8 ออกเป็น 2 กลุ่มๆละ 3 หลัก ตามหลักการข้อ (b) โดยแยก 7 และ 5 ออกจากกัน ดังนี้

 

เลขฐานสอง

1     0     1

1     1     1

( 7   5 ) 8

                                                           

ค่าคงที่เฉพาะ

                         4     2    1                         4    2    1

ทำให้ได้จำนวนเลขในรูปของเลขฐานสองเท่ากับ (111101)2

  • เปลี่ยนเลขฐานสองที่ได้ เป็นเลขฐานสิบดังนี้ (111101)2 = (?)10

...

128

64

32

16

8

4

2

1

 

 

 

1

1

1

1

0

1

                        (111101) 2  = (32+16+8+4+1) 10 = (61) 10

                                                 \    (75)8 = (61) 10

 

ตัวอย่างที่ 8    (4C)16  = (?)10

  • แยก (4C) 16 ออกเป็น 2 กลุ่มๆละ 4 หลัก ตามหลักการข้อ (c) ดังนี้

     1     0     0

1     1    0     0   

( 4   C ) 16

                                                           

                    8   4     2    1                            8    4    2    1        (C=8+4=12)

ทำให้ได้จำนวนเลขในรูปของเลขฐานสองเท่ากับ (1001100)2

  • เปลี่ยนเลขฐานสองที่ได้ เป็นเลขฐานสิบดังนี้ (1001100)2 = (?)10

...

128

64

32

16

8

4

2

1

 

 

1

0

0

1

1

0

0

                        (1001100) 2  = (64+8+4) 10 = (76) 10

                                                 \    (4C)16 = (76) 10

 

 

3.2.4 การแปลงเลขเศษส่วนในระบบเลขฐานสิบเป็นฐานสอง

            การแปลงจำนวนเต็มใช้หลักการหารด้วย 2 (หรือการหาผลบวกของค่าประจำหลักก็ได้) สำหรับการแปลงเศษส่วนใช้วิธีการคูณด้วย 2 (คูณในระบบฐานสิบ) เพื่อหาค่าที่เป็นจำนวนเต็มหรือตัวทด (ตรงกันข้ามกับการแปลงจำนวนเต็มซึ่งใช้การหารและหาเศษที่เหลือ) ค่าตัวทดที่เกิดขึ้นในการคูณแต่ละครั้งให้เก็บไว้เป็นผลลัพธ์ นำส่วนที่เป็นเศษส่วนมาทำการคูณด้วยสองต่อไป จนได้ตัวเลขครบตามจำนวนที่ต้องการ  ผู้ศึกษาจงสังเกตด้วยว่าการแปลงเลขเศษส่วนไปสู่ระบบฐานสองบางจำนวนไม่อาจแทนได้อย่างถูกต้อง ปรากฎการณ์นี้เป็นที่มาแห่งความผิดพลาดและคลาดเคลื่อนในการคำนวณเลขในระบบเครื่องคอมพิวเตอร์

 

ตัวอย่างที่ 9 จงแปลงจำนวน 159.356 ให้เป็นจำนวนในระบบเลขฐานสองกำหนดผลลัพธ์ไม่เกิน 8 หลัก

  • จำนวนที่กำหนดให้มีสองส่วนคือ ส่วนที่เป็นจำนวนเต็มได้แก่ 159 แปลงเป็นจำนวนในระบบฐานสองได้ 159 = (10100001)2
  • เศษส่วนคือ .356 ทำการแปลงไปสู่ระบบเลขฐานสองด้วยการคูณด้วย 2 เก็บผลลัพธ์จากตัวแรกไปยังตัวสุดท้าย ดังนี้

0.356x2 = 0.712                      .712     ทดไว้ 0

                        0.712x2 = 1.424                      .424     ทดไว้ 1

                        0.424x2 = 0.848                      .848     ทดไว้ 0

                        0.848x2 = 1.696                      .696     ทดไว้ 1

                        0.696x2 = 1.392                      .392     ทดไว้ 1

                        0.392x2 = 0.784                      .784     ทดไว้ 0

                        0.784x2 = 1.568                      .568     ทดไว้ 1

                        ........        .......   หยุด .......    .........

                                    .356 = (0.0101101) 2  

            ผลลัพธ์คือ ตัวทดที่ได้จากการคูณตามลำดับตั้งแต่ครั้งที่ 1 ไปจนถึงครั้งสุดท้าย (ตามลูกศร) โดยให้เขียนจุดแสดงเศษข้างหน้า

                        159.356  » (10100001.01011) 2

ตัวอย่างนี้ แสดงเศษส่วนไว้เพียง 5 ตำแหน่ง ให้สังเกตว่าค่า ( .01011) 2   ไม่เรียกว่าเป็น

ค่าหลังจุดทศนิยม เพราะว่าจุดทศนิยมใช้สำหรับจำนวนในระบบเลขฐานสิบเท่านั้น เศษในระบบฐานสองข้างต้นนี้มีค่าไม่เท่ากับ .356 แต่เป็นเพียงค่าประมาณ(ที่น้อยกว่า)เท่านั้น

            การแปลงจำนวนจากฐานหนึ่งไปยังอีกฐานหนึ่งเป็นต้นเหตุสำคัญของการเกิดค่าคลาดเคลื่อน (error) ในการคำนวณต่างๆซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องระมัดระวังมาก

 

3.2.5 การแปลงเศษส่วนในระบบฐานสองเป็นฐานสิบ

            วิธีที่ง่ายที่สุดได้แก่ การหาผลบวกของค่าประจำหลักของตัวเลขแต่ละหลักเข้าด้วยกัน แผนผังค่าประจำหลักของจำนวนในระบบฐานสองเมื่อเทียบกับระบบฐานสิบ เป็นดังนี้

 

 

 

2-1

2-2

2-3

2-4

2-5

....

        จำนวนเต็ม             ทวินิยม (Binary point)

 

 

.5

.25

.125

.0625

.03125

....

 

ตัวอย่างที่ 10 จงแปลงจำนวน (0.01011) 2 ให้เป็นจำนวนในระบบฐานสิบ

 

0

1

0

1

1

หลัก

0.5

0.25

0.125

0.0625

0.03125

ค่าประจำหลัก

\ 0.01011 มีค่าเท่ากับ 0x0.5 +1x0.25 +0x0.125 +1x0.0625 +1x0.03125      

=          0.34375          

 

3.2.6 การแปลงเศษส่วนในระบบฐานสิบเป็นฐานแปดและฐานสิบหก

            ให้คูณเศษส่วนด้วยค่าของฐาน เก็บจำนวนเต็มหรือตัวทดที่เกิดขึ้นไว้เป็นผลลัพธ์ นำส่วนที่เหลือด้วยค่าของฐานต่อไป

ตัวอย่างที่ 11 แปลงจำนวน  0.356 ให้เป็นจำนวนในระบบฐานแปดและฐานสิบหก

  • ก.แปลง 0.356 ให้เป็นจำนวนในระบบฐานแปด ให้คูณด้วย 8 เก็บตัวทด

0.356x8 = 2.848                      .848     ทด 2

0.848x8 = 6.784                      .784     ทด 6

0.784x8 = 6.272                      .272     ทด 6

0.272x8 = 2.176                      .176     ทด 2

0.176x8 = 1.408                      .408     ทด 1

0.408x8 = 3.264                      .264     ทด 3

......     หยุดทำ (ได้ค่าประมาณ)  .......

            0.356  »  (0.266213)8

ข.แปลง 0.356 เป็นจำนวนในระบบฐานสิบหก ให้คูณด้วย 16 เก็บตัวทด

0.356x16 = 5.696        ทด 5

0.696x16 = 11.136      ทด 11 คือ B

0.136x16 = 2.176        ทด 2

0.176x16 = 2.816        ทด 2

0.816x16 = 13.056      ทด 13 คือ D

0.056x16 = 0.896        ทด 0

0.896x16 = 14.336      ทด 14 คือ E

            .......    หยุด      ......

0.356 »(0.5B22D0E)16

การแปลงเลขเศษส่วนร