JPS63211428A - 計算の結果における正確な有効数字の数を検出しつつ演算が行われるデジタル計算装置の制御方法 - Google Patents

計算の結果における正確な有効数字の数を検出しつつ演算が行われるデジタル計算装置の制御方法

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JPS63211428A
JPS63211428A JP63029027A JP2902788A JPS63211428A JP S63211428 A JPS63211428 A JP S63211428A JP 63029027 A JP63029027 A JP 63029027A JP 2902788 A JP2902788 A JP 2902788A JP S63211428 A JPS63211428 A JP S63211428A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、計算結果における正確な有効数字の数を決定
する方法に関する。
以下余白 〔従来技術、および発明が解決しようとする課題〕計算
装置における数の表示は有効数字からなる有限数で行な
われるが、これは必然的に精度の損失を来たす。デジタ
ル計算機は切捨てまたは丸めることによって演算を行な
う。切捨ての場合、使用する数の値は常に、不足を伴な
う値である。丸める場合、使用値は下位または上位から
概算された値である。いずれの場合であれ、結果は無効
となる。
アルゴリズムの結果における誤りを査定するには、各基
本算術演算毎に誤差の上限または平均値を推定すること
が考えられる。しかし、誤差の上限が毎回、アルゴリズ
ムの基本演算に用いられると、最終結果における誤差の
推定値はその真の値よりはるかに大きくなる。更に、誤
差の平均推定値を考慮に入れることができるのは、誤差
が基本演算毎に独立している時だけであるが、これはア
ルゴリズムにおいてはあり得ない。
従って、本発明の主な目的は、仮数部と指数による浮動
小数点表示を用いた数で行なわれる1っあるいはそれ以
上の基本演算を含む手続きに従って行なわれる計算の結
果において正確な有効数字からなる数を決定できる方法
を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成する本発明の方法は、各個のデジタル・
データに、そのデータの真の値がそのデータに用いられ
ている表示において切捨てを施されているか否かに応じ
て真または誤りである切捨て情報項目を組合わせ、 上記手続きを何回も実行する一方で、その手続きのうち
、他とは無関係な少なくとも1つの手続きの展開に外乱
を与え、切捨て情報項目を各基本演算結果と組合わせか
つ上記外乱として、各基本演算の間に、関連切捨て情報
項目が正である多数の仮数部に最下位ビットを必要に応
じてかつアトランダムに加え、そして 手続きの様々な実行により得られた結果の平均値および
標準偏差を算出してそれらの結果の1つにおける正確な
有効数字からなる数を求めることを特徴としている。
いずれの算術値も2つの機械表示をもつ。1つは上位か
ら概算したもので、他は下位から概算したものである。
2つまたはそれ以上のオペランドを利用するいずれの算
術演算においても、下位あるいは上位から概算されたオ
ペランドの値をどのようにランダム組合わせしても、い
ずれもが正確な数学的結果をやはり正当に表示する結果
が得られる。
本発明の方法によれば、IMiの結果が得られ、その結
果から平均値と分散を算定してそれらの結果のいずれか
1つにおける誤りを推定することができる。
相異なる計算装置ユニットにおいて1組の結果を平行的
に得ることが可能である。また、同一演算装置において
独立の順次的計算の幾つかの実行を観察することができ
る。
一般には3つの結果が得られれば十分である。
それらの結果は手続きの展開に毎回外乱を与えることに
より得ることができる。これとは別に、1つの結果は上
位から丸められた値で系統的に計算して得ることもでき
、別の結果は下位から丸められた値で計算して、また第
3の結果はランダム外乱により少なくとも、それぞれ得
てもよい。
余りにも無効にされた値が結果するであろう過度の外乱
を避けるために、数と組合わさった切捨て情報項目はそ
の数が外乱を与えられた後、その外乱を表わすのにその
数の仮数部に最下位ビットを加えるべきか否かに応じて
誤り状態へ戻される。
切捨て情報項目は結果が切捨てを施された数である各演
算の後内容更新される。
例えば加算の場合、オペランドの1つが切捨てを施され
ると、そのオペランドは演算装置において外乱を与えら
れまた関連の切捨て情報項目は演算装置において誤り状
態に戻される。更に、オペランドと組合わさった切捨て
情報項目は、そのオペランドの正規化解除中に、右へ桁
送りされかつ失なわれたビットの少なくとも1つがゼロ
でなければ、演算装置において真の状態に戻される0次
に、正規化解除された数の1つど組合わさった切捨て情
報項目が演算装置において真であれば真の切捨て情報項
目が結果あるいは後者と組合わされる。
乗算、あるいは除算、の場合、結果は2語長レジスタに
記憶され、真の切捨て情報項目は、拡張レジスタの、正
規化時に右側に閉止されたビットのうち少なくとも1つ
のビットがゼロでなければ、正規化された結果と組合わ
される。
より一般的には、切捨て情報項目は、ゼロでない情報項
目がフォーマット縮小時に失なわれると真の状態に変化
させられる。
〔実施例〕
本発明の方法のその他の特徴や利点は添付図面にもとづ
いて行なう以下の説明から明らかとなろう。
数を浮動小数点表示すると、それら数は仮数部と指数か
らなる。仮数部はη桁、ここにηはデジタル計算機にお
いて用いられるフォーマットに相当する数である、を含
む。
上記数ηがある数を精確に表示するには不十分である場
合、後者の数は切捨てを施されて、デジタル計算機にお
いて用いられる表示にされる。切捨てを施された数で演
算を行なうと不正確な結果、また場合によっては異常な
結果となる。
本発明によれば、同一の手続きが何回も行なわれる一方
で、その手続きの展開が同手続きの計算のいずれに対し
ても毎回かつ個々に外乱を与えられる。この外乱は各個
の切捨てデータ毎に、仮数部の最下位ビットに0あるい
は1をアトランダムに加えることにより、不足分を伴な
うそのデータは値あるいは過剰分を伴なう値を採ること
である。
このために、数の小数点表示において補足的な2進素子
の状態の、ある項目の切捨て情報が各個のデジタル・デ
ータと組合わされる。この新しい数表示が本発明の方法
における特徴の1つである。
これは次の通りである。
ここに、SMは、仮数部の符号を、 Mは、仮数部を、 SEは、指数の符号を、 Eは、指数を、 Tは、切捨てビットを それぞれあられす。
この表示モードは1の補数であるモードおよび2の補数
であるモードの両方で適用される。後者の場合、切捨て
ビットは仮数部の2の補数としての表示である対(SM
、M)と、指数の2の補数、としての表示である対(S
E、E)とに組合わされる。
指数とその関連符号は偏った指数の従来技法により交換
してもよい。
以下においては、数の切捨てが行なわれない時切捨てビ
ットが0、数の切捨てが行なわれる時切捨てビットが1
であると仮定する。これと逆の仮定を用いることもでき
る。
本発明の方法は第1図、第2図に示す計算装置に関連さ
せて実行することができる。
記憶装置MOは実行すべき手続きを含んでおり、その手
続きは行なうべき一連の代数演算からなっている。
上記記憶装置はデータ・バスをなしている結線しDlに
より演算装置PL、P2.・・・、Pηと相互接続され
ている。各演算装置は、それ自体公知されておりかつ簡
単な算術演算を行なう演算器からなる。各演算装置PL
、P2.・・・、Pηには2個ずつのデータ・レジスタ
R^1−RBI 、 R^2−RB2゜・・・、 RA
n−RBnおよび1個ずつの結果レジスタRRI。
RR2、・・・、 RRnが組合わさっている。各結果
レジスタは各演算装置と組合わさった専用記憶装置Ml
M2.・・・2Mηと接続されている。専用記憶装置か
らの出力はデータ・バスLD2により相互接続されてい
る。
各演算装置PL、P2.・・・、Pηは基本制御部材あ
るいは基本シーケンサSL、S2.・・・、Sηを含ん
でおり、これは演算装置と一体化されている。シーケン
サは第1図、第2図においては演算装置外部に示されて
いるが、これは図示の簡明を期してのことである。
本発明の方法においては、補足的2進素子TAI。
TBI 、 T^2 、 Ta2 、 ・−、TAn 
、 TBnは各データ・レジスタR^1 、 RBI 
、 R^2 、 RB2、−、 RAn 、 RBnと
結ばれている。例えばフリップフロップで形成してよい
この補足的2進素子には、対応のデータ・レジスタに導
入される数と組合わさった切捨てと・ントTが置かれる
各結果レジスタ(例えば、演算器P1のレジスタRR1
、第2図参照)はそれ自体公知の如く、2語長レジスタ
であって、すなわち、正規フォーマットの第1部分RR
OIと同じフォーマットの拡張レジスタRREIとを含
んでいる。
本発明の方法においては、切捨て情報を生じさせる回路
CTIが結果レジスタRRIと組合わされる。
上記回路CTIは拡張レジスタRREIから様々なビッ
トを入力で受けるOR回路0REIと、片方の入力が拡
張レジスタRREIからの直列出力と接続されているR
8形フリップフロップB1とを含んでいる。そのフリッ
プフロップB1の第2人力はゼロ・リセット制御器RA
Zに接続されている0回路0RE1オよびNOR’ 1
からの出力はOR回路ORIと接続され、この08回路
の出力は回路CTIからの出力を形成している。このよ
うにして、後者、すなわち回路CTIは、ある情報項目
の損失が、拡張レジスタの右折送り時あるいは拡張レジ
スタ内のその情報項目が考慮されない場合に、検出され
得るようにする。
回路CTIからの出力情報は結果レジスタの第1部分R
ROIの内容と結合されて、演算装置P1の実行した演
算の結果と組合わさった切捨てビットを形成する。この
切捨てビットは、後述の如く、直ちに結果の外乱を制御
するのに用いてもよい。
この結果はその関連切捨てビットと共にデータ・バスL
D2上で得られ、かつ専用記憶装置M1に格納してもよ
い、この同じ結果はまたデータ線路LDPIを通じてレ
ジスタRAIあるいはRBIのいずれかに戻し、この結
果と組合わさった切捨て情報項目はTAIまたはTBI
に置いてよい。専用記憶装置M1からの出力も線路LD
PIと接続される。
制御装置PCがデータ・バスLDI 、 LD2と相互
接続されかつ、制御バスを形成する結線LCにより共用
記憶装置MOおよびシーケンサSL、S2゜・・・、S
ηと接続されている。アドレス・バスを形成している結
線し^1.L^2は制御装置PCを共用記憶装置MOお
よび専用記憶装置Ml 、M2 、・・・。
Mηに接続している。
各演算装置PL、P2.・・・、Pηにはそれぞれ外乱
回路C1,C2,・・・、Cηが組合わさっている。こ
の各回路C1,C2,・・・、Cnはランダム信号発生
器H1,H2,・・・、Hηを含んでおり、この発生器
は例えば、それ自体公知の如く、ノイズ増幅器からなっ
ている。演算装置と組合わさった数個のランダム信号発
生器は互いに他とは無関係に動作する。
上記各外乱回路CI、C2,・・・、Cηは更に、ラン
ダム信号発生器H1,H2,・・・、Hηの間に挿置さ
れた論理回路と、外乱回路からの出力回路を形成するマ
ルチプレクサC3Iとを含んでいる。
上記各論理回路(例えば、演算装置P1と組合わさった
外乱回路C1のCLI、第2図参照)は3つの2人力A
NDゲートE^1 、 EBI 、 EAIllを含ん
でいる。これらのゲートの1つの入力はランダム信号発
生器H1から出力信号を受ける。またこれらゲートE^
1 、 EBI 、 EABIのその他の入力はそれぞ
れ、TAIに含まれる2進情報、TBIに含まれる2進
情報、およびOR回路0^B1からの出力を受ける。こ
のOR回路の入力はTAI 、 Tl31に含まれる2
進情報を受ける。
従って、ランダム信号発生器Hからの出力信号は下記条
件の1つが満たされるとマルチプレクサ回路の多大力C
3Iに与えられる。
(1)’ RA 1に記録されている数と組合わさって
いる切捨て情報が真である。
(2)RBIに記録されている数と組合わさっている切
捨て情報項目が真である。
(3)RAIおよびRBIに記録されている数のうち少
なくともいずれか1つと組合わさっている切捨て情報項
目が真である。
回路C8Iは上記条件(1)の時EAIの選択位置に、
また(2)の時EBIの選択位置、更に(3)の時EA
131の選択位置にある。
例えば制御シーケンサのレベルには、このシーケンサに
外乱が与えられた時に数と組合わさった切捨てビットを
ゼロにする手段が設けられている。
後述のように、制御装置PCは各演算装置から出される
最終結果で行なう平均値や標準偏差の計算に用いられる
マイクロプログラムを含んでよい。
手続きの展開、外乱、切捨てビットの最新化、最終結果
の正確な有効数字からなる数の決定について以下に詳し
く述べる。
演算装置の制御は2つのレベルで行なわれる。
第ルベルでは、演算装置のいずれにも共通な制御装置P
Cは共用記憶装[MOに含まれる手続きを解釈する。制
御装置PCは同じデータを同時に全演算装置に与え、計
算を指令する。制御装置は全ての演算装置からそれらが
前のタスクを終了したという確認を受取ると別のタスク
を命令する。
第2レベルでは、基本制御シーケンサSL。
S2.・・・、Sηが各演算装置PI、P2.・・・。
Pηと組合わさって、切捨てフリップフロップTΔ1 
、 TBI 、 T^2 、 TB2、−、 Tへn 
、 TBnの正規化解除、外乱、正規化および管理等の
基本動作を管理する。
第2レベルでの制御の実施はマイクロプログラム化され
た技術に係わる当該技術関係者にはよく知られた技法で
ある。従って、ここでは演算装置の1つ、例えばPlに
よる、本発明に特有の第2レベルにおける制御について
述べるにとどめる。
これらの制御はリード・オンリ・メモリあるいは、プロ
グラマブル論理を有する配列から始まる。
制御は記憶装置または配列から読出された多数の連続し
たフィールドα、β、γ、・・・によって発生させられ
る。それらはまたマイクロプロセッサによっても発生さ
せられ、あるいは極端に言えば、制御部材を備えた各演
算装置PL、P2.・・・。
Pηが、そのランダム・クロックを受けるマイクロプロ
セッサであってもよい。
例えば、制御装置PCの制御下でレジスタA1(同様に
レジスタA2.・・・、Aηに)導入されたデータAの
外乱演算について考察する。
シーケンサのフィールドαは情報TAIXHIを選ぶた
めのコードを出し、ここにクロックH1の状態は不作為
的である。
フィールドβは演算A +C1n1のためのコードを発
生し、ここにC1n1は状!QXTAIXH1を示しか
つリポート入力へ与えられる。TA1=1 、 I+1
=1であればC1n1= 1であり、T^1=1.旧=
0であればC1n1= Oである。
転送フィールドはレジスタ、例えば2A1におけるラン
ダム結果A+C1n1の配列を制御する。
フィールドγは結果A+C1n1を含むレジスタRAI
と組合わさったフリップフロップTAIをゼロにリセッ
トする指令を出す。
データAの外乱演算はこれで終了である。次にシーケン
サのその他のフィールドはデータAで行なうべき演算に
従って従来の指令を出す。
指令を出すのは、第ルベルでは制御装置PCである。
例として、以下に2つの数A、Bの加算および乗算の代
数演算について述べる。演算は数個の演算装置において
同時に制御される基本演算の順序で行なわれる。以下の
説明では演算装置P1だけに触れる。
AとBの加算演算については第3図のシーケンス図に従
って述べる。
数Aはその仮数部の符号とその仮数部SM^1M^、そ
の指数の符号とその指数SE^、E^および切捨てビッ
トTAにより表示される。同様に、数BはSMB 、 
MB 、 SEB 、 EB 、 TBで表示される。
以下の演算は制御装置PCの制御下で行なわれる。
一しジスタRAIの部分RM^1へのSM^1M^のロ
ーディングおよびTAIへのTAのローディング−レジ
スタRAIの部分RE^1へのSE^、E^のローディ
ング 一しジスタRBIの部分RMB1へのSMB 、 MB
のローディングおよびTBIへのTBのローディング−
レジスタRB1の部分REBIへのSEB 、 EBの
ローディング −Aに切捨てが行なわれた場合、Aの外乱、外乱を受け
たAの、RAIへのローディング、TAlのゼロ・リセ
ット −Bに切捨てが行なわれた場合、Bの外乱、外乱を受け
たBの、RBIへのローディング、TBlのゼロ・リセ
ット −K = (SE^、E^)−(SEB 、 Eft)
の決定−にの、0との比較 ・K>Oの場合、(SMB 、 MB)の右への、Kの
桁送り(Hの正規化解除)、REI31へのEB+にの
ローディング、RREIからの出力でT=1の場合TB
Iの1へのセット ・K<0の場合、(SM^1M8)の右への、Kの桁送
り(Aの正規化解除)、RE八りへのEA+にのローデ
ィング、RREIからの出力でT=1の場合TAIの1
へのセット −(SM^9M^)+(SMB 、 MB)の計算−T
AIまなはTB1=1の場合(SM^1MΔ)+(SM
B 、 MB)の外乱 一任意レジスタへの結果のローディングなお、各基本演
算の終る毎に各演算装置は演算終り信号を出す、全ての
演算終り信号がある場合だけ次の基本演算が命令される
。すなわち、外乱を考慮に入れて、数個の演算装置にお
いて様々な長さの時間である特定の基本演算、例えば桁
送り、を行なってよい。
第4図のシーケンス図は数A、Bの乗算を示している。
AおよびBの起り得る外乱の相についてはこのプログラ
ムは第3図に示すものと同じである。その後で下記の基
本演算が行なわれる。
−EA+EB=結果の指数EABの計算−積(SM^1
M^)(SHO、MO>の計算、2語長(SMMB2M
AR)の結果がRRIにおいて得られる。
−結果の正規化 −Tの0との比較および、T=1の場合結果と組合わさ
った切捨て情報項目の1へのセット。この目的のために
、基本2進素子TABIを結果レジスタと組合わせてよ
く、その素子は回路CTIからの出力に接続されたフリ
ップフロップで形成してよい。
必要であれば、共用記憶装置MOに記録されている手続
きを考慮して、代数演算の各結果を次の演算のデータと
して用いてよい。なお、この点で、結果の外乱が、その
結果と組合わさった切捨てビットの発生後に行なわれな
かった場合にデータ・レジスタへのローディングの後行
なわれる。
複数個の演算装置において実行された手続きの明確な結
果R1,R2,・・・、Rηが得られる場合、それらの
結果のいずれか1つ、例えば結果R1における正確な有
効数字からなる数の計算に入る。
この計算を行なうために、制御装置PCはすでに演算装
置の1つ、例えばPl、により下記の演算を行なってい
る。
へ の計算、ここにNは結果の個数である。
−分数δ2(δは標準偏差)の計算 −公式台=−β(R1−’N>7〒1コーあるいはその
他の、統計的評価用の適当な公式によって推計される平
均誤差の計算 以下余白 計算ではb=10.2進計算ではb=2)である。
数Cの計算後、結果Rは正確な有効数字からなる数Cだ
けで浮動小数点表示してもよい。
一般には3つの結果が得られれば十分である。
関連部材を伴なった相異なる演算装置の個数Nは従って
3個に限定してよい。
上記のように、結果の1つは下位から系統的に丸められ
た値を計算することにより得てよく、また別の結果は上
位から丸められた値を計算することにより得てよいが少
なくとも第3の結果は当然ランダム外乱により計算され
る。
更に、Cの値の安定性を、これを2つの結果に基いて計
算しかつその計算値を、3つの結果を基に計算した値と
比較することにより試験してよい。
それら2つの計算値間の偏差が不安定を示せば、少なく
とも1つの結果が先の実行とは無関係な、ランダム外乱
による実行に引続いて、Cの計算値が不動になるまで計
算される。
勿論、前掲特許請求の範囲を逸脱することなく本発明の
方法の上記実施例に各種変更あるいは追加を施すことが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例としての有効数字の数を決定
する方法を行う装置の概略を示す図、第2図は第1図に
示す装置の演算部のより詳細な図、 第3図および第4図はそれぞれ、第1図の装置における
算術演算の展開に関するシーケンスを示す図、である。 MO:記憶装置、 PL、P2.−、Pn:演算装置、 R^1.R^2.− 、RAn、RBl、RB2.− 
、RI!n :データ・レジスタ、 RRI 、 RR2、−、R11n  :結果レジスタ
、Ml 、M2 、・・・1Mη:専用記憶装置、Sl
、S2.・・・、Sη:シーケンサ、T^t、r^2.
−、TAn、TRI、TB2.−、Tan  :補足的
2進素子としての フリップフロ11回路、 PC:制御装置、 C1、C2、・・・、Cη:外乱回路、Hl:ランダム
信号発生器、 C3Iニマルチプレクサ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、デジタル・データを表現するための、デジタル・デ
    ータの各個について仮数部と指数部をもつ、浮動小数点
    表現を用いてデジタル計算機において行われる要素演算
    を含む計算の結果における正確な有効数字の数を決定す
    る方法であって、該方法が下記の各段階、すなわち、 デジタル・データの各個に、該データの真の値が該デー
    タに用いられている表示において切捨てを施されている
    か否かに応じて真または誤である切捨て情報項目を連携
    させる段階、 上記手続きを何回も実行する一方で、その手続きのうち
    、他とは無関係な少なくとも1つの手続きの展開に外乱
    を与え、切捨て情報項目を各基本演算結果と組合わせか
    つ上記外乱として、各基本演算の間に、関連切捨て情報
    項目が正である各数の仮数部に最下位ビットを必要に応
    じてかつアトランダムに加える段階、そして 手続きの様々な実行により得られた結果の平均値および
    標準偏差を算出してそれらの結果の1つにおける正確な
    有効数字の数を求める段階、を具備することを特徴とす
    る計算の結果における正確な有効数字の数を決定する方
    法。 2、数の外乱後、その数と組合わされた切捨て情報項目
    を誤り状態に戻すことを特徴とする、特許請求の範囲第
    1項に記載の方法。 3、仮数部のビットを右へ桁送りすることで数を正規化
    解除する場合、その数と組合わされた切捨て情報項目を
    、桁送りされかつ失なわれたビットの1つがゼロでなけ
    れば、真の状態に変化させることを特徴とする、特許請
    求の範囲第1項または第2項に記載の方法。 4、2つの数の加算の場合、結果と組合わされた切捨て
    情報項目を、加え合わされた数と組合わされた切捨て情
    報項目の少なくとも一つが真であつた場合、真の状態に
    変化させるあるいはその項目に外乱を与えることを特徴
    とする、特許請求の範囲第1項または第3項に記載の計
    算方法。 5、仮数部の右へビットを閉止することによりフォーマ
    ットの縮小を行なう場合、その数と組合わされた切捨て
    情報項目を、閉止されたビットの1つがゼロでなければ
    、真の状態へ変化させることを特徴とする、特許請求の
    範囲第1項〜第4項のいずれかに記載の方法。 6、上記手続きを、多数の別々の同一演算装置において
    平行に実行することを特徴とする、特許請求の範囲第1
    項〜第5項のいずれかに記載の方法。 7、上記手続きを少なくとも3回実行することを特徴と
    する、特許請求の範囲第1項〜第6項のいずれかに記載
    の方法。
JP63029027A 1979-02-02 1988-02-12 計算の結果における正確な有効数字の数を検出しつつ演算が行われるデジタル計算装置の制御方法 Granted JPS63211428A (ja)

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JPS63211428A true JPS63211428A (ja) 1988-09-02
JPH0210448B2 JPH0210448B2 (ja) 1990-03-08

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JP950380A Granted JPS55103641A (en) 1979-02-02 1980-01-31 Method and apparatus for randamized calculation from either upper or lower digits to provide numerics with accurate effecitve numerics
JP63029027A Granted JPS63211428A (ja) 1979-02-02 1988-02-12 計算の結果における正確な有効数字の数を検出しつつ演算が行われるデジタル計算装置の制御方法

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US9817662B2 (en) 2015-10-24 2017-11-14 Alan A Jorgensen Apparatus for calculating and retaining a bound on error during floating point operations and methods thereof

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FR2448188A1 (fr) 1980-08-29
ATE6099T1 (de) 1984-02-15
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US4367536A (en) 1983-01-04
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EP0018238B1 (fr) 1984-02-01

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