单片机开平方的快速算法

出处:网络 

因为工作的需要,要在单片机上实现开根号的操作。目前开平方的方法大部分是用牛顿
迭代法。我在查了一些资料以后找到了一个比牛顿迭代法更加快速的方法。不敢独享,介
绍给大家,希望会有些帮助。

1.原理
因为排版的原因,用pow(X,Y)表示X的Y次幂,用B[0],B[1],...,B[m-1]表示一个序列,
其中[x]为下标。

假设:
   B[x],b[x]都是二进制序列,取值0或1。
   M = B[m-1]*pow(2,m-1) + B[m-2]*pow(2,m-2) + ... + B[1]*pow(2,1) + B[0]*pow
(2,0)
   N = b[n-1]*pow(2,n-1) + b[n-2]*pow(2,n-2) + ... + b[1]*pow(2,1) + n[0]*pow
(2,0)
   pow(N,2) = M

   (1) N的最高位b[n-1]可以根据M的最高位B[m-1]直接求得。
   设 m 已知,因为 pow(2, m-1) <= M <= pow(2, m),所以 pow(2, (m-1)/2) <= N <=
pow(2, m/2)
   如果 m 是奇数,设m=2*k+1,
   那么 pow(2,k) <= N < pow(2, 1/2+k) < pow(2, k+1),
   n-1=k, n=k+1=(m+1)/2
   如果 m 是偶数,设m=2k,
   那么 pow(2,k) > N >= pow(2, k-1/2) > pow(2, k-1),
   n-1=k-1,n=k=m/2
   所以b[n-1]完全由B[m-1]决定。
   余数 M[1] = M - b[n-1]*pow(2, 2*n-2)

   (2) N的次高位b[n-2]可以采用试探法来确定。
   因为b[n-1]=1,假设b[n-2]=1,则 pow(b[n-1]*pow(2,n-1) + b[n-1]*pow(2,n-2),
2) = b[n-1]*pow(2,2*n-2) + (b[n-1]*pow(2,2*n-2) + b[n-2]*pow(2,2*n-4)),
   然后比较余数M[1]是否大于等于 (pow(2,2)*b[n-1] + b[n-2]) * pow(2,2*n-4)。这种
比较只须根据B[m-1]、B[m-2]、...、B[2*n-4]便可做出判断,其余低位不做比较。
   若 M[1] >= (pow(2,2)*b[n-1] + b[n-2]) * pow(2,2*n-4), 则假设有效,b[n-2] =
1;
   余数 M[2] = M[1] - pow(pow(2,n-1)*b[n-1] + pow(2,n-2)*b[n-2], 2) = M[1] -
(pow(2,2)+1)*pow(2,2*n-4);
   若 M[1] < (pow(2,2)*b[n-1] + b[n-2]) * pow(2,2*n-4), 则假设无效,b[n-2] =
0;余数 M[2] = M[1]。

   (3) 同理,可以从高位到低位逐位求出M的平方根N的各位。

使用这种算法计算32位数的平方根时最多只须比较16次,而且每次比较时不必把M的各位逐
一比较,尤其是开始时比较的位数很少,所以消耗的时间远低于牛顿迭代法。

2. 流程图
  (制作中,稍候再上)

3. 实现代码
这里给出实现32位无符号整数开方得到16位无符号整数的C语言代码。



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-

/****************************************/
/*Function: 开根号处理                  */
/*入口参数:被开方数,长整型            */
/*出口参数:开方结果,整型              */
/****************************************/
unsigned int sqrt_16(unsigned long M)
{
    unsigned int N, i;
    unsigned long tmp, ttp;   // 结果、循环计数
    if (M == 0)               // 被开方数,开方结果也为0
        return 0;

    N = 0;

    tmp = (M >> 30);          // 获取最高位:B[m-1]
    M <<= 2;
    if (tmp > 1)              // 最高位为1
    {
        N ++;                 // 结果当前位为1,否则为默认的0
        tmp -= N;
    }

    for (i=15; i>0; i--)      // 求剩余的15位
    {
        N <<= 1;              // 左移一位

        tmp <<= 2;
        tmp += (M >> 30);     // 假设

        ttp = N;
        ttp = (ttp<<1)+1;

        M <<= 2;
        if (tmp >= ttp)       // 假设成立
        {
            tmp -= ttp;
            N ++;
        }

    }

    return N;
}

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