計算機為何對補碼一見鐘情

2021-06-04 05:04:33 字數 3839 閱讀 2810

雖說早就接受到「原碼」、『』補碼「、」反碼「這些詞,但始終不能確切體會到它們的真實用處。

這種感覺讓人不爽,所以乾脆查查資料,先給自己找個不錯的原因做為思想的動力。

1.首先說說計算機為什麼用二進位制編碼形式?

相信大家大致都清楚。這是德國數學家萊布尼茨提出的。

由於正好二進位制裡的0和1,正好和計算機內部用高低電平來表示資料的模式是對應的。

而且利用二進位制,在開關開與閉,電壓高與低的資料表示上不僅狀態對應,而且很方便。

所以二進位制就成了計算機的內部語言。

2.有了二進位制,為何還要有十六進製制,八進位制,bcd碼呢?

有十進位制那是當然了,那是我們固有的思維,那當然不能丟了。現在系統位數都32或是64位了,

用二進位制表示太冗長了,所以十六進製制等才誕生了。個人認為有了十六進製制,既能解決書寫問題,

也能解決二進位制與十進位制的換算問題(雖說本來就能換算,但個人認為,二進位制轉成十六進製制後,

再轉十進位制,固然方便些,反著也一樣,不然長除法除2還不知道要除多少次呢)。可為什麼還要

八進位制,bcd碼呢,人真是沒事兒找事兒做嗎?其實也不算了,有梨子就不要蘋果了嗎,只要有

營養,都栽種,我想後面兩種碼制就是為了增加轉換途徑吧,就像到達終點一樣,多多少少還是要

有幾個行走的途徑吧,以不至於在一條路上把人給擠死。

3.數制轉換

雖說簡單,再次梳理熟能生巧。覺得熟悉的也可以認識認識幾個單詞,說不定你有不認識的單詞。

再次留給大家腦袋中梳理,我也不一一贅述了。

decimal to binary: 整數部位除2取餘,小數部位乘2取整            

binary to decimal: 

decimal to octal:                

octal to decimal:

decimal to hexadecimal :        

hexadecimal to decimal:

4. 有這麼多碼制,為什麼要用補碼來儲存資料呢?

查了網上的,就覺得有篇《閒扯原碼反碼補碼》寫得蠻好的,**如下:

不過個人還是覺得應該弄得再透一點,免得總是一回熟二回生的。

(i)為什麼不能用原碼?

( 1 ) 10-  ( 1 )10 =  ( 1 )10 + ( -1 )10 =  ( 0 )10

(00000001)

原+ (10000001)

原= (10000010)

原= ( -2 ) 顯然不正確.

通過上面原碼計算式可以看出,當正數加上負數時,結果本應是正值,

得到的也有可能是負值(為什麼是說有可能,其實就是被減數與減數相加數值超過0111 1111,

即127,就會進製,從而進製使符號位加1變為0了,這時結果就是正的了,

不過這時我又會想,符號位也要參與運算嗎?待會兒我再解答),

而且數值部分還是被減數與減數的和,顯然謬誤。

例子:5-3=2;

(0000 0101)原+(1000 0011)原=(1000 1000),即-8,明顯不符。

當負數加上負數時(這裡就拿兩個數值部分加起來不超過0111 1111的來說),我們可以明顯

看出符號位相加變為0,進製1被溢位。結果就是正數了,更是讓人吃驚。

因此原碼毫無疑問的被排除了。

符號位參不參與運算?

上面我都用到了乙個假設,就是符號位參與運算。

我第一反應就是計算機會不會對符號位特殊對待呢?想了一會兒,證明自己還是很愚蠢的。

例子:5-3=2;

(0000 0101)補+(1111 1101)補=(1 0000 0010),溢位的1除掉,結果就是正數2.

上面補碼運算中我們雲算了符號位,若是算符號位,那結果符號位又該是什麼呢?我們知道

是正的,但計算機畢竟不是人的頭腦,它就難從0 和1裡抉擇了,所以說,計算機對待每一位

都是公平的。我是不是很愚蠢啊。

(ii)為什麼不能是反碼?

針對這點,我覺得上面部落格裡說不過去,向來特殊不能說明一般的。

我喜歡從例子中看出名堂,下面說說一例。

例子:-8-3=-11,

(1111 0111)反+(1111 1100)反=(1111 0011),再求其反碼,可得是1000 1100,即-12

為什麼結果就小了乙個1呢?我想到反碼加1就是補碼,其間一定有什麼不可告人的秘密呵呵。

下面我就用十進位制思維思考了:

1111 0111數值部分為119,即(127-8),1111 1100數值部分為124,即(127-3),

本來119+124=243,超過了127,進了一位加到符號位上去了,於是結果為243-128=115,

正是1111 0011 的數值部分。然後127-115,就是12呢,結果就是這樣來的。

你看出其中的破綻沒?

也許我把你給繞暈了吧。我們假定上面的127為x,

則根據上面流程,結果數值部分就為x-[ (x-a)+(x-b)-(x+1)],

這裡a、b都是指數值部分,結果化簡就是a+b+1.本來兩個小負數相加,是a+b,現在卻大了1,

再添個負號,自然算出的結果比正常結果小了1 了。這下明白了吧。

問題就出在(x+1)身上,本來總共表示的最大數值部分是127,你卻一下子就減掉128(這就預設了

最大數值應該存在128,可事實不存在),就像一塊土地只有一寸大,你卻想在其上建個占地面積兩寸的房子,

顯然不符合常理。因此反碼也癟下去了。

(iii)那又為什麼最後落到了補碼身上了呢?

如果是數學題,而且只有這三種碼,我的目的就已經達到了。不過我還是想看看補碼到底怎麼就行得通的呢。

其實知道反碼和補碼就是因為乙個1的差別,到底怎麼彌補呢?

要想建兩占地寸的房,就得把地開荒到兩寸。因此某某就把非分之想施加到『0』的身上了。

無中生有的把0分為正0和負0,然後負0變成-128,這樣數值範圍就增加了1,這樣就和上面運算吻合了。

現在無非是這些特殊數的各種碼表示問題。

以下摘自於相信對你也很有啟發。

我們都知道,數值在記憶體裡都是以補碼形式儲存的。正數的原反補都一樣,負數的補碼等於原碼的反碼加1.

但對於0來說,它有符號位嗎?     

以乙個8位的系統來說,有符號數的二進位制為(1000 0000),表示的是-0,還是-128呢?

看看負數補碼的公式:負數的補碼=1 0000 0000(模)- 數的絕對值   

比如:-1: 1111 1111 =1 0000 0000 - 0000 0001     

-2: 1111 1110 =1 0000 0000 - 0000 0010     

假設1:表示-0。     

那麼 -0的補碼: 1 0000 0000 - 0 =0000 0000,和+0一樣。    

反碼: 1111 1111 (0000 0000 -1 = 0000 0000 +1111 1111=1111 1111)    

原碼: 1000 0000(反碼取反)

假設2:表示-128。   

-128的補碼: 1 0000 0000 - 1000 0000(+128沒有符號位)= 1000 0000     

反碼: 1111 1111 (1000 0000 -1 =1 000 0000 + 1111 1111 = 1111 1111)(補碼-1) 

原碼: 1000 0000(反碼取反)

從上面看來,乙個原碼對應了2個補碼。按照c語言的定義,在32位的系統裡,int表示的範圍為-2^31 ~ +(2^31-1),那麼可以推論出有符號數可以表示負的最大值,而沒有-0的定義。也就是說上面1000 0000 表示的應該是-128,而不是-0。

關於運算,雖說簡單,但要想確確實實知道計算機怎麼處理的,還是很讓人有動力的。

下篇打算想想補碼如何在運算過程中大顯神通的,歡迎來訪。    

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