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计算机为什么采用补码的形式存储数据?

Baniel01 分享于 2013-11-27

推荐:[置顶] 计算机为什么要用补码存储整型

1.怎样判断int类型在32位计算机上存储的,有多少个1? 2.计算机在32位上存储二进制采用什么方式进行的? 问题1的答案: #include <stdio.h> #include <stdlib.h>

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在计算机内部,所有信息都是用二进制数串的形式表示的。整数通常都有正负之分,计算机中的整数分为无符号的和带符号的。无符号的整数用来表示0和正整数,带符号的证书可以表示所有的整数。由于计算机中符号和数字一样,都必须用二进制数串来表示,因此,正负号也必须用0、1来表示。通常我们用最高的有效位来表示数的符号(当用8位来表示一个整数时,第8位即为最高有效位,当用16位来表示一个整数时,第16位即为最高有效位。)0表示正号、1表示负号,这种正负号数字化的机内表示形式就称为“机器数”,而相应的机器外部用正负号表示的数称为“真值”。将一个真值表示成二进制字串的机器数的过程就称为编码。

无符号数没有原码、反码和补码一说。只有带符号数才存在不同的编码方式。

带符号整数有原码、反码、补码等几种编码方式。原码即直接将真值转换为其相应的二进制形式,而反码和补码是对原码进行某种转换编码方式。正整数的原码、反码和补码都一样,负数的反码是对原码的除符号位外的其他位进行取反后的结果(取反即如果该位为0则变为1,而该位为1则变为0的操作)。而补码是先求原码的反码,然后在反码的末尾位加1 后得到的结果,即补码是反码+1。IBM-PC中带符号整数都采用补码形式表示。(注意,只是带符号的整数采用补码存储表示的,浮点数另有其存储方式。)

采用补码的原因或好处如下,采用补码运算具有如下两个特征:

1)因为使用补码可以将符号位和其他位统一处理,同时,减法也可以按加法来处理,即如果是补码表示的数,不管是加减法都直接用加法运算即可实现。 2)两个用补码表示的数相加时,如果最高位(符号位)有进位,则进位被舍弃。 这样的运算有两个好处: 1)使符号位能与有效值部分一起参加运算,从而简化运算规则。从而可以简化运算器的结构,提高运算速度;(减法运算可以用加法运算表示出来。) 2)加法运算比减法运算更易于实现。使减法运算转换为加法运算,进一步简化计算机中运算器的线路设计。

下面深入分析上面所陈述的采用补码的原因(目的)。 用带符号位的原码进行乘除运算时结果正确,而在加减运算的时候就出现了问题,如下: 假设字长为8bits ( 1 ) 10- ( 1 )10 = ( 1 )10 + ( -1 )10 = ( 0 )10 (00000001)原 + (10000001)原 = (10000010)原 = ( -2 ) 显然不正确.。

因为在两个整数的加法运算中是没有问题的,于是就发现问题出现在带符号位的负数身上,对除符号位外的其余各位逐位取反就产生了反码。反码的取值空间和原码相同且一一对应。下面是反码的减法运算:

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

(00000001) 反+ (11111110)反 = (11111111)反 = ( -0 ) 有问题。

( 1 )10 - ( 2)10 = ( 1 )10 + ( -2 )10 = ( -1 )10

(00000001) 反+ (11111101)反 = (11111110)反 = ( -1 ) 正确

问题出现在(+0)和(-0)上,在人们的计算概念中零是没有正负之分的。

于是就引入了补码概念。负数的补码就是对反码加一,而正数不变,正数的原码反码补码是一样的。在补码中用(-128)代替了(-0),所以补码的表示范围为: (-128~0~127)共256个。 注意:(-128)没有相对应的原码和反码, (-128) = (10000000) 补码的加减运算如下: ( 1 ) 10- ( 1 ) 10= ( 1 )10 + ( -1 )10 = ( 0 )10 (00000001)补 + (11111111)补 = (00000000)补 = ( 0 ) 正确

( 1 ) 10- ( 2) 10= ( 1 )10 + ( -2 )10 = ( -1 )10 (00000001) 补+ (11111110) 补= (11111111)补 = ( -1 ) 正确

采用补码表示还有另外一个原因,那就是为了防止0的机器数有两个编码。原码和反码表示的0有两种形式+0和-0,而我们知道,+0和-0是相同的。这样,8位的原码和反码表示的整数的范围就是-127~+127(11111111~01111111),而采用补码表示的时候,00000000是+0,即0;10000000不再是-0,而是-128,这样,补码表示的数的范围就是-128~+127了,不但增加了一个数得表示范围,而且还保证了0编码的唯一性。

整数和0的原码、反码和补码都相同,下面介绍手工快速求负数补码的方法。这个方法在教材的第8页已经提到了,这里再写出来以便能引起大家的注意。其方法如下: 先写出该负数的相反数(正数),再将该正数的二进制形式写出来,然后对这个二进制位串按位取反,即若是1则改为0,若是0则改为1,最后在末位加1。

接下来的问题是,如何能将减法运算转换成加法运算呢?

我们已经知道,原码表示简单直观,与真值转换容易。但如果用原码表示,其符号位不能参加运算。在计算机中用原码实现算术运算时,要取绝对值参加运算,符号位单独处理,这对乘除运算是很容易实现的,但对加减运算是非常不方便的,如两个异号数相加,实际是要做减法,而两个异号数相减,实际是要做加法。在做减法时,还要判断操作数绝对值的大小,这些都会使运算器的设计变得很复杂。而补码这种编码方式实际上正是针对上述问题的。通过用补码进行表示,就可以把减法运算化为加法运算。

在日常生活中,有许多化减为加的例子。例如,时钟是逢12进位,12点也可看作0点。当将时针从10点调整到5点时有以下两种方法: 一种方法是时针逆时针方向拨5格,相当于做减法:

10-5=5 另一种方法是时针顺时针方向拨7格,相当于做加法:

10+7=12+5=5

(MOD 12) 这是由于时钟以12 为模,在这个前提下,当和超过12时,可将12舍去。于是,减5相当于加7。同理,减4可表示成加8,减3可表示成加9,…。 在数学中,用“同余”概念描述上述关系,即两整数A、B用同一个正整数M (M称为模)去除而余数相等,则称A、B对M同余,记作:

A=B

(MOD

M) 具有同余关系的两个数为互补关系,其中一个称为另一个的补码。当M=12时,-5和+7,-4和+8,-3和+9就是同余的,它们互为补码。 从同余的概念和上述时钟的例子,不难得出结论:对于某一确定的模,用某数减去小于模的另一个数,总可以用加上“模减去该数绝对值的差”来代替。因此,在有模运算中,减法就可以化作加法来做。

可以看出,补码的加法运算所依据的基本关系为: [x]补+ [y]补= [x+y]补 补码减法所依据的基本关系式: [x-y]补 =[x+(-y)]补= [x]补+ [-y]补 至于加法运算为什么比减法运算易于实现以及CPU如何实现各种算术运算等问题,则需要通过对数字电路的学习来理解CPU的运算器的硬件实现问题的相关内容了。

推荐:符点数为什么不能精确存储,比如0.2计算机是不能精确存储的

 转自:http://blog.csdn.net/ispeller/article/details/7643348 C语言贴吧看到的: 首先,为了让代码清楚一点,把楼主耍小聪明的伎俩去掉: 程序运行的结果是

, 在计算机内部,所有信息都是用二进制数串的形式表示的。整数通常都有正负之分,计算机中的整数分为无符号的和带符号的。无符号的整数用来表示0和正整数,带符号的证书可以表示所有的整数。由于计算机中符号和数字一样,都必须用二进制数串来表示,因此,正负号也必须用0、1来表示。通常我们用最高的有效位来表示数的符号(当用8位来表示一个整数时,第8位即为最高有效位,当用16位来表示一个整数时,第16位即为最高有效位。)0表示正号、1表示负号,这种正负号数字化的机内表示形式就称为“机器数”,而相应的机器外部用正负号表示的数称为“真值”。将一个真值表示成二进制字串的机器数的过程就称为编码。

无符号数没有原码、反码和补码一说。只有带符号数才存在不同的编码方式。

带符号整数有原码、反码、补码等几种编码方式。原码即直接将真值转换为其相应的二进制形式,而反码和补码是对原码进行某种转换编码方式。正整数的原码、反码和补码都一样,负数的反码是对原码的除符号位外的其他位进行取反后的结果(取反即如果该位为0则变为1,而该位为1则变为0的操作)。而补码是先求原码的反码,然后在反码的末尾位加1 后得到的结果,即补码是反码+1。IBM-PC中带符号整数都采用补码形式表示。(注意,只是带符号的整数采用补码存储表示的,浮点数另有其存储方式。)

采用补码的原因或好处如下,采用补码运算具有如下两个特征:

1)因为使用补码可以将符号位和其他位统一处理,同时,减法也可以按加法来处理,即如果是补码表示的数,不管是加减法都直接用加法运算即可实现。 2)两个用补码表示的数相加时,如果最高位(符号位)有进位,则进位被舍弃。 这样的运算有两个好处: 1)使符号位能与有效值部分一起参加运算,从而简化运算规则。从而可以简化运算器的结构,提高运算速度;(减法运算可以用加法运算表示出来。) 2)加法运算比减法运算更易于实现。使减法运算转换为加法运算,进一步简化计算机中运算器的线路设计。

下面深入分析上面所陈述的采用补码的原因(目的)。 用带符号位的原码进行乘除运算时结果正确,而在加减运算的时候就出现了问题,如下: 假设字长为8bits ( 1 ) 10- ( 1 )10 = ( 1 )10 + ( -1 )10 = ( 0 )10 (00000001)原 + (10000001)原 = (10000010)原 = ( -2 ) 显然不正确.。

因为在两个整数的加法运算中是没有问题的,于是就发现问题出现在带符号位的负数身上,对除符号位外的其余各位逐位取反就产生了反码。反码的取值空间和原码相同且一一对应。下面是反码的减法运算:

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

(00000001) 反+ (11111110)反 = (11111111)反 = ( -0 ) 有问题。

( 1 )10 - ( 2)10 = ( 1 )10 + ( -2 )10 = ( -1 )10

(00000001) 反+ (11111101)反 = (11111110)反 = ( -1 ) 正确

问题出现在(+0)和(-0)上,在人们的计算概念中零是没有正负之分的。

于是就引入了补码概念。负数的补码就是对反码加一,而正数不变,正数的原码反码补码是一样的。在补码中用(-128)代替了(-0),所以补码的表示范围为: (-128~0~127)共256个。 注意:(-128)没有相对应的原码和反码, (-128) = (10000000) 补码的加减运算如下: ( 1 ) 10- ( 1 ) 10= ( 1 )10 + ( -1 )10 = ( 0 )10 (00000001)补 + (11111111)补 = (00000000)补 = ( 0 ) 正确

( 1 ) 10- ( 2) 10= ( 1 )10 + ( -2 )10 = ( -1 )10 (00000001) 补+ (11111110) 补= (11111111)补 = ( -1 ) 正确

采用补码表示还有另外一个原因,那就是为了防止0的机器数有两个编码。原码和反码表示的0有两种形式+0和-0,而我们知道,+0和-0是相同的。这样,8位的原码和反码表示的整数的范围就是-127~+127(11111111~01111111),而采用补码表示的时候,00000000是+0,即0;10000000不再是-0,而是-128,这样,补码表示的数的范围就是-128~+127了,不但增加了一个数得表示范围,而且还保证了0编码的唯一性。

整数和0的原码、反码和补码都相同,下面介绍手工快速求负数补码的方法。这个方法在教材的第8页已经提到了,这里再写出来以便能引起大家的注意。其方法如下: 先写出该负数的相反数(正数),再将该正数的二进制形式写出来,然后对这个二进制位串按位取反,即若是1则改为0,若是0则改为1,最后在末位加1。

接下来的问题是,如何能将减法运算转换成加法运算呢?

我们已经知道,原码表示简单直观,与真值转换容易。但如果用原码表示,其符号位不能参加运算。在计算机中用原码实现算术运算时,要取绝对值参加运算,符号位单独处理,这对乘除运算是很容易实现的,但对加减运算是非常不方便的,如两个异号数相加,实际是要做减法,而两个异号数相减,实际是要做加法。在做减法时,还要判断操作数绝对值的大小,这些都会使运算器的设计变得很复杂。而补码这种编码方式实际上正是针对上述问题的。通过用补码进行表示,就可以把减法运算化为加法运算。

在日常生活中,有许多化减为加的例子。例如,时钟是逢12进位,12点也可看作0点。当将时针从10点调整到5点时有以下两种方法: 一种方法是时针逆时针方向拨5格,相当于做减法:

10-5=5 另一种方法是时针顺时针方向拨7格,相当于做加法:

10+7=12+5=5

(MOD 12) 这是由于时钟以12 为模,在这个前提下,当和超过12时,可将12舍去。于是,减5相当于加7。同理,减4可表示成加8,减3可表示成加9,…。 在数学中,用“同余”概念描述上述关系,即两整数A、B用同一个正整数M (M称为模)去除而余数相等,则称A、B对M同余,记作:

A=B

(MOD

M) 具有同余关系的两个数为互补关系,其中一个称为另一个的补码。当M=12时,-5和+7,-4和+8,-3和+9就是同余的,它们互为补码。 从同余的概念和上述时钟的例子,不难得出结论:对于某一确定的模,用某数减去小于模的另一个数,总可以用加上“模减去该数绝对值的差”来代替。因此,在有模运算中,减法就可以化作加法来做。

可以看出,补码的加法运算所依据的基本关系为: [x]补+ [y]补= [x+y]补 补码减法所依据的基本关系式: [x-y]补 =[x+(-y)]补= [x]补+ [-y]补 至于加法运算为什么比减法运算易于实现以及CPU如何实现各种算术运算等问题,则需要通过对数字电路的学习来理解CPU的运算器的硬件实现问题的相关内容了。

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  文章出自:出处:http://www.cnblogs.com/dolphin0520/ 我们都知道在计算机内部数据的存储和运算都采用二进制,是因为计算机是由很多晶体管组成的,而晶体管只

在计算机内部,所有信息都是用二进制数串的形式表示的。整数通常都有正负之分,计算机中的整数分为无符号的和带符号的。无符号的整数用来表示0和正整数,带符号的证书可以表示所有的整数。由于

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