• 关于计算机中的《补码》,公式:-n=~n+1 引伸:~n=-n-1


    在计算机系统中,数值一律用补码来表示(存储)。主要原因是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。另外,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。补码跟源码的转换过程几乎是相同的。

    补码概述
      求给定数值的补码表示分以下两种情况:
    ⑴正数的补码
      与 原码 相同。
      【例1】+9的补码是00001001。(备注:这个+9的补码说的是用8位的2进制来表示补码的,补码表示方式很多,还有16位2进制补码表示形式,以及32位2进制补码表示形式等。)
    ⑵负数的补码
      负数的补码是对其原码逐位取反,但符号位除外;然后整个数加1。
      同一个数字在不同的补码表示形式里头,是不同的。比方说-15的补码,在8位2进制里头是11110001,然而在16位2进制补码表示的情况下,就成了1111111111110001。在这篇补码概述里头涉及的补码转换默认把一个数转换成8位2进制的补码形式,每一种补码表示形式都只能表示有限的数字。
      【例2】求-7的补码。
      因为给定数是负数,则符号位为“1”。
      后七位:-7的原码(10000111)→按位取反(11111000)(负数符号位不变)→加1(11111001)
      所以-7的补码是11111001。
      已知一个数的补码,求原码的操作分两种情况:
      ⑴如果补码的符号位为“0”,表示是一个正数,其原码就是补码。
      ⑵如果补码的符号位为“1”,表示是一个负数,那么求给定的这个补码的补码就是要求的原码。
      再举一个例子:求-64的补码
      +64:01000000
      11000000
      【例3】已知一个补码为11111001,则原码是10000111(-7)。
      因为符号位为“1”,表示是一个负数,所以该位不变,仍为“1”。
      其余七位1111001取反后为0000110;
      再加1,所以是10000111。
      在“闲扯原码、 反码 、补码”文件中,没有提到一个很重要的概念“模”。我在这里稍微介绍一下“模”
      的概念:
      “模”是指一个计量系统的计数范围。如时钟等。 计算机 也可以看成一个计量机器,它也有一个计量范
      围,即都存在一个“模”。例如:
      时钟的计量范围是0~11,模=12。
      表示n位的计算机计量范围是0~2^(n)-1,模=2^(n)。
      “模”实质上是计量器产生“溢出”的量,它的值在计量器上表示不出来,计量器上只能表示出模的
      余数。任何有模的计量器,均可化减法为加法运算。
      例如:假设当前时针指向10点,而准确时间是6点,调整时间可有以下两种拨法:
      一种是倒拨4小时,即:10-4=6
      另一种是顺拨8小时:10+8=12+6=6
      在以12模的系统中,加8和减4效果是一样的,因此凡是减4运算,都可以用加8来代替。
      对“模”而言,8和4互为补数。实际上以12模的系统中,11和1,10和2,9和3,7和5,6和6都有这个特
      性。共同的特点是两者相加等于模。
      对于计算机,其概念和方法完全一样。n位计算机,设n=8, 所能表示的最大数是11111111,若再
      加1称为100000000(9位),但因只有8位,最高位1自然丢失。又回了00000000,所以8位 二进制系统 的
      模为2^8。在这样的系统中减法问题也可以化成加法问题,只需把减数用相应的补数表示就可以
      了。把补数用到计算机对数的处理上,就是补码。
      另外两个概念
      一的补码(one's complement) 指的是正数=原码,负数=反码
      而二的补码(two's complement) 指的就是通常所指的补码。
      小数补码求法:一种简单的方式,符号位保持1不变,数值位从右边数第一个1及其右边的0保持不变,左边按位取反。
    ⑶.补码的绝对值(称为真值)
      【例4】-65的补码是10111111
      若直接将10111111转换成十进制,发现结果并不是-65,而是191。
      事实上,在计算机内,如果是一个 二进制 数,其最左边的位是1,则我们可以判定它为负数,并且是用补码表示。
      若要得到一个负二进制数的绝对值(称为真值),只要各位(不包括符号位)取反,再加1,就得到真值。
      如:二进制值:10111111(-65的补码)
      各位取反:01000000
      加1:01000001(+65的补码)
    编辑本段代数加减运算
    1、补码加法
      [X+Y]补 = [X]补 + [Y]补
      【例5】X=+0110011,Y=-0101001,求[X+Y]补
      [X]补=00110011 [Y]补=11010111
      [X+Y]补 = [X]补 + [Y]补 = 00110011+11010111=00001010
      注:因为 计算机 中运算器的位长是固定的,上述运算中产生的最高位进位将丢掉,所以结果不是
      100001010,而是00001010。
    2、补码减法
      [X-Y]补 = [X]补 - [Y]补 = [X]补 + [-Y]补
      其中[-Y]补称为负补,求负补的方法是:负数的绝对值的 原码 所有位按位取反;然后整个数加1。(恢复本来解释。请路人真正理解并实际验证后再修改。以免误导大众。另外,例6不具典型性,新增例7。)
      【例6】1+(-1) [十进制]
      1的原码00000001 转换成补码:00000001
      -1的原码10000001 转换成补码:11111111
      1+(-1)=0
      00000001+11111111=00000000
      00000000转换成十进制为0
      0=0所以运算正确。
      【例7增】-7-(-10) [十进制]
      -7的补码:11111001
      -10的补码:11110110
      -(-10):按位取反再加1实际上就是其负值的补码,为00001010
      -7 - (-10)= -7 + 10 = 3
      11111001+00001010 = 00000011
      转换成十进制为3
    3、补码乘法
      设被乘数【X】补=X0.X1X2……Xn-1,乘数【Y】补=Y0.Y1Y2……Yn-1,
      【X*Y】补=【X】补×【Y】补,即乘数(被乘数)相乘的补码等于补码的相乘。
    编辑本段代数解释
      任何一个数都可以表示为-a=2^(n-1)-2^(n-1)-a;
      这个假设a为正数,那么-a就是负数。而根据二进制转十进制数的方法,我们可以把a表示为:a=k0*2^0+k1*2^1+k2*2^2+……+k(n-2)*2^(n-2),第(n-1)位为符号位不计算在内。
      这里k0,k1,k2,k(n-2)是1或者0,而且这里设a的二进制位数为n位,即其模为2^(n-1),而2^(n-1)其二项展开是:1+2^0+2^1+2^2+……+2^(n-2),而式子:-a=2^(n-1)-2^(n-1)-a中,2^(n-1)-a代入a=k0*2^0+k1*2^1+k2*2^2+……+k(n-2)*2^(n-2)和2^(n-1)=1+2^0+2^1+2^2+……+2^(n-2)两式,2^(n-1)-a=(1-k(n-2))*2^(n-2)+(1-k(n-3))*2^(n-3)+……+(1-k2)*2^2+(1-k1)*2^1+(1-k0)*2^0+1,而这步转化正是取反再加1的规则的代数原理所在。因为这里k0,k1,k2,k3……不是0就是1,所以1-k0,1-k1,1-k2的运算就是二进制下的取反,而为什么要加1,追溯起来就是2^(n-1)的二项展开式最后还有一项1的缘故。而-a=2^(n-1)-2^(n-1)-a中,还有-2^(n-1)这项未解释,这项就是补码里首位的1,首位1在转化为十进制时要乘上2^(n-1),这正是n位 二进制的 模。
      不能贴公式,所以看起来很麻烦,如果写成代数式子看起来是很方便的。

      注:n位二进制,最高位为符号位,因此表示的数值范围-2^(n-1) ——2^(n-1) -1,所以模为2^(n-1)。上面提到的8位二进制模为2^8是因为最高位非符号位,表示的数值范围为0——2^8-1。

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