计算机为什么要用补码?
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2022-07-09 15:51
计算机为什么使用补码?采用补码可以简化计算机硬件电路设计的复杂度。
对于有符号数,内存要区分符号位和数值位,要是能把符号位和数值位等同起来,让它们一起参与运算,不再加以区分,只用加法器就可以同时实现加法和减法运算,这样硬件电路就变得简单了。
8 - 3 等价于 8 + (-3),12 - (-9) 等价于 10 + 9。
简化硬件电路的代价就是有符号数在存储和读取时都要进行转化。这个转换过程就涉及到我们熟悉的原码、反码、补码。
原码
将一个整数转换成二进制形式,就是其原码。例如short a = 5;,a 的原码就是0000 0000 0000 0101;更改 a 的值a = -19;,此时 a 的原码就是1000 0000 0001 0011。
通俗的理解,原码就是一个整数本来的二进制形式。
反码
正数与负数的反码不一样。
对于正数,它的反码就是其原码(原码和反码相同);负数的反码是将原码中除符号位以外的所有位(数值位)取反,也就是 0 变成 1,1 变成 0。例如 short a = 5;,a 的原码和反码都是 0000 0000 0000 0101;更改 a 的值 a = -19;,此时 a 的反码是 1111 1111 1110 1100。
为什么需要反码,反码的作用就相当于数学中的负数,有了负数,才可以实现减法与加法运算统一成加法运算。
补码
有了反码为什么还需要补码
因为 “0” 这个特殊数字的存在。
将减法运算按加法运算处理,负数需要用反码表示,那么用 8 位二进制反码表示的正数范围:+0 —— +127;负数范围:-127 —— -0。但是,其中有两个特殊的编码会出现:
[0_0000000]=+0 (反码)
[1_1111111]=-0 (反码)
+0 和 -0 代表的都是 0。这样一来,“0” 这个数字在计算机中的编码就不是唯一的了。对于计算机来说,这是绝对不行的,因为任何数字都只能有 1 个编码。
我们知道 0 既不是正数也不是负数,为了解决这个编码不唯一的问题,把 0 当成正数,也即 +0,这样 0 的编码就变成:0_0000000。那 8 位二进制表示的正数范围仍然是:+0 —— +127。负数整体向后“挪动1位”,反码 +1,{1_1111111}编码就不再表示 -0,而变成了 -1。顺着推,最小的编码{1_0000000}就是 -128,8 位二进制表示的负数范围从:-127 —— -0 变成:-128 —— -1,就能成功解决问题。
这种操作好像是在反码上打了“补丁”,进行了一下修正,所以称之为补码,补码定义如下:
1.正数的补码保持原码不变:5 = 0_000 0000 0000 0101
2.负数先求反码,然后再加1:-19 = 1_111 1111 1110 1100 + 1 = 1_111 1111 1110 1101
5 - 19 的计算过程:
0_000 0000 0000 0101 + 1_111 1111 1110 1101 = 1_111 1111 1111 0010;
将补码转换为原码也很简单:先减去 1,再将数值位取反即可。
1_111 1111 1111 0010 逆向转换原码是:1000 0000 0000 1110 = -14
采用补码成功解决了数字 0 在计算机中非唯一编码的问题,也实现了减法变加法。
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