关于补码,大学老师讲的很不负责任
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2021-10-22 14:56
关于补码,我大学的计算机老师都是这样教的:补码是原码按位取反,最后一位加 1。我想说的是这样的解释很不负责任,除了让你死记硬背之外,对你理解计算机没有任何意义,本文来告诉你为什么会有补码,怎么正确的理解计算机的补码。
原码很好理解,对吧,就是一个数的二进制表示嘛,比如数字 5,对于一个 8 位的二进制位,就是 0000 0101,但是计算机不能只做加法,还要做减法,也就是说不仅要能表示正数,也要表示负数,怎么办?
有没有一种编码,即可以表示正数,又可以表示负数呢?
当然有,最高位作为符号位就可以,但这样存在一个问题,那就是 0 有两种表示方法,编码不唯一。
为了解决编码唯一的问题,补码就这样被发明出来。
可以说,补码是计算机最伟大的发明,它的思路很像一个时钟,仅仅用 12 个刻度,就能表达所有的时间。
补码与原码的唯一区别,就是最高位表示负的权重,其他位的意思都一样的,这句话是什么意思呢,我还是用 5 来解释。
对于正数5,补码依然是 0000 0101,它等于
对于负数 5,补码是 1111 1011,它等于
补码是不是非常的神奇?仅仅让二进制的最高位表示负权这一规则,就可以即表示正数,又可以表示正数,解决了 0 的编码不唯一的问题,节省了一个二进制位,非常完美的表达了数字世界。
更为重要的是,它还让计算机只实现加法器就可以实现减法的运算,为了方便你理解,咱们还是以 8 位二进制为例(虽然现在计算机已经 64 位,但道理是一样的)。
先看下-128到127的所有整数的补码表示:
0 -> 0000 0000
1 -> 0000 0001
2 -> 0000 0010
3 -> 0000 0011
......
127 -> 0111 1111
-128 -> 1000 0000
-127 -> 1000 0001
-126 -> 1000 0010
......
-1 -> 1111 1111
上述 0000 0000 到 1111 1111 展示了从 0 到 127,-128 再到 -1 的过程,这一过程很像一个时钟,周而复始。
对于正数的加法,比如 1 + 3 相当于 1 和 3 的补码相加
0000 0001 +
0000 0011 =
0000 0100 = 4
如果是减法,比如 1 - 3,相当于 1 + (-3)仍然相当于 1 和 -3 的补码相加,即
0000 0001 +
1111 1100 =
1111 1101 = -2
可以看出,补码不仅统一了编码,还统一了加法,同一个加法器,即可以实现加法,也可以实现减法,是不是很完美?
最后的话
本文分享了对补码的理解:补码就是最高位表示负的权重,跟原码没有任何关系,只不过它的值就原码按位取反再加 1 的结果而已,提到补码,你应该立即想到的是最高位表示负的权重,而不是它与原码的关系。
理解了补码,再理解计算机是如何存储数据,如何进行加减法运算就容易的多,向外拓展一下,比如,乘法是加法的一种累加,而除法又是乘法的一种变形。可以说补码就是计算机计算的基础。
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