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理解有符号数和无符号数

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理解有符号数和无符号数负数在计算机中如何表示呢?

这一点,你可能听过两种不同的回答。

一种是教科书,它会告诉你:计算机用“补码”表示负数。可是有关“补码”的概念一说就得一节课,这一些我们需要在第6章中用一章的篇幅讲2进制的一切。再者,用“补码”表示负数,其实一种公式,公式的作用在于告诉你,想得问题的答案,应该如何计算。却并没有告诉你为什么用这个公式就可以和答案?

另一种是一些程序员告诉你的:用二进制数的最高位表示符号,最高位是0,表示正数,最高位是1,表示负数。这种说法本身没错,可是如果没有下文,那么它就是错的。至少它不能解释,为什么字符类型的-1用二进制表示是“1111 1111”(16进制为FF);而不是我们更能理解的“1000 0001”。(为什么说后者更好理解呢?因为既然说最高位是1时表示负数,那1000 0001不是正好是-1吗?)。

让我们从头说起。

1、你自已决定是否需要有正负。

就像我们必须决定某个量使用整数还是实数,使用多大的范围数一样,我们必须自已决定某个量是否需要正负。如果这个量不会有负值,那么我们可以定它为带正负的类型。

在计算机中,可以区分正负的类型,称为有符类型,无正负的类型(只有正值),称为无符类型。

数值类型分为整型或实型,其中整型又分为无符类型或有符类型,而实型则只有符类型。

字符类型也分为有符和无符类型。

比如有两个量,年龄和库存,我们可以定前者为无符的字符类型,后者定为有符的整数类型。

2、使用二制数中的最高位表示正负。

首先得知道最高位是哪一位?1个字节的类型,如字符类型,最高位是第7位,2个字节的数,最高位是第15位,4个字节的数,最高位是第31位。不同长度的数值类型,其最高位也就不同,但总是最左边的那位(如下示意)。字符类型固定是1个字节,所以最高位总是第7位。

(红色为最高位)

单字节数: 1111 1111

双字节数: 1111 1111 1111 1111

四字节数: 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

 

当我们指定一个数量是无符号类型时,那么其最高位的1或0,和其它位一样,用来表示该数的大小。

当我们指定一个数量是无符号类型时,此时,最高数称为“符号位”。为1时,表示该数为负值,为0时表示为正值。

 

3、无符号数和有符号数的范围区别。

无符号数中,所有的位都用于直接表示该值的大小。有符号数中最高位用于表示正负,所以,当为正值时,该数的最大值就会变小。我们举一个字节的数值对比:

无符号数: 1111 1111    值:255 1* 27 + 1* 26 + 1* 25 + 1* 24 + 1* 23 + 1* 22 + 1* 21 + 1* 20

有符号数: 0111 1111    值:127          1* 26 + 1* 25 + 1* 24 + 1* 23 + 1* 22 + 1* 21 + 1* 20

 

同样是一个字节,无符号数的最大值是255,而有符号数的最大值是127。原因是有符号数中的最高位被挪去表示符号了。并且,我们知道,最高位的权值也是最高的(对于1字节数来说是2的7次方=128),所以仅仅少于一位,最大值一下子减半。

不过,有符号数的长处是它可以表示负数。因此,虽然它的在最大值缩水了,却在负值的方向出现了伸展。我们仍一个字节的数值对比:

无符号数:                        0 ----------------- 255

有符号数:         -128 --------- 0 ---------- 127

 

同样是一个字节,无符号的最小值是 0 ,而有符号数的最小值是-128。所以二者能表达的不同的数值的个数都一样是256个。只不过前者表达的是0到255这256个数,后者表达的是-128到+127这256个数。

一个有符号的数据类型的最小值是如何计算出来的呢?

有符号的数据类型的最大值的计算方法完全和无符号一样,只不过它少了一个最高位(见第3点)。但在负值范围内,数值的计算方法不能直接使用1* 26 + 1* 25 的公式进行转换。在计算机中,负数除为最高位为1以外,还采用补码形式进行表达。所以在计算其值前,需要对补码进行还原。这些内容我们将在第六章中的二进制知识中统一学习。

这里,先直观地看一眼补码的形式:

以我们原有的数学经验,在10进制中:1 表示正1,而加上负号:-1 表示和1相对的负值。

那么,我们会很容易认为在2进制中(1个字节): 0000 0001 表示正1,则高位为1后:1000 0001应该表示-1。

然而,事实上计算机中的规定有些相反,请看下表:


二进制值(1字节) 十进制值
1000 0000 -128
1000 0001 -127
1000 0010 -126
1000 0011 -125
... ...
1111 1110 -2
1111 1111 -1

 

首先我们看到,从-1到-128,其二进制的最高位都是1(表中标为红色),正如我们前面的学。

然后我们有些奇怪地发现,1000 0000 并没有拿来表示 -0;而1000 0001也不是拿来直观地表示-1。事实上,-1 用1111 1111来表示。

怎么理解这个问题呢?先得问一句是-1大还是-128大?

当然是 -1 大。-1是最大的负整数。以此对应,计算机中无论是字符类型,或者是整数类型,也无论这个整数是几个字节。它都用全1来表示 -1。比如一个字节的数值中:1111 1111表示-1,那么,1111 1111 - 1 是什么呢?和现实中的计算结果完全一致。1111 1111 - 1 = 1111 1110,而1111 1110就是-2。这样一直减下去,当减到只剩最高位用于表示符号的1以外,其它低位全为0时,就是最小的负值了,在一字节中,最小的负值是1000 0000,也就是-128。

我们以-1为例,来看看不同字节数的整数中,如何表达-1这个数:

字节数 二进制值 十进制值
单字节数 1111 1111 -1
双字节数 1111 1111 1111 1111 -1
四字节数 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 -1

 

可能有同学这时会混了:为什么 1111 1111 有时表示255,有时又表示-1?所以我再强调一下本节前面所说的第2点:你自已决定一个数是有符号还是无符号的。写程序时,指定一个量是有符号的,那么当这个量的二进制各位上都是1时,它表示的数就是-1;相反,如果事选声明这个量是无符号的,此时它表示的就是该量允许的最大值,对于一个字节的数来说,最大值就是255。


原码、反码、补码

我们已经知道计算机中,所有数据最终都是使用二进制数表达。

我们也已经学会如何将一个10进制数如何转换为二进制数。

不过,我们仍然没有学习一个负数如何用二进制表达。

 

比如,假设有一 int 类型的数,值为5,那么,我们知道它在计算机中表示为:

00000000 00000000 00000000 00000101

5转换成二制是101,不过int类型的数占用4字节(32位),所以前面填了一堆0。

现在想知道,-5在计算机中如何表示?

 

在计算机中,负数以其正值的补码形式表达。

什么叫补码呢?这得从原码,反码说起。

 

原码:一个整数,按照绝对值大小转换成的二进制数,称为原码。

比如 00000000 00000000 00000000 00000101 是 5的 原码。

 

反码:将二进制数按位取反,所得的新二进制数称为原二进制数的反码。

取反操作指:原为1,得0;原为0,得1。(1变0; 0变1)

比如:将00000000 00000000 00000000 00000101每一位取反,得11111111 11111111 11111111 11111010。

称:11111111 11111111 11111111 11111010 是 00000000 00000000 00000000 00000101 的反码。

反码是相互的,所以也可称:

11111111 11111111 11111111 11111010 和 00000000 00000000 00000000 00000101 互为反码。

 

补码:反码加1称为补码。

也就是说,要得到一个数的补码,先得到反码,然后将反码加上1,所得数称为补码。

比如:00000000 00000000 00000000 00000101 的反码是:11111111 11111111 11111111 11111010。

那么,补码为:

11111111 11111111 11111111 11111010 + 1 = 11111111 11111111 11111111 11111011

 

所以,-5 在计算机中表达为:11111111 11111111 11111111 11111011。转换为十六进制:0xFFFFFFFB。

 

再举一例,我们来看整数-1在计算机中如何表示。

假设这也是一个int类型,那么:

 

1、先取1的原码:00000000 00000000 00000000 00000001

2、得反码:      11111111 11111111 11111111 11111110

3、得补码:      11111111 11111111 11111111 11111111

 

可见,-1在计算机里用二进制表达就是全1。16进制为:0xFFFFFF。

码、反码、补码

 

结束了各种进制的转换,我们来谈谈另一个话题:原码、反码、补码。

 

我们已经知道计算机中,所有数据最终都是使用二进制数表达。

我们也已经学会如何将一个10进制数如何转换为二进制数。

不过,我们仍然没有学习一个负数如何用二进制表达。

 

比如,假设有一 int 类型的数,值为5,那么,我们知道它在计算机中表示为:

00000000 00000000 00000000 00000101

5转换成二制是101,不过int类型的数占用4字节(32位),所以前面填了一堆0。

现在想知道,-5在计算机中如何表示?

 

在计算机中,负数以其正值的补码形式表达。

什么叫补码呢?这得从原码,反码说起。

 

原码:一个整数,按照绝对值大小转换成的二进制数,称为原码。

比如 00000000 00000000 00000000 00000101 是 5的 原码。

 

反码:将二进制数按位取反,所得的新二进制数称为原二进制数的反码。

取反操作指:原为1,得0;原为0,得1。(1变0; 0变1)

比如:将00000000 00000000 00000000 00000101每一位取反,得11111111 11111111 11111111 11111010。

称:11111111 11111111 11111111 11111010 是 00000000 00000000 00000000 00000101 的反码。

反码是相互的,所以也可称:

11111111 11111111 11111111 11111010 和 00000000 00000000 00000000 00000101 互为反码。

 

补码:反码加1称为补码。

也就是说,要得到一个数的补码,先得到反码,然后将反码加上1,所得数称为补码。

比如:00000000 00000000 00000000 00000101 的反码是:11111111 11111111 11111111 11111010。

那么,补码为:

11111111 11111111 11111111 11111010 + 1 = 11111111 11111111 11111111 11111011

 

所以,-5 在计算机中表达为:11111111 11111111 11111111 11111011。转换为十六进制:0xFFFFFFFB。

 

再举一例,我们来看整数-1在计算机中如何表示。

假设这也是一个int类型,那么:

 

1、先取1的原码:00000000 00000000 00000000 00000001

2、得反码:      11111111 11111111 11111111 11111110

3、得补码:      11111111 11111111 11111111 11111111

 

可见,-1在计算机里用二进制表达就是全1。16进制为:0xFFFFFF。


计算机原理-原码、反码、补码

更多内容:http://www.juqingshow.com/jsjyuanli/200701/7687.html
首先要说的是:计算机中的带符号数一般用补码表示

计算机中的带符号数用补码表示的优点:
1、负数的补码与对应正数的补码之间的转换可以用同一种方法——求补运算完成,可以简化硬件;
2、可将减法变为加法,省去减法器;
3、无符号数及带符号数的加法运算可以用同一电路完成。

带符号数的表示


先引进两个名词:机器数和真值。

将一个数在机器中的表示形式,即编码称为机器数,数的本身称为真值。平常我们经常用的带符号的数就是真数,如:+50,-10.5等等。

常用的机器数有三种:原码、补码和反码。




1.原码

    通俗定义

   将数的符号数码化,即用一个二进制位表示符号:对正数,该位取0,对负数,该位取1。

而数值部分保持数的原有形式(有时需要在高位部分添几个0)。这样所得结果为该数的原码表示。


    例,x=+1001010,y= -1001010,z= 一1110(= 一0001110)。当原码为8位时,x、y和z的原码分别是:

    [x]原=01001010;

    [y]原=11001010;

    [Z]原=10001110.

其中最高位为符号位。

2)正规定义




2.反码






反码:正数的反码为原码,负数的反码是原码符号位外按位取反。

例如:

X1=+67=+100 0011B          ,[X1]反=0100 0011B X2=-67=-100 0011B          ,[X2]反=1011 1100B
对正数,其反码与原码相同,也与补码相同。对负数,其反码等于原码除符号位外,按位求反(末位不加1)。利用反码也可使带符号数的加、减法转化为单纯的加法,但麻烦一些。

一般把求反码作为求补的中间过程,即 [x]补=[x]反+1。




3.补码


1)补码的引进和定义

    据统计,在所有的运算中,加、减运算要占到80%以上,因此,能否方便地进行正、负数加、减运算,直接关系到计算机的运行效率。

把一个负数加模的结果称为该负数的补码(结果是一个正数,它和该负数是等价的,确切地说,是一对一的,因而可看作是该负数的编码),定义正数的补码就是它本身,符号位取0,即和原码相同。这就是补码的通俗定义。将这个定义用数学形式表示出来,就可得到补码的正规定义:








其中n为补码的位数。这个定义实际也将真值的范围给出来了,当n=8时,一27≤x<27。和原码相比,补码表示可多表示一个数。当n=8时,多表示的数是一27=一128。


  2)补码的求法


  对正数,补码同原码。

            例如,x=+0101001,[x]补=[x]原=00101001。

        对负数,由定义求补码,需做减法,不方便。经推导可知,负数的补码等于其原码除符号位外按位“求反”(1变0,0变1),末位再加1。

            例如,y=一0001100,[y]原=10001100,[Y]补=11110011+1=11110100。


•算法:1.正数的补码与原码相同; 2.负数的补码由原码除符号位保持不变外,其余各位按位取反,再在末位加1。   [x]补=[x]反+1 •




    多做几例,可得出一种心算求补的方法——从最低位开始至找到的第一个1均不变,符号位不变,这之间的各位“求反”(该方法仅用于做题)。





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