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C語言編程之二進制原碼、反碼和補碼

概述

 在計算機內,有符號數有3種表示法:原碼、反碼和補碼。

在計算機中,數據是以補碼的形式存儲的,所以補碼在c語言的教學中有比較重要的地位,而講解補碼必須涉及到原碼、反碼。

詳細釋義

所謂原碼就是二進制定點表示法,即最高位為符號位,“0”表示正,“1”表示負,其余位表示數值的大小。

反碼表示法規定:正數的反碼與其原碼相同;負數的反碼是對其原碼逐位取反,但符號位除外。

補碼表示法規定:正數的補碼與其原碼相同;負數的補碼是在其反碼的末位加1。

原碼、反碼和補碼的表示方法

定點整數表示法

定點小數小時法

反碼

正數:正數的反碼與原碼相同。

負數:負數的反碼,符號位為“1”,數值部分按位取反。

例如: 符號位 數值位

[+7]反= 0 0000111 B

[-7]反= 1 1111000 B

註意:

a. 數0的反碼也有兩種形式,即

[+0]反=00000000B

[- 0]反=11111111B

b. 8位二進制反碼的表示範圍:-127~+127

原碼

在數值前直接加壹符號位的表示法。

例如: 符號位 數值位

[+7]原= 0 0000111 B

[-7]原= 1 0000111 B

註意:

數0的原碼有兩種形式:

[+0]原= 00000000B

[-0]原= 10000000B

位二進制原碼的表示範圍:-127~+127

補碼

1)模的概念:把壹個計量單位稱之為模或模數。

例如,時鐘是以12進制進行計數循環的,即以12為模。在時鐘上,時針加上(正撥)12的整數位或減去(反撥)12的整數位,時針的位置不變。

對於壹個模數為12的循環系統來說,加2和減10的效果是壹樣的;因此,在以12為模的系統中,凡是減10的運算都可以用加2來代替,這就把減法問題轉化成加法問題了(註:計算機的硬件結構中只有加法器,所以大部分的運算都必須最終轉換為加法)。

10和2對模12而言互為補數。

同理,計算機的運算部件與寄存器都有壹定字長的限制(假設字長為8),因此它的運算也是壹種模運算。當計數器計滿8位也就是256個數後會產生溢出,又從頭開始計數。產生溢出的量就是計數器的模,顯然,8位二進制數,它的模數為2^8=256。在計算中,兩個互補的數稱為“補碼”。

2)補碼的表示:

正數:正數的補碼和原碼相同。

負數:負數的補碼則是符號位為“1”。並且,這個“1”既是符號位,也是數值位。數值部分按位取反後再在末位(最低位)加1。也就是“反碼+1”。

例如: 符號位 數值位

[+7]補= 0 0000111 B

[-7]補= 1 1111001 B

補碼在微型機中是壹種重要的編碼形式,請註意:

a. 采用補碼後,可以方便地將減法運算轉化成加法運算,運算過程得到簡化。

正數的補碼即是它所表示的數的真值,而負數的補碼的數值部份卻不是它所表示的數的真值。

采用補碼進行運算,所得結果仍為補碼。

b. 與原碼、反碼不同,數值0的補碼只有壹個,即

[0]補=00000000B。

若字長為8位,則補碼所表示的範圍為-128~+127;進行補碼運算時,應註意所得結果不應超過補碼所能表示數的範圍。

原碼、反碼和補碼之間的轉換

由於正數的原碼、補碼、反碼表示方法均相同,不需轉換。

在此,僅以負數情況分析。

(1) 已知原碼,求補碼。

例:已知某數X的原碼為10110100B,試求X的補碼和反碼

解:由[X]原=10110100B知,X為負數。求其反碼時,符號位不變,數值部分按位求反;求其補碼時,再在其反碼的末位加1。

1 0 1 1 0 1 0 0 原碼

1 1 0 0 1 0 1 1 反碼,符號位不變,數值位取反

1 1 0 0 1 1 0 0 補碼,符號位不變,數值位取反+1

故:[X]補=11001100B,[X]反=11001011B。

(2) 已知補碼,求原碼。

分析:按照求負數補碼的逆過程,數值部分應是最低位減1,然後取反。但是對二進制數來說,先減1後取反和先取反後加1得到的結果是壹樣的,故仍可采用取反加1 有方法。

例:已知某數X的補碼11101110B,試求其原碼。

解:由[X]補=11101110B知,X為負數。

1 1 1 0 1 1 1 0 補碼

1 1 1 0 1 1 0 1 反碼(符號位不變,數值位取反加1)

1 0 0 1 0 0 1 0 原碼(符號位不變,數值位取反)

關於補碼的補充例子:

壹個正的整數的補碼就是這個整數變成二進制的值。

舉例:壹個int型變量i=10,其二進制補碼就是0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010(0x0000000A)

2. 壹個負整數的二進制補碼,就是該負數的絕對值所對應的補碼全部取反後加1.

舉例:int i=-10的補碼如何求得:

先求-10的絕對值10的補碼是0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010(0x0000000A);

再將求得的補碼取反: 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0101

再將取反後得到的補碼加1: 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0101 + 1

即可得到-10的二進制補碼: 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110(0xFFFFFFF6)

3. +0和-0的二進制補碼都是0

首先+0的二進制補碼是0;

-0的二進制補碼是+0的二進制補碼取反後加1,+0的二進制補碼為0,取反後為FFFFFFFF,加1後還是0

原碼和反碼在數值0都有二意,唯有補碼在數值0是唯壹的碼值!

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