反碼錶示法規定: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。
補碼錶示法規定: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。
1、原碼、反碼和補碼的表示方法
(1) 原碼:在數值前直接加一符號位的表示法。
例如: 符號位 數值位
[+7]原= 0 0000111 B
[-7]原= 1 0000111 B
注意:a. 數0的原碼有兩種形式:
[+0]原=00000000B [-0]原=10000000B
b. 8位二進制原碼的表示範圍:-127~+127
(2)反碼:
正數:正數的反碼與原碼相同。
負數:負數的反碼,符號位爲“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
注意: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
(3)補碼的表示方法
1)模的概念:把一個計量單位稱之爲模或模數。例如,時鐘是以12進制進行計數循環的,即以12爲模。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。14點鐘在捨去模12後,成爲(下午)2點鐘(14=14-12=2)。從0點出發逆時針撥10格即減去10小時,也可看成從0點出發順時針撥2格(加上2小時),即2點(0-10=-10=-10+12=2)。因此,在模12的前提下,-10可映射爲+2。由此可見,對於一個模數爲12的循環系統來說,加2和減10的效果是一樣的;因此,在以12爲模的系統中,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(注: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爲加法)。10和2對模12而言互爲補數。
同理,計算機的運算部件與寄存器都有一定字長的限制(假設字長爲8),因此它的運算也是一種模運算。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,它的模數爲28=256。在計算中,兩個互補的數稱爲“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爲“1”,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
補碼在微型機中是一種重要的編碼形式,請注意:
a. 採用補碼後,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。採用補碼進行運算,所得結果仍爲補碼。
b. 與原碼、反碼不同,數值0的補碼只有一個,即 [0]補=00000000B。
c. 若字長爲8位,則補碼所表示的範圍爲-128~+127;進行補碼運算時,應注意所得結果不應超過補碼所能表示數的範圍。
2.原碼、反碼和補碼之間的轉換
由於正數的原碼、補碼、反碼錶示方法均相同,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的原碼爲10110100B,試求X的補碼和反碼。
解:由[X]原=10110100B知,X爲負數。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
1 1 0 0 1 1 0 0 補碼
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得到的結果是一樣的,故仍可採用取反加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爲負數。求其原碼錶示時,符號位不變,數值部分按位求反,再在末位加1。
1 1 1 0 1 1 1 0 補碼
1 0 0 1 0 0 0 1 符號位不變,數值位取反
1 +1
1 0 0 1 0 0 1 0 原碼
1.3.2 有符號數運算時的溢出問題
請大家來做兩個題目:
兩正數相加怎麼變成了負數???
1)(+72)+(+98)=?
0 1 0 0 1 0 0 0 B +72
+ 0 1 1 0 0 0 1 0 B +98
1 0 1 0 1 0 1 0 B -42
兩負數相加怎麼會得出正數???
2)(-83)+(-80)=?
1 0 1 0 1 1 0 1 B -83
+ 1 0 1 1 0 0 0 0 B -80
0 1 0 1 1 1 0 1 B +93
思考:這兩個題目,按照正常的法則來運算,但結果顯然不正確,這是怎麼回事呢?
答案:這是因爲發生了溢出。
如果計算機的字長爲n位,n位二進制數的最高位爲符號位,其餘n-1位爲數值位,採用補碼錶示法時,可表示的數X的範圍是 -2n-1≤X≤2n-1-1
當n=8時,可表示的有符號數的範圍爲-128~+127。兩個有符號數進行加法運算時,如果運算結果超出可表示的有符號數的範圍時,就會發生溢出,使計算結果出錯。很顯然,溢出只能出現在兩個同符號數相加或兩個異符號數相減的情況下。
對於加法運算,如果次高位(數值部分最高位)形成進位加入最高位,而最高位(符號位)相加(包括次高位的進位)卻沒有進位輸出時,或者反過來,次高位沒有進位加入最高位,但最高位卻有進位輸出時,都將發生溢出。因爲這兩種情況是:兩個正數相加,結果超出了範圍,形式上變成了負數;兩負數相加,結果超出了範圍,形式上變成了正數。
而對於減法運算,當次高位不需從最高位借位,但最高位卻需借位(正數減負數,差超出範圍),或者反過來,次高位需從最高位借位,但最高位不需借位(負數減正數,差超出範圍),也會出現溢出。
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。本部分演示作何一個整數的原碼、反碼、補碼。過程與結果顯示在列表框中,結果比較少,不必自動清除,而過程是相同的,沒有必要清除。故需設清除各部分及清除全部的按鈕。測試時注意最大、最小正負數。用戶使用時注意講解不會溢出:當有一個數的反碼的全部位是1纔會溢出,那麼它的原碼是10000...,它不是負數,故不會溢出。
在n位的機器數中,最高位爲符號位,該位爲零表示爲正,爲一表示爲負;其餘n-1位爲數值位,各位的值可爲零或一。當真值爲正時,原碼、反碼、補碼數值位完全相同;當真值爲負時,原碼的數值位保持原樣,反碼的數值位是原碼數值位的各位取反,補碼則是反碼的最低位加一。注意符號位不變。
總結:提示信息不要太少,可“某某數的反碼是某某”,而不是隻顯示數值。
1.原碼的求法:(1)對於正數,轉化爲二進制數,在最前面添加一符號位(這是規定的),用1表示負數,二表示正數.如:0000 0000是一個字節,其中0爲符號位,表示是正數,其它七位表示二進制的值.其實,機器不管這些,什麼符號位還是值,機器統統看作是值來計算. 正數的原碼、反碼、補碼是同一個數!
(2)對於負數,轉化爲二進制數,前面符號位爲1.表示是負數.
計算原碼只要在轉化的二進制數前面加上相應的符號位就行了.
2.反碼的求法:對於負數,將原碼各位取反,符號位不變.
3.補碼的求法:對於負數,將反碼加上二進制的1即可,也就是反碼在最後一位上加上1就是補碼了.