D4:计算机组成原理-定点数的表示(无符号数、真值和机器数、原码、补码、反码、移码…..)

无符号数

没有正负号,整个机器字长的全部二进制位均为树脂位,没有符号位,相当于的数的绝对值。8位二进制数,就是2的8次方种不同的状态。

0000 0000 ~1111 1111 = 0 ~255

最大的数就是=1 0000 0000 -1 = 256 -1

n位的无符号数表示范围为: 0 ~ 2的n次方减1

机器数

一个数在计算机中的二进制表示形式, 叫做这个数的机器数。

机器数是带符号的,在计算机用一个数的最高位存放符号, 正数为0, 负数为1

比如,十进制中的数 +3 ,计算机一个字节长度为8位,转换成二进制就是00000011。如果是 -3 ,就是 10000011 。那么,这里的 00000011 和 10000011 就是机器数。

真值

因为最高位是符号位,所以机器数的形式值就不等于真正的数值。例如上面的有符号数 10000011,其最高位1代表负,其真正数值是 -3 (10000011转换成十进制等于131)。所以,为区别起见,将带符号位的机器数对应的真正数值称为机器数的真值。

例:0000 0001的真值 = +000 0001 = +1, 1000 0001的真值 = –000 0001 = –1

定点表示

机器数中的小数点位置是固定不变的,小数点不再使用“.”表示,而是约定它的位置。小数点:隐含存储(定点数:事先约定;浮点数:按规则浮动)

这里有两种简单的约定,将小数点的位置固定在数据的最高位之前,或固定在最低位之后。一般称前者为定点小数后者为定点整数。

定点小数

+0.75 = 0.11B 存储为011

-0.75 = 1.11B 存储为111

TIPS:小数点后面两位 绝对值0.00 ~0.11 = 1-0.01

定点整数

+3D= 011.B 存储为011

-3D = 111.B 存储为111

有符号数(4种表示方法:原码、补码、反码、移码)通过“0”表示正号,“1”表示负号,来表示数据。

原码简单,直观,但是没有解决减法问题;

反码解决了减法问题,但是没有解决两个0的问题;

补码的引入解决了上述问题

原码

使用0表示正数,使用1表示负数,规定符号位位于数值的第一位,表达简单明了,是人类最容易理解的表示法。缺点:减法运算复杂,无法用正数替代负数。无法是用加法代替减法操作

原码整数原码整数原码小数

但是用原码表示数有一个问题, 就是会出现两个0,如下所示:[+0.0000]_原 = 0.0000 [-0.0000]_原 = 1.0000

[+0]_原 = 0,0000 [-0]_原 = 1,0000

补码表示法

模、补数–在日常生活当中,可以看到很多这样的事情:

把某物体左转 90 度,和右转 270 度,在不考虑圈数的条件下,最终的效果是相同的;

把数字 87,减去 25,和加上 75,在不考虑百位数的条件下,效果也是相同的;

……。

上述几组数字,有这样的关系:90 + 270 = 360 ; 25 + 75 = 100 式中的 360 和 100,就是“模”。式中的 90 和 270、以及 25 和 75,就是一对对“互补”的数字。

知道了“模”,求某个数字的“补数”,就是轻而易举的了:

如果模为 24,数字 10 的补数为:24- 10 = 14。

用补数代替原数,可把减法转变为加法。出现的进位就是模,此时的进位,就应该忽略不计。

二进制数的模

前面说过的十进制数 25 和 75,它们是 2 位数的运算,模是 100,即 1 的后面加上 2 个 0。

如果有 3 位数参加运算,模就是 1000,即 1 的后面加上 3 个 0。

这里的 1000,是十进制数的一千,可以写成 10^3,即 10 的 3 次方。

推论:有多少位数参加运算,模就是在 1 的后面加上多少个 0。

对于二进制数字,模也是这样推算。

如果是 3 位二进制数参加运算,模就是 1000,即 1 的后面加上 3 个 0;

那么当 8 位二进制数参加运算,模就是 1 0000 0000,即 1 的后面加上 8 个 0。

16 位二进制数参加运算,模可就大了,是 1 的后面加上 16 个 0。

注意:这里提到的 1、0,都是二进制数。8 位二进制数的模可以按照十进制写成 2^8,即 256。16 位数二进制数的模,就是 2^16,按照十进制,它就是 65536。

二进制数的补码

求二进制数的补数,目的是往计算机里面存放。

在计算机里面,存放的数字什么的,都称为机器码;那么二进制形式的补数,也就改称为补码了。一般情况下,都是以 8 位二进制数来讨论补码,少数也有用 16 位数的。

计算时加上正数,是不需要进行求取补数的;只有进行减法(或者加上负数),才需要对减数求补数。

补码就是按照这个要求来定义的:正数不变,负数即用模减去绝对值。

已知一个数 X,其 8 位字长的补码定义为:

      / X 0 <= X <= +127 ;正数和0的补码,就是该数字本身

 [X]补 = |

       2^8 -|X| -128 <= X < 0 ;负数的补码,就是用 1 0000 0000,减去该数字的绝对值

例如 X = -126,其补码为 1000 0010,计算方法如下:

    1 0000 0000

   - 0111 1110

 -----------

     1000 0010

可以看出,按照补码的定义来求补码,概念十分清晰,方法、步骤也是十分简单的。

应用补码进行计算

用补码计算:83-25=58。

    83  ---都变成补码,再用加法运算-->  0101 0011

  - 25  -> 1 0000 0000 – 0001 1001-> + 1110 0111

 -----          --------

    58  <--忽略进位1,结果就是正确的--[1] 0011 1010

计算结果如果超出了-128~+127的范围,结果将是错误的,这是没有办法纠正的。

应用补码进行计算,完全符合前面介绍的“用补数可把减法转换成加法”的做法,只要忽略进位(这个进位1,就是求补的时候,加进去的1 0000 0000中的1),结果就是正确的。

负数的补码就是:原码除符号位外,每位取反,末位+1.负数的原码也可以用:补码除符号位外,每位取反,末位+1来求得

补码表示很难直接判断其真值大小, 如:

移码表示法:

移码只有整数形式的定义, 这个与移码在计算机的数据表示中的作用有关, 移码通常表示浮点数据表示的阶码部分.

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