计算机 - 存储数值 - 补码

计算机 - 存储数值 - 补码 （two's complement representation）

计算机中的有符号数有三种表示方法，即原码、反码和补码。三种表示方法均有符号位和数值位两部分，符号位都是用0表示“正”，用1表示“负”，而数值位，三种表示方法各不相同 。

在计算机系统中，数值一律用补码来表示和存储。原因在于，使用补码，可以将符号位和数值域统一处理；同时，加法和减法也可以统一处理 。

1、概念引入

在介绍补码概念之前，先介绍一下“模”的概念：“模”是指一个计量系统的计数范围，如过去计量粮食用的斗、时钟等。计算机也可以看成一个计量机器，因为计算机的字长是定长的，即存储和处理的位数是有限的，因此它也有一个计量范围，即都存在一个“模”。如：时钟的计量范围是0~11，模=12。表示n位的计算机计量范围是，模=．“模”实质上是计量器产生“溢出”的量，它的值在计量器上表示不出来，计量器上只能表示出模的余数。任何有模的计量器，均可化减法为加法运算  。
就是取反后加1。
假设当前时针指向8点，而准确时间是6点，调整时间可有以下两种拨法：一种是倒拨2小时，即8-2=6；另一种是顺拨10小时，8+10=12+6=6，即8-2=8+10=8+12-2(mod 12)．在12为模的系统里，加10和减2效果是一样的，因此凡是减2运算，都可以用加10来代替。若用一般公式可表示为：a-b=a-b+mod=a+mod-b。对“模”而言，2和10互为补数。实际上，以12为模的系统中，11和1，8和4，9和3，7和5，6和6都有这个特性，共同的特点是两者相加等于模。对于计算机，其概念和方法完全一样。n位计算机，设n=8，所能表示的最大数是11111111，若再加1成100000000(9位)，但因只有8位，最高位1自然丢失（相当于丢失一个模）。又回到了 00000000，所以8位二进制系统的模为。在这样的系统中减法问题也可以化成加法问题，只需把减数用相应的补数表示就可以了。把补数用到计算机对数的处理上，就是补码  。

2、性质

以补码定义式为基础，沿数轴列出典型的真值、原码与补码表示，可清楚了解补码的有关性质 。
(1)在补码表示中，最高位(符号位)表示数的正负，在形式上与原码相同，即 0正 1负。但补码的符号位是数值的一部分，由补码定义式计算而得。例如，负小数补码中为 1，这个 1是真值(负)加模 2后产生  。
真值，原码和补码的关系

(2)在补码表示中，数 0只有一种表示，[+0]补 =[-0]补 =0.000……0 [3] ．
(3)负数补码表示的范围比原码稍宽，多一种数码组合。对于定点数，若为纯小数，表示范围为：，若为纯整数，表示范围为：。

3、原码求补码

求给定数值的补码分以下两种情况：
3.1 正数
正整数的补码是其二进制表示，与原码相同  。
例：+9的补码是00001001。（备注：这个+9的补码是用8位2进制来表示的，补码表示方式很多，还有16位二进制补码表示形式，以及32位二进制补码表示形式，64位进制补码表示形式等。每一种补码表示形式都只能表示有限的数字。）
3.2 负数
求负整数的补码，将其原码除符号位外的所有位取反（0变1，1变0，符号位为1不变）后加1 [4] 。
同一个数字在不同的补码表示形式中是不同的。比如-15的补码，在8位二进制中是11110001，然而在16位二进制补码表示中，就是1111111111110001。以下都使用8位2进制来表示。
例：求-5的补码。
-5对应带符号位负数5（10000101）→除符号位外所有位取反（11111010）→加 00000001为 (11111011)
所以-5的补码是11111011。
3.3  0的补码
数0的补码表示是唯一的 。
[+0]补=[+0]反=[+0]原=00000000
[ -0]补=11111111+1=00000000

4、补码求原码

已知一个数的补码，求原码的操作其实就是对该补码再求补码 ：
⑴如果补码的符号位为“0”，表示是一个正数，其原码就是补码。
⑵如果补码的符号位为“1”，表示是一个负数，那么求给定的这个补码的补码就是要求的原码。
例：已知一个补码为11111001，则原码是10000111（-7）。
解：因为符号位为“1”，表示是一个负数，所以该位不变，仍为“1”。
其余七位1111001取反后为0000110；再加1，所以是10000111。

5、意义

补码“模”概念的引入、负数补码的实质、以及补码和真值之间的关系所揭示的补码符号位所具有的数学特征，无不体现了补码在计算机中表示数值型数据的优势，和原码、反码等相比可表现在如下方面 [3] ：

• (1)解决了符号的表示的问题 ；
• (2)可以将减法运算转化为补码的加法运算来实现，克服了原码加减法运算繁杂的弊端，可有效简化运算器的设计 [3] ；
• (3)在计算机中，利用电子器件的特点实现补码和真值、原码之间的相互转换，非常容易 [3] ；
• (4)补码表示统一了符号位和数值位，使得符号位可以和数值位一起直接参与运算，这也为后面设计乘法器除法器等运算器件提供了极大的方便。

总之，补码概念的引入和当时运算器设计的背景不无关系，从设计者角度，既要考虑表示的数的类型(小数、整数、实数和复数)、数值范围和精确度，又要考虑数据存储和处理所需要的硬件代价。因此，使用补码来表示机器数并得到广泛的应用，也就不难理解了。 

 

 

 

创建时间：2021.10.29　　更新时间：