原碼、反碼、補碼
數(shù)值在計算機中表示形式為機器數(shù),計算機只能識別0和1,使用的是二進制,而在日常生活中人們使用的是十進制,"正如亞里士多德早就指出的那樣,今天十進制的廣泛采用,只不過我們絕大多數(shù)人生來具有10個手指頭這個解剖學事實的結(jié)果.盡管在歷史上手指計數(shù)(5,10進制)的實踐要比二或三進制計數(shù)出現(xiàn)的晚."(摘自<<數(shù)學發(fā)展史>>有空大家可以看看哦~,很有意思的).為了能方便的與二進制轉(zhuǎn)換,就使用了十六進制(2 4)和八進制(23).下面進入正題.
數(shù)值有正負之分,計算機就用一個數(shù)的最高位存放符號(0為正,1為負).這就是機器數(shù)的原碼了.假設機器能處理的位數(shù)為8.即字長為1byte,原碼能表示數(shù)值的范圍為
(-127~-0 +0~127)共256個.
有了數(shù)值的表示方法就可以對數(shù)進行算術(shù)運算.但是很快就發(fā)現(xiàn)用帶符號位的原碼進行乘除運算時結(jié)果正確,而在加減運算的時候就出現(xiàn)了問題,如下: 假設字長為8bits
( 1 ) 10- ( 1 )10 = ( 1 )10 + ( -1 )10 = ( 0 )10
(00000001)原 + (10000001)原 = (10000010)原 = ( -2 ) 顯然不正確.
因為在兩個整數(shù)的加法運算中是沒有問題的,于是就發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)在帶符號位的負數(shù)身上,對除符號位外的其余各位逐位取反就產(chǎn)生了反碼.反碼的取值空間和原碼相同且一一對應. 下面是反碼的減法運算:
( 1 )10 - ( 1 ) 10= ( 1 ) 10+ ( -1 ) 10= ( 0 )10
(00000001) 反+ (11111110)反 = (11111111)反 = ( -0 ) 有問題.
( 1 )10 - ( 2)10 = ( 1 )10 + ( -2 )10 = ( -1 )10
(00000001) 反+ (11111101)反 = (11111110)反 = ( -1 ) 正確
問題出現(xiàn)在(+0)和(-0)上,在人們的計算概念中零是沒有正負之分的.(印度人首先將零作為標記并放入運算之中,包含有零號的印度數(shù)學和十進制計數(shù)對人類文明的貢獻極大).
于是就引入了補碼概念. 負數(shù)的補碼就是對反碼加一,而正數(shù)不變,正數(shù)的原碼反碼補碼是一樣的.在補碼中用(-128)代替了(-0),所以補碼的表示范圍為:
(-128~0~127)共256個.
注意:(-128)沒有相對應的原碼和反碼, (-128) = (10000000) 補碼的加減運算如下:
( 1 ) 10- ( 1 ) 10= ( 1 )10 + ( -1 )10 = ( 0 )10
(00000001)補 + (11111111)補 = (00000000)補 = ( 0 ) 正確
( 1 ) 10- ( 2) 10= ( 1 )10 + ( -2 )10 = ( -1 )10
(00000001) 補+ (11111110) 補= (11111111)補 = ( -1 ) 正確
所以補碼的設計目的是:
⑴使符號位能與有效值部分一起參加運算,從而簡化運算規(guī)則.
⑵使減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算,進一步簡化計算機中運算器的線路設計
所有這些轉(zhuǎn)換都是在計算機的最底層進行的，而在我們使用的匯編、C等其他高級語言中使用的都是原碼。看了上面這些大家應該對原碼、反碼、補碼有了新的認識了吧！
有網(wǎng)友對此做了進一步的總結(jié)：
本人大致總結(jié)一下：
1、在計算機系統(tǒng)中，數(shù)值一律用補碼來表示（存儲）。
主要原因：使用補碼，可以將符號位和其它位統(tǒng)一處理；同時，減法也可按加法來處理。另外，兩個用補碼表示的數(shù)相加時，如果最高位（符號位）有進位，則進位被舍棄。
2、補碼與原碼的轉(zhuǎn)換過程幾乎是相同的。
數(shù)值的補碼表示也分兩種情況：
（1）正數(shù)的補碼：與原碼相同。
例如，+9的補碼是00001001。
（2）負數(shù)的補碼：符號位為1，其余位為該數(shù)絕對值的原碼按位取反；然后整個數(shù)加1。
例如，-7的補碼：因為是負數(shù)，則符號位為“1”,整個為10000111；其余7位為-7的絕對值+7的原碼0000111按位取反為1111000；再加1，所以-7的補碼是11111001。
已知一個數(shù)的補碼，求原碼的操作分兩種情況：
（1）如果補碼的符號位為“0”，表示是一個正數(shù)，所以補碼就是該數(shù)的原碼。
（2）如果補碼的符號位為“1”，表示是一個負數(shù)，求原碼的操作可以是：符號位為1，其余各位取反，然后再整個數(shù)加1。
例如，已知一個補碼為11111001，則原碼是10000111（-7）：因為符號位為“1”，表示是一個負數(shù)，所以該位不變，仍為“1”；其余7位1111001取反后為0000110；再加1，所以是10000111。
在“閑扯原碼、反碼、補碼”文件中，沒有提到一個很重要的概念“模”。我在這里稍微介紹一下“模”的概念：
“模”是指一個計量系統(tǒng)的計數(shù)范圍。如時鐘等。計算機也可以看成一個計量機器，它也有一個計量范圍，即都存在一個“模”。例如：
時鐘的計量范圍是0～11，模=12。
表示n位的計算機計量范圍是0～2(n)-1，模=2（n）?！咀ⅲ簄表示指數(shù)】
“模”實質(zhì)上是計量器產(chǎn)生“溢出”的量，它的值在計量器上表示不出來，計量器上只能表示出模的余數(shù)。任何有模的計量器，均可化減法為加法運算。
例如： 假設當前時針指向10點，而準確時間是6點，調(diào)整時間可有以下兩種撥法：
一種是倒撥4小時，即：10-4=6
另一種是順撥8小時：10+8=12+6=6
在以12模的系統(tǒng)中，加8和減4效果是一樣的，因此凡是減4運算，都可以用加8來代替。
對“模”而言，8和4互為補數(shù)。實際上以12模的系統(tǒng)中，11和1，10和2，9和3，7和5，6和6都有這個特性。共同的特點是兩者相加等于模。
對于計算機，其概念和方法完全一樣。n位計算機，設n=8， 所能表示的最大數(shù)是11111111，若再加1稱為100000000(9位)，但因只有8位，最高位1自然丟失。又回了00000000，所以8位二進制系統(tǒng)的模為2(8)。 在這樣的系統(tǒng)中減法問題也可以化成加法問題，只需把減數(shù)用相應的補數(shù)表示就可以了。
把補數(shù)用到計算機對數(shù)的處理上，就是補碼。