补码为什么比原码行,why

补码运算原理

有任何不懂的问题可以评论区留言,能力范围内都会一一回答

继上一章,我们思考一下为啥补码可以去做减法a+(-b),但是原码不行呢?

首先我们思考问题本身是什么,是符号位导致出错了。

那我们看补码,比如说计算a+(-b)(a>0,b>0)且a,b值都不超出数值位大小范围

我们所有的原码补码反码都用xy表示,其中x表示符号位取值范围是(0或者1),y代表数值位范围是(x000 0000)0~255(x111 1111),

a的补码就是0a(a是非负数,原码反码补码相同)

-b的原码是1b

-b的反码是1(255-b)

由于反码是数值位取反,因此取反前后数值位相加之和就是 111 1111(255)

-b的补码就是1(256-b)

但是这个地方好处是什么,是因为256刚好是2^{8}也就是符号位的一

我们这个地方假设数值位可以为负,那么

-b的补码就是1  0(-b)

这个地方溢出的1被截断,而符号位为0,数值位为-b,这个时候代表的值还是-b,但是符号位变成0,变成正的了,这个地方就把负数和负数的符号位统一了,但是呢,由于数值位不能为负数,所以表示成256-b但是本质上1(256-b)和0(-b)代表的值相同。

因此虽然负数补码和原码求得的方法不同

但本质上无论是负数还是正数的补码和原码代表的值是一样的

这也就是为什么补码计算的值是正确的,并且补码参与计算能够准确无误

本质上补码和反码只是换了一个表示方式,但是表示的值的大小从未改变

-b的补码就是  0(-b)

a的补码就是    0 a

两者相加得到  0(a-b)

刚好正确

同样 a的补码就是      0a

-b的补码就是             1(256-b)

两者相加得到             1(256+a-b)

把256往前面提         10(a-b)

 溢出位1被截断,因此变成        0(a-b)

(1)a>b (a-b)>0 数值位值为正

故0(a-b)的补码是0(a-b)     

代表的值是a-b=a-b

(2)a<b   (a-b)<0  数值位为负

因此 0(a-b)-----> 1(b-a)

1(b-a)的补码是  1(b-a)

代表的值是-(b-a)=a-b

无论哪种情况计算的结果的值都是一样的

从而也反向验证了假设的可行性

因此这个地方也就能解释为啥非负数原码反码补码相同,而负数却需要变化,原因是因为补码是把所有数的符号位全部变成0参与计算,从而避免符号位的影响,但是非负数的符号位本身就是0,所以非负数的原码反码补码都相同啊!

<think>我们正在处理一个按位取反操作,数据是两个字节(16位)。表达式是~0x13。用户问为什么在计算时不需要考虑补码原码的问题。 关键点: 1. 按位取反(~)是一个位运算操作,它直接对二进制位进取反,不受原码、反码、补码规则的影响。无论操作数是有符号还是无符号,取反操作都是对每一位进0变1、1变0。 2. 补码主要是用于有符号数的加减法运算,以避免出现两个零的情况,并统一加减法运算。而按位取反是位运算,与数值的符号无关,它仅仅是对每一位取反。 3. 在计算~0x13时,我们首先将0x13表示为16位二进制(因为数据是两个字节),然后逐位取反。结果也是一个16位二进制数,这个数可以按照无符号数来解释,也可以按照有符号补码来解释,但取反操作本身不涉及补码的转换。 为什么不需要补码原码? - 因为按位取反操作不涉及算术运算(如加法、减法),它只是简单的位翻转。无论原始数据是以什么编码形式(原码、反码、补码)存储,取反操作都是直接对二进制位进操作。 - 例如,0x13的16位表示是0000000000010011,取反后为1111111111101100。这个结果1111111111101100就是最终的二进制形式。如果我们将其视为无符号整数,那么就是65516(因为0xFFFF是65535,0xFFFF-0x13=65535-19=65516,或者直接计算:2^16-1-19=65516);如果视为有符号整数(补码表示),那么最高位是1,所以是负数,需要求补码得到原码才能知道其数值,但这与取反操作本身无关,取反操作已经完成,后续的解释取决于我们如何看待这个结果。 但是,用户可能会问:如果0x13是一个有符号正数,那么取反后的结果是一个负数(因为最高位是1),那么为什么不按照补码的规则转换回原码来看它的值呢? 注意:取反操作已经完成,得到的结果是1111111111101100。这个结果在内存中就是这样的。如果我们把这个结果当作有符号数,那么它确实是一个负数,我们需要通过补码的规则(取反加1)得到它对应的原码,从而知道它的数值。但是,这个步骤是在解释取反后的结果时进的,而不是在取反操作过程中进的。取反操作本身不涉及补码转换,它只是位翻转。 然而,在计算表达式的值时,我们通常需要根据上下文确定结果的解释方式。但题目并没有指定是有符号还是无符号,所以我们可以直接以十六进制形式给出结果,即0xFFEC。如果要求数值,则需要明确解释方式。 但是,用户的问题具体是:为什么不用补码原码?因为按位取反操作不需要进补码转换,它是对当前表示的每一位取反(不管这个表示是原码补码还是反码,操作是一样的)。例如: - 如果0x13是用原码表示的,那么取反就是对原码的每一位取反(包括符号位)?但通常我们说的原码,符号位是独立的,而按位取反是对所有位取反,包括符号位。所以实际上,按位取反操作并不区分原码补码,它只针对二进制位。 在计算机中,数据是以补码形式存储的(对于有符号整数),但是按位取反操作是直接对补码取反。例如,对于有符号整数0x13(正数,补码就是其二进制本身),取反后得到一个新的补码表示的数。此时,这个新的数(1111111111101100)就是结果的补码形式。如果我们想知道它的数值,那么需要将这个补码转换为原码(对于负数:补码补码就是原码),也就是取反加1。但是,注意,这个转换是在我们想要知道这个负数的数值时才进的,而取反操作本身不需要这个转换。 然而,在题目中,我们只是要求计算表达式~0x13的值,通常我们直接给出取反后的十六进制形式即可。如果我们要求数值,那么就要看上下文是有符号还是无符号。 因此,我们可以总结: 1. 按位取反操作直接对二进制位进操作,与编码方式无关。 2. 对于0x13(16位,补码表示为0000000000010011),取反后为1111111111101100,即0xFFEC。 3. 如果题目要求数值,那么我们需要根据数据类型(有符号还是无符号)来解释0xFFEC: - 无符号:0xFFEC = 65516 - 有符号:0xFFEC的最高位是1,所以是负数。将其补码(1111111111101100)转换为原码:先取反(0000000000010011)再加1(0000000000010100),所以原码为1000000000010100(符号位不变,数值部分为0000000000010100),即-(1*16+4)=-20(注意,实际上可以直接用0x0014(20)取负,因为补码的转换规则:负数补码对应的原码是-(0x10000-0xFFEC) = -(65536-65516) = -20? 但是注意,16位有符号数的表示范围是-32768~32767,所以0xFFEC作为有符号数时,值为-20?我们来验证:0xFFEC的补码是1111111111101100,求原码:符号位不变,其余取反加1:1000000000010011+1=1000000000010100,即-20(二进制1000000000010100的数值部分是20,加上负号)。另一种计算方式:0xFFEC作为无符号数是65516,减去65536(因为16位有符号数的模)得到-20。 因此,如果我们要求数值,则需要根据有符号或无符号来解释。但题目没有明确,所以我们通常给出十六进制结果0xFFEC。 但是,在最初的计算中,我们并没有进补码原码,因为我们只是对位进了取反,然后得到了十六进制结果。而后续的解释(求数值)才需要用到补码原码(如果是有符号数)。 所以,回答用户的问题:因为按位取反运算本身不涉及数值的算术运算,它只是对二进制位进翻转,所以不需要进补码原码的转换。补码原码是在需要知道有符号数的数值时才需要的步骤。 不过,在计算过程中,我们需要注意:0x13本身是正数,其补码就是其本身,取反后得到的结果是一个负数的补码(如果解释为有符号数)。但是,取反操作是直接对补码的,所以我们不需要先将0x13的原码求出来再取反,而是直接对其补码取反。 总结:按位取反是对存储的二进制形式(补码)直接取反,因此操作本身不需要补码原码的转换。只有当需要知道取反后的结果所表示的数值(特别是有符号数)时,才需要将结果(补码)转换为原码。 在之前的回答中,我们直接计算了取反后的二进制,并转换为十六进制0xFFEC,这是正确且简便的方式。 因此,回答如下: 在计算表达式~0x13(数据为两个字节)时,按位取反操作直接作用于数据的二进制表示(即补码形式),不需要进补码原码,原因如下: 1. 按位取反运算符(~)的定义是逐位反转,无论该位是符号位还是数值位,也不考虑数据的编码方式(原码、反码、补码)。 2. 0x13作为正数,其16位补码表示就是`0000000000010011`,取反后得到`1111111111101100`(即0xFFEC)。 3. 补码原码的转换通常用于有符号数的数值解释(例如判断取反结果的数值),但取反运算本身不涉及这种转换。 如果要求取反结果的数值,则需要根据数据类型解释: - 若解释为无符号整数:0xFFEC = 65516 - 若解释为有符号整数:0xFFEC是补码,对应的原码为`1000000000010100`(通过补码补码运算得到),即-20[^3]。 但题目仅要求表达式的值,通常以十六进制形式给出0xFFEC即可。 相关问题: 1. 按位取反操作与数值的符号有什么关系? 2. 如何计算有符号整数的按位取反结果对应的数值? 3. 为什么计算机中常用补码表示有符号整数? </think>在计算表达式~0x13(数据为两个字节)的值时,无需进补码原码的操作,原因如下: ### 1. **按位取反是直接位运算** - 按位取反运算符`~`直接对二进制位进操作,不受数值符号影响[^1][^3]。 - 对`0x13`(16位:`0000000000010011`)逐位取反: ```math \begin{align*} &\texttt{0000000000010011} \quad (\text{0x13的二进制}) \\ &\texttt{1111111111101100} \quad (\text{取反结果}) \end{align*} $$ 结果直接为十六进制`0xFFEC`,无需补码转换。 ### 2. **补码转换的适用场景不同** - 补码机制用于**算术运算**(如加减法),解决符号位参与计算的问题[^1][^3]。 - 按位取反是**纯位操作**,不涉及数值的正负运算,只需翻转比特位[^2][^4]。 ### 3. **结果的解释独立于运算过程** - 取反结果`0xFFEC`若需解释为有符号整数,才需补码原码(此时值为`-20`)[^3]: ```math \begin{align*} &\texttt{1111111111101100} \quad (\text{补码}) \\ &\rightarrow \texttt{1000000000010100} \quad (\text{原码}) = -20 \end{align*} $$ - 但题目仅要求运算结果,直接输出`0xFFEC`即可,无需额外转换[^2][^4]。 ### 总结 按位取反的运算规则是**位级翻转**,与补码的算术运算机制无关。因此对`~0x13`只需直接操作二进制位,无需通过补码原码。 --- ### 相关问题 1. 按位取反运算符对有符号数和无符号数的处理有何区别? 2. 如何验证`0xFFEC`作为有符号整数时的值为`-20`[^3]? 3. 补码机制在哪些运算场景中必须使用? [^1]: 按位取反直接操作二进制位,与补码的算术运算机制无关 [^2]: 补码转换主要用于解决符号位参与算术运算的问题 [^3]: 运算结果若需解释为有符号数,才需补码原码 [^4]: 补码机制的核心是统一加减法运算,与位运算独立
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