数据进制的转换以及定点数的表示(原码、补码、反码、移码)

本文详细介绍了不同进制间的转换方法,包括二进制、八进制、十六进制与十进制的互转,并讲解了定点数在计算机中的表示方式,包括原码、反码、补码和移码的概念。

一、不同进制之间的转换

      首先,要介绍一下基数和位权,所谓基数就是在进位计数法中,每个数位所能用到的不同数码的个数,如十进制的基数为10(0~9)。每个数码所表示的数值等于该数码本身乘以一个与它所在数位有关的常数,这个常数则称为位权。下面将详细介绍不同进制之间的转换:
      (1)二进制转化为八进制和十六进制
      对于一个二进制混合数,在转换时应以小数点为界。其整数部分,从左往右数,将一串二进制数分为3位(八进制)一组或4位(十六进制)一组,在数的最左边适应性补“0”;对于小数部分,从右往左数,也是每三位一组或四位一组,最右边适应性补“0”。比如:
      一个二进制数1111000010.01101分别转换为八进制和十六进制。
      转换为八进制为:001    111    000    010    .   011    010,对应八进制数为1702.32
      转换为十六进制为:0011    1100    0010    .   0110    1000,对应十六进制数为3C2.68
      当然八进制或者十六进制转化为二进制也比较简单,只需要将每一位改为3位或4位二进制就可以了。而八进制与十六进制的互相转换则可以通过二进制过渡。
      (2)任意进制转换为十进制
      将任意进制的数各个数码与他们的权值相乘,再把乘积相加就可。
      (3)十进制转换为任意进制
      一个十进制转化为任意进制通常采用基数乘除法。这种转换方法对于十进制的整数部分与小数部分分别处理,对于整数部分采用除基取余法,对于小数部分采用乘基取整法。比如下面一个例子:
      将十进制123.6875转换成二进制数。
      整数部分,采用除基取余法,整数部分先除基取余,最先得到的余数为数的最低位,最后取得的余数为数的最高位,直到商为0时结束。
在这里插入图片描述
      故整数部分转换为二进制为1111011
      小数部分,采用乘基取整法,小数部分乘基取整,最先取得的整数为最高位,最后取得的整数位最低位,乘积为0时结束。在这里插入图片描述
      故小数部分转化为二进制为:0.1011
      所以123.6875转换为二进制为1111011.1011

二、定点数的表示

      数在计算机中的表示形式统称为机器数。计算机中处理数据及运算都是采用二进制。实用的数据有正数和负数,因为计算机只能表示0、1两种状态,数据的正号“+”或负号“-”,在计算机里就用一位二进制的0或1来区别,通常放在最高位,成为符号位。 符号位数值化之后,为能方便的对机器数进行算术运算、提高运算速度,计算机设计了多种符号位与数值一起编码的方法,最常用的机器数表示方法有:原码、反码、补码和移码,下面就分别介绍一下它们的表示方法。
      (1)原码
      原码是一种比较简单、直观的机器数表示法,用最高位表示符号位,其余的各位表示数的绝对值。比如3的原码是:0 000 0011 ,                                          -3的原码是:1 000 0011
      (2)补码
      正数的补码与原码相同,负数的补码,符号位不变,将数值部分按位取反,末位加1。比如-3的补码是:1 111 1101
      (3)反码
      正数的反码和原码相同,负数的反码,符号位不变,数值位按位取反,比如-3的反码是: 1 111 1100
      (4)移码
      移码就是在真值上加上一个常数,通常这个常熟取2^n
      (5)注意
      对于反码和原码,0的表示不唯一,对于补码和反码0的表示唯一。

<think> 我们正在讨论整数和小数的原码反码补码转换。根据引用内容,整数和小数的表示方法有相似之处,但也存在差异。下面将分别讨论整数和小数的转换方法,并注意两者的区别。 关键点: 1. 原码:最高位为符号位(0正1负),其余位表示数值的绝对值。 2. 反码:正数的反码原码相同;负数的反码是符号位不变,其余位按位取反。 3. 补码:正数的补码原码相同;负数的补码是其反码加1(进位到符号位时不改变符号位,即模运算)。 4. 移码:通常用于指数部分(如浮点数阶码),补码的符号位取反得到移码(数值位不变)。 对于小数(这里指定点小数): - 原码:符号位+小数部分(绝对值)。小数部分通常用二进制分数表示。 - 反码补码转换规则与整数类似,但注意小数部分的位数是固定的。 注意:引用[1]中提到,负数的原码反码补码的求法与整数类似,但对于小数,阶数n=0(即小数点在符号位之后,数值部分之前)。 下面分别给出整数和小数的转换步骤和例子。 一、整数的原码反码补码转换(以8位为例): 1. 原码 -> 反码: - 正数:不变 - 负数:符号位不变,数值部分按位取反。 2. 反码 -> 补码: - 正数:不变 - 负数:在反码基础上加1(注意进位)。 3. 补码 -> 原码: - 正数:不变(最高位为0) - 负数:补码的符号位不变,数值部分按位取反后加1(即再次求补)。 或者:补码补码等于原码(符号位不变)。 二、定点小数的原码反码补码转换(假设8位,其中1位符号位,7位小数位): 1. 原码:符号位+小数部分(例如:0.101表示正数,1.101表示负数,其绝对值为0.101) 2. 反码: - 正数:与原码相同 - 负数:符号位不变,小数部分按位取反。 3. 补码: - 正数:与原码相同 - 负数:反码加1(注意:这里是二进制小数加法,加1是在最低位加1,可能会产生进位,但模为2(因为小数部分有固定的位数,进位到符号位的1会被舍弃,实际上相当于模2运算))。 注意:定点小数中,补码的范围是[-1, 1-2^{-7}],而原码反码的范围是[-1+2^{-7}, 1-2^{-7}],并且有±0的区别。 移码:无论是整数还是小数,移码通常用于浮点数的阶码(指数部分)。转换规则:补码的符号位取反,数值位不变。移码表示中,0的表示唯一(整数移码的0表示为100...0,小数移码类似)。 例子(整数): 真值:+5 (8位) 原码:00000101 反码:00000101 补码:00000101 移码:10000101 (补码符号位取反:原补码符号位是0,取反为1) 真值:-5 原码:10000101 反码:11111010 (符号位不变,其余取反) 补码:11111011 (反码加1) 移码:01111011 (补码符号位取反:原补码符号位是1,取反为0) 例子(小数,假设8位,符号1位,小数7位): 真值:+0.625 (二进制表示为0.1010000) 原码:0.1010000 反码:0.1010000 补码:0.1010000 移码:这里一般不用于小数,而是用于阶码(指数部分)。如果一定要用,规则同整数:补码符号位取反,但注意小数点的位置不变?实际上移码通常用于整数形式的阶码。 真值:-0.625 原码:1.1010000 反码:1.0101111 (符号位不变,数值部分取反) 补码:1.0110000 (反码加1:1.0101111 + 0.0000001 = 1.0110000) 移码:若将补码的符号位取反,得到0.0110000 注意:在定点小数中,补码表示的最小值是-1,其补码表示为1.0000000(8位)。因为-1的原码在定点小数中无法直接表示(通常定点小数原码范围是(-1,1)),但补码可以表示-1。 根据引用[2]:补码原码反码表示一个数(即最小值,如8位整数补码范围-128~127,而原码是-127~127)。同样,定点小数补码可以表示-1,而原码不能。 引用[3]中提供了原码反码补码互相转换的方法,与上述一致。 因此,转换方法总结如下: ### 整数转换(以n位为例,包括符号位) 1. **原码反码**: - 正数:不变 - 负数:符号位不变,其余位取反。 2. **反码补码**: - 正数:不变 - 负数:反码加1(注意溢出)。 3. **补码原码**: - 正数:补码原码 - 负数:补码的符号位不变,其余位取反加1;或者再次求补(即补码补码等于原码)。 ### 定点小数转换(符号位1位,m位小数部分) 转换规则与整数类似,但注意小数点的位置固定(符号位之后)。负数补码计算时,反码加1是在小数部分的最低位加1,可能向高位进位(但不会改变符号位,因为模为2,进位到符号位的1会被舍弃,实际上相当于模2运算)。 另外,移码转换规则统一为:将补码的符号位取反。 注意:浮点数中的阶码(指数)通常用移码表示,而尾数部分通常用原码补码表示。但根据IEEE 754标准,尾数部分是用原码表示的(规格化后的绝对值在[1,2)之间,但隐藏最高位1)。 由于问题要求生成相关问题,下面将生成三个相关问题。 §§相关问题§§ 1. 8位整数补码中,-128的原码反码如何表示? 2. 定点小数补码表示中,-1的补码是什么?为什么原码无法表示-1? 3. 浮点数中阶码(指数)为什么通常使用移码表示? 注意:我们引用了内容,因此需要在回答中适当添加引用标记。由于引用[1][2][3]都涉及这些内容,我们在关键点处添加引用。 </think> ### 整数与小数的原码反码补码转换方法 以下转换规则适用于定点数二进制表示(符号位为最高位,整数部分和小数部分按位权展开)。设数据总位数为 $n$ 位(含符号位),小数部分占 $k$ 位。 #### **一、通用转换规则** 1. **原码反码** - **正数**:与原码相同 - **负数**:符号位不变,数值位按位取反 $$ \text{反码} = \text{符号位} + (\text{数值位按位取反}) $$ 2. **反码补码** - **正数**:与反码相同 - **负数**:反码末位加 $1$(进位至符号位时舍弃) $$ \text{补码} = \text{反码} + 1 \quad (\text{模 } 2^n) $$ 3. **补码移码** - 所有情况:补码的符号位取反 $$ \text{移码} = \text{补码} \oplus (100...0)_2 \quad (\text{异或操作}) $$ #### **二、整数转换示例(5位存储,真值 $-5$)** | 表示法 | 计算过程 | 二进制值 | |--------|------------------------------|----------| | 原码 | 符号位 $1$ + 绝对值 $101$ | $1101$ | | 反码 | 符号位不变,数值位取反 $010$ | $1010$ | | 补码 | 反码 $1010 + 1$ | $1011$ | | 移码 | 补码 $1011$ 符号位取反 | $0011$ | #### **三、小数转换示例(8位存储,符号1位,小数7位,真值 $-0.625$)** $-0.625_{10} = -0.101_2$ 1. **原码**:符号位 $1$ + 小数部分 $1010000$ → $1.1010000$ 2. **反码**:符号位不变,数值位取反 $0101111$ → $1.0101111$ 3. **补码**:反码 $1.0101111 + 0.0000001$ → $1.0110000$ 4. **移码**:补码 $1.0110000$ 符号位取反 → $0.0110000$ #### **四、关键区别** 1. **范围差异**: - 整数补码范围:$[-2^{n-1}, 2^{n-1}-1]$(如 8 位:$-128$~$127$) - 原码/反码范围:$[-(2^{n-1}-1), 2^{n-1}-1]$(如 8 位:$-127$~$127$)[^2] 2. **小数 $-1$ 的补码**:符号位 $1$ + 数值位全 $0$(如 $1.0000000$),而原码无法表示 $-1$[^2]。 3. **移码作用**:通过符号位取反,使全 $0$ 表示最小负数,便于浮点数阶码比较大小[^1]。 ```python # 整数补码验证(Python示例) n = -5 bits = 5 complement = n + (1 << bits) # 补码 = 真值 + 2^n print(f"-5的5位补码: {complement:05b}") # 输出 1011 ```
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