补码和反码

本文详细介绍了补码和反码的概念,特别是在计算机中的应用。原码用于表示正负数,反码用于简化减法运算,而补码则解决了反码中的正负零问题,确保了0的唯一编码,并且在计算机存储和运算中起到关键作用。

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(下面讨论的皆为byte类型)

原码
45:00101101
-45:10101101
在最高位代表符号位区分正数还是负数,0代表正数,1代表负数

反码
45:00101101
-45:11010010
正数的原码和反码相同,负数的反码等于原码的符号位不变,其余各位按位取反

补码
45:00101101
-45:11010011
正数的原码反码和补码都形同,负数的补码等于在其反码基础上末尾+1
计算机中对数据的二进制存储形式为补码

反码的由来

因为计算机只有加法没有减法,在做减法运算的时候,可
以认为是加上一个负数,这样可以减少计算机电路的复杂度。使用原码进行减法运算会出现问题,例如计算1-1,因为计算机有加法没有减法,所以计算机自动换算成1+(-1)
1-1=1+(-1)=[00000001]原+[10000001]原=[10000010]原=-2(符号位也参与运算
与实际结果不符
1-1=1+(-1)=[00000001]原+[10000001]原=[00000001]反
+[11111110]反=[11111111]反=[10000000]原=-0
通过反码计算的结果是11111111再取反变成原码,得出的结果正确。

补码的由来

但是有一个问题是00000000,可以代表+0;10000000可以代表-0,其实是一样的,用2个编码实在是浪费。于是出现了补码解决0的符号以及两个编码的问题
1-1=1+(-1)=[00000001]原+[10000001]原=[00000001]补
+[11111111]补=[00000000]补=[00000000]原
这样0用[00000000]表示,而以前出现问题的-0则不存在
了。

总结反码是为了解决减法运算,补码是为了解决反码产生的±0的问题

### 二进制补码反码的概念及计算方法 #### 定义概念 在计算机科学中,为了简化硬件设计并处理负数的运算,引入了原码、反码以及补码三种编码方式。对于正数而言,这三种形式相同;但对于负数,则存在差异。 - **原码**:最直观的表现形式,最高位作为符号位(0代表正数,1代表负数),其余各位表示数值绝对值的二进制表达[^3]。 - **反码**:针对负数,在保持符号位不变的情况下对其它各位置按位取反得到的结果称为该数的反码。即如果某一位是`0`则变为`1`,反之亦然[^4]。 - **补码**:基于反码进一步定义而来,通过将反码加1获得最终用于机器内部存储或参算术逻辑单元(ALU)操作的形式。这样做的好处是可以让CPU更容易实现加法器电路的设计,并且能够自然地支持溢出检测机制[^1]。 #### 计算步骤说明 假设有一个8-bit字节长度下的整型变量X=-5, 下面展示如何求解其对应的反码补码: 1. 将|X|=5转化为无符号二进制串:`0000_0101` 2. 构造带符号位(-号对应1): `1000_0101`(此时还是原码) 3. 获取上述序列除首位外所有位的反转版本形成反码:`1111_1010` 4. 给第三步所得结果加上一个单位量完成向补码转变:`1111_1011` 因此,-5在这个例子中的补码就是`1111_1011`. ```python def get_complement(value, bits=8): """获取指定bit宽度下value的补码""" mask = (1 << bits) - 1 return (~abs(int(value)) & mask) + 1 if value < 0 else abs(int(value)) print(bin(get_complement(-5))) # 输出'0b11111011' ```
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