原码反码补码详解

Posted 2020-12-02 chuckzhang

原码、反码、补码详解

本篇文章讲解了计算机的原码, 反码和补码。并且深入探求了为何要使用反码和补码, 以及更进一步的论证了为何可以用反码、补码的加法计算原码的减法。

一、 机器数和真值

在学习原码、反码和补码之前, 需要先了解机器数和真值的概念.

1、机器数

一个数在计算机中的二进制表示形式，叫做这个数的机器数。机器数是带符号的，在计算机用一个数的最高位存放符号，正数为0，负数为1。

比如，十进制中的数 +3，计算机字长为8位，转换成二进制就是00000011。如果是 -3，就是 10000011 。

那么，这里的 00000011 和 10000011 就是机器数。

2、真值

因为第一位是符号位，所以机器数的形式值就不等于真正的数值。例如上面的有符号数 10000011，其最高位1代表负，其真正数值是 -3 而不是形式值131（10000011转换成十进制等于131）。所以，为区别起见，将带符号位的机器数对应的真正数值称为机器数的真值。

例：0000 0001的真值 = +000 0001 = +1，1000 0001的真值 = –000 0001 = –1

二、原码、反码、补码的基础概念和计算方法

在探求为何机器要使用补码之前, 让我们先了解原码、反码和补码的概念。对于一个数, 计算机要使用一定的编码方式进行存储。 原码、反码、补码是机器存储一个具体数字的编码方式。

1、原码

原码就是符号位加上真值的绝对值，即用第一位表示符号，其余位表示值。如果是8位二进制:

[+1]原 = 0000 0001
[-1]原 = 1000 0001

第一位是符号位. 因为第一位是符号位, 所以8位二进制数的取值范围就是:

[1111 1111 , 0111 1111]

即

[-127 , 127]

原码是人脑最容易理解和计算的表示方式。

2、反码

反码的表示方法是：正数的反码是其本身；负数的反码是在其原码的基础上，符号位不变，其余各个位取反。

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反
[-1] = [10000001]原 = [11111110]反

可见如果一个反码表示的是负数，人脑无法直观的看出来它的数值。通常要将其转换成原码再计算。

3、补码

补码的表示方法是：正数的补码就是其本身；负数的补码是在其原码的基础上，符号位不变，其余各位取反，最后+1。(即在反码的基础上+1)

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补
[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补

对于负数，补码表示方式也是人脑无法直观看出其数值的。通常也需要转换成原码在计算其数值。

三、为何要使用原码、反码和补码

现在我们知道了计算机可以有三种编码方式表示一个数。对于正数因为三种编码方式的结果都相同:

[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补

所以不需要过多解释。但是对于负数：

[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补

可见原码、反码和补码是完全不同的，既然原码才是被人脑直接识别并用于计算表示方式，为何还会有反码和补码呢？

首先，因为人脑可以知道第一位是符号位，在计算的时候我们会根据符号位，选择对真值区域的加减。但是对于计算机，加减乘数已经是最基础的运算，要设计的尽量简单。计算机辨别“符号位”显然会让计算机的基础电路设计变得十分复杂！于是人们想出了将符号位也参与运算的方法。我们知道，根据运算法则减去一个正数等于加上一个负数，即：1 - 1 = 1 + (-1) = 0，所以机器可以只有加法而没有减法, 这样计算机运算的设计就更简单了。

于是人们开始探索将符号位参与运算，并且只保留加法的方法。首先来看原码：

计算十进制的表达式: 1-1=0

1 - 1 = 1 + (-1) = [00000001]原 + [10000001]原 = [10000010]原 = -2

如果用原码表示，让符号位也参与计算，显然对于减法来说，结果是不正确的。这也就是为何计算机内部不使用原码表示一个数。

为了解决原码做减法的问题，出现了反码：

计算十进制的表达式：1-1=0

1 - 1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原= [0000 0001]反 + [1111 1110]反 = [1111 1111]反 = [1000 0000]原 = -0

发现用反码计算减法，结果的真值部分是正确的，而唯一的问题出现在“0”这个特殊的数值上。虽然人们理解上+0和-0是一样的，但是0带符号是没有任何意义的。而且会有[0000 0000]原和[1000 0000]原两个编码表示0。

于是补码的出现，解决了0的符号以及两个编码的问题：

1-1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原 = [0000 0001]补 + [1111 1111]补 = [0000 0000]补=[0000 0000]原

这样0用[0000 0000]表示，而以前出现问题的-0则不存在了。而且可以用[1000 0000]表示-128：

(-1) + (-127) = [1000 0001]原 + [1111 1111]原 = [1111 1111]补 + [1000 0001]补 = [1000 0000]补

-1-127的结果应该是-128，在用补码运算的结果中，[1000 0000]补 就是-128。但是注意因为实际上是使用以前的-0的补码来表示-128，所以-128并没有原码和反码表示。(对-128的补码表示[1000 0000]补算出来的原码是[0000 0000]原，这是不正确的)

使用补码，不仅仅修复了0的符号以及存在两个编码的问题，而且还能够多表示一个最低数。这就是为什么8位二进制，使用原码或反码表示的范围为[-127, +127]，而使用补码表示的范围为[-128, 127]。

因为机器使用补码，所以对于编程中常用到的32位int类型，可以表示范围是：[-2^31, 2^31-1] 因为第一位表示的是符号位，而使用补码表示时又可以多保存一个最小值。

四、原码、反码、补码再深入

计算机巧妙地把符号位参与运算，并且将减法变成了加法，背后蕴含了怎样的数学原理呢？

将钟表想象成是一个1位的12进制数。如果当前时间是6点，我希望将时间设置成4点，需要怎么做呢？我们可以：

1. 往回拨2个小时: 6 - 2 = 4
2. 往前拨10个小时: (6 + 10) mod 12 = 4
3. 往前拨10+12=22个小时: (6+22) mod 12 =4

2，3方法中的mod是指取模操作，16 mod 12 = 4即用16除以12后的余数是4。

所以钟表往回拨(减法)的结果可以用往前拨(加法)替代！

现在的焦点就落在了如何用一个正数，来替代一个负数。上面的例子我们能感觉出来一些端倪，发现一些规律。但是数学是严谨的。不能靠感觉。

首先介绍一个数学中相关的概念：同余

同余的概念

两个整数a，b，若它们除以整数m所得的余数相等，则称a，b对于模m同余

记作 a ≡ b (mod m)

读作 a 与 b 关于模 m 同余。

举例说明:

4 mod 12 = 4
16 mod 12 = 4
28 mod 12 = 4

所以4、16、28关于模 12 同余。

负数取模

正数进行mod运算是很简单的。但是负数呢？

下面是关于mod运算的数学定义：

 x mod y = x - y?x/y?， for y ≠ 0

上面公式的意思是：

x mod y等于 x 减去 y 乘上 x与y的商的下界。

以 -3 mod 2 举例：

-3 mod 2
= -3 - 2 x ?-3/2?
= -3 - 2 x ?-1.5?
= -3 - 2 x (-2)
= -3 + 4 = 1

所以：

(-2) mod 12 = 12-2=10
(-4) mod 12 = 12-4 = 8
(-5) mod 12 = 12 - 5 = 7

证明

再回到时钟的问题上：

回拨2小时 = 前拨10小时
回拨4小时 = 前拨8小时
回拨5小时= 前拨7小时

注意，这里发现的规律！

结合上面学到的同余的概念，实际上:

(-2) mod 12 = 10
10 mod 12 = 10

-2与10是同余的。

(-4) mod 12 = 8
8 mod 12 = 8

-4与8是同余的。

要实现用正数替代负数，只需要运用同余数的两个定理：

反身性:

a ≡ a (mod m)

这个定理是很显而易见的。

线性运算定理：

如果a ≡ b (mod m)，c ≡ d (mod m) 那么:
(1)a ± c ≡ b ± d (mod m)
(2)a * c ≡ b * d (mod m)

所以：

7 ≡ 7 (mod 12)
(-2) ≡ 10 (mod 12)
7 -2 ≡ 7 + 10 (mod 12)

现在我们为一个负数，找到了它的正数同余数。但是并不是7-2 = 7+10，而是 7 -2 ≡ 7 + 10 (mod 12)，即计算结果的余数相等。

接下来回到二进制的问题上，看一下：2-1=1的问题。

2-1=2+(-1) = [0000 0010]原 + [1000 0001]原= [0000 0010]反 + [1111 1110]反

先到这一步，-1的反码表示是1111 1110。如果这里将[1111 1110]认为是原码，则[1111 1110]原 = -126，这里将符号位除去，即认为是126。

发现有如下规律：

(-1) mod 127 = 126
126 mod 127 = 126

即：

(-1) ≡ 126 (mod 127)
2-1 ≡ 2+126 (mod 127)

2-1与2+126的余数结果是相同的！而这个余数，正式我们的期望的计算结果：2-1=1

所以说一个数的反码，实际上是这个数对于一个模的同余数。而这个模并不是我们的二进制，而是所能表示的最大值！这和钟表一样，转了一圈后总能找到在可表示范围内的一个正确的数值！

而2+126很显然相当于钟表转过了一轮，而因为符号位是参与计算的，正好和溢出的最高位形成正确的运算结果。

既然反码可以将减法变成加法，那么现在计算机使用的补码呢？为什么在反码的基础上加1，还能得到正确的结果？

2-1=2+(-1) = [0000 0010]原 + [1000 0001]原 = [0000 0010]补 + [1111 1111]补

如果把[1111 1111]当成原码，去除符号位，则：

[0111 1111]原 = 127

其实，在反码的基础上+1，只是相当于增加了模的值：

(-1) mod 128 = 127
127 mod 128 = 127
2-1 ≡ 2+127 (mod 128)

此时，表盘相当于每128个刻度转一轮。所以用补码表示的运算结果最小值和最大值应该是[-128, 128]。

但是由于0的特殊情况，没有办法表示128，所以补码的取值范围是[-128, 127]。

来自为知笔记(Wiz)