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@ -986,7 +986,7 @@ int main() {
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|
||||
* 在计算机中,数据是从右往左的方式排列的;其中,最右边的是低位,最左边的是高位,即:
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![](./assets/20.png)
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![](./assets/20.svg)
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### 3.4.2 二进制和十进制的转换
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@ -1003,13 +1003,13 @@ int main() {
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||||
* 示例:十进制转十进制
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![](./assets/21.png)
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![](./assets/21.svg)
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* 示例:二进制转十进制
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![](./assets/22.png)
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![](./assets/22.svg)
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||||
#### 3.4.2.2 十进制转换二进制
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@ -1025,35 +1025,35 @@ int main() {
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||||
* 示例:十进制转十进制
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![](./assets/23.png)
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![](./assets/23.svg)
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* 示例:十进制转二进制
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![](./assets/24.png)
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![](./assets/24.svg)
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### 3.4.3 二进制转八进制
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* 规则:每 3 位二进制就是一个八进制。
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* 规则:从右向左,每 3 位二进制就是一个八进制,不足补 0(分组转换法)。
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* 示例:011 101 001 -> 351
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![](./assets/25.png)
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![](./assets/25.svg)
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### 3.4.4 二进制转十六进制
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||||
* 规则:每 4 位二进制就是一个十六进制。
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||||
* 规则:从右向左,每 4 位二进制就是一个十六进制,不足补 0(分组转换法)。
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||||
* 示例:1110 1001 -> 0xE9
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![](./assets/26.png)
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![](./assets/26.svg)
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## 3.5 原码、反码和补码
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@ -1061,11 +1061,19 @@ int main() {
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||||
|
||||
* 机器数:一个数在计算机的存储形式是二进制,我们称这些二进制数为机器数。机器数可以是有符号的,用机器数的最高位来存放符号位,0 表示正数,1 表示负数。
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||||
![](./assets/27.png)
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||||
> [!IMPORTANT]
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||||
>
|
||||
> 这里讨论的适用于`符号位`的整数,如:int 等;而不适用于`无符号位`的整数,即:unsinged int 等。
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||||
|
||||
* 真值:因为机器数带有符号位,所以机器数的形式值不等于其真实表示的值(真值),以机器数 1000 0001 为例,其真正表示的值(首位是符号位)为 -1,而形式值却是 129 ,因此将带有符号位的机器数的真正表示的值称为机器数的真值。
|
||||
![](./assets/27.svg)
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![](./assets/28.png)
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||||
* 真值(数据位):因为机器数带有符号位,所以机器数的形式值不等于其真实表示的值(真值),以机器数 1000 0001 为例,其真正表示的值(首位是符号位)为 -1,而形式值却是 129 ,因此将带有符号位的机器数的真正表示的值称为机器数的真值。
|
||||
|
||||
> [!IMPORTANT]
|
||||
>
|
||||
> 这里讨论的适用于`符号位`的整数,如:int 等;而不适用于`无符号位`的整数,即:unsinged int 等。
|
||||
|
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![](./assets/28.svg)
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### 3.5.2 原码
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@ -1087,7 +1095,10 @@ int main() {
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||||
> [!IMPORTANT]
|
||||
>
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||||
> 按照原码的规则,会出现 `+0` 和 `-0` 的情况,即:`0`000 0000(+0)、`1`000 0000(-0),显然不符合实际情况;所以,计算机底层虽然存储和计算的都是二进数,但显然不是原码。
|
||||
> 总结:
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||||
>
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||||
> * ① 按照原码的规则,会出现 `+0` 和 `-0` 的情况,即:`0`000 0000(+0)、`1`000 0000(-0),显然不符合实际情况。
|
||||
> * ② 所以,计算机底层虽然存储和计算的都是二进数,但显然不是原码。
|
||||
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### 3.5.3 反码
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@ -1110,7 +1121,10 @@ int main() {
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||||
> [!IMPORTANT]
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||||
>
|
||||
> 按照反码的规则,如果是 `+0`,对应的原码是 `0`000 0000;那么,其反码还是 `0`000 0000 ;如果是 `-0`,对应的原码是 `1`000 0000,其反码是 `1`111 1111,显然不符合实际情况;所以,计算机底层虽然存储和计算的都是二进数,但显然不是反码。
|
||||
> 总结:
|
||||
>
|
||||
> * ① 按照反码的规则,如果是 `+0`,对应的原码是 `0`000 0000;那么,其反码还是 `0`000 0000 ;如果是 `-0`,对应的原码是 `1`000 0000,其反码是 `1`111 1111,显然不符合实际情况。
|
||||
> * ② 所以,计算机底层虽然存储和计算的都是二进数,但显然不是反码。
|
||||
|
||||
### 3.5.4 补码
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@ -1130,16 +1144,18 @@ int main() {
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| -------- | ------------------- | ------------------- | ------------------- |
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| -1 | `1`000 0001 | `1`111 1110 | `1`111 1111 |
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|
||||
* 如果 0 ,按照 `+0` 的情况进行处理,即:
|
||||
* 如果 `0` ,按照 `+0` 的情况进行处理,如下所示:
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![](./assets/29.png)
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![](./assets/29.svg)
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* 如果 0 ,按照 `-0` 的情况进行处理,即:
|
||||
* 如果 `0` ,按照 `-0` 的情况进行处理,如下所示:
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![](./assets/30.png)
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![](./assets/30.svg)
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||||
> [!IMPORTANT]
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>
|
||||
> 总结:
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>
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||||
> * ① 补码表示法解决了`原码`和`反码`存在的`两种`零(`+0` 和 `-0`)的问题,即:在补码表示法中,只有`一个`零,即 `0000 0000`。
|
||||
> * ②补码使得`加法运算`和`减法运算`可以统一处理,通过将减法运算`转换`为加法运算,可以简化硬件设计,提高了运算效率。
|
||||
> * ③ 计算机底层`存储`和`计算`的都是`二进数的补码`。换言之,当读取整数的时候,需要采用逆向的转换,即:将补码转换为原码。正数的原码、反码、补码都是一样的,三码合一。负数的补码转换为原码的方法就是先减去 `1` ,得到反码,再按位取反,得到原码。
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@ -1152,23 +1168,12 @@ int main() {
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## 3.6 计算机底层为什么使用补码?
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* 如果计算是 `2 - 2` ,那么可以转换为 `2 + (-2)`,这样计算机内部在处理`减法计算`的时候,就会将其转换为`加法计算`的形式,以简化硬件设计和提高计算效率。
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||||
* `加法`和`减法`是计算机中最基本的运算,计算机时时刻刻都离不开它们,所以它们由硬件直接支持。为了提高加法和减法的运行效率,硬件电路必须设计得尽量简单。
|
||||
* 对于有符号位的数字来说,内存需要区分符号位和数值位:对于人类来说,很容易识别(最高位是 0 还是 1);但是,对于计算机来说,需要设计专门的电路,这无疑增加了硬件的复杂性,增加了计算时间。如果能将符号位和数值位等同起来,让它们一起参与运算,不再加以区分,这样硬件电路就可以变得非常简单。
|
||||
* 此外,加法和减法也可以合并为一种运算,即:加法运算。换言之,减去一个数就相当于加上这个数的相反数,如:`5 - 3` 相当于 `5 +(-3)`,`10 -(-9)`相当于 `10 + 9` 。
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||||
> [!NOTE]
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||||
>
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||||
> * ① 加法和减法是计算机中最基本的运算,计算机时时刻刻都离不开它们,所以它们由硬件直接支持。为了提高加法和减法的运行效率,硬件电路必须设计得尽量简单。
|
||||
> * ② 对于有符号位的数字来说,内存需要区分符号位和数值位:对于人类来说,很容易识别(最高位是 0 还是 1);但是,对于计算机来说,需要设计专门的电路,这无疑增加了硬件的复杂性,增加了计算时间。如果能将符号位和数值位等同起来,让它们一起参与运算,不再加以区分,这样硬件电路就可以变得非常简单。
|
||||
> * ③ 此外,加法和减法也可以合并为一种运算,即:加法运算。换言之,减去一个数就相当于加上这个数的相反数,如:5 - 3 相当于 5 +(-3),10 -(-9)相当于 10 + 9 。
|
||||
> * ④ 如果能够实现上述的两个目标,那么只需要设计一种简单的、不用区分符号位和数值位的加法电路,就能同时实现加法运算和减法运算,而且非常高效。其实,这两个目标已经实现了,真正的计算机的硬件电路就是这样设计的。
|
||||
> * ⑤ 但是,简化硬件电路是有代价的,这个代价就是有符号数在存储和读取的时候都要继续转换。这也是对于有符号数的运算来说,计算机底层为什么使用`补码`的原因所在。
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||||
* `最高位`表示`符号位`,由于符号位的存在,如果使用`原码`来计算,就会导致`计算结果不正确`,即:
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![](./assets/31.png)
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* `补码`的设计可以巧妙的让`符号位`也参与计算,并且可以得到`正确的计算结果`,即:
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![](./assets/32.png)
|
||||
* 如果能够实现上述的两个目标,那么只需要设计一种简单的、不用区分符号位和数值位的加法电路,就能同时实现加法运算和减法运算,而且非常高效。其实,这两个目标已经实现了,真正的计算机的硬件电路就是这样设计的。
|
||||
* 但是,简化硬件电路是有代价的,这个代价就是有符号数在存储和读取的时候都要继续转换。这也是对于有符号数的运算来说,计算机底层为什么使用`补码`的原因所在。
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## 3.7 补码到底是如何简化硬件电路的?
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@ -1178,7 +1183,7 @@ int main() {
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||||
>
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||||
> 直接使用原码表示整数,让符号位也参与运算,那么对于减法来说,结果显然是不正确的。
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![](./assets/33.svg)
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![](./assets/31.svg)
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* 于是,人们开始继续探索,不断试错,终于设计出了`反码`,如下所示:
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@ -1186,7 +1191,7 @@ int main() {
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>
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||||
> 直接使用反码表示整数,让符号位也参与运算,对于 6 +(-18)来说,结果貌似正确。
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![](./assets/34.svg)
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![](./assets/32.svg)
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* 如果我们将`被减数`和`减数`对调一下,即:计算 `18 - 6` 的结果,也就是 `18 +(-6)`的结果,继续采用`反码`来进行运算,如下所示:
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@ -1195,15 +1200,15 @@ int main() {
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||||
> * ① 6 - 18,即:6+(-18),如果采用`反码`计算,结果是正确的;但是,18 - 6,即:18 +(-6),如果采用`反码`计算,结果相差 1 。
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||||
> * ② 可以推断:如果按照`反码`来计算,小数 - 大数,结果正确;而大数 - 小数,结果相差 1 。
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![](./assets/35.svg)
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![](./assets/33.svg)
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||||
* 对于这个相差的 `1` 必须进行纠正,但是又不能影响`小数-大数`的结果。于是,人们又绞尽脑汁设计出了`补码`,给`反码`打了一个`“补丁”`,终于把相差的 `1` 给纠正过来了。那么,`6 - 18` 按照`补码`的运算过程,如下所示:
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![](./assets/36.svg)
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![](./assets/34.svg)
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* 那么,`18 - 6` 按照`补码`的运算过程,如下所示:
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![](./assets/37.svg)
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![](./assets/35.svg)
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> [!IMPORTANT]
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