計算機中的二進制表示(定點數,浮點數)


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1 規則及表示方法

首先是對有符號數而言:

  1. 二進制的最高位是符號位:0–>正,1–>負
  2. 正數的原碼,反碼,補碼一樣
  3. 負數的反碼==原碼的符號位不變,其他的位取反
  4. 負數的補碼==反碼+1
  5. 0的反碼,補碼都是0。數值0的補碼只有一個,即:0的補碼=00000000B
  6. 計算機運算的時候都是以補碼的方式運算的。

2 補充

  1. (-128)沒有相應的原碼和反碼。(-128)=(1000 0000)補碼
  2. 采用補碼的原因:
    1. 使用補碼可以使符號位與其他位統一進行處理。
    2. 減法可以按照加法處理。如果最高位(符號位)有進位,則進位就舍棄。
  3. 已知補碼,求原碼:補碼的補碼。(因為:對於二進制來說先減1后取反和先取反后加1得到的結果是一樣的)

浮點數二進制表示

根據國際標准IEEE 754,任意一個二進制浮點數V可以表示成下面的形式:

V = (-1)s * M * 2E

  1. (-1)s 表示符號位,當s=0,V為正數;當s=1,V為負數。
  2. M表示有效數字,大於等於1,小於2。
  3. 2E 表示指數位。(其中2也可以換成別的基),E是小數點左移的位數

舉例來說:十進制的-5.0,寫成二進制是-101.0,相當於-1.01×22 。那么,s=1,M=1.01,E=2。

IEEE 754規定,對於32位的浮點數,最高的1位是符號位s,接着的8位是指數E,剩下的23位為有效數字M。

 
對於64位的浮點數,最高的1位是符號位S,接着的11位是指數E,剩下的52位為有效數字M。

 

 規則及表示方法

IEEE 754對有效數字M和指數E,還有一些特別規定。

前面說過,1≤M<2,也就是說,M可以寫成1.xxxxxx的形式,其中xxxxxx表示小數部分。IEEE 754規定,在計算機 內部保存M時,默認這個數的第一位總是1,因此可以被舍去,只保存后面的xxxxxx部分。比如保存1.01的時候,只 保存01,等到讀取的時候,再把第一位的1加上去。這樣做的目的,是節省1位有效數字。以32位浮點數為例,留給 M只有23位,將第一位的1舍去以后,等於可以保存24位有效數字。

至於指數E,情況就比較復雜。

首先,E為一個無符號整數(unsigned int)。這意味着,如果E為8位,它的取值范圍為0~255;如果E為11位,它 的取值范圍為0~2047。但是,我們知道,科學計數法中的E是可以出現負數的,所以IEEE 754規定,E的真實值必須 由E再減去一個中間數,對於8位的E,這個中間數是127;對於11位的E,這個中間數是1023。 
比如,210 的E是10,所以保存成32位浮點數時,必須保存成10(E的真實值)+127=137(E),即10001001

然后,指數E還可以再分成三種情況:
(1)E不全為0或不全為1。這時,浮點數就采用上面的規則表示,即指數E的計算值減去127(或1023),得到真實 值,再將有效數字M前加上第一位的1。 
(2)E全為0。這時,浮點數的指數E等於1-127(或者1-1023),有效數字M不再加上第一位的1,而是還原為 0.xxxxxx的小數。這樣做是為了表示±0,以及接近於0的很小的數字。
(3)E全為1。這時,如果有效數字M全為0,表示±無窮大(正負取決於符號位s);如果有效數字M不全為0,表示 這個數不是一個數(NaN)。


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