二補數

title: 数字表示方式.
title: 说明.
content: 以下用4位元的二补数数字来说明二补数系统的数字表示方式。  以上的表示方式在电脑处理时格外方便,用以下的例子说明:  结果10010似乎是错的,因为已经超过四个位元,不过若忽略掉(从右开始数)第5个位元,结果是0010 (2),和我们计算的结果一样。而且若可以将二进制的1111 (-1)变号为0001 (1),以上的式子也可以计算减法:3-1 = 2。  在n位元的二补数加减法中,忽略第n+1个位元的作法在各种有号数加法下都适用(不过在判断是否溢位(overflow)时,仍然会用到第n+1个位元)。因此在二补数的系统,加法电路就可以处理有负数的加法,不需另外处理减法的电路。而且,只要有电路负责数字的变号(例如将1变换为 -1),也可以用加法电路来处理减法。而数字的变号就用计算数字的二补数来完成。  在一般n位元的二进制数字中,最高有效位元(MSB)第 n位元代表的数字为 2。不过,在n位元的二补数系统中,最高有效位元(MSB)第 n位元表示符号位元,若符号位元为0,数字为正数或0,若符号位元为1,数字为负数。以下是n位元的二补数系统中,几个特别的数字: 因此,在8位元的二补数系统中,可以表示的最大正数为2-1 = 127,可以表示最小的负数为 -2 = -128
title: 计算二补数.
content: 在计算二进制数字的二补数时,会将数字进行位元反相运算,再将结果加1,不考虑溢位位元(一般情形,溢位位元会为0),就可以得到该数字的二补数。  以下考虑用有符号位8位元二进制表示的数字5:  其最高位元为0,因为此数字为正数。若要用二补数系统表示 -5,首先要将5的二进制进行反相运算〔1变为0,0变为1  目前的数字是数字5的一补数,因此需要再加1,才是二补数:  以上就是在二补数系统中 -5的表示方式。其最高位元为1,因为此数字确实为负数。  一个负数的二补数就是其对应的正数。以 -5为例,先求数字的一补数:  再加一就是 -5的二补数,也就是5。  简单来说,数字a(正负数皆可)的二补数即为 -a。  若要计算n位数二补数二进制对应的十进制,需要知道每位数对应的数字,除了最高位元外,其他位元的对应数字均和一般二进制相同,即第i位数表示数字2。但最高位元若为1时,其表示数字为 -2,因此若用此方式计算0000 0101表示的数字,其结果为:
title: 特别的数字.
content: 有两个数字的二补数等于本身:一个是0,另一个为该位元内可表示有符号位区分的二进制形式的最大负数(即1000...)。  0的二补数计算方式(以8位元为例)如下:先计算它的一补数:  再将一补数加一:  忽略溢位,其结果为0(0是唯一计算二补数过程中会出现溢位的数字。)。因此0的二补数为0。而0 x (-1) = 0,因此其二补数仍满足「数字a的二补数为 -a」的原则。  若计算1000 0000(这是8位元内可表示有符号位区分的二进制形式的最大负数-128)的二补数:先计算它的一补数:  再加一就是它的二补数。  1000 0000 (-128)的二补数仍为1000 0000 (-128)。但(-128) x (-1) = 128,因此其二补数是以上规则的例外。  总结:由于0可以等于0的二补数-0,以及同样因为8位元的二补数可显示的值范围为 -128 ~ 127,但-128的二补数128无法用在已有位元数量为8的位元数量内的可用二补数表示。【在计算其他位数内的可表示有符号位区分的二进制形式的最大负数(即1000...000)时,也会有类似情形。】  所以:0和-128的确是「数字a的二补数为 -a」原则中两个特别的数字。
title: 其他计算方法.
title: 方法一.
content: Ps:这方法不好用。有符号位区分的N=2【a为非0正整数倍的Byte数量,这个公式得出的值一律按二进制默认自带符号位为0的正数理解从而对应下面的推导公式运用】,同时还有0 这个类型的特殊的数字,主要原因是得出的值运用到下面的公式去,并根据溢出的bit值为0的原则,反之会出现不同Byte数量内的加减法得出的实际值没有任何意义。  另一种正式计算一数字(以欲求得其二补数-N为例)的二补数N* 的公式如下: 其中N* 是 -N的补数,而n是十进制数字N用二进制表示时需要的在进位字节内的所有有效比特数量。  以八位元的「-123」求其二补数为例【只有负数才有补码概念,无论用哪种公式或简便方法(比如方法二)求得补码与之最传统方法其二进制正数取反加1的结果相同】:  -123的二补数计算方式如下:
title: 方法二.
content: 以另一种较简单的方式,可以找出二进制数字的二补数:  以0011 1100为例(图中的^表示目前转换的数字,-表示还不确定的位数):  因此其结果为1100 0100
title: 符号延展.
content: 将一个特定位元二补数系统的数字要以较多位元表示时(例如,将一个字节的变量复制到另一个二个字节),所有增加的高位元都要填入原数字的符号位元。在一些微处理机中,有指令可以执行上述的动作。若是没有,需要自行在程序中处理。==>  在二补数系统中,当数字要向右位移几个位元时,在位移后需将符号位元再填入原位置(算术移位),保持符号位元不变。以下是二个例子:  而当一个数字要向左位移n个位元时,最低位元填n个0,权值最高的n个位被抛弃。以下是二个例子:  向右位移一次相当于除以2,利用算术移位的方式可以确保位移后的数字正负号和原数字相同,因为一数字除以2后,不会改变其正负号。 注意:向左位移一次相当于乘以2,虽然乘以在理论上并不会改变一个数的符号,但是在二补数系统中,用以表示数的二进制码长度有限,能够表示的数的范围也是有限的:若一个数的高权值上的数位已经被占用,此时再将这个数左移若干位(乘以2)的话,有可能造成数位溢出(overflow),高权值上的数将会失去,对于绝对值很大数,这将造成整体表达的错误。
title: 二补数的工作原理.
content: 为什么二补数能这么巧妙实现了正负数的加减运算?答案是:指定n位元字长,那么就只有2个可能的值,加减法运算都存在上溢出与下溢出的情况,实际上都等价于模2的加减法运算。这对于n位元无符号整数类型或是n位元有符号整数类型都同样适用。  例如,8位元无符号整数的值的范围是0到255.因此4+254将上溢出,结果是2,即formula_5。  例如,8位元有符号整数的值的范围,如果规定为−128到127,则126+125将上溢出,结果是−5,即formula_6。  对于8位元字长的有符号整数类型,以2即256为模,则  formula_7  所以模256下的加减法,用0, 1, 2,..., 254,255表示其值,或者用−128, −127,..., −1, 0, 1, 2,...,127是完全等价的。−128与128,−127与129,...,−2与254,−1与255可以互换而加减法的结果不变。从而,把8位元(octet)的高半部分(即二进制的1000 0000到1111 1111)解释为−128到−1,同样也实现了模256的加减法,而且所需要的CPU加法运算器的电路实现与8位元无符号整数并无不同。  实际上对于8比特的存储单元,把它的取值[00000000,..., 11111111]解释为[0, 255],或者[-1, 254],或者[-2, 253],或者[-128, 127],或者[-200, 55],甚至或者[500, 755],对于加法硬件实现并无不同。
title: 运算.
title: 加法.
content: 二补数系统数字的加法和一般加法相同,而且在运算完成后就可以看出结果的正负号,不需特别的处理。  正数与负数相加不会出现上溢错误,因为它们的和一定会小于加数。上溢错误只有在两个正数或两个负数相加时才可能发生,这时候最高有效位(正负号)会变成相反。  以15加-5为例:  由于加数和被加数都是8位元,因此运算结果也限制在8位元内。第8位元相加后产生的进制不考虑(因为不存在第9位元)的1被忽略,所以其结果为10。而15 + (-5) = 10,计算结果正确。  在以上计算式中,可以由进制列的最左侧二个位元得知结果是否出现溢位。溢位就是数字的绝对值太大,以致于无法在指定的二进制位元个数来表示(在此例中,是超过8位元的范围)。若进制列的最左侧二个位元同为0或同为1,表示结果正确,若是一个为0,另一个为1,表示出现溢位错误。也可以对此二个位元进行异或运算,结果为1时,表示出现溢位错误。以下以7 + 3的4位元加法说明溢位错误的情形。  在此例中,进制列的最左侧二个位元为01,因此出现溢位错误。溢位的原因是7 + 3的结果(10)超过二补数系统4位元所可以表示的数字范围 -8~7。  故为防止溢位错误,二补数在进行加法运算时通常将符号位进行复制后追加到最高位之前,即设二补数B的位数为WIDTH,则B′={B[WIDTH-1],B}。应注意此处B′的位数为WIDTH+1。 如上两例用此方法进行计算:  由于WIDTH+1=8+1=9,故而第十位的1同样由于溢位而被省略,结果仍为10。两负数(符号位为1)相加时同理。  由于WIDTH+1=4+1=5,故第五位的0仍为符号位,得结果正数10(十进制)。
title: 减法.
content: 减法通常转化为加法进行运算,将被减数与减数的补码进行加法运算,即可得出差。
title: 乘法.
content: 乘法在电脑的世界里其实就是不断的做加法。  例如:3*5=3+3+3+3+3=15
title: 除法.
content: 除法就是相减。  例如:10/3=10-3-3-3=1mod3 而减法又可做二补数相加,所以所有四则运算的基础都是由加法而来。

Summary: 二补数(英语:2's complement)是一种用二进制表示有号数的方法,也是一种将数字的正负号变号的方式,常在电脑科学中使用。二补数以有符号位元的二进制数定义。