计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码

文章目录

  • 一、概述
    • 1.进制转换
    • 2.无符号数及有符号数
      • (1) 无符号数
      • (2)有符号数
    • 3. 定点数与浮点数
      • (1)定点数
      • (2)浮点数
  • 二、机器数(二进制数、有符号数)
    • 0.总结
      • (1)数的特征
      • (2)范围
      • (3)自己的计算方式
    • 1.原码
      • (1)整数的原码
      • (2)小数的原码
      • (3)特性
        • 零的问题:有两种表示形式+0和-0(符号位)
        • 范围
    • 2.补码
      • (1)整数补码
      • (2)小数的补码
      • (3)特性
        • 求补运算【链接】
        • 简化加减法【链接】
      • 可以明显地看出大小
        • 范围
        • 0 的表示是唯一的
        • 变形码(双符号位)
        • 算术左移、右移
    • 3.反码
      • (1)整数的反码
      • (2)小数的反码
      • (3)特性
        • 两种0 的表示
        • 负数反码与补码的关系
        • 数值范围
    • 4.移码
      • (1)整数的移码
      • (2)特性
        • 移码的零
        • 移码与补码的关系
        • 移码码值的大小就反映了数值的大小
    • 5.题
  • 三、浮点数
    • 1.浮点数的表示
    • 2.非规格化浮点数
    • 3.规格化的浮点数
      • (1)什么是规格化的浮点数
      • (2)表示范围
      • (3)溢出
    • 4.规格化浮点数
      • (1)规格化
      • (2)例题
  • 四、其他的数据表示
    • 1.IEEE754
      • (1)单精度格式(32位)
      • (2)双精度格式(64位)
    • 2.奇偶校验码
      • (1)水平奇偶校验
      • (2)垂直奇偶校验码
      • (2)水平垂直奇偶校验码
    • 3.海明码
    • 4.循环冗余校验码(CRC 码)
      • (1)模运算
      • (2)CRC 码的编码
      • (2)CRC 码的译码校验


一、概述

1.进制转换

https://blog.csdn.net/sandalphon4869/article/details/88298591

2.无符号数及有符号数

(1) 无符号数

没有符号位,则数中的每一位均用来表示数值。

所以,8 位二进制无符号数所表示的数值范围是 0~255, 16 位无符号数的表示范围为 0~65535。

(2)有符号数

带有符号位表示正负,符号位放在有效数字的前面,这样就组成了有符号数。
如4位有符号数范围是-7~7.

3. 定点数与浮点数

(1)定点数

若约定小数点的位置固定不变,则称为定点数。

有两种形式的定点数:定点整数(就是纯整数,小数点定在最低有效数值位之后)和定点小数(就是纯小数,小数点在最高有效数值位之前)。计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第1张图片

(2)浮点数

小数点位置浮动

二、机器数(二进制数、有符号数)

各种数值数据在计算机中表示的形式称为机器数。机器数对应的实际数值称数的真值。

0.总结

(1)数的特征

符号位

机器码 0 1
原码 0正 1负
反码 0正 1负
补码 0正 1负
移码 0负 1正

唯一零:补码(0000…0)、移码(1000…0)
不唯一的零:原码(+0与-0,即0000…0与1000…0)、反码(0000…0与1111…1)

(2)范围

Something Help:

  • 1000: 2 4 − 1 = 2 3 = 8 2^{4-1}=2^3=8 241=23=8
  • 0111: 2 2 + 2 1 + 2 0 = 2 3 = 2 4 − 1 − 1 = 7 2^2+2^1+2^0=2^3=2^{4-1}-1=7 22+21+20=23=2411=7,也可以因为0111+1=1000,那么0111=1000-1= 2 3 − 1 = 7 2^3-1=7 231=7
  • 0.001: 2 − 3 = 0.125 2^{-3}=0.125 23=0.125
  • 0.111: 2 − 1 + 2 − 2 + 2 − 3 = 0.875 2^{-1}+2^{-2}+2^{-3}=0.875 21+22+23=0.875,也可以因为0.111+0.001=1.000,那么0.111=1.000-0.001= 1 − 2 − 3 = 0.875 1-2^{-3}=0.875 123=0.875

原码 n 位(包括一位符号位):

  • 整数数值范围分别为:1111…1~0111…1,即 − ( 2 n − 1 - 1 ) ~ + ( 2 n − 1 - 1 ) -(2^{n-1}-1)~+(2^{n-1}-1) (2n11)(2n11)。0111…1是 ( 2 n − 1 - 1 ) (2^{n-1}-1) (2n11),最小负数是加个负号, − ( 2 n − 1 - 1 ) -(2^{n-1}-1) (2n11)
  • 纯小数所能表示的:1.111…1~0.111…1,即 − ( 1 − 2 − ( n − 1 ) ) ~ + ( 1 - 2 − ( n − 1 ) ) {-(1-2^{-(n-1)})~+(1-2^{-(n-1)}}) (12(n1))+(12(n1))。0.111…1是 1 − 2 − ( n − 1 ) 1-2^{-(n-1)} 12(n1),最小负数是加个负号, − ( 1 − 2 − ( n − 1 ) ) -(1-2^{-(n-1)}) (12(n1))

补码 n 位(包括一位符号位):

  • 整数数值范围分别为:1000…0~0111…1,即 − 2 n − 1 ~ + ( 2 n − 1 − 1 ) -2^{n-1} ~ +( 2^{n-1}-1) 2n1+(2n11)。最大正整数同原码,而且负数可以取到下限 − 2 n − 1 -2^{n-1} 2n1
  • 小数数值范围分别为:1.000…0~0.111…1,即 − 1 ~ + ( 1 - 2 − ( n − 1 ) ) -1~+(1-2^{-(n-1)}) 1+(12(n1))。最大正小数同原码,而且负数可以取到下限-1。

反码 n 位(包括一位符号位):
正数的反码等于原码,负数的反码是对应正数原码的全部取反。那么表示范围同原码。

  • 整数数值范围分别为:1000…0~0111…1
  • 小数数值范围分别为:1.000…0~0.111…1

移码 n 位(包括一位符号位):
移码是补码的符号位取反,那么范围同补码。

  • 整数数值范围分别为:0000…0~1111…1
  • 小数数值范围分别为:0.000…0~1.111…1

(3)自己的计算方式

正整数

[x]原= [x]反=[x]补

[x]移=[x]补码的符号位取反

负数

因为求补运算

  • 正推
    真值→原码(符号位是1)
    真值→负数对应的正数的原码→补码(从右往左,第一个1左边全部取反)
    真值→负数对应的正数的原码→反码(包据符号位全部取反获得)
    真值→负数对应的正数的原码→补码(从右往左,第一个1左边全部取反)→移码

  • 反推
    原码→真值
    补码→负数对应的正数的原码(从右往左,第一个1左边全部取反)→真值
    反码→负数对应的正数的原码(包据符号位全部取反获得)→真值
    移码→补码→负数对应的正数的原码(从右往左,第一个1左边全部取反)→真值

整数补位增

正数:都是次高位补0
如真值3(011)→00011(原码)→00011(补码)→00011(反码)
移码(111)→(10011)

负数:

  • 原码:负数次高位补0
  • 补码:负数次高位补1
  • 反码:负数次高位补1
  • 移码:负数次高位补1

如:真值-3
原码:111→10011
补码:101→11101
反码:100→11100
移码:001→01101

整数补位删

正数:把符号位和符号位右边第一个1之间的0都删掉。
如真值3→00011(原码)→00011(补码)→00011(反码)→(011)
移码(10011)→(111)

负数:

  • 原码:把符号位和符号位右边第一个1之间的0都删掉。(删去补的0)
  • 补码:把符号位和符号位右边第一个0之间的1都删掉。(删去补的1)
  • 反码:把符号位和符号位右边第一个0之间的1都删掉。(删去补的1)
  • 移码:把符号位和符号位右边第一个0之间的1都删掉。(删去补的1)

如:真值-3
原码:10011→111
补码:11101→101
反码:11100→100
移码:01101→001

特殊情况

  • 注意原码的+0和-0

  • 【求-8的的八位补码】
    8的原码(0000 1000)→-8的的八位补码(1111 1000)

  • 【1111 1000是补码,则对应真值是?】
    补码→正数的原码(0000 1000)→真值-8

  • 【求-8的的四位补码】
    8的原码(01000)→-8的的八位补码(11000)→补位删(1000)

  • 【1000是补码,则对应真值是?】
    补码→正数的原码(1000),出错
    补码→补位增(11000)→正数的原码(0 1000)→真值-8

1.原码

原码是机器数中最简单的一种表示形式。

(1)整数的原码

表示方法一:由真值得到

计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第2张图片
恰好位数的原码:

  • 先确定位数: ± 2 n − 1 \pm2^{n-1} ±2n1正数小于,负数大于
    3的表示: 3 < 2 2 = 2 3 − 1 3 < 2^2=2^{3-1} 3<22=231,所以用三位二进制表示。
    -3的表示: − 3 > − 2 2 = − 2 3 − 1 -3>-2^{2}=-2^{3-1} 3>22=231,所以用三位二进制表示。
    这个3位是恰好的位数,既体现了符号位,数字中又没有多余的0。

  • 再按公式得到的十进制数→二进制数
    如:3的表示: ( 3 ) D → ( 11 ) B → ( 011 ) 原 (3)_D \to (11)_B \to (011)_{原} (3)D(11)B(011),用三位二进制011表示(高位补一个零,0其实是符号位)。
    -3的表示: ( 2 3 − 1 − ( − 3 ) ) D → ( 7 ) D → ( 111 ) B → ( 111 ) 原 (2^{3-1}-(-3))_D→(7)_D \to (111)_B→(111)_{原} (231(3))D(7)D(111)B(111),用三位二进制111表示。

  • 若要指定位数:在次高位(相当于是符号位后面)补0.
    指定5位原码:

    • 正数:次高位补0。如[3]原=0跟00跟11=00011
    • 负数:次高位补0。如[-3]原=1跟00跟11=10011

直接得到指定位数的原码:

  • 正数还得补零:3的5位原码: ( 3 ) D → ( 11 ) B → ( 011 ) 原 → ( 00011 ) 原 (3)_D \to (11)_B \to (011)_{原}→(00011)_{原} (3)D(11)B(011)(00011)
  • 负数直接得到:-3的5位原码: [ 2 5 − 1 − ( − 3 ) ] D → ( 19 ) D → ( 10011 ) 原 [2^{5-1}-(-3)]_D \to (19)_D \to (10011)_{原} [251(3)]D(19)D(10011)

表示方式2:原码=[符号位][数值位],给定位数。

符号位:0 表示正数。符号位为 1表示负数。
数值位即将真值的绝对值转换成二进制数,不够的位数次高位补0(符号位后面)。

指定5位原码:

  • 正数:高位补0。如[3]原=0跟00跟11=00011
  • 负数:高位补1。如[-3]原=1跟00跟11=10011

PS:纯整数和纯小数的数值位的表示方法(十进制到二进制)同数电:https://blog.csdn.net/sandalphon4869/article/details/88298591#三、数制转换

总结:指定位数

不管正负,都是在符号位后面补0

(2)小数的原码

表示方法一:按整数原码的定义

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计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第4张图片

  • 按公式得到的十进制数→二进制数
    如:
    X=0.46875的原码表示: ( 0.46875 ) D → ( 0.01111 ) B (0.46875)_D \to (0.01111)_B (0.46875)D(0.01111)B
    X=-0.46875的原码表示: ( 1 − ( − 0.46875 ) ) D = ( 1.46875 ) D → ( 1.01111 ) B (1-(-0.46875))_D=(1.46875)_D \to (1.01111)_B (1(0.46875))D=(1.46875)D(1.01111)B

  • 若要指定位数,在末位补0
    如:指定8位
    若 X=0.46875 ,[X]原 =0.0111100
    若 X=-0.46875,[X]原 =1.0111100

表示方式2:原码=[符号位][数值位]

符号位为 0 表示正数,为 1表示负数。
数值位即真值的绝对值(后面的补零个数=位数-符号位的位数1个-真值位的位数)。

如:

  • 若 X=0.46875 ,用包括符号位为 8 位的定点原码表示,则可表示为:[X]原 =0.0111100
  • 若 X=-0.46875,用包括符号位为 8 位的定点原码表示,则可表示为:[X]原 =1.0111100

指定位数:

不管正负,都是在末位补0.

(3)特性

零的问题:有两种表示形式+0和-0(符号位)

以 8 位原码表示的 0 为:
[+0]原=0.0000000 或[+0]原=00000000,
[-0]原=1.0000000 或[-0]原=10000000
可见[+0]原不等于[-0]原.

范围

原码 n 位(包括一位符号位):

  • 整数数值范围分别为: − ( 2 n − 1 - 1 ) ~ + ( 2 n − 1 - 1 ) -(2^{n-1}-1)~+(2^{n-1}-1) (2n11)(2n11)
  • 纯小数所能表示的: − ( 1 − 2 − ( n − 1 ) ) ~ 1 - 2 − ( n − 1 ) {-(1-2^{-(n-1)})~1-2^{-(n-1)} } (12(n1))12(n1)

2.补码

(1)整数补码

计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第5张图片

确定位数: ± 2 n − 1 \pm2^{n-1} ±2n1

正数小于,负数大于等于。
如:35的表示: 35 < 2 6 = 2 7 − 1 35 < 2^6=2^{7-1} 35<26=271,所以用七位二进制表示。
-35的表示: − 35 ≥ − 2 6 = − 2 7 − 1 -35 \geq -2^{6}=-2^{7-1} 3526=271,所以用七位二进制表示。

正整数的补码:同原码

如:真值35的原码

  • 定义法: ( 35 ) D → ( 10   0011 ) B → ( 010   0011 ) 原 (35)_D \to (10\ 0011)B \to (010\ 0011)_{原} (35)D(10 0011)B(010 0011)
  • 格式法:0跟10 0011,所以010 0011

若指定8位,次高位补0,则[35]原=0跟0跟10 0011=0010 0011。

负整数的补码:

如:-35的补码
①8位定义法表示: 2 8 + X = 256 + ( − 35 ) = ( 221 ) D → ( 11011101 ) B 2^{8}+X=256+(-35)=(221)_D \to (1101 1101)_B 28+X=256+(35)=(221)D(11011101)B,1101 1101即为所求。
②对应正数的8位原码表示,包括符号位在内各位取反,(获得-35的反码),再在最低位上加 1。
③负数的8位原码表示,不包括符号位各位取反,(获得-35的反码),再在最低位上加 1。
④对应正数的8位原码表示,从最低位逐位向高位找起,找到第一个1不变,以后各位1变0、0变1,包括符号位。

若指定位数,负数次高位补1

例子:-12的8位补码

①2^8-12=244=1111 0100

②-12对应正数12的原码(0000 1100)→所有位取反(1111 0011)→+1(1111 0100)

③-12对应负数-12的原码(1000 1100)→符号位不变,其他位取反(1111 0011)→+1(1111 0100)

④-12对应正数12的原码(0000 1100)→从右往左,第一个1左边全部取反→(1111 0100)

(2)小数的补码

计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第6张图片
计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第7张图片

正小数的补码:同正小数的原码

若纯小数 X=0.46875 ,用包括符号位为 8 位的定点补码表示,则可表示为:[X]补 =0.0111100

负小数的补码:同负整数的补码方法一样

若纯小数 X=-0.46875 ,用包括符号位为 8 位的定点补码表示,则可表示为:[X]补 =1.1000100

(3)特性

求补运算【链接】

https://blog.csdn.net/sandalphon4869/article/details/90614068#2_31

简化加减法【链接】

https://blog.csdn.net/sandalphon4869/article/details/90614068#3_55

可以明显地看出大小

当同正负时,补码本身表示二进制数,越大越大,越小越小。如1111(-1)比1000(-8)大。

PS:移码则是不论同正负都是如此。

范围

通过上述说明,n 位补码表示的整数数值范围为: − 2 n − 1 到 2 n − 1 − 1 -2^{n-1} 到 2^{n-1}-1 2n12n11

n 位补码表示的小数数值范围为: − 1 到 1 - 2 − n + 1 -1到1-2^{-n+1} 112n+1

0 的表示是唯一的

[+0]补 =0.0000000
[-0]补 =2+(-0.0000000)=10.0000000-0.0000000=0.0000000
显然[+0]补 =[-0]补=0.0000000,即补码中的“零”只有一种表示形式。

变形码(双符号位)

规则:采用两位表示符号,即 00 表示正号、11 表示负号。第一位符号位记作S2,第二位符号位记作S1。

作用:一旦发生溢出,则两个符号位就一定不一致,利用判别两个符号位是否一致便可以判定是否发生了溢出。

当模数为 4 时,形成了双符号位的补码,如 X=-0.1001,对(mod 22)而言。

[X]补= 22 +X=100.0000 000-0.1001 000=11.0111 000

算术左移、右移

符号 逻辑 规则
<< 左移 各二进位全部左移指定的位数,高位丢弃,低位补0(相当于 × 2 移 的 位 数 ×2^{移的位数} ×2
>> 右移 各二进位全部右移指定的位数,低位丢弃,正数(次)高位补0,负数(次)高位补1(相当于 ÷ 2 移 的 位 数 \div 2^{移的位数} ÷2

3.反码

反码通常用来作为由原码求补码或者由补码求原码的中间过渡。

(1)整数的反码

在这里插入图片描述

正整数的反码:同补码,同原码

若 X=35,其 8 位反码表示为: [X]反 =0010 0011

负整数的反码:

①负数对应的正数的原码:包据符号位全部取反获得。

②负数的原码:保持符号位不变,其余各位(对数值位)取反来获得

例 5:

若 X=-35,其8位反码表示为: [X]反 =1101 1100
①~(正整数的原码)=~(0010 0011)=1101 1100
②[1][~(负整数原码的数值位)]=[1][~(010 0011)]=1101 1100

(2)小数的反码

在这里插入图片描述

(3)特性

两种0 的表示

在数值的反码表示中,0 同样有两种表示形式,用 8 位表示如下:
[ + 0 ] 反 = 0.000   0000 = 0000   0000 [+0]反=0.000\ 0000=0000\ 0000 [0]=0.000 00000000 0000
[ - 0 ] 反 = 1.111   1111 = 1111   1111 [-0]反=1.111\ 1111=1111\ 1111 [0]=1.111 11111111 1111

负数反码与补码的关系

从反码及补码的定义可以看到:

  • 整数:
    [ X ] 反 = 2 n − 1 + X [X]反 =2^{n}-1+X [X]=2n1X
    [ X ] 补 = 2 n + X [X]补 =2^n+X [X]=2nX
    可见, [ X ] 补 = [ X ] 反 + 1 [X]补 =[X]反 +1 [X]=[X]1

  • 小数:
    [ X ] 反 = 2 - 2 − n + 1 + X [X]反 =2-2^{-n+1}+X [X]=22n+1X
    [ X ] 补 = 2 + X [X]补 =2+X [X]=2X
    可见, [ X ] 补 = [ X ] 反 + 2 − n + 1 [X]补 =[X]反 +2^{-n+1} [X]=[X]2n+1

进一步验证了前面的结论:只要在某数值的反码的最低位上加 1 即可获得该数值的补码。

数值范围

同原码:
n 位反码表示的整数数值范围为: - ( 2 n − 1 - 1 ) 到 + ( 2 n − 1 - 1 ) -(2^{n-1}-1)到+(2^{n-1}-1) (2n11)(2n11)
n 位反码表示的小数数值范围为: - ( 1 - 2 − n − 1 ) 到 + ( 1 - 2 − ( n − 1 ) ) -(1-2^{-n-1})到+(1-2^{-(n-1)}) (12n1)(12(n1))

4.移码

由于移码多用于浮点数中表示阶码,均为整数,只介绍定点整数的移码表示。

(1)整数的移码

在这里插入图片描述

求出该数的补码表示,而后将符号位取反。

8 位字长移码:

X=35,[X]补 =0010 0011,[X]移=1010 0011。
X=-35, [X]补 =1101 1101,[X]移=0101 1101。

定义求

8 位字长移码

X=35,[X]移=2^(n-1)+X=163=1010 0011。
X=-35,[X]移=2^(n-1)+X=93=0101 1101

(2)特性

移码的零

移码表示中,0 有唯一的编码为 1000…0

移码与补码的关系

在这里插入图片描述

只要将补码的符号位取反,则补码就转换成了相应的移码;同样,只要将移码的符号位取反,则移码就转换成了相应的补码。
进而可以想到,只要字长相同,补码与移码所能表示的数值范围是相同的。

移码码值的大小就反映了数值的大小

正数移码的码值一定大于负数移码的码值。也就是说,大码值所表示的数值一定大于小码值所表示的数值

5.题

  • 反推(难点原码-0和补码的最小负值)
    在这里插入图片描述
    答案:-0、-128、-127、0(注意原码是-0)
    先化成2进制,80H→1000 0000B。
    原码1000 0000→-0
    补码1000 0000→补位增(1 1000 0000)→正数的原码(0 1000 0000)→-128
    反码1000 0000→正数的原码(0111 1111)→-127
    移码1000 0000→补码0000 0000→0

三、浮点数

1.浮点数的表示

如:–(53/512)

  • 表示方法1:
    在这里插入图片描述
    如, x = - 0.110101 × 2 − 11 x=-0.110101 \times 2^{-11} x=0.110101×211.(-11是二进制数,表示-3,2的-3次方)。式中

    • M 为尾数(负号直接写,是二进制小数),
    • E 为阶码(负号直接写,不是原码也不是补码什么的,而是二进制数),
    • R 是基数(或基值)。
  • 表示方法2:
    在这里插入图片描述
    ①阶码和尾数通常会用特殊的形式,如补码或者移码

    ②阶码E:用表示方法2,符号位就是阶符,数值位就是阶码。

    ③尾数M:用表示方法2,符号位就是数符,数值位就是尾数。

    ④阶码E通常为带符号的纯整数,尾数M为带符号的纯小数。

    如:
    浮点数字长为 16 位,其中阶码为 6 位(含一位阶符),尾数为 10 位(含一位数符),阶码用移码,尾数用补码的形式。
    在这里插入图片描述
    通常不画图,阶码和尾数中间留个空写出来就行: [ x ] 浮 = 011101 1.001011000 [x]浮=011101 \quad 1.001011000 [x]=0111011.001011000
    过程在下面。

2.非规格化浮点数

范围

以通式 F=M×R^E为例,设浮点数的基值 R=2;阶码的数值位取 k 位,阶符 1 位且采用补码表示;尾数的数值位取 n 位,尾符 1 位,同样采用补码表示。

当浮点数为非规格化数时,可先分别求出阶码和尾数的表示范围
计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第8张图片

3.规格化的浮点数

(1)什么是规格化的浮点数

就是将尾数的绝对值限定在一个规定的数值范围内。当基值R为 2 时,规格化浮点数尾数的绝对值|M|应再0.5和1之间。(负数的绝对值可以取到1,正数的绝对值可以取到0.5)

尾数格式

当尾数 M 用补码表示(n是尾数的数值位的位数,不包含符号位)

  • 当 M≥0 时,规格化尾数的形式必须为:
    M=0.1XX…X
    (即 0.5 ≤ 1 × 2 − 1 + X × 2 − 2 + . . . ≤ + ( 1 - 2 − n ) 0.5 \leq 1\times 2^{-1}+X\times 2^{-2}+...\leq+(1-2^{-n}) 0.51×21+X×22+...(12n),所以小数点后一位必须为1)
    (则尾数的最小正值为:+1/2 ,尾数的最大正值为: + ( 1 - 2 − n ) +(1-2^{-n}) (12n) 。)
  • 当 M<0 时,规格化尾数的形式必须为:
    M=1.0XX…X
    (求补可以得到它的正小数补码: 0.1 X ‾ X ‾ . . . X ‾ + 2 − n 0.1\overline{X}\overline{X}...\overline{X}+2^{-n} 0.1XX...X+2n,即 + ( 1 / 2 + 2 − n ) ≤ 1 × 2 − 1 + X ‾ × 2 − 2 + . . . + X ‾ × 2 − n + 2 − n ≤ 1 +(1/2+2^{-n}) \leq 1\times 2^{-1}+\overline{X}\times 2^{-2}+...+\overline{X}\times 2^{-n}+2^{-n} \leq 1 +(1/2+2n)1×21+X×22+...+X×2n+2n1,所以小数点后一位必须为0)
    (尾数的最小负值为:-1 ,尾数的最大负值为: − ( 1 / 2 + 2 − n ) -(1/2+2^{-n}) (1/2+2n) 。)

(2)表示范围

规格化尾数M的数值范围

(n是尾数的数值位的位数,不包含符号位)
尾数的最小正值为:+1/2 ,尾数的最大正值为: + ( 1 - 2 − n ) +(1-2^{-n}) (12n)
尾数的最小负值为:-1 ,尾数的最大负值为: − ( 1 / 2 + 2 − n ) -(1/2+2^{-n}) (1/2+2n)
总的来说, − 1 到 + ( 1 - 2 − n ) -1 到+(1-2^{-n}) 1(12n)

阶码E所表示的数值范围

与非规格化浮点数是一样的

规格化浮点数的数值范围

计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第9张图片
计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第10张图片
k是阶码的数值位的位数,n是尾数的数值位的位数。(都不包含符号位)
表示范围 − 1 × 2 2 k − 1 到 ( 1 − 2 − n ) × 2 2 k − 1 -1\times 2^{2^k-1}到(1-2^{-n})\times 2^{2^k-1} 1×22k1(12n)×22k1

例题

某浮点数格式如下:7位阶码(包含一个符号位),9位尾数(包含一个符号位),若阶码用移码、尾数用补码表示,则浮点数的表示范围是:
解析:将k=6,n=8代入最小负数和最大正数。
− 2 63 到 ( 1 − 2 − 8 ) × 2 63 -2^{63} 到 (1-2^{-8})\times 2^{63} 263(128)×263

(3)溢出

溢出

当浮点数阶码大于最大阶码时,称为“上溢”,此时机器停止运算,进行中断溢出处理;当浮点数阶码小于最小阶码时,称为“下溢”,此时“溢出”的数绝对值很小,通常将尾数各位强置为零,按机器零处理。

4.规格化浮点数

(1)规格化

将非规格化数转换成规格化数的过程叫做规格化。

当尾数不是规格化数时

通过修改阶码并同时左右移尾数的办法,使其变成规格化数。

对于基数不同的浮点数:左规和右规

说白了,就是移动小数点位数,指数改变, 100 = 1 × 1 0 2 = 100 × 1 0 − 1 100=1 \times 10^2=100 \times 10^{-1} 100=1×102=100×101

当基数R为 2 时,

左规(向左规格化):尾数左移一位,相当于 × 2 1 \times 2^1 ×21,为保持不变则阶码减 1。

右规(向右规格化):尾数右移一位,相当于 ÷ 2 1 \div 2^1 ÷21,为保持不变则阶码加 1。

(2)例题

例 6: 将十进制数 X=+13/128 写成二进制定点数和浮点数(尾数部分取 7 位,阶码部分取 7 位,阶符和数符各取 1 位,阶码采用移码,尾数用补码表示),分别写出该数的定点数和浮点数的表示形式。

解:
定点数真值表示: [X]B=0.0001 101
定点编码表示:[X]原=[X]补=[X]反=0.0001 101

规格化浮点数真值表示: X = 0.1101   000 × 2 − 11 X=0.1101\ 000×2^{-11} X=0.1101 000×211(左移3位,-11是二进制数即-3)
规格化浮点编码表示形式如图所示:
(阶码E-3的八位补码是1111 1101,移码是0111 1101,即阶符0,阶码111 1101)
(尾数M0.1101 000的数符是0,尾数是1101 000)
计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第11张图片

例 7: 设浮点数字长为 16 位,其中阶码为 6 位(含一位阶符),尾数为 10 位(含一位数符),写出 X= –(53/512)对应的浮点规格化数阶码用移码,尾数用补码的形式。

解: X = – ( 53 / 512 ) = - 0.0001   1010   1 = ( - 0.1101   0100   0 ) × 2 − 11 X= –(53/512)= -0.0001\ 1010\ 1= (-0.1101\ 0100\ 0)\times 2^{-11} X=(53/512)=0.0001 1010 1=0.1101 0100 0×211
尾数的规格化补码形式为:1.0010 1100 0
(方法是负数的补码方法4,用负数对应正数的原码从右往左,第一个1左边全部取反,所以负号就直接写着)
阶码的移码表示为:-3→3原码:00 0011→-3补码:11 1101→-3移码:01 1101
浮点表示形式如图所示:
在这里插入图片描述

四、其他的数据表示

1.IEEE754

在这里插入图片描述

参数:

  • ( − 1 ) S (-1)^S (1)S:该浮点数的数符,当s为0时表示为正数,s为1时为负数
  • E:指数,用移码表示
  • ( b 0 。 b 1 b 2 b 3 . . . b p - 1 ) (b_0。b_1b_2b_3...b_{p-1}) b0b1b2b3...bp1:尾数,共P位,用原码表示。

(1)单精度格式(32位)

在这里插入图片描述
s为数符为1位,阶码为8位(含1位阶符),f为尾数为23位。

  • 规格化时b0必须为1而且应隐去。
  • 阶码加01111111

例8:现欲利用IEEE754标准将数176.0625表示为单精度浮点数。

①转化成正数:
本来是正数自然没有影响,s=0,如果是负数,则之后讨论的都是它的正数,并且s=1。

②将该十进制来转换成二进制数:

( 176.0625 ) 10 = ( 10110000.0001 ) 2 (176.0625)_{10}=(1011 0000.0001)_2 176.06251010110000.00012

③对上面二进制数规格化:
10110000.0001=1◆0110 0000 001×2^7
这就保证了使b0为1,而且小数点在◆位置上。将b0去掉并扩展为单精度浮点数所规定的23位尾数:0110 0000 0010 0000 0000 000。

④现在, 再来求取阶码。
阶数的真值+真值127,然后将结果转化为二进制(第一位不表示符号位)
现指数为7即真值,而单精度浮点数规定指数的偏移量为127(请注意不是前面移码描述中所提到的128),即在指数7上加127,也就是e=7+127=134,从而得到则指数的移码表示为1000 0110。

⑤最后,将 ( 176.0625 ) 10 (176.0625)_{10} 176.062510表示为IEEE–754标准的单精度浮点数:
0 10000110 01100000001000000000000

(2)双精度格式(64位)

计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第12张图片
[ S : 1 个 ] [ E : 11 个 ] [ F : 52 个 ] [S:1个][E:11个][F:52个] [S1][E11][F52]

2.奇偶校验码

计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第13张图片

(1)水平奇偶校验

水平奇校验

设数据 X = ( x 0 x 1 ⋅ ⋅ ⋅ x n − 1 ) X=(x_0x_1···x_{n-1}) X=(x0x1xn1)是一个 n 位字,若在其高位前增加 1 位奇校验位 c,
保证在这里插入图片描述
即,在这里插入图片描述

例如:
X=01010100,采用奇校验时,奇校验位 c 必须为 0,则加了奇校验的数据 X′=001010100。
X=01010101,采用奇校验时,奇校验位 c 必须为 1,则加了奇校验的数据 X′=101010101。

水平偶校验

设数据 X = ( x 0 x 1 ⋅ ⋅ ⋅ x n − 1 ) X=(x_0x_1···x_{n-1}) X=(x0x1xn1)是一个 n 位字,若在其高位前增加 1 位奇校验位 c,
保证在这里插入图片描述
即,在这里插入图片描述

例如:
X=01010100,采用偶校验时,偶校验位 c 必须为 1,则加了奇校验的数据 X′=101010100。
X=01010101,采用偶校验时,偶校验位 c 必须为 0,则加了奇校验的数据 X′=001010101。

(2)垂直奇偶校验码

计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第14张图片

(2)水平垂直奇偶校验码

计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第15张图片

3.海明码

https://blog.csdn.net/CeleCoCo/article/details/83507640

4.循环冗余校验码(CRC 码)

(1)模运算

  • 模 2 加法 按位加,不考虑进位:0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=0.例如 1101+1011=0110。
  • 模 2 减法 按位减,不考虑借位:0-0=0,0-1=1,1-0=1,1-1=0.例如 1101-1011=0110。
    可见模 2 减法与模 2 加法运算结果相同,因此可用模 2 加法代替模 2 减法。
  • 模 2 乘法 按模 2 加求部分积之和,不考虑进位。例如 1010×1101=1110010。
    计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第16张图片
  • 模 2 除法 按模 2 减求部分余数,不借位,每求一位商应使部分余数减少一位。
    进商的规则是:余数首位为 1 商取 1,余数首位为 0 商取 0。当余数位数小于除数位数时即为最后余数。例如 10000÷101=101+01/101,商为 101,余数为 01。
    计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第17张图片

上述这些法则,在后面求 CRC 校验码时将会用到。

(2)CRC 码的编码

步骤:

  1. 将有效信息 M(X) 化作数字表示:
    在这里插入图片描述
    如: M ( X ) = x 3 + x 2 = 1100 M(X)=x^3+x^2=1100 M(X)=x3+x2=1100

  2. 求余数的位数k:
    k = 生 成 多 项 式 G ( X ) 的 位 数 − 1 k=生成多项式G(X)的位数-1 k=G(X)1
    如:G(x)=1011,则k=4-1=3

  3. 将有效信息 M(X) 左移k位,低位补0
    如:1100左移3位,1100000

  4. 将左移后的有效信息被 G(X) 模2除,得到余数
    如:1100000与1011模2除,得到余数010

  5. 将左移后的有效信息和余数拼接
    如:1100000+010=1100010

【例题】
计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第18张图片

(2)CRC 码的译码校验

计组(二)计算机中的数据表示:原码、补码、反码和移码_第19张图片

将得到的CRC码除以生成多项式,如果余数是000,正确;否则,错误。

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