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CPU 中的加法器,為什么可以連同符號(hào)位一起運(yùn)算?

3. 十六進(jìn)制加法

第 0 位:E + C,結(jié)果為 26,但是十六進(jìn)制中沒(méi)有 26 這個(gè)數(shù)字,因此需要向左側(cè)的高位進(jìn) 1,于是第 0 位就剩下 26 - 16 = A。

第 1 位:A + 1 等于 B,再加上進(jìn)位 1,結(jié)果就是 C,十六機(jī)制中有這個(gè)數(shù)字。

四、把負(fù)數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)換成正數(shù)計(jì)算

 1. 原碼

原碼(true form)是一種計(jì)算機(jī)中對(duì)數(shù)字的二進(jìn)制定點(diǎn)表示方法。原碼表示法在數(shù)值前面增加了一位符號(hào)位(即最高位為符號(hào)位):正數(shù)該位為0,負(fù)數(shù)該位為1(0有兩種表示:+0和-0),其余位表示數(shù)值的大小。

例如,用 8 個(gè) bit (8 位二進(jìn)制數(shù))來(lái)表示一個(gè)數(shù),+11 的原碼為 0000_1011,-11 的原碼就是 1000_1011。

2. 把負(fù)數(shù)計(jì)算變成正數(shù)計(jì)算

我們都知道,CPU 中有加法器,好像從來(lái)沒(méi)有聽說(shuō)過(guò)“減法器”。例如計(jì)算 5 + 8,轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制來(lái)計(jì)算:

再來(lái)計(jì)算一下減法:5 - 8,對(duì)于 CPU 來(lái)說(shuō),只會(huì)計(jì)算 5 + 8, 但是不會(huì)計(jì)算 5 - 8。

但是可以轉(zhuǎn)換一下思路,把減法變成加法 5 + (-8),這樣不就可以計(jì)算了嗎?于是計(jì)算機(jī)先驅(qū)者就發(fā)明了反碼:

正數(shù)的反碼:保持原碼不變;

負(fù)數(shù)的反碼:原碼中符號(hào)位不變,其余全部取反(-8 的原碼是 1000_1000,反碼就是:1111_0111);

于是 5 + (-8)的計(jì)算過(guò)程就是:

此時(shí),就完美解決了減法問(wèn)題,那么乘法(多加幾次)、除法(多減幾次)問(wèn)題也就跟著解決了。至于如何從數(shù)學(xué)的角度來(lái)證明,那就要問(wèn)那些數(shù)學(xué)家了!

3. 新問(wèn)題:如何表示0?

我們現(xiàn)在可以小結(jié)一下反碼的表示范圍(記。旱谝晃皇欠(hào)位):

正數(shù)的表示范圍:0000_0000 ~ 0111_1111,也就是十進(jìn)制的 +0 ~ +127 這 128 個(gè)數(shù);

負(fù)數(shù)的表示范圍:1000_0000 ~ 1111_1111,也就是十進(jìn)制的 -127 ~ -0 這 128 個(gè)數(shù);

有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題:怎么存在 +0 和 -0 這兩個(gè)數(shù)?而且他們的編碼還不一樣:+0 對(duì)應(yīng) 0000_0000,-0 對(duì)應(yīng) 1111_1111。

CPU 雖然就是一個(gè)傻瓜,讓它干啥就干啥,但是 CPU 最不能容忍的就是不確定性!我們都知道 +0 == -0 == 0,它們是同一個(gè)數(shù)字,但是在二進(jìn)制編碼中,居然有兩個(gè)編碼來(lái)表示同一個(gè)數(shù)。

偉大的計(jì)算機(jī)先驅(qū)者又做了這樣一個(gè)決定:正數(shù)保持不變,負(fù)數(shù)整體減 1。

也就是說(shuō):符號(hào)位不變,值整體加1,如下:

這樣就成功解決了 -0、+0 的問(wèn)題!

現(xiàn)在 一個(gè) 8 位的二進(jìn)制就可以表示的范圍是:-128 ~ 127,并且中間沒(méi)有任何重復(fù)、遺漏的數(shù)字。

既然每一個(gè)二進(jìn)制表示的值發(fā)生了變化,那么繼續(xù)稱之為反碼就不準(zhǔn)確了,此時(shí)給它們一個(gè)新的稱呼:補(bǔ)碼,也就是說(shuō):上圖就變成了這樣:

小結(jié)一下補(bǔ)碼的定義:

正數(shù)的補(bǔ)碼:保持原碼不變;

負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼:原碼中符號(hào)位不變,其余先全部取反,然后再加1(例如:-8 的原碼是 1000_1000,補(bǔ)碼就是 1111_1000);

此時(shí),我們僅僅是解決了二級(jí)制編碼的表示問(wèn)題,那么:補(bǔ)碼能直接參與運(yùn)算嗎?運(yùn)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題?

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