Что такое восьмибитная двоичная запись числа

Двоичная система счисления

Если в десятичной системе счисления числа записываются с помощью десяти различных символов (от 0 до 9), то в двоичной системе — с помощью всего двух символов: 0 и 1. Такая система необходима для всех устройств, в которых информация представлена в виде последовательностей двух возможных состояний носителя, а это практически вся современная вычислительная техника.

Так же, как в десятичной системе разряды являются степенями основания 10, в двоичной системе разряды являются степенями основания 2:

10 000 000 000	1 000 000 000	100 000 000	10 000 000	1 000 000	100 000	10 000	1000	100	10	1
10 10	10 9	10 8	10 7	10 6	10 5	10 4	10 3	10 2	10 1	10 0

1024	512	256	128	64	32	16	8	4	2	1
2 10	2 9	2 8	2 7	2 6	2 5	2 4	2 3	2 2	2 1	2 0

При этом значением числа будет сумма значений всех разрядов. Например, переведем в привычный десятичный вид двоичное число 110001:

1 * 2 5 + 1 * 2 4 + 0 * 2 3 + 0 * 2 2 + 0 * 2 1 + 1 * 2 0 = 49

Или то же самое чуть иначе:

1 * 32 + 1 * 16 + 0 * 8 + 0 * 4 + 0 * 2 + 1 * 1 = 49

Биты и байты

В современных вычислительных системах информация представлена не в виде непрерывного потока двоичных символов (условных нолей и единиц), а за единицу информации, как правило, принимается байт (byte).
Байт состоит из восьми битов (т.е. это восьмиразрядное двоичное число), соответственно, он имеет 256 (2 8 ) возможных значений.

Именно поэтому стандартные варианты разрядности кратны восьми. Например, для операционных систем это 32 или 64 разряда (или бита), а для цифрового звука: 8, 16, 24 и 32.

Важно не запутаться в трех основных значениях, которые определяются разрядностью числа: количество возможных значений, максимальное значение и значение старшего бита/разряда.
Например, для 8-разрядного числа количество возможных значений = 256 (0 — 255), максимальное значение = 255, а значение старшего бита = 128.

Что такое восьмибитная двоичная запись числа

Тип 5 № 16882

Автомат обрабатывает натуральное число N (0 ≤ N ≤ 255) по следующему алгоритму:

1. Строится восьмибитная двоичная запись числа N.

2. Все цифры двоичной записи заменяются на противоположные (0 на 1, 1 на 0).

3. Полученное число переводится в десятичную запись.

4. Из нового числа вычитается исходное, полученная разность выводится на экран.

Пример. Дано число N = 13. Алгоритм работает следующим образом.

1. Восьмибитная двоичная запись числа N: 00001101.

2. Все цифры заменяются на противоположные, новая запись 11110010.

3. Десятичное значение полученного числа 242.

4. На экран выводится число 242 − 13 = 229.

Какое число нужно ввести в автомат, чтобы в результате получилось 111?

Заметим, что инверсия двоичной восьмибитной записи числа в сумме с исходным числом дает 11111111, то есть 255. (В исходном примере: 00001101 + 11110010 = 11111111.) Следовательно, если исходное число равно N, то инвертированное число равно 255 − N. Затем автомат осуществляет вычитание, вычисляя 255 − 2N.

Поэтому, чтобы найти число, которое нужно ввести в автомат для получения 111, нужно решить уравнение 255 − 2N = 111. Тем самым, искомое число равно 72.

Заметим, что по условию из нового числа вычитается исходное, следовательно, для получения разности 111 новое число должно быть больше исходного, а значит, исходное число должно быть не более 127.

Представление целых чисел: прямой код, код со сдвигом, дополнительный код

Выбор способа хранения целых чисел в памяти компьютера — не такая тривиальная задача, как могло бы показаться на первый взгляд. Желательно, чтобы этот способ:

• не требовал усложнения архитектуры процессора для выполнения арифметических операций с отрицательными числами,
• не усложнял арифметические действия,
• хранил бы одинаковое количество положительных и отрицательных чисел.

Рассмотрим разные методы представления.

Содержание

Прямой код [ править ]

При записи числа в прямом коде (англ. Signed magnitude representation) старший разряд является знаковым разрядом. Если его значение равно нулю, то представлено положительное число или положительный ноль, если единице, то представлено отрицательное число или отрицательный ноль. В остальных разрядах (которые называются цифровыми) записывается двоичное представление модуля числа. Например, число [math] -5 [/math] в восьмибитном типе данных, использующем прямой код, будет выглядеть так: [math] 10000101 [/math] .

Таким способом в [math] n [/math] -битовом типе данных можно представить диапазон чисел [math] [-2^ + 1; 2^ — 1] [/math] .

Достоинства представления чисел с помощью прямого кода [ править ]

1. Получить прямой код числа достаточно просто.
2. Из-за того, что [math]0[/math] обозначает [math]+[/math] , коды положительных чисел относительно беззнакового кодирования остаются неизменными.
3. Количество положительных чисел равно количеству отрицательных.

Недостатки представления чисел с помощью прямого кода [ править ]

1. Выполнение арифметических операций с отрицательными числами требует усложнения архитектуры центрального процессора (например, для вычитания невозможно использовать сумматор, необходима отдельная схема для этого).
2. Существуют два нуля: [math] -0 [/math] [math](100 \ldots 000) [/math] и [math] +0 [/math] [math] (000 \ldots 000) [/math] , из-за чего усложняется арифметическое сравнение.

Из-за весьма существенных недостатков прямой код используется очень редко.

Код со сдвигом [ править ]

При использовании кода со сдвигом (англ. Offset binary) целочисленный отрезок от нуля до [math] 2^n [/math] ( [math] n [/math] — количество бит) сдвигается влево на [math] 2^ [/math] , а затем получившиеся на этом отрезке числа последовательно кодируются в порядке возрастания кодами от [math] 000 \dots 0 [/math] до [math] 111 \dots 1 [/math] . Например, число [math] -5 [/math] в восьмибитном типе данных, использующем код со сдвигом, превратится в [math] -5 + 128 = 123 [/math] , то есть будет выглядеть так: [math] 01111011 [/math] .

По сути, при таком кодировании:

• к кодируемому числу прибавляют [math] 2^ [/math] ;
• переводят получившееся число в двоичную систему исчисления.

Можно получить диапазон значений [math] [-2^; 2^ — 1][/math] .

Достоинства представления чисел с помощью кода со сдвигом [ править ]

1. Не требуется усложнение архитектуры процессора.
2. Нет проблемы двух нулей.

Недостатки представления чисел с помощью кода со сдвигом [ править ]

1. При арифметических операциях нужно учитывать смещение, то есть проделывать на одно действие больше (например, после «обычного» сложения двух чисел у результата будет двойное смещение, одно из которых необходимо вычесть).
2. Ряд положительных и отрицательных чисел несимметричен.

Из-за необходимости усложнять арифметические операции код со сдвигом для представления целых чисел используется не часто, но зато применяется для хранения порядка вещественного числа.

Дополнительный код (дополнение до единицы) [ править ]

В качестве альтернативы представления целых чисел может использоваться код с дополнением до единицы (англ. Ones’ complement).

Алгоритм получения кода числа:

• если число положительное, то в старший разряд (который является знаковым) записывается ноль, а далее записывается само число;
• если число отрицательное, то код получается инвертированием представления модуля числа (получается обратный код);
• если число является нулем, то его можно представить двумя способами: [math] +0 [/math] [math](000 \ldots 000) [/math] или [math] -0 [/math] [math] (111 \ldots 111) [/math] .

Пример: переведём число [math] -13 [/math] в двоичный восьмибитный код. Прямой код модуля [math] -13 [/math] : [math] 00001101 [/math] , инвертируем и получаем [math] 11110010 [/math] . Для получения из дополнительного кода самого числа достаточно инвертировать все разряды кода.

Таким способом можно получить диапазон значений [math] [-2^+1; 2^ — 1] [/math] .

Достоинства представления чисел с помощью кода с дополнением до единицы [ править ]

1. Простое получение кода отрицательных чисел.
2. Из-за того, что [math]0[/math] обозначает [math]+[/math] , коды положительных чисел относительно беззнакового кодирования остаются неизменными.
3. Количество положительных чисел равно количеству отрицательных.

Недостатки представления чисел с помощью кода с дополнением до единицы [ править ]

1. Выполнение арифметических операций с отрицательными числами требует усложнения архитектуры центрального процессора.
2. Существуют два нуля: [math] +0 [/math] и [math] -0 [/math] .

Дополнительный код (дополнение до двух) [ править ]

Чаще всего для представления отрицательных чисел используется код с дополнением до двух (англ. Two’s complement).

Алгоритм получения дополнительного кода числа:

• если число неотрицательное, то в старший разряд записывается ноль, далее записывается само число;
• если число отрицательное, то все биты модуля числа инвертируются, то есть все единицы меняются на нули, а нули — на единицы, к инвертированному числу прибавляется единица, далее к результату дописывается знаковый разряд, равный единице.

В качестве примера переведём число [math] -5 [/math] в дополнительный восьмибитный код. Прямой код модуля [math] -5 [/math] : [math] 0000101 [/math] , обратный — [math] 1111010 [/math] , прибавляем [math] 1 [/math] , получаем [math] 1111011 [/math] , приписываем [math] 1 [/math] в качестве знакового разряда, в результате получаем [math] 11111011 [/math] .

Также дополнительный код отрицательного числа [math] A [/math] , хранящегося в [math] n [/math] битах, равен [math] 2^n — |A| [/math] . По сути, дополнительный код представляет собой дополнение [math] |A| [/math] до [math] 0 [/math] : так как в [math] n [/math] -разрядной арифметике [math] 2^ = 0 [/math] (двоичная запись этого числа состоит из единицы и [math] n [/math] нулей, а в [math] n [/math] -разрядную ячейку помещаются только [math] n [/math] младших разрядов, то есть [math] n [/math] нулей), то верно равенство [math] 2^n — |A| + |A| = 0 [/math] .

Для получения из дополнительного кода самого числа нужно инвертировать все разряды кода и прибавить к нему единицу. Можно проверить правильность, сложив дополнительный код с самим числом: результат должен быть равен [math] 2^n [/math] . Переведём [math] 11111011 [/math] обратно. Инвертируем — [math] 00000100 [/math] , прибавляем [math] 1 [/math] , получаем [math] 00000101 [/math] — модуль исходного числа [math] -5 [/math] . Проверим: [math] 11111011 + 00000101 = 100000000 [/math] .

Можно получить диапазон значений [math] [-2^; 2^ — 1] [/math] .

Длинная арифметика для чисел, представленных с помощью кода с дополнением до двух [ править ]

Дополнительный код также удобно использовать для вычислений в длинной арифметике, особенно для операций сложения и вычитания. Это операции удобно выполнять с числами одинаковой длины, поэтому в старшие разряды меньшего числа нужно поместить нули (если число положительно) или единицы (если число отрицательно). Тогда числа будут выглядеть следующим образом: в старших разрядах бесконечное число нулей (единиц), а в младших разрядах уже встречаются и нули, и единицы, которые кодируют само число, а не знак. Удобство заключается в том, что нам не обязательно проделывать операции сложения с каждой парой бит, если мы знаем, что на этом отрезке в числах стоят либо единицы, либо нули. Таким образом, на этом отрезке в получившемся числе тоже будут либо только единицы, либо только нули. Операцию сложения можно выполнить только один раз для старших битов, таким образом мы узнаем знак получившегося числа. Вычитание тоже выполняется просто: инвертируем число, прибавляем один и получаем это число с минусом, затем просто делаем сложение. Однако умножение с числами, представленными дополнительным кодом, выполнять не всегда оптимально: алгоритм либо слишком медленный (наивный алгоритм работает за [math]O(n^2)[/math] ), либо слишком сложный. Лучше для умножение использовать прямой код (бит под знак). Тогда можно числа перевести в десятичную систему счисления, выполнить быстрое преобразование Фурье за [math]O(n \log n)[/math] , затем перевести их обратно в двоичную. Обычно такой алгоритм работает быстрее, чем выполнение операции напрямую с двоичными числами. Для деления обычно тоже лучше использовать прямой код.

Достоинства представления чисел с помощью кода с дополнением до двух [ править ]

1. Возможность заменить арифметическую операцию вычитания операцией сложения и сделать операции сложения одинаковыми для знаковых и беззнаковых типов данных, что существенно упрощает архитектуру процессора и увеличивает его быстродействие.
2. Нет проблемы двух нулей.

Недостатки представления чисел с помощью кода с дополнением до двух [ править ]

1. Ряд положительных и отрицательных чисел несимметричен, но это не так важно: с помощью дополнительного кода выполнены гораздо более важные вещи, желаемые от способа представления целых чисел.
2. В отличие от сложения, числа в дополнительном коде нельзя сравнивать как беззнаковые, или вычитать без расширения разрядности.

Несмотря на недостатки, дополнение до двух в современных вычислительных системах используется чаще всего.