4. Представление чисел в компьютере

4.1. Представление целых чисел в компьютере

Представление чисел в памяти компьютера имеет специфическую особенность, связанную с тем, что в памяти ПК они должны располагаться в байтах – минимальных по размеру ячейках памяти.

Целые числа могут представляться в компьютере со знаком или без знака.

Целые числа без знака обычно занимают в памяти один байт (8-разрядная ячейка) или два байта (16-разрядная ячейка). Диапазон значений в первом случае от 00000000₂ до 11111111₂ (от 0₁₀ до 255₁₀) , а в двухбайтовом формате — от 00000000 00000000₂ до 11111111 11111111₂ (от 0₁₀ до 65535₁₀)

Чтобы получить внутреннее представление целого положительного числа N, хранящегося в k-разрядном машинном слове, необходимо:

1. перевести число N в двоичную систему счисления;

2. полученный результат дополнить слева незначащими нулями до k разрядов.

Например, для целого числа 1607 в двухбайтовой ячейке внутреннее представление N=(1607)₁₀=(11001000111)_2. будет следующим 0000 0110 0100 0111. Шестнадцатеричная форма внутреннего представления числа N будет 0647.

Разряды нумеруются справа налево, начиная с нуля. Примеры:

а) число 72₁₀ = 1001000₂ в однобайтовом формате:

Номера разрядов	7	6	5	4	3	2	1	0
Биты числа	0	1	0	0	1	0	0	0

б) это же число в двухбайтовом формате: 72₁₀ = 0000000001001000₂

Целые числа со знаком обычно занимают в памяти компьютера один, два или четыре байта, при этом самый левый (старший) разряд (знаковый разряд) содержит информацию о знаке числа. Знак “плюс” кодируется нулем, а “минус” — единицей.

Диапазоны значений целых чисел со знаком

Формат числа в байтах	Диапазон
	Запись С порядком	Обычная запись
1	–2^7 ... 2^7–1	–128 ... 127
2	–2^15 ... 2^15–1	–32768 ... 32767
4	–2^31 ... 2^31–1	–2147483648 ... 2147483647

Рассмотрим особенности записи целых чисел со знаком на примере однобайтового формата, при котором для знака отводится один разряд, а для цифр абсолютной величины – семь разрядов.

В компьютерной технике применяются три формы записи (кодирования) целых чисел со знаком: прямой код,   обратный код,   дополнительный код.

Последние две формы применяются особенно широко, так как позволяют упростить конструкцию арифметико-логического устройства компьютера путем замены разнообразных арифметических операций cложения.

Положительные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах изображаются одинаково  —  двоичными кодами с цифрой 0 в знаковом разряде. Например, число (1)₁₀=(1)₂

 

Номера разрядов	7	6	5	4	3	2	1	0
Биты числа	0	0	0	0	0	0	0	1

 знак числа

Отрицательные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах имеют разное изображение.

1. Прямой код. В знаковый разряд помещается цифра 1, а в разряды цифровой части числа — двоичный код его абсолютной величины. Например, прямой код числа -1  

Номера разрядов	7	6	5	4	3	2	1	0
Биты числа	1	0	0	0	0	0	0	1

 знак числа

2. Обратный код. Получается инвертированием всех цифр двоичного кода абсолютной величины числа, включая разряд знака: нули заменяются единицами, а единицы — нулями. Например, обратный код числа -1  

Номера разрядов	7	6	5	4	3	2	1	0
Биты числа	1	1	1	1	1	1	1	0

 знак числа

3. Дополнительный код. Получается образованием обратного кода с последующим прибавлением единицы к его младшему разряду. Например, дополнительный код числа -1

Номера разрядов	7	6	5	4	3	2	1	0
Биты числа	1	1	1	1	1	1	1	1

Определение. Дополнительный код отрицательного числа А, хранящегося в n ячейках, равен 2ⁿ -│А│

Для перевода дополнительного кода в десятичное число необходимо выполнить алгоритм:

1)  Инвертировать дополнительный код;

2)  Прибавить к полученному коду 1 и получить модуль отрицательного числа;

3)  Перевести в десятичное число и приписать знак отрицательного числа.

Например, получим десятичное представление числа по его дополнительному коду 10010111₂

Решение.

1) Инвертируем дополнительный код 10010111_2. Получим 01101000 – обратный код. 2) Прибавим к полученному числу 1. Получим число 01101001. 3) Переведем полученную запись числа из двоичной в 10-ю форму. Получим число 105.