为什么计算机采用补码进行运算?

引入:现有一个时钟,指向9点,那么四个小时后将指向几点?
显而易见四小时后时钟将指向1点。

时钟构成了一个模12计数器。如果将0点当作一个边界,那么9点或许可以用另一个说法叫-3点,我们可以通过-3+4=1得到1,也可以通过9+4=13再模12得到1,这就是计算机采用补码进行运算原理的一个比较好理解的解释。

下面进行解释:

如果符号不同的两个数的绝对值相加等于模,则称这两个数互为补数。

1)一个负数可用它的正补数来代替,而这个正补数可以用模加上负数本身来得到。一个正数和一个负数互为补数时,两数的绝对值之和为模。
2)正数的补数为其自身。

在时钟的例子里,我们要计算-3+4,就可以转换为寻找-3的补数9,将9+4,将结果取模的过程。

类比到计算机中,如果两个正数相加,这再好不过,直接相加即可。如果不幸为一正一负相加或两个负数相加,如果采用原码进行计算,就繁琐的多。所以我们采用补码进行计算,为简略表示我们用四位数来表示补码。

如果计算0110(原)与1011(原)相加
首先我们求出1011的补码1,101(补)
这里我们不妨看看1011和1,101相加会发生什么(抛掉符号位,即取绝对值0011+1,101=10000,发现向前进了一位,但是计算机中的位数是固定的,这个位数会被舍弃掉(自动取模)。我们回到补数的定义:如果符号不同的两个数的绝对值相加等于模,则称这两个数互为补数。

其实对负数求补码,就是求负数的补数,用正数的加法替代减法。

这时我们将0110与1011的补码1101相加,得10011,因为我们只有四位,所以最高位将被舍弃(相当于自动取模,13点取模后为1点),所以结果为0011,即3。

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