计算机数据的表示

2023-10-26 14:59 由 zeroy610 发表于 #操作系统

计算机数据的表示

1. 数值数据的表示

1.1 各种进制数的表示

二进制 (Binary) ：以 0b 或 0B 开头，字符仅含0和1.
- 用下标2或者数字后面加B表示。如 $(1011)_2$ 或 $1011B$
八进制 (Octal) ：以 0o 或 0O 开头，字符含0-7.
- 用下标8或者数字后面加O表示。如 $(17)_8$ 或 $17O$
十六进制 (Hexadecimal) ：以 0x 或 0X 开头，字符含0-9、a-f（代表10-15）.
- 用下标16或者数字后面加H表示。如 $(a1b1)_{16}$ 或 $a1b1H$

1.2 进制转换

R进制与十进制的转换

R进制转十进制：按位权展开。计算每位数字与该位位权乘积的代数和然后相加。
十进制转R进制：除以 R 逆序取余。

二、八、十六进制互转

二转八进制：从右往左每三位转一位八进制，最左边不足三位添0补齐。反之八进制每一位转三位二进制。
二转十六进制：从右往左每四位转一位十六进制，最左边不足四位添0补齐。反之十六进制每一位转四位二进制。

python中的相关函数：

int(*x*,base=10)

这个函数按照base进制对数x进行解释，返回一个使用数字或字符串生成的整数int对象，无实参返回0。

其中x为数字或字符串，base为进制，取值范围为[2，36]和0。

一个进制为n的整数包含0到n-1的整数，其中a-z(A-Z)表示10到35。

进制为0将会按照x字面的前缀进行解释，结果是2、8、10、16中的一个。

要清楚的一点是，在python中带有前缀的数字，例如0xa，0o12，0b1010它们的类型(type)都是 int 整数类型。
如果想知道它们十进制数值，可以直接print，或 print(int(x)) ，也可以 int(str(x),base=0)（？）.

对这个函数的使用，主要分为三种情况：

x为int类型：无论带不带前缀，这个数的进制已经清楚，它表示一个确定大小的数字。该函数无法对一个进制清楚的非字符串类型进行转换（启用base关键字）。
x为str字符串类型：
- 带前缀：表明这个数的进制已经清楚，base只能等于其前缀或0。
- 不带前缀：根据用法自由发挥。注意没有前缀且令base=0的话应注意x其形式。比如int("010",base=0)是非法的。因为解释器认为x是十进制数，但x形式是错误的。
x为byte类型：暂时空缺。

x=int(156,base=2) #报错
x=int(0x156,base=0) #报错

x1="0101" #字符串
y1=int(x1,base=2) # 结果为整数5
y2=int(x1,base=8) # 结果为整数65
y3=int(x1,base=16) # 结果为整数257
y4=int(x1,base=35) # 结果为整数1226

x2="0xa5f1"
y5=int(x,base=16) # 结果为整数42481
y6=int(x,base=0) # 结果为整数42481

hex(x)

将整数转换为以0x为前缀的十六进制字符串。

bin(x)

将整数转换为以0b为前缀的二进制字符串。

oct(x)

将整数转换为以0o为前缀的八进制字符串。

1.3 机器码的表示

计算机中数的主要类型

整数（定点数）
- 无符号整数
  - 8位($0～2^{8}-1$)
  - 16位($0～2^{16}-1$)
  - 32位($0～2^{32}-1$)
- 有符号整数
  - 8位($-2^7～2-1$)
  - 16位($-2^{15}～2-1$) 16位整数
  - 32位($-2^{31}～2-1$) 短整数
  - 64位($-2^{63}～2-1$) 长整数
浮点数
- 32位（单精度浮点数）
- 64位（双精度浮点数）
- 128位（扩充精度浮点数）

真值、字长、机器数

机器数：0或1 + 二进制绝对值
- 计算机不认识除了0和1之外的任何符号，因此要专门留出一位用来表示正负号。
- 将符号数字化的数，是数字在计算机中的二进制表示形式。
真值：正负号 + 二进制绝对值
- 计算机中的二进制机器数分为“有符号数”和“无符号数”两种。
- “无符号数”就是二进制数的每一位都代表对应位的数值；而在“有符号数”中规定最高位用来表示数据符号，其中1代表负，0代表正，这样一来机器数本身就不等于真正的数值了。例如有符号数10000101，其最高位1代表负，所以余下的“0000101”才是数值本身，所以其真正数值是-5，而如果是无符号数，则10000101所代表的是133。为区别起见，把带符号位的机器数所对应的真正数值称为机器数的“真值”。例：00100001的真值=0 0100001=+33（正号可以不写，可以直接写成33），10100011的真值=1 0100011=-35。
字长
- 字：指计算机进行数据处理时，一次存取加工和传送的数据长度（字长度）。一个字通常是字节的整数倍。
- 字长是指计算机一次可处理的二进制数的码位长度，是计算机进行数据存储和数据处理的运算单位。如我们通常所指的32位处理器，就是指该处理器的字长为32位，也就是一次能处理32位二进制数。通常称16位是一个字，32位是一个双字，64位是两个双字。
- 数值的转换结果是与字长有关的。如果计算机字长为8位，十进制中的数+5转换成二进制就是00000101，-5转换成二进制就是10000101；但如果字长是16位，+5转换的结果就是00000000 00000101，而-5转换成二进制就是10000000 00000101了。也就是对应的机器数要转换为字长所代表的位数。
- 字长越长代表计算机的处理能力越强，可以处理的数越大。
  - 在8位字长中，除去符号位，实际可以处理的数值大小范围为[-127,-0]~[+0,127]（即$2^7 -1$），共256个数。
  - 16位字长可以处理的数值大小是[-32677,-0]~[0,32767]($2^{15} -1$)。
  - 64位字长计算机可以处理的二进制数码位长度最大为64位，去掉符号位，则表示计算机可以处理的最大二进制数为 $2^{63}-1$，最小二进制数就是 $-2^{63}$。
- 注意　以上的“-0”与“0”的机器数是不一样的，在8位字长中，-0为1 0000000，而+0为0 0000000；在16位字长中，-0为1 0000000 00000000，而+0为0 0000000 00000000。所以在二进制的机器数中，0也有两个（-0和0），且表示形式并不一样。

设机器字为8b字长，数N1的真值为 +1001110，数N2的真值为 -1001110，则N1、N2对应的机器数为：
01001110
11001110

原码表示法

符号位加数值的二进制。

有正零和负零之分。

反码表示法

正数的补码、反码和原码都相同
负数的符号位与原码、补码相同，数值将原码的数值位按位取反。

补码表示法

原码的计算不方便，因此引入补码的概念

正数的补码、反码和原码都相同
负数的的补码是先把除符号位外其他各位取反，再在末位加1。

TH	定点整数	定点小数
原码	$-(2^{n-1}-1),2-1$	$(-1,1)$
反码	$-(2^{n-1}-1),2-1$	$(-1,1)$
补码	$-2^{n-1},2-1$	$[-1,1)$

运算前将所有参与运算的数据转换为补码
将转换后的数值进行运算
运算结果再次求补码，得到最后的结果

移码表示法

1.4 二进制逻辑运算

与运算 AND
- 又称逻辑乘。用符号$\land$ 或 ·表示
  对应位均为1结果才为1.
或运算 OR
- 又称逻辑加。用符号 $\lor$ 或+表示
  对应位有一个为1结果就为1.
非运算 NOT
- 按位取反
异或运算 XOR
- 用符号$\bigoplus$ 表示
  对应位相同结果为0 ，不同结果为1。

2. 非数值数据的表示

非数值数据：文字和符号（字符）、图像、声音等
非数值数据的表示：对其进行二进制编码。任何数据存储到计算机中都是二进制数。

字符编码

编码：编码是将源对象内容按照某种标准转换为另一种格式内容。解码是和编码对应的，它使用和编码相同的标准将编码内容还原为最初的对象内容。
码点：一个编码表中的某个字符对应的代码值。比如ASCII中字符 A 的码点是65
字符集：某种编码标准所支持的所有字符及其对应码点的集合。（书写系统字母与符号的集合）
- 字符编码：字符到存储在计算机上的内容（特定的字节或字节序列）之间的映射，是一种规则。通常特定的字符集采用特点的编码方式。一种字符集可能有多种编码方案，比如 utf-8、utf-16等

ASCII码

常用的7位 $ASCII$ 码(American Standard Code for Information Interchange码，即美国信息交换标准代码）的每个字符都由7个二进制位b6～b0 表示，有128个编码，最多可表示128种字符。其中包括：

10个数字0～9：30H～39H，48～57（十进制）；
26个小写字母a～z：61H～7AH ，97～122；
26个大写字母A～Z：41H～5AH ，65～90；
各种运算符号和标点符号等。

在计算机中，用1B（一个字节）表示一个ASCII码，其最高一位(b7位)填0，余下的7b可以给出128个编码，表示128个不同的字符和控制码。

其中95个编码，对应着计算机终端能敲入并且可以显示的95个字符，打印机设备也能打印这95个字符，如大小写各26个英文字母，0—9这10个数字符，通用的运算符和标点符号＋，－，*，/，>，＝，< 等等。

UTF-8编码

Unicode字符集
- 在Unicode中,每个字符占据一个码位/Unicode 编号(用4位十六进制数表示，Code point：U+ FFFF)，字符集中的字符与Unicode 编号一一映射。如 U+ 0000 为“Null”，U+ 597D="好"。Unicode字符集共定义了 1 114 112 个这样的位，使用从0到10FFFF的十六进制数唯一地表示世界上几乎所有字符。NCR(Numeric Character Reference)，以「&#」开头的后接十进制数字，以「&#x」开头的后接十六进制数字。

由于计算机存储数据通常是以字节为单位的，而且出于兼容之前的ASCII(0x00-0x7F)、节省存储空间等诸多原因，需要一种具体的编码方式来对字符码位进行标识。规定每个字符的Unicode编号如何存储（用一个字节还是多个字节存储，用哪些字节来存储），常见的基于Unicode字符集的编码方式有UTF-8、UTF-16及UTF-32。

同一段二进制，每一个字节一个编号还是每两个字节一个编号，解码方式不一样，得到的编号不一样，对应的映射字符也不同，这就是乱码的原因。“锟斤拷”、“烫”就是这样来的。

汉字编码

对于汉字，计算机的处理技术必须解决三个问题：

汉字输入
汉字储存与交换
汉字输出

它们分别对应着汉字输入码、内码、字模码的概念。
因此，汉字编码系统存在以下三种编码：

汉字输入码
汉字内码
汉字字模码

汉字输入码

汉字输入码也称外码，是为了将汉字输入计算机而编制的代码，是代表某一汉字的一串键盘符号。
汉字输入码种类：

数字编码：如区位码、国标码、电报码等。
拼音编码：如全拼码、双拼码、简拼码等。
字形编码：如王码五笔、郑码、大众码等。
音形编码：如表形码、智能ABC等。

两种典型的数字编码：

区位码：是将国家标准局公布的6763个两级汉字分为94个区，每个区分94位，实际上把汉字表示成二维数组，每个汉字在数组中的下标就是区位码。
- 例如“中”字位于54区48位，“中”字的区位码即为“5448”。
国标码：将区位码加2020H，占用两个字节。
- 例如“中”字的国标码为区位码5448的区码和位码转化为16进制，为3630H，再加2020H得国标码5650H。
汉字字符集与编码
- 1981年，GB2312-80国家标准，其字符及编码称为国标码又叫国际交换码。
- GB2312字符集的构成：
  一级常用汉字3755个，按汉语拼音排列
  二级常用汉字3008个，按偏旁部首排列
  非汉字字符682个
  一般用2个字节来存放汉字；
  汉字分区，每个区94个汉字；

汉字内码

汉字内码是用于汉字信息的存储、交换、检索等操作的机内代码，一般采用两个字节表示。

汉字可以通过不同的输入法输入，但其内码在计算机中是唯一的。
英文字符的机内代码是7位的ASCII码，当用一个字节表示时，最高位为“0”。为了与英文字符能相互区别，汉字机内代码中两个字节的最高位均规定为“1”。
机内码等于汉字国标码加上8080H。
- 例如“中”字的机内码为5650H+8080H=D6D0H。

汉字字模码

汉字字模码又称汉字字形码，它是将汉字字形经过点阵数字化后形成的一串二进制数，用于汉字的显示和打印。

根据汉字输出的要求不同，点阵有以下几种：
- 简易型汉字：16×16， 32字节/汉字
- 普通型汉字：24×24， 72字节/汉字
- 提高型汉字：32×32，128字节/汉字。
汉字字库：将所有汉字的字模点阵代码按内码顺序集中起来，构成了汉字库。
汉字字形点阵中每个点的信息用一位二进制码来表示，“1”表示对应位置处是黑点，“0”表示对应位置处是空白。
例如16×16点阵，每个汉字就要占32个字节

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