計算機中CPU是如何識數(shù)的

先來看一個簡單的問題：小孩子都知道數(shù)數(shù)：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，可為什么要這樣數(shù)呢？為什么不是1，2，3，4，5，6，10呢？

一種比較流行的解釋是因為人類有10個手指，所以人類的數(shù)字系統(tǒng)就是10進制的，如果這個解釋成立，那么變色龍的數(shù)字系統(tǒng)應(yīng)該是4進制，而計算機的手是單指，所以是2進制。

哈哈，開個玩笑，其實計算機在最最最最底層就是一個個開關(guān)，因此計算機系統(tǒng)是2進制，關(guān)于CPU的構(gòu)造你可以參考《你管這破玩意叫 CPU？》：

數(shù)字 0 與正整數(shù)

0這個數(shù)字其實有非常重要的意義，可能大家都沒想過這個問題，沒關(guān)系，我們來看兩個不同的數(shù)字系統(tǒng)：阿拉伯數(shù)字和羅馬數(shù)字。

注意，羅馬數(shù)字中沒有 “0” 這個概念，你可能會想，這有什么大不了的嗎？讓我們來看一個例子，數(shù)字205，分別在兩種系統(tǒng)的表示。羅馬：CCV阿拉伯：2050的出現(xiàn)可以讓阿拉伯數(shù)字系統(tǒng)中205這樣寫。

可以看到，在阿拉伯系統(tǒng)中數(shù)值和數(shù)字所在的位置有直接關(guān)系，這就是進位制，而在羅馬數(shù)字系統(tǒng)則沒有進位制，這使得羅馬數(shù)字在表示大數(shù)值時非常困難。計算機系統(tǒng)中的二進制同樣是進位制，數(shù)字5用二進制表示就是101。

使用 k 個bit，那么可以表示 2^k 個整數(shù)，范圍從 0 到 2^k - 1，假設(shè) k 有 8 位，那么表示范圍就是 0 到 255，當然這里說的是無符號正整數(shù)?，F(xiàn)在我們可以表示正整數(shù)了，但真正有用的計算不可避免會涉及到負數(shù)，也就是帶符號整數(shù)，而這也是真正有趣的地方。

有符號整數(shù)正整數(shù)的表示非常簡單，給定 k 個bit，那么我們可以表示 2^k 個數(shù)，假設(shè)k為4，那么我們可以表示16個數(shù)字。如果要考慮有符號整數(shù)呢？你可能會想這還不簡單，一半一半嘛！其中一半用來表示正數(shù)，另一半用來表示負數(shù)！假設(shè)有4個比特位，如果用來表示無符號正數(shù)，就是0 ~ 15，而如果要表示有符號整數(shù)，那么其中一半給到+1 ~ +7，另一半給到-1 ~ -7，一切看最左邊的 bit 是 0，如果最左邊的 bit 位是 0 則表示正數(shù)，否則表示負數(shù)。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道正負數(shù)是通過什么來決定的了，接下來的問題就是負數(shù)該怎么表示呢？也就是說對于比如-2，現(xiàn)在我們只知道其最左邊的 bit 位是1，那么右邊的這些 bit 到底該是多少呢？關(guān)于這一問題就三種設(shè)計方法。

方法1：正數(shù)加上負號即對應(yīng)負數(shù)第一種設(shè)計方法很簡單，既然0010表示+2，那么如果最左邊的bit位替換成1就表示對應(yīng)的負數(shù)，即1010表示-2，這種設(shè)計方法簡單直接，這是最符合人類的思維的設(shè)計（不一定最好）。如果這樣設(shè)計的話

你給這種非常符合人類思維的數(shù)字表示方法起了個名字，原碼。這種設(shè)計下會有一個奇怪的表示：0000表示0這沒什么問題，1000會表示 -0，這會導(dǎo)致出現(xiàn)-0這樣的數(shù)字，其實 0 和 -0 不應(yīng)該有什么區(qū)別。身為設(shè)計天才的你顯然不滿足于此，是不是還有其它設(shè)計方法？

方法2：翻轉(zhuǎn)你覺得第一種表示方法也就是原碼太原始，可以說基本上沒什么設(shè)計，你突發(fā)奇想，既然0010表示+2，那么將其全部翻轉(zhuǎn)，即1101來表示-2好了，你給這種表示方法也起了名字，反碼。在反碼表示法下，也存在-0，0000表示0，全部翻轉(zhuǎn)也就是1111來表示-0，可以看到這和原碼表示方法差別沒那么大。

設(shè)計計算機很容易嗎？到這里有的同學可能會想，計算機設(shè)計者其實怎么來表示有符號數(shù)其實都是可以的，原碼可以，反碼也可以，都能表示出來，設(shè)計計算機太容易了吧！你猜的沒錯，就是這么容易！如果你是計算機的創(chuàng)造者，怎么設(shè)計都可以！最初的計算機設(shè)計者真的可以有很多表示數(shù)字的方法，采用反碼表示數(shù)字的計算機系統(tǒng)在歷史上真的出現(xiàn)過！?。〉@些表示方法不約而同都有一個問題，那就是兩數(shù)相加。

不簡單的兩數(shù)相加我們以2 + （ -2 ）為例。在原碼表示法下，2為0010，-2為1010，那么計算機該怎么做2 + （ -2 ）加法呢？

可是1100在原碼表示法下是 -4，這與原碼表示法本身是矛盾的。再來看看反碼，2為0010，-2為1101，兩數(shù)相加：

1111在反碼表示下為-0，雖然-0不夠優(yōu)雅，但好歹和反碼表示法本身沒有矛盾，這大概就是為什么早期會有計算機采用反碼表示數(shù)字的原因。在《你管這破玩意叫CPU？》一文中我們知道，計算機加法是通過加法器組合電路實現(xiàn)的，而這里的不管是原碼還是反碼，要想計算加法都不可避免的要在前面提到的加法器之上額外添加組合電路來確保有符號數(shù)相加的正確性，這無疑會增加電路設(shè)計的復(fù)雜度。人是懶惰的也是聰明的，我們就沒有一種2+-2就是0（0000）的數(shù)字表達方法嗎？

新的表示方法現(xiàn)在，對于最左邊的bit位來說，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)是沒有什么異議的，這里的關(guān)鍵在于我們需要一種表示方法，可以讓A+（-A） = 0，而且這里0的二進制也是0，如果是4個bit為的話就應(yīng)該是0000。假設(shè)A=2，那么我們重點研究下2+-2 = 0（0000）的表示方法。對于2來說，很簡單就是0010，對于-2來說，現(xiàn)在我們只能確定最左邊的bit位是1。

顯然 -2 應(yīng)該用1110來表示，這樣2+-2就真的是0了，由此推斷：

從圖中可以看出這種表示方法下就沒有-0了。注意看-1和0，分別是1111和0000，當我們讓-1（1111）加上1（0001）時，我們確實得到了0000，不過還有一個進位，實際上我們得到的是10000，但我們可以放心的忽略掉該進位。這種表示方法最美妙的地方在于《你管這破玩意叫CPU》一文中提到的加法器不用修改就可以直接計算有符號數(shù)字的加法。你可以自己試驗幾個數(shù)字相加就能發(fā)下這種表示方法的奇妙之處，你給這種數(shù)字表達方法起了名字，補碼，這現(xiàn)代計算機系統(tǒng)所采用的數(shù)字表示方法。采用補碼，如果是4個bit位，那么我們可以表示的范圍是-8 ~ 7。再來仔細看一下反碼和補碼：

因為補碼不需要表示 -0 這個奇葩，你會發(fā)現(xiàn)一個很有意思的規(guī)律，那就是負數(shù)的反碼加上1就是對應(yīng)的補碼，這是計算機教科書在講解補碼時很重要的一個知識點，現(xiàn)在你應(yīng)該知道這個知識點是怎么來的了吧！

CPU真的識數(shù)嗎？就像前面提到的，現(xiàn)代計算機采用補碼的根本原因在于這種表示方法可以簡化電路設(shè)計，盡管補碼對人類來說不夠直觀。到這里我們可以看到，在計算機科學中，最符合人類思維的設(shè)計并不一定對計算機最優(yōu)，這也是最迷人的地方，人和機器畢竟不同嘛！讓我們再來看下采用補碼時2+-2 的計算過程：

和十進制加法一樣，從右到左，如果產(chǎn)生進位，那么進位就要參與左邊一列的計算。注意，在這個過程中加法器關(guān)心這個數(shù)字是正數(shù)還是負數(shù)了嗎？答案是沒有，加法器或者更具體是CPU中的ALU根本就不關(guān)心是正數(shù)還是負數(shù)，它只知道我要進行加法計算，除此之外不 CARE 任何其它信息，至于數(shù)字該采用反碼還是補碼這些是人類需要理解的，確切來說是編譯器需要來理解的，程序員都無需關(guān)心，但程序員需要知道數(shù)據(jù)類型的表示范圍。現(xiàn)在你能明白補碼以及 CPU 是如何識數(shù)的了吧。

總結(jié)在本文我們詳細講解了CPU是如何識數(shù)這一主題，正如本文所言，CPU其實本質(zhì)的上是不識數(shù)的，也不需要識數(shù)，這正是補碼這一數(shù)字表示方法的優(yōu)點。希望本文能對大家理解計算機系統(tǒng)的數(shù)字表示有所幫助。

責任編輯：haq