计算机系统结构-浮点数尾数表示(彻底理解浮点数的位数表示法及其转换)

内容纲要

一、浮点数的基础知识
浮点数,是计算机科学中用于表示非整数的核心数据类型,包含三个部分组成:符号位、指数位和尾数位。符号位代表了浮点数的正负,指数位表示对应的科学计数法中的10的指数部分,尾数位则是科学计数法的有效数字部分。

二、浮点数在计算机中的存储
在计算机中,单精度和双精度是两种最常见的浮点数表示方式。分别占用32位和64位存储空间。其中,
在32位的单精度浮点数中,符号位占1位,指数位占8位,尾数位占23位。在64位双精度浮点数中,符号位占1位,指数位占11位,尾数位占52位。不同类型的浮点数其范围和精度是不同的。

三、浮点数与科学计数法
科学计数法是一种表示非常大或者非常小的数字的一种方法,它将一个数表示为1到10之间的实数和10的整数幂的乘积。而在计算机中表示浮点数时,就使用了科学计数法的思想,只是10的幂变成了2的幂。例如我们有一个二进制的浮点数1.101 x 2^3,它就是以科学记数法的形式来表示的。

四、十进制转二进制
在计算机中处理浮点数通常需要先将其转换为二进制,在转换过程中,整数部分和小数部分分别采取“除2取余、倒序排列”和“乘2取整,顺序排列”的方式进行转换。

五、浮点数的二进制表示
以单精度的正浮点数18.375(二进制为10010.011)为例,其二进制表示步骤如下:

  • 符号位:正数,符号位为0。
  • 指数位:经过规范化后得到1.0010011 x 2^4,指数为4。然后加上偏移127,得到131,转为二进制得到10000011.
  • 尾数位:取规范化后的小数点后面的部分即0010011,后面用0进行补位。所以,二进制表示为:0 10000011 00100110000000000000000。

对于负浮点数-18.375,同样是按照上述步骤,只不过符号位为1,其二进制表示为:1 10000011 00100110000000000000000。

六、二进制转十进制
浮点数的二进制转十进制,只需要按科学计数法的规则,将2的幂换成10的幂即可。例如二进制的1.101 x 2^3,先将二进制尾数部分转为十进制,得到1.625,然后乘以2的3次幂也就是8,所以得到13。

七、浮点数的高进制表示
虽然二进制是计算机最基本的数据表示方式,但某些情况下为了压缩数据会使用到更高的进制数。例如16进制,它可以用一个字符表示4个二进制位,这样就能够压缩数据。同样,可以用32进制来表示5个二进制位,以及用64进制来表示6个二进制位。

理解浮点数的各种表示法以及如何进行进制转换,是理解计算机如何存储和处理数据的关键,也是计算机科学中的一个基础知识点。

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