計算機信息表示與編碼知識分析論文
摘要：計算機信息的表示與編碼一直是困擾初學(xué)者的一個(gè)難題，通過(guò)對計算機信息的表示、信息的單位、信息的編碼這三部分的深入探討和講解，讓初學(xué)者對計算機內部原理有了一個(gè)啟發(fā)性的了解，為進(jìn)一步學(xué)習計算機知識打下堅實(shí)基礎。
關(guān)鍵詞：信息表示；信息編碼；信息單位；內部原理
引言
隨著(zhù)計算機的流行和普及，各種類(lèi)型的微型計算設備（pad、surface）已經(jīng)深入到各家各戶(hù)，越來(lái)越多的人加入到學(xué)習計算機知識、研究計算機原理的隊伍中來(lái)。學(xué)習計算機知識絕不僅僅是學(xué)習類(lèi)似office那樣的簡(jiǎn)單操作，而是需要研究計算機原理和軟硬件等知識。目前計算機的研究方向已經(jīng)十分細化，從大的方向上說(shuō)，比如軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò )、人工智能等等都是目前熱門(mén)的研究方向。以軟件為例，計算機的工作是通過(guò)軟件控制的，而軟件是用程序編寫(xiě)的，程序是指令的集合，而指令就是計算機可以識別的命令，這些命令都是計算機中的控制信息和數據信息。歸根結底，我們首先要理解信息在計算機中是如何存儲和表示的。
1、信息的表示
計算機內部的信息可以分成兩大類(lèi)：數據信息和控制信息。數據信息是計算機程序加工的對象，包括數值信息（定點(diǎn)數和浮點(diǎn)數等）和非數值信息（圖像和聲音等）�？刂菩畔⑹且恍┛刂朴嬎銠C操作的指令。無(wú)論是數據信息還是控制信息，在計算機中都是用二進(jìn)制數據表示的。也可以說(shuō)計算機中的數字系統是二進(jìn)制系統。這種二進(jìn)制表示法和我們平時(shí)習慣使用的十進(jìn)制大不相同。二進(jìn)制里面的數字只能由0和1構成，進(jìn)位原則是逢二進(jìn)一。為什么在計算機中用二進(jìn)制來(lái)表示數據呢？因為電路中最穩定的狀態(tài)就是兩種狀態(tài)，所以用著(zhù)兩種狀態(tài)分別表示0和1最為恰當。因此在計算機中用二進(jìn)制表示數據比較容易物理實(shí)現。另外二進(jìn)制的數字運算更為簡(jiǎn)單，因為只有兩個(gè)數字0和1。當然，二進(jìn)制對于人來(lái)說(shuō)可讀性比較差，因此在計算機高級語(yǔ)言的書(shū)寫(xiě)中并不直接用二進(jìn)制，而是要把源程序編譯以后得到二進(jìn)制的機器語(yǔ)言。
2、信息的單位
上面已經(jīng)講到，計算機中所有的信息都是用二進(jìn)制來(lái)表示的，雖然有時(shí)在編程的時(shí)候用八進(jìn)制或者十六進(jìn)制表示一些信息，但是在計算機中都會(huì )將這些進(jìn)制數轉化成二進(jìn)制表示，只是在展現的時(shí)候出現多樣化的信息。計算機中信息的單位和二進(jìn)制也息息相關(guān)。信息存儲的最小單位就是位，一個(gè)位就是一個(gè)二進(jìn)制位（0或1），用小寫(xiě)字母b表示。由位可以組成字節，在計算機中一個(gè)字節是由8個(gè)二進(jìn)制位組成的，用大寫(xiě)字母B表示。在計算機中表示文件大小或內存大小的單位一般為KB，表示千字節。1KB=1024B，還有更大的單位兆字節即MB，1MB=1024K。更大的還有吉字節GB，以此類(lèi)推，1GB=1024M。
3、信息的編碼表示
在計算機中的數據雖然是用二進(jìn)制表示的，但絕不是僅僅將數據化為二進(jìn)制數這么簡(jiǎn)單，單就數字和運算來(lái)說(shuō)，首先要對正號和負號做出不同的表示，這里正號和負號恰好可以用一位二進(jìn)制數0和1來(lái)表示。這里我們用0代表正號，1代表負號。比如十進(jìn)制25就可以表示為011001，而-25則可以表示為111001，可以看出，只有第一位不同，后面的相同。對于相同長(cháng)度的二進(jìn)制數，在計算機中如果僅第一位不同，后面的所有位都相同，則可以斷定這兩個(gè)數符號不同，絕對值相同。在計算機中當需要對兩個(gè)數進(jìn)行加減運算的時(shí)候，符號位0或1要參與運算，這就帶來(lái)了一些麻煩，這里符號位要單獨處理才行。比如兩個(gè)數都是正數（符號位為0）則結果的符號位也為0，兩個(gè)數都是負數（符號位為1）則結果的符號位也為1。倘若兩個(gè)數符號位相反即一個(gè)是正數，一個(gè)是負數的話(huà)，則需要比較兩個(gè)數的絕對值大小才能判斷結果的正負。這些判定用計算機硬件實(shí)現是及其復雜的。另外還有一個(gè)方面就是用帶符號的二進(jìn)制表示零會(huì )有兩種結果，即0000…0和1000…0，因為0可以看成是+0和-0，因此，在計算機中的信息不能夠直接用二進(jìn)制表示。人們需要找出一種更好的編碼方法，使得運算起來(lái)能夠將符號位一起運算還能得到正確的結果，這就引入了計算機之信息的存儲形式：補碼存儲。如何求出一個(gè)數字的補碼在許多計算機的教科書(shū)中都給與了充分的闡述，這里我們主要講解一下補碼的含義。正數的補碼還是原來(lái)的加上符號的二進(jìn)制形式（也叫原碼）。負數的補碼則要通過(guò)“模數的概念來(lái)理解”。我們知道，對于鐘表，12是一個(gè)循環(huán)，過(guò)了12就又從1開(kāi)始數了。如果我們的手表上指的是8點(diǎn)，而標準時(shí)間是6點(diǎn)，我們就可以向后撥兩個(gè)格，也可以向前撥10個(gè)格，都可以達到同樣的效果。也就是說(shuō)對于模數12來(lái)說(shuō)，2和10是互補的，一個(gè)數減去2和一個(gè)數加上10是一樣的，一個(gè)數減去10和一個(gè)數加上2也是一樣的。受此啟發(fā)，在計算機中，如果A-B，那么我們可以把-B轉化成補碼，然后可以用A的補碼加上B的補碼來(lái)完成操作。限于篇幅，不再舉例。用補碼表示計算機信息有很多好處，首先是0的表示唯一了，不存在正零和負零之分；其次是符號位可以正常參與運算，最后仍然能夠得到正確的結果，無(wú)需單獨運算；還有就是用補碼進(jìn)行運算時(shí)，減法運算可以轉換為加法運算。如果A-B，可以理解為A+（-B），簡(jiǎn)化了硬件設計的難度。
4、總結與展望
計算機中信息的表示和編碼是學(xué)習理解計算機工作原理的基礎，也是計算機初學(xué)者學(xué)習計算機的第一道攔路虎，許多計算機畢業(yè)生直到本科畢業(yè)對于信息的編碼表示也是一知半解，影響到了他們對于計算機理論的后續學(xué)習。本文通俗地講解了計算機中數據的表示方法和編碼原理，并用例子加以形象說(shuō)明，初學(xué)者深刻理解這些內容對于進(jìn)一步學(xué)習計算機理論知識有著(zhù)莫大的好處。
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