计算机中的二进制算法是指基于二进制数进行运算的方法,其核心规则和特点如下:
一、基本概念
二进制是以2为基数的记数系统,仅使用0和1两个数字,遵循“逢二进一”的进位规则。
位值表示
每个二进制位表示2的幂次方,最右边的位(最低位)表示$2^0$,依次向左每位移一位,幂次加1。例如,二进制数1011表示$1×2^3 + 0×2^2 + 1×2^1 + 1×2^0 = 11$。
二、基本运算规则
加法运算
- 0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=10(逢二进一)
- 示例:$1010 + 1011 = 10101$(二进制加法)
减法运算
- 0-0=0,1-0=1,1-1=0,0-1=1(借一当二)
- 示例:$1010 - 1001 = 0001$(二进制减法)
乘法运算
- 0×0=0,1×0=0,0×1=0,1×1=1
- 示例:$1011 × 1010 = 1101110$(二进制乘法)
除法运算
- 采用长除法规则,例如$1010 ÷ 101 = 10$(二进制除法)
三、应用与扩展
位运算
包括与(AND)、或(OR)、非(NOT)等逻辑运算,以及左移(左移n位相当于乘以2^n)、右移(右移n位相当于除以2^n)等位移操作。
补码表示
为处理负数,计算机采用补码形式存储,例如-1的补码为全1(如8位时为11111111)。
计算机存储
数据以二进制形式存储在内存中,CPU通过逻辑门电路进行运算,所有指令和数据均转化为0和1的代码。
四、特点与优势
简单性: 仅两种数字,运算规则简单 稳定性
扩展性:便于设计复杂逻辑电路
二进制算法是计算机硬件和软件的基础,贯穿于数据处理、存储及传输的各个环节。