计算机的底层都是使用二进制数据进行数据流传输的，那么为什么会使用二进制表示计算机呢？什么是二进制数呢？如何使用二进制进行加减乘除？二进制数如何表示负数呢？本文将为你揭晓。

为什么用二进制表示
计算机内部是由IC电子元件组成的，其中CPU和内存也是IC电子元件的一种，CPU和内存使用IC电子元件作为基本单元。IC电子元件有不同种形状，但是其内部的组成单元称为一个个的引脚。有人说CPU和内存内部都是超大规模集成电路，其实IC就是集成电路。

IC元件两侧排列的四方形块就是引脚，IC的所有引脚，只有两种电压: 0V和5V，IC的这种特性也就决定了计算机的信息处理只能用0和1表示，也就是二进制来处理。一个引脚可以表示一个0或1，所以二进制的表示方式就变成0、1、10、11、100、101等，虽然二进制数并不是专门为引脚来设计的，但是和IC引脚的特性非常吻合。

计算机的最小集成单位为位，也就是比特(bit) ，二进制数的位数一般为8位、16位、 32位、 64位，也就是8的倍数，为什么要跟8扯上关系呢？因为在计算机中，把8位二进制数称为一个字节，一个字节有8位，也就是由8个bit构成。字节是最基本的计量单位，位是最小单位。

用字节处理数据时，如果数字小于存储数据的字节数(二进制的位数)，那么高位就用0填补，高位和数学的数字表示是一样的， 左侧表示高位，右侧表示低位。比如这个六位数用二进制数来表示就是100111，只有6位，高位需要用0填充，填充完后是00100111，占一个字节，如果用16位表示就是0000 0000 0010 0111占用两个字节。

我们一般口述的32位和64位的计算机就指的是处理位数，32 位一次可以表示4个字节, 64位一次可以表示8个字节的二进制数。

什么是二进制数
那么什么是二进制数呢？为了说明这个问题，我们先把0010 0111这个数转换为十进制数看一下：

也就是说，二进制数代表的00100111 转换成十进制就是39，这个39并不是3和9两个数字连着写，而是3* 10+9*1，这里面的10，1就是位权， 以此类推，上述例子 中的位权从高位到低位依次就是76543210，这个位权也叫做次幂，那么最高位就是2的7次幂,，2的6次幂等等。二进制数的运算每次都会以2为底，这个2指得就是基数，那么十进制数的基数也就是10。在任何情况下位权的值都是数的位数- 1，那么第一位的位权就是1-1=0，第二位的位权就是2-1= 1，以此类推。

那么二进制数其实就是用0和1两个数字来表示的数，它的基数为2，它的数值就是每个数的位数* 位权再求和得到的结果，我们一般来说数值指的就是十进制数，那么它的数值就是3* 10+ 9* 1= 39。

移位运算和乘除的关系
下面我们来看一下二进制的运算，和十进制数一样，加减乘除也适用于二进制数，只要注意逢2进位即可。二进制数的运算，也是计算机程序所特有的运算，因此了解二进制的运算是必须要掌握的。
首先我们来介绍移位运算， 移位运算是指将二进制的数值的各个位置上的元素坐左移和右移操作，见下图：

上述例子中还是以39为例，我们先把十进制的39转换为二进制的0010 0111 ，然后向左移位<<一个字节，也就变成了 0100 1110，那么再把此二进制数转换为十进制数就是上面的78， 十进制的78竟然是十进制39的2倍关系。我们在让0010 0111左移两位，也就是1001 1100 ，得出来的值是156，相当于扩大了四倍!

因此你可以得出来此结论，左移相当于是数值扩大的操作，那么右移>> 呢?按理说右移应该是缩小1/2，1/4倍，但是39缩小二倍和四倍不就变成小数了吗？这个怎么表示呢？

便于计算机处理的补数
刚才我们没有介绍右移的情况，是因为右移之后空出来的高位数值，有0和1两种形式。要想区分什么时候补0什么时候补1，首先就需要掌握二进制数表示负数的方法。

二进制数中表示负数值时，一般会把最高位作为符号来使用，因此我们把这个最高位当作符号位。符号位是0时表示正数，是1时表示负数。那么-1用二进制数该如何表示呢？可能很多人会这么认为:因为1的二进制数是0000 0001 ，最高位是符号位，所以正确的表示-1，但是这个答案真的对吗?

计算机世界中是没有减法的，计算机在做减法的时候其实就是在做加法，也就是用加法来实现的减法运算。比如100-50，其实计算机来看的时候应该是100 + (-50)，为此，在表示负数的时候就要用到二进制补数，补数就是用正数来表示的负数。

为了获得补数，我们需要将二进制的各数位的数值全部取反，然后再将结果+ 1即可，先记住这个结论，下面我们来演示一下：

具体来说，就是需要先获取某个数值的二进制数，然后对二进制数的每一位做取反操作(0 -->- 1 , 1 -->),最后再对取反后的数+1，这样就完成了补数的获取。

补数的获取，虽然直观上不易理解，但是逻辑上却非常严谨，比如我们来看一下1-1的这个过程：

奇怪，1-1会变成130，而不是0，所以可以得出结论1000 0001 表示-1是完全错误的。那么正确的该如何表示呢？其实我们上面已经给出结果了，那就是1111 1111，来论证一下它的正确性：

我们可以看到1 -1其实实际上就是1 +(-1),对-1进行上面的取反+ 1后变为1111 1111，然后与1进行加法运算，得到的结果是九位的1 0000 0000，结果发生了溢出，计算机会直接忽略掉溢出位，也就是直接抛掉最高位1，变为0000 0000。也就是0，结果正确，所以1111 1111表示的就是-1。所以负数的二进制表示就是先求其补数，补数的求解过程就是对原始数值的二进制数各位取反，然后将结果+ 1。

当然，结果不为0的运算同样也可以通过补数求得正确的结果。不过，有一点需要注意，当运算结果为负的时候，计算结果的值也是以补数的形式出现的，比如3-5这个运算，来看一下解析过程：

3-5的运算，我们按着上面的思路来过一遍，计算出来的结果是1111 1110 ，我们知道，这个数值肯定表示负数，但是负数无法直接用十进制表示，需要对其取反+ 1，算出来的结果是2，因为11111110的高位是1，所以最终的结果是-2。

编程语言的数据类型中，有的可以处理负数，有的不可以。比如C语言中不能处理负数的unsigned short 类型，也有能处理负数的short 类型，都是两个字节的变量，它们都有2的十六次幂种值，但是取值范围不一样， short类型的取值范围是-32768 - 32767，unsigned short的取值范围是0 -65536。

仔细思考一下补数的机制，就能明白-32768 比32767多一个数的原因了，最高位是0的正数有0~32767共32768个，其中包括0。最高位是1的负数，有-1 ~ -32768共32768个，其中不包含0。0虽然既不是正数也不是负数，但是考虑到其符号位，就将其归为了正数。

算数右移和逻辑右移的区别
在了解完补数后，我们重新考虑一下右移这个议题，右移在移位后空出来的最高位有两种情况0和1。当二进制数的值表示图形模式而非数值时，移位后需要在最高位补0，这就被称为逻辑右移。

将二进制数作为带符号的数值进行右移运算时，移位后需要在最高位填充移位前符号位的值(0或1)。这就被称为算数右移。如果数值使用补数表示的负数值，那么右移后在空出来的最高位补1，就可以正确的表示1/2，1/4, 1/8等的数值运算。如果是正数，那么直接在空出来的位置补0即可。

下面来看一个右移的例子。将-4右移两位，来各自看一下移位示意图：

如上图所示，在逻辑右移的情况下，-4右移两位会变成63，显然不是它的1/4， 所以不能使用逻辑右移，那么算数右移的情况下，右移两位会变为-1， 显然是它的 1/4，故而采用算数右移。

那么我们可以得出来一个结论: 左移时，无论是图形还是数值，移位后，只需要将低位补0即可；右移时，需要根据情况判断是逻辑右移还是算数右移。

逻辑运算的窍门
掌握逻辑和运算的区别是：将二进制数表示的信息作为四则运算的数值来处理就是算数，像图形那样，将数值处理为单纯的0和1的罗列就是逻辑。

计算机能够处理的运算，大体可分为逻辑运算和算数运算，算数运算指的是加减乘除四则运算；逻辑运算指的是对二进制各个数位的0和1分别进行处理的运算，包括逻辑非(NOT运算)、逻辑与(AND运算)、逻辑或(OR运算)和逻辑异或(XOR运算)四种。

• 逻辑非 指的是将0变成1, 1变成0的取反操作
• 逻辑与指的是“两个都是 1时，运算结果才是1,其他情况下是0”
• 逻辑或指的是“至少有一方是 1时，运算结果为1,其他情况下运算结果都是0”
• 逻辑异或 指的是“其中一方是1,另一方是0时运算结果才是1,其他情况下是0”
  
  掌握运算的窍门，就是要摒弃二进制数表示数值这一个想法。大家不要把二进制数表示的值当作数值，应该把它看成是开关上的ON/OFF。