浮点数的二进制表示学习笔记
2008-12-20 13:31:17 阅读2931 评论10 字号：大中小
因为要参加软考了（当然也只有考试有这种魅力），我得了概浮点数转化为二进制表示这个最难的知识点（个人认为最难）。俺结合大量的从网上收集而来的资料现整理如下，希望对此知识点感兴趣的pfan有所帮助。
基础知识：
十进制转十六进制；
十六进制转二进制；
IEEE制定的浮点数表示规则；
了解：
目前C/C++编译器标准都遵照IEEE制定的浮点数表示法来进行float,double运算。这种结构是一种科学计数法，用符号、指数和尾数来表示，底数定为2——即把一个浮点数表示为尾数乘以2的指数次方再添上符号。下面是具体的规格： 符号位 阶码 尾数 长度
float 1 8 23 32
double 1 11 52 64
以下通过几个例子讲解浮点数如何转换为二进制数
例一：
已知：double类型38414.4。
求：其对应的二进制表示。
分析：double类型共计64位，折合8字节。由最高到最低位分别是第63、62、
61、„„、0位：
最高位63位是符号位，1表示该数为负，0表示该数为正；
62-52位，一共11位是指数位；
51-0位，一共52位是尾数位。
步骤：按照IEEE浮点数表示法，下面先把38414.4转换为十六进制数。 把整数部和小数部分开处理:整数部直接化十六进制：960E。小数的处理: 0.4=0.5*0+0.25*1+0.125*1+0.0625*0+„„
实际上这永远算不完！这就是著名的浮点数精度问题。所以直到加上前面的整数部分算够53位就行了。隐藏位技术：最高位的1不写入内存（最终保留下来的还是52位）。
如果你够耐心，手工算到53位那么因该是：
38414.4(10)=[**************]0.[***********][***********]0(2)
科学记数法为：1.[**************] [***********][***********]0，右移了15位，所以指数为15。或者可以如下理解：
1.[**************] [***********][***********]0×2^15
于是来看阶码，按IEEE标准一共11位，可以表示范围是-1024 ~ 1023。
因为指数可以为负，为了便于计算，规定都先加上1023(2^10-1)，在这里，阶码：15+1023=1038。二进制表示为：100 00001110；
符号位：因为38414.4为正对应 为0；
合在一起（注：尾数二进制最高位的1不要）：
01000000 11100010 11000001 110
01100 11001100 11001100 11001100 11001100
例二：
已知：整数3490593(16进制表示为0x354321)。
求：其对应的浮点数3490593.0的二进制表示。
解法如下：
先求出整数3490593的二进制表示：
H: 3 5 4 3 2 1 （十六进制表示）
B: 0011 0101 0100 0011 0010 0001 （二进制表示）
│←──────21─────→│
即：
1.[***********]0012×221
可见，从左算起第一个1后有21位，我们将这21为作为浮点数的小数表示，单精度浮点数float由符号位1位，指数域位k=8位，小数域位(尾数)n=23位构成，因此对上面得到的21位小数位我们还需要补上2个0，得到浮点数的小数域表示为：
1 0101 0100 0011 0010 0001 00
float类型的偏置量Bias=2k-1-1=28-1-1=127，但还要补上刚才因为右移作为小数部分的21位，因此偏置量为127+21=148，就是IEEE浮点数表示标准： V = (-1)s×M×2E
E = e-Bias
中的e，此前计算Bias=127，刚好验证了E=148-127=21。
将148转为二进制表示为10010100，加上符号位0，最后得到二进制浮点数表示[***********][1**********]00，其16进制表示为：
H: 4 A 5 5 0 C 8 4
B: 0100 1010 0101 0101 0000 1100 1000 0100
|←──── 21 ─────→ | 1|←─8 ─→||←───── 23 ─────→ |
这就是浮点数3490593.0(0x4A550C84)的二进制表示。
例三：
0.5的二进制形式是0.1
它用浮点数的形式写出来是如下格式
0 01111110 [***********]00000
符号位 阶码 小数位
正数符号位为0，负数符号位为1
阶码是以2为底的指数
小数位表示小数点后面的数字
下面我们来分析一下0.5是如何写成0 01111110 [***********]00000
首先0.5是正数所以符号位为0
再来看阶码部分,0.5的二进制数是0.1,而0.1是1.0*2^(-1),所以我们总结出来:
要把二进制数变成(1.f)*2^(exponent)的形式,其中exponent是指数
而由于阶码有正负之分所以阶码=127+exponent;
即阶码=127+(-1)=126 即 01111110
余下的小数位为二进制小数点后面的数字,即[***********]00000
由以上分析得0.5的浮点数存储形式为0 01111110 [***********]00000 注：如果只有小数部分,那么需要右移小数点. 比如右移3位才能放到第一个1的后面, 阶码就是127-3=124.
例四 （20.59375）10 =（10100.10011 ）2
首先分别将整数和分数部分转换成二进制数：
20.59375＝10100.10011
然后移动小数点，使其在第1，2位之间
10100.10011＝1.010010011×2^4 即e＝4
于是得到：
S＝0， E＝4＋127＝131， M＝010010011
最后得到32位浮点数的二进制存储格式为：
0100 1001 1010 0100 1100 0000 0000 0000＝(41A4C000)16
例五：
-12.5转为单精度二进制表示
12.5:
1. 整数部分12，二进制为1100; 小数部分0.5, 二进制是.1，先把他们连起来，从第一个1数起取24位（后面补0）：
1100.[***********]00
这部分是有效数字。（把小数点前后两部分连起来再取掉头前的1，就是尾数）
2. 把小数点移到第一个1的后面，需要左移3位
（1.[***********]00000*2^3）, 加上偏移量127：127+3=130，二进制是10000010，这是阶码。
3. -12.5是负数，所以符号位是1。把符号位，阶码和尾数连起来。注意，尾数的第一位总是1，所以规定不存这一位的1，只取后23位：
1 10000010 [***********]00000
把这32位按8位一节整理一下，得：
11000001 01001000 00000000 00000000
就是十六进制的 C1480000.
例六：
2.025675
1. 整数部分2，二进制为10; 小数部分0.025675, 二进制
是.[***********]1001，先把他们连起来，从第一个1数起取24位（后面补0）：
10.[***********]1001
这部分是有效数字。把小数点前后两部分连起来再取掉头前的1，就是尾数: [***********]01001
2. 把小数点移到第一个1的后面，左移了1位, 加上偏移量127：127+1=128，二进制是10000000，这是阶码。
3. 2.025675是正数，所以符号位是0。把符号位，阶码和尾数连起来： 0 10000000 [***********]01001
把这32位按8位一节整理一下，得：
01000000 00000001 10100100 10101001
就是十六进制的 4001A4A9.
例七：
(逆向求十进制整数)一个浮点二进制数手工转换成十进制数的例子： 假设浮点二进制数是 1011 1101 0100 0000 0000 0000 0000 0000
按1，8，23位分成三段：
1 01111010 [***********]00000
最后一段是尾数。前面加上"1.", 就是 1.[***********]00000
下面确定小数点位置。由E = e-Bias，阶码E是01111010，加上00000101才是01111111（127），
所以他减去127的偏移量得e=-5。（或者化成十进制得122，122-127=-5）。 因此尾数1.10（后面的0不写了）是小数点右移5位的结果。要复原它就要左移5位小数点，得0.0000110, 即十进制的0.046875 。
最后是符号：1代表负数，所以最后的结果是 -0.046875 。
注意：其他机器的浮点数表示方法可能与此不同. 不能任意移植。
再看一例(类似例七)：
比如：53004d3e
二进制表示为：
[***********][1**********]110
按照1个符号 8个指数 23个小数位划分
0 10100110 [***********]11110
正确的结果转出来应该是[1**********]2.0
该怎么算？
好，我们根据IEEE的浮点数表示规则划分，得到这个浮点数的小数位是：
[***********]11110
那么它的二进制表示就应该是：
1.[***********]111102 × 239
这是怎么来的呢？ 别急，听我慢慢道来。
标准化公式中的M要求在规格化的情况下，取值范围1
正因为如此，我们才需要对原始的整数二进制表示做偏移，偏移多少呢？偏移2E。
这个“E”怎么算？上面的239怎么得来的呢？浮点数表示中的8位指数为就是告诉这个的。我们知道：
E = e-Bias
那么根据指数位:
101001102=>16610
即e=166，由此算出E=e-Bias=166-127=39，就是说将整数二进制表示转为标准
的浮点数二进制表示的时候需要将小数点左移39位，好，我们现在把它还原得到整数的二进制表示：
1 [***********]11110 [**************]0
1│←───── 23─────→│←─── 16───→│
23+16=39，后面接着就是小数点了。
拿出计算器，输入二进制数[***********][***********]0000 转为十进制数，不正是：[1**********]2么！
通过这例六例七，介绍了将整数二进制表示转浮点数二进制表示的逆过程，还是希望大家不但能掌握转化的方法，更要理解转化的基本原理。
浮点数的二进制表示学习笔记
2008-12-20 13:31:17 阅读2931 评论10 字号：大中小
因为要参加软考了（当然也只有考试有这种魅力），我得了概浮点数转化为二进制表示这个最难的知识点（个人认为最难）。俺结合大量的从网上收集而来的资料现整理如下，希望对此知识点感兴趣的pfan有所帮助。
基础知识：
十进制转十六进制；
十六进制转二进制；
IEEE制定的浮点数表示规则；
了解：
目前C/C++编译器标准都遵照IEEE制定的浮点数表示法来进行float,double运算。这种结构是一种科学计数法，用符号、指数和尾数来表示，底数定为2——即把一个浮点数表示为尾数乘以2的指数次方再添上符号。下面是具体的规格： 符号位 阶码 尾数 长度
float 1 8 23 32
double 1 11 52 64
以下通过几个例子讲解浮点数如何转换为二进制数
例一：
已知：double类型38414.4。
求：其对应的二进制表示。
分析：double类型共计64位，折合8字节。由最高到最低位分别是第63、62、
61、„„、0位：
最高位63位是符号位，1表示该数为负，0表示该数为正；
62-52位，一共11位是指数位；
51-0位，一共52位是尾数位。
步骤：按照IEEE浮点数表示法，下面先把38414.4转换为十六进制数。 把整数部和小数部分开处理:整数部直接化十六进制：960E。小数的处理: 0.4=0.5*0+0.25*1+0.125*1+0.0625*0+„„
实际上这永远算不完！这就是著名的浮点数精度问题。所以直到加上前面的整数部分算够53位就行了。隐藏位技术：最高位的1不写入内存（最终保留下来的还是52位）。
如果你够耐心，手工算到53位那么因该是：
38414.4(10)=[**************]0.[***********][***********]0(2)
科学记数法为：1.[**************] [***********][***********]0，右移了15位，所以指数为15。或者可以如下理解：
1.[**************] [***********][***********]0×2^15
于是来看阶码，按IEEE标准一共11位，可以表示范围是-1024 ~ 1023。
因为指数可以为负，为了便于计算，规定都先加上1023(2^10-1)，在这里，阶码：15+1023=1038。二进制表示为：100 00001110；
符号位：因为38414.4为正对应 为0；
合在一起（注：尾数二进制最高位的1不要）：
01000000 11100010 11000001 110
01100 11001100 11001100 11001100 11001100
例二：
已知：整数3490593(16进制表示为0x354321)。
求：其对应的浮点数3490593.0的二进制表示。
解法如下：
先求出整数3490593的二进制表示：
H: 3 5 4 3 2 1 （十六进制表示）
B: 0011 0101 0100 0011 0010 0001 （二进制表示）
│←──────21─────→│
即：
1.[***********]0012×221
可见，从左算起第一个1后有21位，我们将这21为作为浮点数的小数表示，单精度浮点数float由符号位1位，指数域位k=8位，小数域位(尾数)n=23位构成，因此对上面得到的21位小数位我们还需要补上2个0，得到浮点数的小数域表示为：
1 0101 0100 0011 0010 0001 00
float类型的偏置量Bias=2k-1-1=28-1-1=127，但还要补上刚才因为右移作为小数部分的21位，因此偏置量为127+21=148，就是IEEE浮点数表示标准： V = (-1)s×M×2E
E = e-Bias
中的e，此前计算Bias=127，刚好验证了E=148-127=21。
将148转为二进制表示为10010100，加上符号位0，最后得到二进制浮点数表示[***********][1**********]00，其16进制表示为：
H: 4 A 5 5 0 C 8 4
B: 0100 1010 0101 0101 0000 1100 1000 0100
|←──── 21 ─────→ | 1|←─8 ─→||←───── 23 ─────→ |
这就是浮点数3490593.0(0x4A550C84)的二进制表示。
例三：
0.5的二进制形式是0.1
它用浮点数的形式写出来是如下格式
0 01111110 [***********]00000
符号位 阶码 小数位
正数符号位为0，负数符号位为1
阶码是以2为底的指数
小数位表示小数点后面的数字
下面我们来分析一下0.5是如何写成0 01111110 [***********]00000
首先0.5是正数所以符号位为0
再来看阶码部分,0.5的二进制数是0.1,而0.1是1.0*2^(-1),所以我们总结出来:
要把二进制数变成(1.f)*2^(exponent)的形式,其中exponent是指数
而由于阶码有正负之分所以阶码=127+exponent;
即阶码=127+(-1)=126 即 01111110
余下的小数位为二进制小数点后面的数字,即[***********]00000
由以上分析得0.5的浮点数存储形式为0 01111110 [***********]00000 注：如果只有小数部分,那么需要右移小数点. 比如右移3位才能放到第一个1的后面, 阶码就是127-3=124.
例四 （20.59375）10 =（10100.10011 ）2
首先分别将整数和分数部分转换成二进制数：
20.59375＝10100.10011
然后移动小数点，使其在第1，2位之间
10100.10011＝1.010010011×2^4 即e＝4
于是得到：
S＝0， E＝4＋127＝131， M＝010010011
最后得到32位浮点数的二进制存储格式为：
0100 1001 1010 0100 1100 0000 0000 0000＝(41A4C000)16
例五：
-12.5转为单精度二进制表示
12.5:
1. 整数部分12，二进制为1100; 小数部分0.5, 二进制是.1，先把他们连起来，从第一个1数起取24位（后面补0）：
1100.[***********]00
这部分是有效数字。（把小数点前后两部分连起来再取掉头前的1，就是尾数）
2. 把小数点移到第一个1的后面，需要左移3位
（1.[***********]00000*2^3）, 加上偏移量127：127+3=130，二进制是10000010，这是阶码。
3. -12.5是负数，所以符号位是1。把符号位，阶码和尾数连起来。注意，尾数的第一位总是1，所以规定不存这一位的1，只取后23位：
1 10000010 [***********]00000
把这32位按8位一节整理一下，得：
11000001 01001000 00000000 00000000
就是十六进制的 C1480000.
例六：
2.025675
1. 整数部分2，二进制为10; 小数部分0.025675, 二进制
是.[***********]1001，先把他们连起来，从第一个1数起取24位（后面补0）：
10.[***********]1001
这部分是有效数字。把小数点前后两部分连起来再取掉头前的1，就是尾数: [***********]01001
2. 把小数点移到第一个1的后面，左移了1位, 加上偏移量127：127+1=128，二进制是10000000，这是阶码。
3. 2.025675是正数，所以符号位是0。把符号位，阶码和尾数连起来： 0 10000000 [***********]01001
把这32位按8位一节整理一下，得：
01000000 00000001 10100100 10101001
就是十六进制的 4001A4A9.
例七：
(逆向求十进制整数)一个浮点二进制数手工转换成十进制数的例子： 假设浮点二进制数是 1011 1101 0100 0000 0000 0000 0000 0000
按1，8，23位分成三段：
1 01111010 [***********]00000
最后一段是尾数。前面加上"1.", 就是 1.[***********]00000
下面确定小数点位置。由E = e-Bias，阶码E是01111010，加上00000101才是01111111（127），
所以他减去127的偏移量得e=-5。（或者化成十进制得122，122-127=-5）。 因此尾数1.10（后面的0不写了）是小数点右移5位的结果。要复原它就要左移5位小数点，得0.0000110, 即十进制的0.046875 。
最后是符号：1代表负数，所以最后的结果是 -0.046875 。
注意：其他机器的浮点数表示方法可能与此不同. 不能任意移植。
再看一例(类似例七)：
比如：53004d3e
二进制表示为：
[***********][1**********]110
按照1个符号 8个指数 23个小数位划分
0 10100110 [***********]11110
正确的结果转出来应该是[1**********]2.0
该怎么算？
好，我们根据IEEE的浮点数表示规则划分，得到这个浮点数的小数位是：
[***********]11110
那么它的二进制表示就应该是：
1.[***********]111102 × 239
这是怎么来的呢？ 别急，听我慢慢道来。
标准化公式中的M要求在规格化的情况下，取值范围1
正因为如此，我们才需要对原始的整数二进制表示做偏移，偏移多少呢？偏移2E。
这个“E”怎么算？上面的239怎么得来的呢？浮点数表示中的8位指数为就是告诉这个的。我们知道：
E = e-Bias
那么根据指数位:
101001102=>16610
即e=166，由此算出E=e-Bias=166-127=39，就是说将整数二进制表示转为标准
的浮点数二进制表示的时候需要将小数点左移39位，好，我们现在把它还原得到整数的二进制表示：
1 [***********]11110 [**************]0
1│←───── 23─────→│←─── 16───→│
23+16=39，后面接着就是小数点了。
拿出计算器，输入二进制数[***********][***********]0000 转为十进制数，不正是：[1**********]2么！
通过这例六例七，介绍了将整数二进制表示转浮点数二进制表示的逆过程，还是希望大家不但能掌握转化的方法，更要理解转化的基本原理。