一、老師說記得剛學(xué)計(jì)算機(jī)時(shí)，我就聽老師說，電腦采用的是二進(jìn)制計(jì)數(shù)。也就是說，在電腦的世界里，它只認(rèn)識(shí) 1 和 0 。 那時(shí)雖然理解不了，但是也沒有多問。理解不了是因?yàn)?，鍵盤上明明有 3、4、5，你卻說它只認(rèn)識(shí) 1 和 0。沒有多問是因?yàn)?，老師說了就這么記。 慢慢隨著年齡的增長愛上了這一行，就想深扎在這個(gè)行業(yè)，因此必須搞懂最基礎(chǔ)的知識(shí)。 二、進(jìn)制是什么日常生活中常見的計(jì)數(shù)方式是十進(jìn)制，十進(jìn)制也就是逢十進(jìn)一。 拿我最喜歡國產(chǎn)產(chǎn)品人民幣來舉例：十個(gè)一塊是十塊，十張十塊是一百，十張一百是一千。 但是在這世界上不是只有十進(jìn)制，進(jìn)制還有很多，比如：二十進(jìn)制、九進(jìn)制、六十四進(jìn)制等，目前大約共有二十五種進(jìn)制在使用。 那么，我們?yōu)槭裁磿?huì)選擇十進(jìn)制呢？ 話說那年連秦始皇都還沒有出生，在古希臘有一個(gè)叫亞里士多德的老頭，他做了一個(gè)解釋：可能是因?yàn)槿祟愔挥惺畟€(gè)手指頭。因此，在清點(diǎn)獵物的時(shí)候，數(shù)到十后面就沒有了。所以每當(dāng)數(shù)完十個(gè)數(shù)，就走過去一個(gè)人。這就是逢十進(jìn)一，一個(gè)人就代表十頭獵物。 有人就會(huì)困惑，手指頭數(shù)完了，還有腳指頭吶！那時(shí)也沒有皮鞋，冬天也一樣數(shù)，根本不耽誤。是的，瑪雅文明采用的就是二十進(jìn)制，人家就是數(shù)腳指頭?，斞湃说亩M(jìn)制，不是觀察腳指頭。他們是觀察天體運(yùn)行，以一圈是 360 度，一年 360 天，推導(dǎo)出來 20 是一個(gè)基本單位。因此，逢二十進(jìn)一。 除此之外，巴比倫文明采用的是六十進(jìn)制，逢六十進(jìn)一。為什么是六十？因?yàn)樗麄円詴r(shí)間為基本單位，一個(gè)小時(shí)是六十分鐘，一分鐘是六十秒。 雖然十進(jìn)制，最早由亞里士多德做了解釋。但是，多勞不一定多得。十進(jìn)制是我國發(fā)明的。證據(jù)就是在甲骨文中就有“十”、“百”、“千”、“萬”等文字標(biāo)記。 反正吧，說這么多，不管多少進(jìn)制，它出現(xiàn)肯定是有場景支撐的，是有原因的。 現(xiàn)在你可以回看一下本篇文章的標(biāo)題，計(jì)算機(jī)使用哪種進(jìn)制？沒錯(cuò)二進(jìn)制，那么電腦為什么會(huì)采用二進(jìn)制呢？這就是下面我們要探索的內(nèi)容。 三、計(jì)算機(jī)為什么選二進(jìn)制3.1 二進(jìn)制原理 首先我要告訴你計(jì)算機(jī)的俗稱名叫：電腦，字體加大而且加粗紅色標(biāo)注了。也就是說想要在電腦里存東西，那得先通電。 電腦通過控制電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算，計(jì)算機(jī)先驅(qū)們?yōu)榱俗岆娔X能存點(diǎn)東西，可謂是費(fèi)盡心機(jī)。最后，他們研究出一種叫觸發(fā)器的元件，一個(gè)觸發(fā)器可以存儲(chǔ) 1 位二進(jìn)制代碼。  寄存器的存儲(chǔ)電路通常是由觸發(fā)器構(gòu)成的，因?yàn)橐粋€(gè)觸發(fā)器能存儲(chǔ) 1 位二進(jìn)制數(shù)，所以 n 個(gè)觸發(fā)器就可以構(gòu)成 n 位寄存器，可以將寄存器理解成多個(gè)觸發(fā)器組成的暫存單元。 上面這張圖片看不懂太復(fù)雜的話，這里畫一張簡略圖。  上圖已經(jīng)標(biāo)示的很清楚了 i 是 input 的簡稱，表示輸入；o 是 output 的簡稱，表示輸出；s 代表 switch，表示開關(guān)；這里多說一句通電用 1 表示，斷電用 0 表示。  上圖中當(dāng)我們給開關(guān) s 通電時(shí)，i 通電 o 就有電，i 不通電 o 就沒電。  上圖中當(dāng)我們給開關(guān) s 斷電時(shí)，o 最后狀態(tài)是什么，它最后就保持住那個(gè)狀態(tài)。 重點(diǎn)來了啊，上面這兩個(gè)動(dòng)圖就是電路組合實(shí)現(xiàn)的原理圖。因此如果我們想要存儲(chǔ)個(gè)狀態(tài)，那么就給 s 通電，然后改變 i 的值，于是 o 就跟著變了。這樣就算是 s 斷電，o 已經(jīng)把狀態(tài)記錄下來了。 3.2 1 位寄存器 1 位的寄存器就實(shí)現(xiàn)了高電平或者低電平狀態(tài)的存儲(chǔ)。高電平我們稱為 1，低電平用 0 表示。因此 1 位的寄存器可以存一個(gè)數(shù)，那就是 1 或 0，更完整的動(dòng)圖顯示如下圖。  1 位寄存器存儲(chǔ)完整動(dòng)圖 四、編碼是什么？只存一個(gè) 1 或者 0 有什么用？其實(shí)用處真不大。但是舉一反三，多存一些會(huì)不會(huì)有用呢？有句話叫做量變引起質(zhì)變。 下面的圖是一個(gè) 8 位的寄存器，也就是 8 個(gè)小寄存器組合起來了。  我們來計(jì)算一下，1 位可以存 1 個(gè)二進(jìn)制數(shù)?？梢源?1，或者是 0，有 2 種可能。那么，8 位就可以存儲(chǔ) 8 個(gè)數(shù)。這 8 個(gè)數(shù)可以是 1 或 0 兩種情況，組合起來就是 2×2×2×2×2×2×2×2=256 種情況：00000001、00000010、00000011…  我們把 1 位二進(jìn)制，稱為 1 bit（比特）。8 個(gè)比特我們叫 1 個(gè) byte（字節(jié)）。因?yàn)?8 位寄存器比較普遍，當(dāng)成一個(gè)單位，所以 1 byte = 8 bit 也就是一個(gè)字節(jié)有 256 種情況。不要小瞧這一個(gè)小小的 8 位寄存器，它也有很多不同的玩法。
其實(shí)上面采用符號(hào)位來表示正負(fù)數(shù)的方式，這就出現(xiàn)了編碼的概念。通過編碼，可以做更多的事情。 對(duì)于數(shù)字來說，0 到 9 就足夠了。其他的數(shù)值，我們完全可以從這 10 個(gè)基本數(shù)字當(dāng)中組合出來。我們的比特有限，還有更多的信息需要通過編碼來表示。 六、字符的編碼你現(xiàn)在看到的這段字，計(jì)算機(jī)里是怎么存儲(chǔ)的，你知道嗎？就比如“IT”這兩個(gè)字符。你可能說，存的就是兩個(gè)字符呀！一個(gè)“I”,一個(gè)“T”，我鍵盤敲上去，ctrl+s 保存到我的 word 文件中。 我的讀者朋友，計(jì)算機(jī)只認(rèn)識(shí) 1 和 0，到什么時(shí)候也是這樣。你屏幕上看到的都是假象，不是本質(zhì)。對(duì)于字符的存儲(chǔ)，也采用了編碼的原理。 下面是其中一種，它叫ASCII字符編碼。這套編碼標(biāo)準(zhǔn)是60多年前發(fā)明的。  1 字節(jié)可以表示從 0 到 256，這里它就用了一半，將 0 到 127 表示了一系列字符。其實(shí)，大寫字母 I，是第 73 號(hào)（二進(jìn)制1001001），大寫字母 T 是 84 號(hào)（二進(jìn)制1010100）。 有了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之后，當(dāng)你在鍵盤上按下了 I，到了電腦里實(shí)際存的是 73（1001001）這個(gè)數(shù)。當(dāng)你下次讀取的時(shí)候，電腦看到是 73，怕你不明白，再轉(zhuǎn)化為一個(gè) “I” 形狀的圖形顯示到屏幕上。其實(shí)，電腦根本不知道 “I” 是什么東西。電腦也不知為啥你要看一個(gè)圖形。但是，作為一個(gè)電腦，它還是照做了。 對(duì)于英文語言來說，它們是 26 個(gè)字母的組合，因此這 128 個(gè)字符，已經(jīng)完全可以滿足日常的使用。它們甚至還能玩?zhèn)€花樣。比如 7 號(hào)，它的字符是 beep。你要是 print 一下它的話，你的電腦會(huì)發(fā)出 “嗶~” 的聲音。 編碼都是人為規(guī)定的，你有 ASCII 編碼，我也可以有其他編碼，這是計(jì)算機(jī)行業(yè)規(guī)范的事情。拿我們的漢字來說，它的情況就多了去了。因此，128 就承載不了，256 也不行啊。于是，我們常常聽說，一個(gè)漢字占 2 個(gè)字節(jié)，也就是有 256×256=65536 種情況。這么多，就夠用了。 用 1 和 0 通過編碼構(gòu)成文字，相信你理解了。那些個(gè)圖片、音頻、視頻這些多媒體文件，它們又是怎么用 1 和 0 構(gòu)成的呢？ 七、文件的編碼其實(shí)圖片、音視頻這些多媒體文件，以及其他各種類型的源文件，它們的存儲(chǔ)也都是編碼。 比如一張圖片你用肉眼看到的是視覺上的圖片，但在計(jì)算機(jī)中它也是以數(shù)據(jù)符的形式存儲(chǔ)的。下面我就以字符文本的方式，打開了一張圖片（這種打開的方式不對(duì)）。  你表面上看，它存的是字符。其實(shí)這主要是為了能在屏幕上呈現(xiàn)。再往里深究，它存的依然是 1 和 0。那么，圖片是怎么來編碼呢？我們都知道，圖片是由像素組成的。  我們可以按照一定的規(guī)則，將這些像素格子用數(shù)表示出來。 另外，顏色也是可以用數(shù)字編碼的。  因此訂一套規(guī)則就可以了，比如我上面打開的那張圖，它一開始就指出這是一個(gè) gif 格式的圖片。后面的數(shù)據(jù)，可能就是有多少個(gè)像素，每一個(gè)都是什么顏色等類似的信息。 音頻文件也是，音頻何嘗不能用數(shù)據(jù)來描述呢？ 因此它也是編碼，下面是我打開的一段音頻文件。 我再打開一個(gè) PPT 給大家看看。 其實(shí)也類似，看著像是亂碼其實(shí)都是編碼數(shù)據(jù)。還有視頻等等等等基本原理也類似，區(qū)別就在于其編碼方式等規(guī)則不同。 八卦一下最后說一下八卦，現(xiàn)在也有學(xué)者將周易八卦和二進(jìn)制聯(lián)系起來。 到底是現(xiàn)代人強(qiáng)行解釋，還是老祖先確實(shí)有科學(xué)的智慧，這個(gè)我不敢探討。但是，有一點(diǎn)我確實(shí)很想說。那就是我們喜歡去解釋一切。千百年來，我們的文化并不喜歡去搞細(xì)密的研究，比如科學(xué)領(lǐng)域里那些數(shù)字公式什么的。我們更推崇一種思想上的“道”，或者說是一種“以不變應(yīng)萬變”的解釋。 如果你喜歡本文，就收藏和轉(zhuǎn)發(fā)吧，感謝支持。 |
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