Mi a bináris és miért használják a számítógépeket?

A számítógépek nem értik a szavakat vagy számokat, ahogyan az emberek. A modern szoftver lehetővé teszi, hogy a végfelhasználó figyelmen kívül hagyja ezt, de a számítógép legalacsonyabb szintjén mindent egy bináris elektromos jel képvisel, amely a két állapot egyikében regisztrálódik: be vagy ki. A bonyolult adatok megértéséhez a számítógépnek binárisan kell kódolnia.

A bináris egy alap 2 számrendszer. A 2-es bázis azt jelenti, hogy csak két számjegy-1 és 0-szám van, amelyek megfelelnek a számítógép által érthető és bekapcsolt állapotoknak. Valószínűleg ismeri az alap 10-es decimális rendszerét. A tizedes számjegyek 0-tól 9-ig terjedő tíz számjegyből állnak, majd két számjegyű számok köré tekerik, és mindegyik számjegy tízszer nagyobb, mint az utolsó (1, 10, 100 stb.). A bináris hasonló, minden számjegy kétszer többet ér, mint az utolsó.

Bináris számolás

Binárisan az első számjegy tizedes értékű. A második számjegy 2-et, a harmadik értéket 4-et, a negyedik értéket 8-at, és így minden alkalommal megduplázza. Mindezek hozzáadásával a számot tizedesben adjuk meg. Így,

1111 (bináris) = 8 + 4 + 2 + 1 = 15 (tizedesben)

A 0 értéket figyelembe véve ez négy lehetséges bináris bit számára 16 lehetséges értéket ad. Mozgasson 8 bitre, és 256 lehetséges értéke van. Ez sokkal több helyet képvisel, hiszen négy számjegy tizedes ad számunkra 10 000 lehetséges értéket. Úgy tűnhet, hogy végigmegyünk mindezen bajok között, hogy újra kiszámítsuk a számlálórendszerünket, csak azért, hogy a clunkier, de a számítógépek sokkal jobban megértik a bináris értékeket, mint a tizedesjegyeket. Persze, a bináris több helyet foglal el, de a hardver visszatartja. És néhány dolog, mint a logikai feldolgozás, a bináris jobb, mint a tizedes.

Van egy másik alaprendszer is, amelyet a programozás során is használnak: hexadecimális. Bár a számítógépek nem futnak hexadecimálisan, a programozók azt használják, hogy a bináris címeket emberi olvasható formátumban jelenítsék meg a kód írásakor. Ez azért van, mert a hexadecimális két számjegy egész bájtot, nyolc számjegyet tartalmaz binárisan. A hexadecimális 0-9-et használ, mint a decimális, és az A-tól F-ig terjedő betűket a további hat számjegy képviseli.

Tehát miért használnak számítógépeket a bináris?

A rövid válasz: hardver és fizikai törvények. A számítógépen minden szám elektromos jel, és a számítástechnika korai napjaiban az elektromos jeleket sokkal nehezebb mérni és ellenőrizni. Jobb értelme volt, ha csak megkülönböztetünk egy negatív töltésű „pozitív” állapotú és „pozitív” állam által képviselt pozitív díjat. Azok számára, akik bizonytalanok, hogy az „off” -ot miért pozitív töltés képviseli, az az, hogy az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek, a több elektron pedig negatív töltéssel bír..

Tehát a korai szobaméretű számítógépek binárisan használták a rendszerük építését, és bár sokkal régebbi, régebbi hardvereket használtak, ugyanazokat az alapelveket tartottuk fenn. A modern számítógépek olyan tranzisztorokat használnak, amelyek bináris számításokat végeznek. Íme egy diagram arról, hogy egy terepi hatású tranzisztor (FET) hogyan néz ki:

Lényegében csak az áram áramlását teszi lehetővé a forrásból a lefolyóba, ha a kapuban áram van. Ez bináris kapcsolót alkot. A gyártók ezeket a tranzisztorokat hihetetlenül kis méretűek lehetnek, egészen 5 nanométerig, vagy két DNS-szál nagyságától. Így működnek a modern CPU-k, és még azok is problémáik lehetnek, amelyek megkülönböztetik a be- és kikapcsolt állapotokat (bár ez többnyire az irreális molekulaméretnek köszönhető, a kvantummechanika furcsasága miatt).

De miért csak az alap 2?

Szóval gondolkodhatsz, hogy miért csak 0 és 1? Nem tudott még egy számjegyet hozzáadni? ”Bár a számítógépek építésének hagyományai közé tartozik, egy másik számjegy hozzáadása azt jelenti, hogy megkülönböztetnünk kell a jelenlegi, nem csak az„ off ”és a„ különböző ”szinteket. ”, De azt is mondja, hogy„ egy kicsit ”és„ sokat ”.

A probléma itt az, ha több feszültségszintet szeretne használni, szükség van rá, hogy könnyen elvégezhesse a számításokat, és az ehhez szükséges hardver nem helyettesíthető a bináris számítástechnika helyett. Valóban létezik; háromkomponensű számítógépnek hívják, és az 1950-es évek óta van, de ez nagyjából ott van, ahol a fejlesztés megállt. A terner logika sokkal hatékonyabb, mint a bináris, de mégsem senki sem rendelkezik a bináris tranzisztor hatékony cseréjével, vagy legalábbis nem végeztek semmilyen munkát ugyanazon apró skálákon, mint a binárisan..

Az ok, amiért nem használhatjuk a háromdimenziós logikát, olyan módon jön le, ahogy a tranzisztorok egymásra raknak egy számítógépen, amit „kapuknak” hívnak.-és hogyan használják őket a matematika végrehajtására. A kapuk két bemenettel rendelkeznek, műveletet hajtanak végre rajtuk, és visszaadják az egyik kimenetet.

Ez a hosszú válaszhoz vezet: a bináris matematika könnyebb a számítógép számára, mint bármi más. A logikai logika könnyedén bináris rendszereket képez, az Igaz és a Hamis pedig be- és kikapcsolt. A számítógépen lévő kapuk logikai logikán működnek: két bemenetet vesznek igénybe, és műveletet hajtanak végre rajtuk, mint az AND, OR, XOR stb. Két bemenet könnyen kezelhető. Ha minden lehetséges bemenetre a válaszokat grafikázza, akkor az igazságtáblázatnak kellene lennie:

A boolean logikán működő bináris igazságtáblának négy lehetséges kimenete lesz minden alapvető művelethez. De mivel a háromoldalú kapuk három bemenettel rendelkeznek, egy háromkomponensű igazságtábla 9 vagy annál több. Míg egy bináris rendszer 16 lehetséges operátorral rendelkezik (2 ^ 2 ^ 2), egy háromkomponensű rendszer 19 683 (3 ^ 3 ^ 3) -al rendelkezik. A méretezés problémává válik, mert míg a háromkomponens hatékonyabb, az is exponenciálisan összetettebb.

Ki tudja? A jövőben megkezdhetjük a háromkomponensű számítógépek megjelenését, amikor a bináris határokat molekuláris szintre emeljük. Most azonban a világ továbbra is binárisan fut.

Képhitel: spainter_vfx / Shutterstock, Wikipedia, Wikipedia, Wikipedia, Wikipedia