在当今现代化的信息时代,我们越来越依赖于使用各种电子信息设备处理和传输大量的信息。当我们在手机上刷小黑盒、在微信上聊天时,当我们在PC、PS、NS等设备上游玩刚买的游戏时,你是否曾经想过,当我们在按下按键之时,按键所表达的含义是如何被转换成机器能够理解的语言,并显示在设备上的?
电信号是怎么转变成0,1这些数字信号的?
(ps:这里我尽量尝试不以电子学电极管什么的角度解释,讲得通俗易懂点)
我们知道灯泡这种东西,它只有两个状态,要么亮,要么不亮;而控制它亮不亮的其实是开关,我们把开关打开,它就通电然后亮了,关闭它就暗了。因此我们可以尝试把开关当作一个控制的节点,用1表示它开了,用0表示它关闭。
所以,当为1时,表示有电压,所以灯泡亮了;为0时,没有电压,那灯泡就为暗。
那如果我面前有两个灯泡A和B,那总共会有多少种状态?答案是4种,即A暗B暗,A暗B亮,A亮B暗,A亮B亮,也就是对应为00,01,10,11,也就是说两个灯泡的四种状态可以用这四个二进制数表示。
那三个灯泡呢,那就有8种状态,化为二进制表示就是000,001,010,011,100,101,110,111(自己可以对照一下),四个、五个乃至更多的灯泡也都可以用更多的二进制来表示。
如你所见,这些各种灯泡的各种状态都可以用不同的二进制表示,其实就是更改不同灯泡的通电状态来表示各种二进制。
更具体的说,一个电子设备的电路结构里,可以看作会有许许多多类似于这个灯泡开关的路线,我们就可以通过控制它们各自电压的状态,来向外表达出不同的二进制数,这样设备上不同的操作所转化成的电信号就可以具体表现为由0,1组成的数字信号了。
反过来,输入0,1组成的特定的数字信号,也可以转化表示具体状态的电信号,被机器读入从而进行操作。
例子:键盘敲击字母,随后在电脑上显示出来
当我们一开始敲下某个按键,比如A时,电脑就会读取我们敲击的A键的信息。不过电脑是不知道A这个字母,但是当我们敲下这个按键时,计算机对应电路的通电状态有产生变化,这个状态变化也会对应某个二进制的值,这样电脑就知道这个二进制值是什么了。
根据国际ASCII编码表(全称"美国信息交换标准代码",一个可以通过7位二进制记录128个字符编码的表),字母A在其中对应二进制为1000001。
电脑知道二进制值为1000001后,根据这个表上的映射,就会显示为A。这样,我们键盘敲击了A,电脑屏幕上也就会显出A这个字母。
中文汉字也有对应的编码表,比如常用的UTF-8。举个例子,”汉“这一字在该表中对应的二进制值就是1110011010100101,对应十进制的数字就为59045,十六进制就为E6A5。
是不是位数太多了?没办法,汉字太多了,位数越多越能表现的状态就越多。而英文只有26个字母,只需要很少位数的二进制值就能表示。
所以,换另外一个角度讲,为什么7nm精度和5nm精度的芯片,后者为什么常常性能更好?就是因为同一个面积大小的两块芯片,里面电路构造精度为5nm的芯片往往拥有更多的电路开关,可以表达更多的二进制,即显示出更多的通电状态,所以它的计算能力就更好,性能更强。
为什么这些机器都用二进制来表示信息呢?不用其他进制比如我们常用的十进制?
答案其实在上面的例子也给出来了。计算机中最基本构造其实挺简单的:电子元件只有开和关两种状态,直接1和0就能表示;每一条电路也可以看作只有两种状态,有电或无电,也能表示1和0;每一个电压的大小可以表示为高电压和低电压,令高电压为1,低电压为0……
在二进制中,每一位只有0和1两种状态,这意味着计算机在进行运算时只需要判断两个数字的对应位是0还是1,从而大大减少了计算的复杂度。
这些电路结构各处的状态组合在一起,就可以表示多个不同的总的状态,就可以使一个计算机表达出不同的状态了。所以通过二进制,机器就可以简单方便地表示多种信息。
从计算机的内部架构到互联网的数据传输,二进制都扮演着至关重要的角色,因为它是计算机和数字电子设备中使用的基本编码系统。所有的数字数据都可以使用二进制表示,我们日常所知的各种资料,包括文本、图像、音频和视频等,计算机中的所有操作,如计算、存储、传输和处理数据,都是通过二进制来实现的。
因此,二进制0和1,成为了现在计算机时代的信息基石。
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