AP知识点:计算机为何要使用二进制

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　　“There are only 10 types of people in the world: thosewho understand binary and those who don’t.”

　　如果同学们能get到上面那个笑话的笑点，那么恭喜，你们对二进制已经有了初步的了解。如果看不懂上面的话，那也没关系。读完今天这篇文章后，相信大家对于二进制以及它在计算机科学中的重要性，都会有基本的了解。

　　所谓二进制，和我们熟悉的十进制的定义是类似的。十进制的意思是每10个数字需要进位，这个大家都能理解。一位数最大的就是9，然后就需要用二位数来表示。对于二进制也是类似的，也就是每两个数字就要进位，因此一位数最大的就是1.比1还要再大1的，就要用10来表示。接下来就是11, 100, 101, 110…

　　对计算机有初步了解的人可能听说过这样的话：计算机的世界是由0和1组成的。但是很多人并不了解具体为什么0和1就组成了整个计算机世界。其实这个原因非常的简单。组成计算机核心部分(如CPU, 内存等)的基本元件叫做晶体管(transistor), 晶体管是一种固体半导体器件，被用在几乎所有的电子设备之中。晶体管在电子产品中的主要作用是作为可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。晶体管的样子大概如下图所示：

　　简单的来说，晶体管作为开关的时候，会根据三个极中两个极是否存在电压，来决定是否有电流可以通过晶体管。换句话说，晶体管并不会在乎两极的电压大小，而只是在乎“有”还是“没有”，也就是“1”(或high)和“0”(或low).如果两极的电压都是“1”，则电流可以通过晶体管，否则电流无法通过晶体管。这样一来，这两极的电压的有无交替，就可以作为开关使用。若干个晶体管用特定的方式连接在一起成为电路，可以形成不同的“逻辑门”(logicgates)。

　　逻辑门是集成电路上最基本的组件。其作用主要是把两种电信号(即1或0)变成一个新的电信号(1或0),变动的原理遵循某种逻辑运算法。比如“与”闸(AND gate)，在输入端是1和1的时候，产生的电信号也是1;在其他的任何情况，产生的电信号都是0， 这种规律符合在逻辑运算中AND的法则。下面是几种常见的逻辑门以及对应的规则：

　　各种基础逻辑门的混合排列和组合，可以形成不同功能的数字电路(digitalcircuits)。常见的数字电路包括加法器等。而加法器则是构成计算机核心部件—CPU中的最基本构件。读到这里各位同学可能觉得有点复杂。其实只要把这些不同名字的部件搞明白，这些部件之间的关系是很明显的:

　　“晶体管组合成为逻辑门;逻辑门通过不同的排列和组合形成数字电路;数字电路所组成的运算器是CPU核心组成部分之一。”

　　由此大家可以看出晶体管对于计算机的重要性。而晶体管唯一识别的就是两极电压的存在与否，因此晶体管的语音就可以用0和1来表示。仅仅通过使用0和1，我们就可以命令晶体管来完成任何我们需要完成的任务。在晶体管刚刚被发明的时候，它们的体积很大。下图是世界上第一个晶体管的复制品：

　　而在现今，随着科技的发展，晶体管的材质和性能都发生了比较大的变化，它们的体积也是越变越小。目前工艺可以量产的最小晶体管，尺寸甚至小于45纳米。在一块英伟达(Nvidia)游戏显卡上，有超过30亿个晶体管!

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