解释二进制

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想想今天,在智能手机、云服务和增强现实的世界里,我们赖以运行世界的现代互联网都是从一些简单的 1 和 0 字符串开始的,这真是令人惊讶。但是二进制,正如人们所知的这种简化和基本系统,是允许当今所有现代技术最终发展的前身。从第二次世界大战期间为 MK Ultra 等密码破译机器提供动力,到允许第一台房间大小的超级计算机运行并执行将人类送上月球所需的计算,即使是像二进制这样的简化系统也取得了真正非凡的成就。

虽然许多现代编码课程专门针对热门语言(如PythonGolang),但了解二进制的基础知识及其功能几乎就像在学习如何撰写论文或执行复杂的数学计算之前学习字母和数字一样。这是因为在用于构建现代软件和应用程序的花哨的现代硬件和编程语言的“幕后”,使用数码相机拍照或从数据库中检索信息的实际功能仍然表现为无穷无尽的二进制数字流(位),例如:01100100100010110101101010(等等)。

因此,在您完成当前的编码课程并开始设计世界下一个大型社交媒体应用程序或机器学习的新创新之前,值得暂停一下并花一些时间来确保您了解二进制是什么以及它是如何工作的。让我们简要介绍一下二进制的基础知识,以及它如何支持大多数人在想到现代 Internet 和技术时想到的更复杂的功能。

二进制是如何起源的?

回到 1940 年代和 50 年代,为了应对第二次世界大战和太空竞赛的技术和智力挑战,早期的计算机技术人员都在位级别上工作。如果计算机出错,而技术人员评估了系统并确定这不是真空管烧坏的结果,他可能会简单地将某个地方的 0 替换为 1,然后再试一次。

在日常生活中,大多数人使用十进制(也称为基数 10)系统。这样做的原因并不令人惊讶——人类有十个手指和十个脚趾,这自然是我们用来计算和执行基本算术的最简单的系统。如果我们有 16 个手指,我们可能会使用 base-16 系统。事实上,IBM 在 1960 年代初期就创建了这样一个系统,使用“数字”0 到 9 和 A 到 F。这个被称为“十六进制”的系统成为 IBM System/360 大型机的基础符号。原因是当 16 位指令由四个十六进制字符表示时,例如 58F0(“加载”指令),而不是 0101 1000 1111 0000,程序员可以更容易地记住和使用它。但是,在他们的最低水平,

为什么二进制如此有用? 

基本的二元概念遵循某物要么开要么关的原则,提供了一些结构优势,使逻辑(甚至是复杂的逻辑)更容易创建。它起源于一位名叫查尔斯布尔的英国数学家的工作,他发表了一个逻辑系统,作为驱动所有计算机硬件和软件的逻辑的前身。布尔的系统包括基本运算,AND、OR 和 NOT,它们可以形成具有二进制属性的简单语句(即它们要么为真,要么为假)。此外,这些元素可以组合并堆叠成最复杂的逻辑结构。

AND、OR 和 NOT 运算可以以“门”的形式轻松集成到硬件中。例如,非门(称为反相器)将 1(或 0)作为输入,然后产生相反的输出 0(或 1)。类似地,如果两个输入中的一个或两个都为 1,则或门输出 1;如果两个输入都不为 1,则或门输出 0。然后可以以各种方式组合这些门来制作加、减、乘、除运算单元. 一旦你组合了足够多的门,你就拥有了计算机背后的基本逻辑。布尔门在最早的带有机电继电器(打开或关闭的物理开关)的计算机中实现,后来在带有晶体管的现代机器中实现,微型开关也遵循二进制开/关属性。

1937 年,克劳德·香农 (Claude Shannon) 在布尔工作的基础上展示了布尔逻辑如何通过简单地操纵两个符号 1 和 0 来解决问题,随后可以通过电气开关电路自动执行。1948 年,后来被称为信息论之父的香农证明了所有信息都可以用 0 和 1 来表示,这在当时是开创性的,并导致了计算世界的迅速创新和扩展,后来为 Mercury、Gemini 和 Apollo 计划提供动力,并最终引领比尔盖茨和史蒂夫乔布斯等人开发的家庭计算世界。

二进制函数的细节 

十进制系统包含 10 个数字,每个数字位置代表 10 的幂(例如 100 或 1,000 等),而在二进制系统中,每个数字位置代表 2 的幂(4、8、16) , 等等)。二进制代码信号实际上是一系列电脉冲,代表单个数字、字符和要执行的操作。称为时钟的设备传输规则脉冲,然后称为晶体管(上述那些)的组件打开 (1) 或关闭 (0) 以实际传递或阻止脉冲。 

在二进制代码的情况下,每个十进制数 (0–9) 实际上都由一组四个二进制数字表示,称为位。因此,四种基本算术运算(加法、减法、乘法和除法)可以简化为二进制数的基本布尔代数运算的组合。下表提供了此转换的外观表示。

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