Kaj je binarno in zakaj ga uporabljajo računalniki?

Računalniki ne razumejo besed ali številk tako kot ljudje. Sodobna programska oprema omogoča končnemu uporabniku, da to prezre, vendar na najnižjih nivojih vašega računalnika vse predstavlja binarni električni signal, ki se registrira v enem od dveh stanj: vklop ali izklop. Če želite razumeti zapletene podatke, jih mora računalnik kodirati v binarni obliki.

Binarni je osnovni 2-številčni sistem. Osnova 2 pomeni, da sta samo dve števki 1 in 0, ki ustrezata stanju vklopa in izklopa, ki ga računalnik lahko razume. Verjetno ste seznanjeni z osnovnim 10-decimalnim sistemom. Decimalno uporablja deset številk, ki se raztezajo od 0 do 9, in se nato ovije okoli dveh številk, pri čemer je vsaka številka vredna desetkrat več kot zadnja (1, 10, 100 itd.). Binarna je podobna, pri čemer je vsaka številka vredna dvakrat več kot zadnja.

Štetje v binarni

V binarni obliki je prva številka v decimalni vrednosti 1. Druga številka je vredna 2, tretja vrednost 4, četrta vrednost 8, in vsakokrat podvojitev. Če dodate vse to, dobite številko v decimalnem. Torej,

1111 (v binarnem) = 8 + 4 + 2 + 1 = 15 (v decimalnem)

Pri 0, to nam daje 16 možnih vrednosti za štiri binarne bitove. Premaknite se na 8 bitov in imate 256 možnih vrednosti. To zavzema veliko več prostora za predstavitev, saj nam štiri števke v decimalni vrednosti dajejo 10.000 možnih vrednosti. Morda se nam zdi, da se spopadamo z vsemi težavami, da bi znova odkrili naš sistem štetja, samo da bi postali bolj svež, vendar računalniki razumejo binarno veliko bolje kot jih razumejo decimalno. Seveda, binarni zavzema več prostora, vendar nas strojna oprema zadržuje. In za nekatere stvari, kot je logična obdelava, je binarno boljše od decimalnega.

Obstaja še en osnovni sistem, ki se uporablja tudi pri programiranju: šestnajstiški. Čeprav računalniki ne delujejo v šestnajstiški obliki, programerji pri pisanju kode uporabljajo binarne naslove v berljivi obliki. To je zato, ker dve števki v šestnajstiškem zapisu lahko predstavljata celoten bajt, osem števk v binarni. Šestnajstiški uporablja 0-9 kot decimalno, prav tako pa črke od A do F, ki predstavljajo dodatnih šest številk.

Torej, zakaj računalniki uporabljajo Binary?

Kratek odgovor: strojna oprema in zakoni fizike. Vsaka številka v računalniku je električni signal, v prvih dneh računalništva pa so bili električni signali veliko težje meriti in nadzorovati zelo natančno. Bolj smiselno je bilo razlikovati samo med »na« državo, ki jo predstavlja negativni naboj, in »off« stanje, ki ga predstavlja pozitivni naboj. Za tiste, ki niso prepričani, zakaj je »off« predstavljen s pozitivnim nabojem, je to zato, ker imajo elektroni negativen naboj - več elektronov pomeni večji tok z negativnim nabojem..

Torej so zgodnji računalniki v velikosti v sobi uporabljali binarne sisteme za izgradnjo svojih sistemov, in čeprav so uporabljali veliko starejšo strojno opremo, smo ohranili ista temeljna načela. Sodobni računalniki uporabljajo tisto, kar je znano kot tranzistor, da opravi izračune z binarnimi. Spodaj je prikazano, kako izgleda tranzistor z efektom polja (FET):

V bistvu, to dopušča samo tok, ki teče od vira do odtoka, če je tok v vratih. To tvori binarno stikalo. Proizvajalci lahko izdelajo te tranzistorje izjemno majhne - vse do 5 nanometrov, ali približno velikost dveh verig DNK. Tako delujejo sodobne procesorje in celo lahko trpijo zaradi težav, ki se razlikujejo med vklopljenimi in izklopljenimi stanji (čeprav je to večinoma posledica njihove neresnične molekularne velikosti, ki je podvržena čudnosti kvantne mehanike)..

Toda zakaj samo baza 2?

Morda razmišljate, “zakaj le 0 in 1? Ali ne moreš dodati še ene številke? «Medtem ko se nekateri nanašajo na tradicijo v izdelavi računalnikov, bi dodajanje nove številke pomenilo, da bi morali razlikovati med različnimi ravnmi toka - ne le» off «in» on « , ”Pa tudi države, kot so“ na malo ”in“ na veliko ”.

Težava je v tem, da želite uporabiti več nivojev napetosti, zato potrebujete način, kako z njimi enostavno izvesti izračune, strojna oprema za to pa ni izvedljiva kot nadomestek za binarno računalništvo. Res obstaja; imenuje se trikotni računalnik, in to je bilo približno od leta 1950, vendar je to precej kjer se je razvoj na njem ustavil. Ternarna logika je veliko bolj učinkovita kot binarna, toda zaenkrat nihče nima učinkovite zamenjave za binarni tranzistor, ali vsaj ni bilo dela, ki bi jih bilo mogoče razviti v istih majhnih lestvicah kot binarni.

Razlog, zakaj ne moremo uporabiti ternarne logike, se zniža na način, kako so tranzistorji zloženi v računalnik.-in kako se uporabljajo za opravljanje matematike. Gates je vzel dva vhoda, izvedel operacijo na njih in vrnil en izhod.

To nas pripelje do dolgega odgovora: binarna matematika je za računalnik lažja kot karkoli drugega. Boolove logike se preprosto preslikajo v binarne sisteme, pri čemer sta True in False predstavljena z vklopom in izklopom. Gates v vašem računalniku delujejo na logično logiko: vzamejo dva vhoda in opravita operacijo na njih, kot sta AND, OR, XOR in tako naprej. Dva vhoda sta preprosta za upravljanje. Če bi grafikirali odgovore za vsak možni vhod, bi imeli tisto, kar je znano kot tabela resnice:

Binarna tabela resnice, ki deluje na logični logiki, bo imela štiri možne izhode za vsako temeljno operacijo. Ker pa trikomponentna vrata zajemajo tri vhode, bi imela ternarna tabela resnice 9 ali več. Medtem ko ima binarni sistem 16 možnih operaterjev (2 ^ 2 ^ 2), ima ternarni sistem 19.683 (3 ^ 3 ^ 3). Skaliranje postane težava, ker je ternarna bolj učinkovita, vendar je tudi eksponentno bolj kompleksna.

Kdo ve? V prihodnosti bi lahko začeli videti, da ternarni računalniki postanejo stvar, ko omejimo binarne meje na molekularno raven. Za zdaj pa bo svet še naprej deloval na binarni način.

Slika kreditov: spainter_vfx / Shutterstock, Wikipedija, Wikipedija, Wikipedija, Wikipedija