帶大家了解二進制

信息時代，我們的生活離不開計算機。我們看到的視頻、圖片，閱讀的文字、數(shù)字和符號、聽到的音樂，其實都是一串由 0 和 1 組合的序列。這就是我們計算機經(jīng)常使用的二進制數(shù)。

你知道嗎？世界上最早提出二進制的人，就是那個曾發(fā)現(xiàn)微積分的“百科全書”式的天才 —— 萊布尼茨。

你是否會好奇，為什么我們計算機不直接用常見的 0 到 9 描述？究竟什么是二進制呢?

在聊二進制前，讓我們先來認識什么是十進制。

01、什么是十進制

在日常生活中，我們習慣使用 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9 這十個阿拉伯數(shù)字來記數(shù)。

當我們在商場上看到某件物品標價為 1246，就可以自然地拼讀出來：一千二百四十六，而不是直接讀成：一二四六。其實，我們發(fā)現(xiàn)，在一串數(shù)字中，每一位都代表不同含義。

1  2  4  6

千 百 十 個

于是，存在如下計算：

1246=1*103+2*102+4*101+6*100

可以看到，如果我們從第 0 位開始計數(shù)，每一位上的數(shù)字分別乘上固定數(shù)值，即“位權(quán)”，也就是“每一位的權(quán)重”。則第 i 位的權(quán)重就是

10i

一般地，對于一個 R 進制的數(shù)字，第 i（i 從 0 開始計數(shù)）位的位權(quán)為：

Ri

在我們生活中習慣使用的計數(shù)方法，就是十進制，即“逢十進一”。

02、什么是二進制

盡管日常生活中，十進制的使用已深入人心。但是，在計算機領(lǐng)域，普遍采用二進制。

也就是只由 0 和 1 組成的計數(shù)法，逢二進一，第 i（i 從 0 開始計數(shù)）位的位權(quán)為：

2i

因此，當我們看到一串 0、1 序列時，我們需要進行如下的計算，才能轉(zhuǎn)換為我們常用的十進制計數(shù)：

二進制：1  0  1  1

十進制：11=1*23+0*22+1*21+1*20

03、二進制的優(yōu)點

既然使用二進制有些“反人類”，為什么計算機會選擇使用二進制呢？

二進制的特點包括:

• 狀態(tài)簡單：二進制只使用 0 和 1 兩個數(shù)字組成，狀態(tài)種類少，非常方便。

• 穩(wěn)定性好，可靠性高：可以用低電平和高電平來劃分 0 和 1 兩種狀態(tài)。舉例來說，我們知道，電腦的主存儲器是由晶體管組成。晶體管可在高壓（1）和低壓（0）兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。即使受到電磁干擾，電壓會存在波動，我們也能很好地分辨 0 和 1 兩種狀態(tài)。這些 0、1 狀態(tài)會由電腦處理器讀取。根據(jù)軟件指令，可通過晶體管的不同狀態(tài)控制其他電腦設(shè)備，從而可靠地存儲數(shù)據(jù)。其使用的數(shù)字裝置簡易，所用元件少，技術(shù)實現(xiàn)簡單。

• 運算簡單：與十進制相比，雖然二進制表示一個數(shù)的位數(shù)過多，但是對于計算機來說，計算 0 和 1 兩個狀態(tài)，比計算 0-9 十個狀態(tài)更為簡單。進位規(guī)則“逢二進一”，借位規(guī)則“借一當二”。對于計算機來說，二進制的運算規(guī)則簡單。

• 通用性強：二進制可以清楚地劃分是非對錯。利用二進制，我們可以設(shè)計出基礎(chǔ)的與、或、非邏輯運算元件并進行擴展。

04、二進制的應(yīng)用

每種類型的數(shù)據(jù)，都可以通過一套規(guī)則快速地實現(xiàn)二進制編碼。例如，十進制可以轉(zhuǎn)化為二進制。字母也可根據(jù)通過標準規(guī)則（如 UTF-8）進行二進制串編碼。

同樣，視頻的每一幀由圖片構(gòu)成，圖片則由每個像素構(gòu)成，每個像素又可用 3 個二進制序列表示。

就連語音，都可以利用脈沖編碼調(diào)制技術(shù)，以二進制的形式存儲和傳輸。

所以，二進制可以廣泛地應(yīng)用到計算機的各個領(lǐng)域。

正因為有著這么多的優(yōu)點，二進制被作為目前計算機唯一可識別和接受的語言，即機器語言。我們在開發(fā)、測試軟件時常用的 C、C++、Java、Python 等等程序語言屬于高級語言，它們最后都需轉(zhuǎn)化為機器語言才能被計算機識別和執(zhí)行。

05、也許可以是三進制

盡管二進制在計算機已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。但是，如果說二進制是計算機最理想的選擇未免有些草率。因為，雖然二進制計算規(guī)則簡單，但是未必能夠完美地表達人們的真實想法。在一般情況下，人類大腦思維方式，在對待問題的看法上并不只有“真”和“假”、“是”與“非”兩種答案，還有一種“不確定”。因此，在不少領(lǐng)域，二進制可能會受到極大的局限。

一般來說，n 位的 R 進制數(shù)可以描述 Rn 種信息內(nèi)容，其需要使用 nR 個元件表示。于是，R 進制的效率可以用如下公式表示：

y（R）=Rn/nR

其含義可以理解為：在描述相同的信息量下，所需的元件數(shù)目越少，則工作效率越高。

當我們采用高中學過的求導等一系列計算后可以得出：當 R=e（e 為約等于 2.71828 的無限不循環(huán)小數(shù)）時，y 最大。此時，驚訝地發(fā)現(xiàn)，整數(shù) 3 的效率 y 比整數(shù) 2 距離 e 更近。

三進制才是那個被證明理論上效率最高的進制。

其實，早在 19 世紀 50 年代，前蘇聯(lián)就已經(jīng)出現(xiàn)三進制計算機了。但是，由于政治、經(jīng)濟等因素，三進制計算機逐漸被人們拋棄。隨著未來競爭激烈、充滿神奇的量子領(lǐng)域中存在一種額外的狀態(tài) —— 不確定的疊加態(tài)，而三進制剛好可以通過“不確定”的那個數(shù)來表示，從而能夠抗量子攻擊。

因此，三進制計算機也為計算機的發(fā)展開辟新的可能，也再次引起人們的注意：我國的物理學家郭光燦和中國科學院大學同事首次實現(xiàn)三進制 qutirt 量子信號的傳輸。韓國也在最近幾年成功研制出三進制的半導體。

結(jié)語

通過這篇文章，我們可以認識到：

• 二進制與十進制區(qū)別

• 二進制的優(yōu)點與應(yīng)用

• 三進制的優(yōu)點與進展

好學的你，不知不覺又漲知識了！

或許大家也開始憧憬計算機的發(fā)展趨勢。科學，本來就是一件充滿未知的事情。今天，二進制在計算機體系中已經(jīng)十分完善，三進制也隨著量子領(lǐng)域的出現(xiàn)而逐漸凸顯優(yōu)勢。