「计算机基础」图文详解计算机二进制 1、0 实现的原理

在使用电脑进行办公时或通过网络发送图片时，很多人都不知道其背后的原理。或许有些计算机专业的学生略知一二告诉你，电脑把会把各种东西转化成了 0 和 1 的二进制，因为电脑只能读懂 0 和 1。那么，这种东西又是如何转化的呢？电脑自动转化吗？它得先读懂才能转化吧？

一、老师说

记得刚学计算机时，我就听老师说，电脑采用的是二进制计数。也就是说，在电脑的世界里，它只认识 1 和 0 。

那时虽然理解不了，但是也没有多问。理解不了是因为，键盘上明明有 3、4、5，你却说它只认识 1 和 0。没有多问是因为，老师说了就这么记。

慢慢随着年龄的增长爱上了这一行，就想深扎在这个行业，因此必须搞懂最基础的知识。

二、进制是什么

日常生活中常见的计数方式是十进制，十进制也就是逢十进一。

拿我最喜欢国产产品人民币来举例：十个一块是十块，十张十块是一百，十张一百是一千。

但是在这世界上不是只有十进制，进制还有很多，比如：二十进制、九进制、六十四进制等，目前大约共有二十五种进制在使用。

那么，我们为什么会选择十进制呢？

话说那年连秦始皇都还没有出生，在古希腊有一个叫亚里士多德的老头，他做了一个解释：可能是因为人类只有十个手指头。因此，在清点猎物的时候，数到十后面就没有了。所以每当数完十个数，就走过去一个人。这就是逢十进一，一个人就代表十头猎物。

有人就会困惑，手指头数完了，还有脚指头呐！那时也没有皮鞋，冬天也一样数，根本不耽误。是的，玛雅文明采用的就是二十进制，人家就是数脚指头。玛雅人的二十进制，不是观察脚指头。他们是观察天体运行，以一圈是 360 度，一年 360 天，推导出来 20 是一个基本单位。因此，逢二十进一。

除此之外，巴比伦文明采用的是六十进制，逢六十进一。为什么是六十？因为他们以时间为基本单位，一个小时是六十分钟，一分钟是六十秒。

虽然十进制，最早由亚里士多德做了解释。但是，多劳不一定多得。十进制是我国发明的。证据就是在甲骨文中就有“十”、“百”、“千”、“万”等文字标记。

反正吧，说这么多，不管多少进制，它出现肯定是有场景支撑的，是有原因的。

现在你可以回看一下本篇文章的标题，计算机使用哪种进制？没错二进制，那么电脑为什么会采用二进制呢？这就是下面我们要探索的内容。

三、计算机为什么选二进制

3.1 二进制原理

首先我要告诉你计算机的俗称名叫：电脑，字体加大而且加粗红色标注了。也就是说想要在电脑里存东西，那得先通电。

电脑通过控制电路进行数据的存储和运算，计算机先驱们为了让电脑能存点东西，可谓是费尽心机。最后，他们研究出一种叫触发器的元件，一个触发器可以存储 1 位二进制代码。

寄存器的存储电路通常是由触发器构成的，因为一个触发器能存储 1 位二进制数，所以 n 个触发器就可以构成 n 位寄存器，可以将寄存器理解成多个触发器组成的暂存单元。

上面这张图片看不懂太复杂的话，这里画一张简略图。

上图已经标示的很清楚了 i 是 input 的简称，表示输入；o 是 output 的简称，表示输出；s 代表 switch，表示开关；这里多说一句通电用 1 表示，断电用 0 表示。

上图中当我们给开关 s 通电时，i 通电 o 就有电，i 不通电 o 就没电。

上图中当我们给开关 s 断电时，o 最后状态是什么，它最后就保持住那个状态。

重点来了啊，上面这两个动图就是电路组合实现的原理图。因此如果我们想要存储个状态，那么就给 s 通电，然后改变 i 的值，于是 o 就跟着变了。这样就算是 s 断电，o 已经把状态记录下来了。

3.2 1 位寄存器

1 位的寄存器就实现了高电平或者低电平状态的存储。高电平我们称为 1，低电平用 0 表示。因此 1 位的寄存器可以存一个数，那就是 1 或 0，更完整的动图显示如下图。

1 位寄存器存储完整动图

四、编码是什么？

只存一个 1 或者 0 有什么用？其实用处真不大。但是举一反三，多存一些会不会有用呢？有句话叫做量变引起质变。

下面的图是一个 8 位的寄存器，也就是 8 个小寄存器组合起来了。

我们来计算一下，1 位可以存 1 个二进制数。可以存 1，或者是 0，有 2 种可能。那么，8 位就可以存储 8 个数。这 8 个数可以是 1 或 0 两种情况，组合起来就是 2×2×2×2×2×2×2×2=256 种情况：00000001、00000010、00000011…

我们把 1 位二进制，称为 1 bit（比特）。8 个比特我们叫 1 个 byte（字节）。因为 8 位寄存器比较普遍，当成一个单位，所以 1 byte = 8 bit 也就是一个字节有 256 种情况。不要小瞧这一个小小的 8 位寄存器，它也有很多不同的玩法。

• 如果我们想用它表示数字的话，可以表示从 0 到 255。
• 如果我们想用它表示带符号的数字，比如正数和负数。
• 那么我们把第 1 位当做符号位，0 表示正数，1 表示负数，其他 7 位表示数值，那可以表示从 -127 到 +127。

其实上面采用符号位来表示正负数的方式，这就出现了编码的概念。通过编码，可以做更多的事情。

对于数字来说，0 到 9 就足够了。其他的数值，我们完全可以从这 10 个基本数字当中组合出来。我们的比特有限，还有更多的信息需要通过编码来表示。

六、字符的编码

你现在看到的这段字，计算机里是怎么存储的，你知道吗？就比如“IT”这两个字符。你可能说，存的就是两个字符呀！一个“I”,一个“T”，我键盘敲上去，ctrl+s 保存到我的 word 文件中。

我的读者朋友，计算机只认识 1 和 0，到什么时候也是这样。你屏幕上看到的都是假象，不是本质。对于字符的存储，也采用了编码的原理。

下面是其中一种，它叫ASCII字符编码。这套编码标准是60多年前发明的。

1 字节可以表示从 0 到 256，这里它就用了一半，将 0 到 127 表示了一系列字符。其实，大写字母 I，是第 73 号（二进制1001001），大写字母 T 是 84 号（二进制1010100）。

有了这个标准之后，当你在键盘上按下了 I，到了电脑里实际存的是 73（1001001）这个数。当你下次读取的时候，电脑看到是 73，怕你不明白，再转化为一个 “I” 形状的图形显示到屏幕上。其实，电脑根本不知道 “I” 是什么东西。电脑也不知为啥你要看一个图形。但是，作为一个电脑，它还是照做了。

对于英文语言来说，它们是 26 个字母的组合，因此这 128 个字符，已经完全可以满足日常的使用。它们甚至还能玩个花样。比如 7 号，它的字符是 beep。你要是 print 一下它的话，你的电脑会发出 “哔~” 的声音。

编码都是人为规定的，你有 ASCII 编码，我也可以有其他编码，这是计算机行业规范的事情。拿我们的汉字来说，它的情况就多了去了。因此，128 就承载不了，256 也不行啊。于是，我们常常听说，一个汉字占 2 个字节，也就是有 256×256=65536 种情况。这么多，就够用了。

用 1 和 0 通过编码构成文字，相信你理解了。那些个图片、音频、视频这些多媒体文件，它们又是怎么用 1 和 0 构成的呢？

七、文件的编码

其实图片、音视频这些多媒体文件，以及其他各种类型的源文件，它们的存储也都是编码。

比如一张图片你用肉眼看到的是视觉上的图片，但在计算机中它也是以数据符的形式存储的。下面我就以字符文本的方式，打开了一张图片（这种打开的方式不对）。

你表面上看，它存的是字符。其实这主要是为了能在屏幕上呈现。再往里深究，它存的依然是 1 和 0。那么，图片是怎么来编码呢？我们都知道，图片是由像素组成的。

我们可以按照一定的规则，将这些像素格子用数表示出来。

另外，颜色也是可以用数字编码的。

因此订一套规则就可以了，比如我上面打开的那张图，它一开始就指出这是一个 gif 格式的图片。后面的数据，可能就是有多少个像素，每一个都是什么颜色等类似的信息。

音频文件也是，音频何尝不能用数据来描述呢？

因此它也是编码，下面是我打开的一段音频文件。

我再打开一个 PPT 给大家看看。

其实也类似，看着像是乱码其实都是编码数据。还有视频等等等等基本原理也类似，区别就在于其编码方式等规则不同。

八卦一下

最后说一下八卦，现在也有学者将周易八卦和二进制联系起来。

到底是现代人强行解释，还是老祖先确实有科学的智慧，这个我不敢探讨。但是，有一点我确实很想说。那就是我们喜欢去解释一切。千百年来，我们的文化并不喜欢去搞细密的研究，比如科学领域里那些数字公式什么的。我们更推崇一种思想上的“道”，或者说是一种“以不变应万变”的解释。

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