Шта је бинарно и зашто га користе рачунари?

Компјутери не разумеју речи или бројеве као што то људи раде. Модерни софтвер омогућава крајњем кориснику да игнорише ово, али на најнижим нивоима вашег рачунара, све је представљено бинарним електричним сигналом који се региструје у једном од два стања: укључено или искључено. Да бисте разумели компликоване податке, рачунар мора да га кодира у бинарном облику.

Бинарни систем је базни број 2. База 2 значи да постоје само две цифре-1 и 0-које одговарају стању укључености и искључености које рачунар може да разуме. Вероватно сте упознати са основним 10-децималним системом. Децимална цифра користи десет цифара које се крећу од 0 до 9, а затим се оматају да формирају двоцифрене бројеве, при чему свака цифра вреди десет пута више од последње (1, 10, 100, итд.). Бинарна је слична, при чему свака цифра вриједи два пута више од претходне.

Бројање у бинарном

У бинарном, прва знаменка вриједи 1 у децималном броју. Друга цифра је вредна 2, трећа вредност 4, четврта вредност 8, и тако даље - сваки пут се удвостручује. Додавање свих ових података даје број у децималном броју. Тако,

1111 (у бинарном) = 8 + 4 + 2 + 1 = 15 (у децималном)

Рачунајући за 0, то нам даје 16 могућих вредности за четири бинарна бита. Пређите на 8 бита и имате 256 могућих вредности. Ово заузима много више простора за представљање, јер нам четири цифре у децималама дају 10.000 могућих вредности. Може се чинити да пролазимо кроз све ове невоље у поновном осмишљавању нашег система бројања само да бисмо га учинили лакшим, али компјутери разумију бинарно много боље него што они разумију децимални. Наравно, бинарно заузима више простора, али нас хардвер задржава. А за неке ствари, као што је логичка обрада, бинарно је боље од децималног.

Постоји још један основни систем који се такође користи у програмирању: хексадецимални. Иако рачунари не раде у хексадецималном формату, програмери га користе за представљање бинарних адреса у формату који је читљив за људе приликом писања кода. То је зато што две цифре хексадецималног могу представљати читав бајт, осам цифара у бинарном. Хексадецимално користи 0-9 као децималну, а слова од А до Ф представљају додатних шест цифара.

Па зашто рачунари користе бинарно?

Кратак одговор: хардвер и закони физике. Сваки број у вашем компјутеру је електрични сигнал, ау раним данима рачунања, електрични сигнали су били много тежи за мерење и контролу веома прецизно. Било је више смисла разликовати само “он” од државе - представљено негативним набојем - и “искључено” стање представљено позитивним набојем. За оне који нису сигурни зашто је "офф" представљен позитивним набојем, то је зато што електрони имају негативан набој - више електрона значи више струје с негативним набојем.

Дакле, рани компјутери величине собе користили су бинарне системе за изградњу својих система, и иако су користили много старији, грубљи хардвер, задржали смо исте основне принципе. Модерни компјутери користе оно што је познато као транзистор да би изводили прорачуне са бинарним. Ево дијаграма како изгледа транзистор са ефектом поља (ФЕТ):

У суштини, он дозвољава струју да тече од извора до одвода ако постоји струја у капији. Ово формира бинарни прекидач. Произвођачи могу да направе ове транзисторе невероватно мале - све до 5 нанометара, или око величине два дела ДНК. На тај начин функционишу модерни процесори, па чак и они могу да пате од проблема који се разликују између укључених и искључених стања (мада је то углавном због њихове нестварне молекуларне величине, подложна чудности квантне механике)..

Али зашто само база 2?

Можда размишљате, “зашто само 0 и 1? Зар не можете само да додате још једну цифру? ”Док се нешто своди на традицију у томе како су рачунари изграђени, додавање још једне цифре би значило да бисмо морали разликовати различите нивое струје - не само“ офф ”и“ он , ”Али и наводи као“ мало на ”и“ на много ”.

Проблем је у томе што ако желите да користите вишеструке нивое напона, требаће вам начин да лако извршите израчуне са њима, а хардвер за то није одржив као замена за бинарно рачунање. Она заиста постоји; зове се тернарни компјутер, и ту је од 1950-их, али то је прилично много где је развој на њему стао. Тернарна логика је много ефикаснија од бинарне, али још увек нико нема ефективну замену за бинарни транзистор, или барем, није учињен никакав рад на њиховом развоју у истим малим скалама као бинарни.

Разлог због којег не можемо користити тернарну логику је да се транзистори слагају у компјутер - нешто што се зове "капија"-и како се користе за извођење математике. Гатес узима два улаза, извршава операцију на њима и враћа један излаз.

То нас доводи до дугог одговора: бинарна математика је много лакша за компјутер него било шта друго. Боолеанске логике лако се пресликавају на бинарне системе, при чему су Труе и Фалсе представљене помоћу укључивања и искључивања. Капије на вашем рачунару раде на боолеан логици: узимају два улаза и извршавају операцију на њима као што су АНД, ОР, КСОР и тако даље. Два улаза су једноставна за управљање. Ако бисте графички приказали одговоре за сваки могући унос, имали бисте оно што је познато као табела истине:

Бинарна табела истина која ради на боолеан логици ће имати четири могућа излаза за сваку основну операцију. Али зато што трострука врата узимају три улаза, тернарна табела истине би имала 9 или више. Док бинарни систем има 16 могућих оператора (2 ^ 2 ^ 2), тернарни систем би имао 19.683 (3 ^ 3 ^ 3). Скалирање постаје проблем јер је тернарна ефикаснија, али је и експоненцијално сложенија.

Ко зна? У будућности, могли бисмо да видимо како тернарни компјутери постају ствар, док гурамо границе бинарног на молекуларни ниво. За сада ће свет наставити да ради на бинарном.

Имаге: спаинтер_вфк / Схуттерстоцк, Википедиа, Википедиа, Википедиа, Википедиа