計(jì)算機(jī)為什么采用二進(jìn)制編碼
電子計(jì)算機(jī)所采用的是二進(jìn)制！為什么不采用十進(jìn)制呢？這是很多初學(xué)者感到困惑的地方。我們從幾個(gè)方面來分析這個(gè)問題。
首先是受制于元器件。我們知道組成計(jì)算機(jī)的基本元器件是晶體管，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
① 它有兩個(gè)完全不一樣的狀態(tài)（截止與導(dǎo)通，或者高電平與底電平）；
② 狀態(tài)很穩(wěn)定；
③ 狀態(tài)轉(zhuǎn)換很容易（在基極給一個(gè)電信號(hào)就可以了）；
④ 狀態(tài)轉(zhuǎn)換的速度非?？欤ㄟ@一點(diǎn)非常重要?。?；
⑤ 體積很小，多個(gè)晶體管可以集成在一起；
⑥ 工作時(shí)消耗的能量不大，也就是功耗很小；
⑦ 價(jià)格很低廉。
其次，二進(jìn)制的運(yùn)算規(guī)則很簡單。就加法運(yùn)算而言，就四條規(guī)則。特別地，人們利用特殊的技術(shù)，把減法、乘法、除法等運(yùn)算都轉(zhuǎn)換成加法運(yùn)算。這對簡化CPU的設(shè)計(jì)非常有意義。如果采用十進(jìn)制，CPU的設(shè)計(jì)就變得非常復(fù)雜，因?yàn)槭M(jìn)制比二進(jìn)制的運(yùn)算規(guī)則多多了。
再次，物理上容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。通過磁極的取向、表面的凹凸、光照的有無等，二進(jìn)制很容易在物理上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。對于只寫一次的光盤，將激光束聚集成1--2um的小光束，依靠熱的作用融化盤片表面上的碲合金薄膜，在薄膜上形成小洞（凹坑），記錄下“1”，原來的位置表示記錄“0”。
最后，便于邏輯判斷（是或非）。因?yàn)槎M(jìn)制的兩個(gè)數(shù)碼正好與邏輯命題中的“真(Ture)”、“假(False)”或稱為“是(Yes)”、“否(No)”相對應(yīng)。
正是由于以上原因，在計(jì)算機(jī)中采用的是二進(jìn)制，而不是人們所熟知的十進(jìn)制，或者其他進(jìn)制。
電子計(jì)算機(jī)能以極高速度進(jìn)行信息處理和加工，包括數(shù)據(jù)處理和加工，而且有極大的信息存儲(chǔ)能力。數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中以器件的物理狀態(tài)表示，采用二進(jìn)制數(shù)字系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)處理所有的字符或符號(hào)也要用二進(jìn)制編碼來表示。用二進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn)是容易表示，運(yùn)算規(guī)則簡單，節(jié)省設(shè)備。人們知道，具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的元件（如晶體管的導(dǎo)通和截止，繼電器的接通和斷開，電脈沖電平的高低等）容易找到，而要找到具有10種穩(wěn)定狀態(tài)的元件來對應(yīng)十進(jìn)制的10個(gè)數(shù)就困難了。二進(jìn)制數(shù)的基數(shù)是2，只有0和1兩個(gè)數(shù)字，逢2進(jìn)1。十進(jìn)制數(shù)有0，1，…9十個(gè)數(shù)字，逢10進(jìn)1。十進(jìn)制和二進(jìn)制對照如表1．5所示。
表1．5 十進(jìn)制和二進(jìn)制對照表
十進(jìn)制
0
1
2
3
4
5
6
7
8
二進(jìn)制
0
1
10
11
100
101
110
111
1000
十進(jìn)制
9
10
11
12
13
14
15
16
二進(jìn)制
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
10000
十進(jìn)制數(shù)可以表示為an×10n+an-1×10n-1+…+a1×101+a0×100+a-1×10-1+a-2×10-2+…，其中an，an-1，…，a1，a0，a-1，a-2，…只能是0～9的任何數(shù)字。如1987可以表示為1×103+9×102+8×101+7×100。
二進(jìn)制數(shù)可以表示為an×2n+an-1×2n-1+…+a1×21+a0
用二進(jìn)制編碼表示數(shù)據(jù)的好處
用二進(jìn)制編碼表示數(shù)據(jù)的好處
·用二進(jìn)制編碼表示數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)就是用0、1的組合表示數(shù)據(jù)。而0和1又是用模擬信號(hào)的兩種差別很大的狀態(tài)來分別表示的，例如，用高電位（2V～5V）表示“1”，用低電位（0V～0.8V）表示“0”。因?yàn)橥饨绛h(huán)境的改變一般不會(huì)使表示0的模擬信號(hào)（0V～0.8V）變成表示1的模擬信號(hào)（2V～5V），0和1不改變則用0和1編碼表示的數(shù)據(jù)就不會(huì)改變。所以，用二進(jìn)制編碼表示數(shù)據(jù)時(shí)不容易出錯(cuò)。
·如果用連續(xù)變化的模擬信號(hào)（例如電位）直接表示數(shù)據(jù)，則模擬量的微小變化就會(huì)直接影響數(shù)據(jù)的值，很容易出錯(cuò)。
·例如，盒式磁帶（模擬音頻信號(hào)）在復(fù)制時(shí)很容易失真，而CD唱盤（數(shù)字音頻信號(hào)）在復(fù)制時(shí)一般不會(huì)失真。
. 指令
指令是指示計(jì)算機(jī)進(jìn)行基本操作的命令，它告訴計(jì)算機(jī)應(yīng)進(jìn)行什么操作、應(yīng)對誰進(jìn)行操作。指令的表示方法通常有兩種：機(jī)器指令和匯編指令。
機(jī)器指令：用二進(jìn)制編碼表示的指令。例如，00000001 11011000表示加法；
匯編指令：用英文縮寫符號(hào)代替二進(jìn)制編碼表示的指令。例如，上面那條機(jī)器指令可表示成匯編指令“ADD AX, BX”；
① 指令的三要素：·二進(jìn)制形式的指令才能被計(jì)算機(jī)識(shí)別并執(zhí)行；
·每條指令的功能都直接由硬件電路實(shí)現(xiàn)。
·每臺(tái)計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的指令種類和數(shù)目完全由CPU決定。
② CPU：中央處理器。是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的核心部件。它負(fù)責(zé)控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)地工作，并承擔(dān)計(jì)算機(jī)的各種運(yùn)算處理任務(wù)。
③ 指令系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的全部指令的集合稱為該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。每臺(tái)計(jì)算機(jī)都有自己的指令系統(tǒng)，由CPU的類型決定，不同類型CPU的指令系統(tǒng)一般不相同。
6. 電子計(jì)算機(jī)的重要特點(diǎn)
電子計(jì)算機(jī)和以往的計(jì)算工具所不同的重要特點(diǎn)是能自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過程不需人工干預(yù)，所以速度很快。其原因是它能存儲(chǔ)程序，并能在程序的控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
① 程序：就是運(yùn)算步驟。是以完成某一任務(wù)為目的、用多條指令組成的指令序列；
·編程序的必要性：不可能將每一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)都用一條指令實(shí)現(xiàn)。
② 存儲(chǔ)程序：將程序也轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，和數(shù)據(jù)一樣預(yù)先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部；
③ 用程序控制：計(jì)算機(jī)按程序規(guī)定的順序自動(dòng)取指令并執(zhí)行，直至程序結(jié)束。
7. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
由硬件和軟件兩部分組成：
① 硬件：由物理元器件構(gòu)成，它實(shí)現(xiàn)了最基本的邏輯功能。計(jì)算機(jī)的硬件經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路四個(gè)發(fā)展階段；
② 軟件：由程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)組成，它擴(kuò)展了硬件的功能；
③ 指令是軟件與硬件的接口：因?yàn)橹噶钍菢?gòu)成軟件的基本元素，又因?yàn)橹噶畹墓δ芏贾苯佑捎布娐穼?shí)現(xiàn)。
8. 計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域
主要有科學(xué)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)控制，輔助設(shè)計(jì)，通信，娛樂，等等。
·實(shí)時(shí)控制：可理解為“根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)（立即）進(jìn)行控制”
9. 二進(jìn)制計(jì)數(shù)單位以及位、字節(jié)、字
① 二進(jìn)制計(jì)數(shù)單位：1K（開、一千）=210=1024 1M（兆、百萬）=220=1024K
1G（吉、十億）=230=1024M 1T（太、萬億）=240=1024G
② 位（bit，b）：每1個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼稱為一個(gè)（二進(jìn)制）位。位是在計(jì)算機(jī)中表示數(shù)據(jù)時(shí)的最小單位；
③ 字節(jié)（Byte，B）：每連續(xù)8個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼稱為一個(gè)（二進(jìn)制）字節(jié)。字節(jié)是在計(jì)算機(jī)中存取數(shù)據(jù)時(shí)的最小單位；
④ 字（Word，W）：計(jì)算機(jī)一次最多能同時(shí)加工處理的一串連續(xù)的二進(jìn)制數(shù)碼稱為一個(gè)（二進(jìn)制）字。字是計(jì)算機(jī)加工處理數(shù)據(jù)時(shí)的最大單位。字長與計(jì)算機(jī)的類型有關(guān)；
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