ไบนารีคืออะไรและทำไมคอมพิวเตอร์จึงใช้

คอมพิวเตอร์ไม่เข้าใจคำหรือตัวเลขอย่างที่มนุษย์ทำ ซอฟต์แวร์ที่ทันสมัยช่วยให้ผู้ใช้ปลายทางไม่สนใจสิ่งนี้ แต่ในระดับต่ำสุดของคอมพิวเตอร์ของคุณทุกอย่างแสดงด้วยสัญญาณไฟฟ้าไบนารีที่ลงทะเบียนในสถานะใดสถานะหนึ่งจากสองสถานะ: เปิดหรือปิด เพื่อให้ได้ข้อมูลที่ซับซ้อนคอมพิวเตอร์ของคุณจะต้องเข้ารหัสเป็นเลขฐานสอง.

ไบนารีเป็นระบบเลขฐาน 2 ฐาน 2 หมายถึงมีเพียงตัวเลขสองหลักคือ 1 และ 0 ซึ่งสอดคล้องกับสถานะเปิดและปิดที่คอมพิวเตอร์ของคุณสามารถเข้าใจได้ คุณอาจคุ้นเคยกับระบบทศนิยม 10 ฐาน ทศนิยมใช้ตัวเลขสิบหลักที่มีค่าตั้งแต่ 0 ถึง 9 จากนั้นล้อมรอบเพื่อสร้างตัวเลขสองหลักโดยแต่ละหลักมีค่าสิบเท่ามากกว่าครั้งสุดท้าย (1, 10, 100, ฯลฯ ) ไบนารีจะคล้ายกันโดยแต่ละหลักมีค่ามากกว่าสองเท่า.

นับเป็นไบนารี่

ในไบนารีตัวเลขตัวแรกมีค่า 1 ในทศนิยม ตัวเลขที่สองมีค่า 2, ที่สามมีค่า 4, ที่สี่คุ้มค่า 8, และเพิ่มเป็นสองเท่าในแต่ละครั้ง การเพิ่มสิ่งเหล่านี้ทั้งหมดจะทำให้คุณมีจำนวนทศนิยม ดังนั้น,

1111 (เป็นไบนารี่) = 8 + 4 + 2 + 1 = 15 (เป็นทศนิยม)

การบัญชีสำหรับ 0 นี่ให้ 16 ค่าที่เป็นไปได้สำหรับไบนารีบิตสี่ ย้ายไปที่ 8 บิตและคุณมี 256 ค่าที่เป็นไปได้ สิ่งนี้ใช้พื้นที่มากขึ้นในการแสดงเนื่องจากตัวเลขสี่หลักในรูปทศนิยมให้เรา 10,000 ค่าที่เป็นไปได้ ดูเหมือนว่าเรากำลังเผชิญกับปัญหาทั้งหมดในการสร้างระบบการนับของเราใหม่เพื่อให้มันดูใหญ่ขึ้น แต่คอมพิวเตอร์เข้าใจไบนารีที่ดีกว่าพวกเขาเข้าใจทศนิยม แน่นอนว่าไบนารีใช้พื้นที่มากขึ้น แต่เราถูกระงับโดยฮาร์ดแวร์ และสำหรับบางสิ่งเช่นการประมวลผลเชิงตรรกะไบนารีนั้นดีกว่าทศนิยม.

มีอีกระบบฐานที่ใช้ในการเขียนโปรแกรม: เลขฐานสิบหก แม้ว่าคอมพิวเตอร์จะไม่ทำงานด้วยเลขฐานสิบหก แต่โปรแกรมเมอร์ก็ใช้เพื่อเป็นตัวแทนของที่อยู่แบบไบนารีในรูปแบบที่มนุษย์สามารถอ่านได้เมื่อเขียนรหัส นี่เป็นเพราะตัวเลขสองหลักของเลขฐานสิบหกสามารถแทนทั้งไบต์แปดหลักในไบนารี เลขฐานสิบหกใช้ 0-9 เช่นทศนิยมและตัวอักษร A ถึง F เพื่อแสดงตัวเลขหกหลักเพิ่มเติม.

เหตุใดคอมพิวเตอร์จึงใช้ไบนารี?

คำตอบสั้น ๆ : ฮาร์ดแวร์และกฎหมายของฟิสิกส์ ทุกหมายเลขในคอมพิวเตอร์ของคุณเป็นสัญญาณไฟฟ้าและในช่วงแรกของการคำนวณสัญญาณไฟฟ้านั้นยากต่อการวัดและควบคุมอย่างแม่นยำมาก มันสมเหตุสมผลมากกว่าที่จะแยกแยะความแตกต่างระหว่างสถานะ "เปิด" โดยประจุลบ - และสถานะ "ปิด" แทนประจุบวก สำหรับผู้ที่ไม่แน่ใจว่าทำไม "ปิด" แสดงด้วยประจุบวกนั่นเป็นเพราะอิเล็กตรอนมีประจุลบ - อิเล็กตรอนที่มีประจุลบมากขึ้นหมายถึงกระแสที่มากขึ้นด้วยประจุลบ.

ดังนั้นคอมพิวเตอร์ขนาดห้องแรก ๆ ใช้ไบนารีเพื่อสร้างระบบของพวกเขาและแม้ว่าพวกเขาจะใช้ฮาร์ดแวร์ที่เก่ากว่าและเป็นกลุ่มมากขึ้นเราก็ยังคงใช้หลักการพื้นฐานเดียวกัน คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ใช้สิ่งที่เรียกว่าทรานซิสเตอร์เพื่อทำการคำนวณด้วยเลขฐานสอง นี่คือไดอะแกรมของลักษณะสนามทรานซิสเตอร์ (FET):

โดยพื้นฐานแล้วจะช่วยให้กระแสไหลจากแหล่งที่มาเพื่อระบายถ้ามีกระแสในประตู นี่เป็นสวิตช์ไบนารี ผู้ผลิตสามารถสร้างทรานซิสเตอร์เหล่านี้ได้อย่างไม่น่าเชื่อโดยมีขนาดเล็กลงจนถึง 5 นาโนเมตรหรือขนาดของดีเอ็นเอสองเส้น นี่คือวิธีการทำงานของ CPU ที่ทันสมัยและแม้กระทั่งพวกเขาสามารถประสบปัญหาที่แยกความแตกต่างระหว่างรัฐเปิดและปิด (แม้ว่าส่วนใหญ่เนื่องจากขนาดโมเลกุลที่ไม่จริงของพวกเขาอยู่ภายใต้ความแปลกประหลาดของกลศาสตร์ควอนตัม).

แต่ทำไมฐานเท่านั้น 2?

ดังนั้นคุณอาจกำลังคิดว่า“ ทำไมมีเพียง 0 และ 1 เท่านั้น? คุณไม่สามารถเพิ่มตัวเลขอีกตัวได้หรือไม่” ในขณะที่บางส่วนเกิดขึ้นตามธรรมเนียมในการสร้างคอมพิวเตอร์เพื่อเพิ่มตัวเลขอื่นหมายความว่าเราต้องแยกความแตกต่างระหว่างระดับต่าง ๆ ในปัจจุบันไม่ใช่แค่ "ปิด" และ "เปิด , "แต่ยังระบุเช่น" เล็กน้อย "และ" มาก "

ปัญหาที่นี่คือถ้าคุณต้องการใช้แรงดันไฟฟ้าหลายระดับคุณต้องมีวิธีการคำนวณอย่างง่าย ๆ กับพวกเขาและฮาร์ดแวร์สำหรับที่ไม่สามารถทำงานได้แทนการคำนวณไบนารี มันมีอยู่จริง; มันเรียกว่าคอมพิวเตอร์ประกอบไปด้วยและได้รับรอบตั้งแต่ปี 1950 แต่นั่นค่อนข้างมากที่หยุดพัฒนา ตรรกะที่สามนั้นมีประสิทธิภาพมากกว่าไบนารี แต่ ณ ขณะนี้ยังไม่มีใครสามารถแทนที่ทรานซิสเตอร์ไบนารี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพหรืออย่างน้อยที่สุดก็ไม่มีงานใดที่จะพัฒนาพวกมันในระดับเล็ก ๆ เช่นเดียวกับไบนารี่.

เหตุผลที่เราไม่สามารถใช้ตรรกะแบบไตรภาคลงมาถึงวิธีเรียงซ้อนของทรานซิสเตอร์ในคอมพิวเตอร์ - สิ่งที่เรียกว่า“ ประตู”-และวิธีที่พวกเขาคุ้นเคยกับการคำนวณทางคณิตศาสตร์ Gates รับอินพุตสองอินพุตดำเนินการกับอินพุตเหล่านั้นและส่งคืนเอาต์พุตหนึ่งเอาต์พุต.

นี่นำเราไปสู่คำตอบที่ยาวนาน: คณิตศาสตร์เลขฐานสองเป็นวิธีที่ง่ายกว่าสำหรับคอมพิวเตอร์มากกว่าสิ่งอื่นใด ตรรกะบูลีนแมปกับระบบไบนารีได้อย่างง่ายดายโดยมีการเปิดและปิดแบบ True และ False ประตูในคอมพิวเตอร์ของคุณทำงานโดยใช้ตรรกะบูลีน: พวกเขาใช้สองอินพุตและดำเนินการกับพวกเขาเช่น AND, OR, XOR และอื่น ๆ สองอินพุตง่ายต่อการจัดการ หากคุณต้องการกราฟคำตอบสำหรับอินพุตที่เป็นไปได้แต่ละรายการคุณจะมีสิ่งที่เรียกว่าตารางความจริง:

ตารางความจริงแบบไบนารีที่ทำงานบนตรรกะบูลีนจะมีผลลัพธ์ที่เป็นไปได้สี่รายการสำหรับการดำเนินการพื้นฐานแต่ละรายการ แต่เนื่องจากประตูประกอบไปด้วยสามอินพุตตารางความจริงประกอบไปด้วยจะมี 9 หรือมากกว่า ในขณะที่ระบบเลขฐานสองมีตัวดำเนินการที่เป็นไปได้ 16 ตัว (2 ^ 2 ^ 2) ระบบประกอบไปด้วยจะมี 19,683 (3 ^ 3 ^ 3) การปรับขยายกลายเป็นปัญหาเพราะในขณะที่ประกอบไปด้วยมีประสิทธิภาพมากขึ้น แต่ก็มีความซับซ้อนมากขึ้น.

ใครจะรู้? ในอนาคตเราสามารถเริ่มเห็นคอมพิวเตอร์ประกอบไปด้วยกลายเป็นสิ่งที่เราผลักดันข้อ จำกัด ของไบนารีลงไปที่ระดับโมเลกุล แม้ว่าตอนนี้โลกจะยังคงทำงานบนไบนารี.

เครดิตรูปภาพ: spainter_vfx / Shutterstock, Wikipedia, Wikipedia, Wikipedia, Wikipedia