漫話：如何給女友解釋爲何計算機只認識0和1？

端午節放假休息，我正在家裏面吹着空調，吃着西瓜，看着《這就是街舞》，女友在一旁看某遊戲主播的直播。我隱約中聽到她手機中傳來主播的一句話：「朋友們，聽懂個人意思了嗎？懂得扣個1，不懂得扣個0 」。因而，我開始吐槽：

首先，咱們要從計算機的歷史講起，這部分涉及到一些硬件知識。

計算機

計算機（computer）俗稱電腦，是現代一種用於高速計算的電子計算機器，能夠進行數值計算，又能夠進行邏輯計算，還具備存儲記憶功能。是可以按照程序運行，自動、高速處理海量數據的現代化智能電子設備。

人類歷史上真正意義的第一臺電子計算機於1946年誕生，現在其硬件技術已經發展到第四代。

第1代：電子管數字機（1946—1958年）

硬件方面，邏輯元件採用的是真空電子管，主存儲器採用汞延遲線、陰極射線示波管靜電存儲器、磁鼓、磁芯；外存儲器採用的是磁帶。軟件方面採用的是機器語言、彙編語言。應用領域以軍事和科學計算爲主。

特色是體積大、功耗高、可靠性差。速度慢（通常爲每秒數千次至數萬次）、價格昂貴，但爲之後的計算機發展奠基了基礎。

第2代：晶體管數字機（1958—1964年）

硬件方面，採用晶體管來做計算機的元件。晶體管不只能實現電子管的功能，又具備尺寸小、重量輕、壽命長、效率高、發熱少、功耗低等優勢。使用晶體管後，電子線路的結構大大改觀，製造高速電子計算機就更容易實現了。



第3代：集成電路數字機（1964—1970年）

硬件方面，邏輯元件採用中、小規模集成電路（MSI、SSI），主存儲器仍採用磁芯。軟件方面出現了分時操做系統以及結構化、規模化程序設計方法。特色是速度更快（通常爲每秒數百萬次至數千萬次），並且可靠性有了顯著提升，價格進一步降低，產品走向了通用化、系列化和標準化等。應用領域開始進入文字處理和圖形圖像處理領域。

第4代：大規模集成電路機（1970年至今）

硬件方面，邏輯元件採用大規模和超大規模集成電路（LSI和VLSI）。軟件方面出現了數據庫管理系統、網絡管理系統和麪向對象語言等。1971年世界上第一臺微處理器在美國硅谷誕生，開創了微型計算機的新時代。應用領域從科學計算、事務管理、過程控制逐步走向家庭。



咱們目前主要使用的計算機都是大規模集成電路機，是採用大規模和超大規模的集成電路做爲邏輯元件的。

集成電路（integrated circuit）是一種微型電子器件或部件。採用必定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及佈線互連一塊兒，製做在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，而後封裝在一個管殼內，成爲具備所需電路功能的微型結構；

集成電路，按其功能、結構的不一樣，能夠分爲模擬集成電路、數字集成電路和數/模混合集成電路三大類。

模擬集成電路又稱線性電路，用來產生、放大和處理各類模擬信號（指幅度隨時間變化的信號。例如半導體收音機的音頻信號、錄放機的磁帶信號等），其輸入信號和輸出信號成比例關係。

數字集成電路用來產生、放大和處理各類數字信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號。例如3G手機、數碼相機、電腦CPU、數字電視的邏輯控制和重放的音頻信號和視頻信號）。

因此，目前咱們使用的計算機主要是採用數字集成電路搭建的。

數字電路

用數字信號完成對數字量進行算術運算和邏輯運算的電路稱爲數字電路，或數字系統。因爲它具備邏輯運算和邏輯處理功能，因此又稱數字邏輯電路。

前面咱們提到過，計算機是既能夠進行數值計算，又能夠進行邏輯計算的，這兩種計算主要靠CPU來完成，而CPU中重要的負責進行執行運算的部分叫作算術邏輯單元。它就是由數字電路的邏輯門構成的。



邏輯門是數字邏輯電路的基本單元，經過控制高、低電平（分別表明邏輯上的「真」與「假」或二進制當中的「1」和「0」），從而實現邏輯運算。

常見的邏輯門包括「與」門，「或」門，「非」門，「異或」等等。邏輯門能夠組合使用實現更爲複雜的邏輯運算。



除了邏輯運算，還能夠經過邏輯門的組合，進行簡單的額數值運算，如使用邏輯門能夠實現加法器：



數字電路具備如下特色：

• 一、 同時具備算術運算和邏輯運算功能

  • 數字電路是以二進制邏輯代數爲數學基礎，使用二進制數字信號，既能進行算術運算又能方便地進行邏輯運算（與、或、非、判斷、比較、處理等），所以極其適合於運算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等應用。

• 二、 實現簡單，系統可靠

  • 以二進制做爲基礎的數字邏輯電路，可靠性較強。電源電壓大小的波動對其沒有影響，溫度和工藝誤差對其工做的可靠性影響也比模擬電路小得多。

• 三、 集成度高，功能實現容易

  • 集成度高，體積小，功耗低是數字電路突出的優勢之一。電路的設計、維修、維護靈活方便，隨着集成電路技術的高速發展，數字邏輯電路的集成度愈來愈高

因爲其具備以上特色，因此，數字電路與數字電子技術普遍的應用於電視、雷達、通訊、電子計算機、自動控制、航天等科學技術領域。

計算機與0和1

咱們目前主要使用的計算機都是大規模集成電路機，是採用大規模和超大規模的集成電路做爲邏輯元件的。

集成電路，按其功能、結構的不一樣，能夠分爲模擬集成電路、數字集成電路和數/模混合集成電路三大類。而咱們的計算機主要是採用數字集成電路搭建的。

邏輯門是數字邏輯電路的基本單元。常見的邏輯門包括「與」門，「或」門，「非」門，「異或」等等。經過邏輯門能夠組合使用實現更爲複雜的邏輯運算和數值運算。

邏輯門能夠經過控制高、低電平，從而實現邏輯運算。電源電壓大小的波動對其沒有影響，溫度和工藝誤差對其工做的可靠性影響也比模擬電路小得多。因此相對穩定。

由於數字計算機是由邏輯門組成，而邏輯電路最基礎的狀態就是兩個——開和關。因此，數字電路是以二進制邏輯代數爲數學基礎。二進制的基本運算規則簡單，運算操做方便，這樣一來有利於簡化計算機內部結構，提升運算速度。



並且在邏輯代數方面，二進制只有0和1兩個數碼，正好與邏輯代數中的「真」和「假」相吻合。

二進制，是計算技術中普遍採用的一種數制。二進制數據是用0和1兩個數碼來表示的數。

它的基數爲2，進位規則是「逢二進一」，借位規則是「借一當二」，由18世紀德國數理哲學大師萊布尼茲發現。

20世紀被稱做第三次科技革命的重要標誌之一的計算機的發明與應用，由於數字計算機只能識別和處理由‘0’、‘1’符號串組成的代碼。其運算模式正是二進制。

不採用二進制的計算機

以上介紹的都是基於電子計算機的。因此咱們說，計算機只認識0和1是不許確的，應該說：電子計算機只認識0和1，由於還有些計算機不是電子計算機。

光子計算機

光子計算機是一種採用光信號做爲物質介質和信息載體，依靠激光束進入反射鏡和透鏡組成的陣列進行數值運算、邏輯操做和信息的存儲和處理。

在光子計算機中，不一樣波長、頻率、偏振態及相位的光表明不一樣的數據，這遠勝於電子計算機中經過電子「0」、「1」狀態變化進行的二進制運算，能夠對複雜度高、計算量大的任務實現快速的並行處理。光子計算機將使運算速度在基礎上呈指數上升。

量子計算機

量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。

普通的數字計算機在0和1的二進制系統上運行，稱爲「比特」（bit）。但量子計算機要遠遠更爲強大。它們能夠在量子比特（qubit）上運算，能夠計算0和1之間的數值。

除此以外，還有納米計算機、生物計算機等。

附上本文內容的思惟導圖：