比特、字节、1 和 0 如何帮助计算机思考

这些计算单位累加起来,就构成了复杂的运算。
A close-up of a Raspberry Pi computer circuit board.
比特和字节是计算的基础。Harrison Broadbent / Unsplash

如今的计算机能够完成奇妙的壮举和复杂的计算。但如果我们将其分解到最基本,就会发现其核心是最基本的内存单位:比特。比特是微小的二进制开关,是计算机执行许多基本操作的基础。它是最小的内存单位,存在于两种状态之间:开和关,也称为一和零。比特还可以表示信息和值,如真(一)和假(零),被认为是机器的语言。 

将这些比特巧妙地排列在半导体芯片上的复杂矩阵中,使计算机科学家能够执行各种任务,例如编码信息和从内存中检索数据。随着计算机科学家将越来越多的开关堆叠到处理单元上,管理这些开关会变得很麻烦,因此比特有时会被组织成八个一组,也称为字节。 

比特与字节

比特可以表示的值状态呈指数级增长。所以如果你有八个比特,也就是一个字节,你可以表示256种状态或值。使用比特计数有点像在算盘上计数,但列的值是二的幂(128、64、32、16、8、4、2、1)。因此,虽然十进制数制中的零和一对应于二进制数制中的零和一,但十进制中的二在二进制中是10,十进制中的三在二进制中是11,十进制中的四在二进制中是100。使用一个字节可以表示的最大数字是255,其二进制表示为11111111,因为它等于128+64+32+16+8+4+2+1。

与比特相比,字节还可以表示更复杂的信息。虽然比特只能是零或一,但字节可以存储字符、符号和大数字等数据。 

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字节通常也是可以“寻址”的最小信息单位。这意味着字节实际上可以拥有某种地址,告诉计算机从哪个交叉线(或者,如果你想把芯片想象成一座微型城市,就是交叉路口)检索存储的值。所有程序都带有预先制作的命令,或操作码,它们将地址与值关联,并将值与变量关联。不同类型的书写代码可以将字节中的256种状态与字母等项目关联起来。例如,计算机文本的ASCII码(它为字母、标点符号和其他字符分配数值)规定,如果你有一个字节看起来像01000100,或者十进制数为68,那么它就对应大写字母“D”。通过将字节进行有趣的组合排列,你还可以使用代码来创建颜色。 

字节作为一个单位,可以让你衡量存储不同类型信息的内存量。例如,如果你要输入一个包含1000个单独字母的笔记,它将占用1000字节的内存。历史上,由于行业希望以二进制进行计数,因此仍然使用了千字节、兆字节、千兆字节和太字节等单位,但这里情况变得更加复杂:千字节并不总是等于1000字节(正如该前缀可能让你认为的那样)。

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事实上,一千字节实际上等于2^10,即1024字节。其他内存单位也一样——它们只是对字节的粗略表示。一千兆字节略大于十亿字节(2^30),一太字节大约是一万亿字节(2^40)。后来引入了特殊的词头,如kibi、mebi、gibi,以解释这些差异,尽管许多计算机科学家仍然倾向于使用旧的命名系统。

互联网速度以比特为单位测量 

虽然数据量以字节为单位(世界上最大的硬盘存储量约为100太字节),但数据速度,例如互联网公司宣传的某些服务的速度,通常以比特为单位测量。这是因为互联网一次只传输一个比特的数据。 

你可以将其想象成一股由一和零组成的流。例如,构成电子邮件的字节在一端被分解成它们的组成比特,然后在另一端重新组装(有时顺序会打乱)。 

 

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Charlotte Hu

助理科技编辑

Charlotte 是《趣味科学》的助理科技编辑。她对了解我们与技术的关系如何变化以及我们如何在网上生活感兴趣。


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