【技术杂谈】漫话：如何给女朋友解释为什么计算机只认识0和1？

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``放假休息，我正在家里面吹着空调，吃着西瓜，看着《这就是街舞》，女朋友在一旁看某游戏主播的直播。我隐约中听到她手机中传来主播的一句话：“朋友们，听懂我的意思了吗？懂得扣个1，不懂得扣个0 ”。于是，我开始吐槽：

首先，我们要从计算机的历史讲起，这部分涉及到一些硬件知识。

计算机

计算机（computer）俗称电脑，是现代一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。是能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。

人类历史上真正意义的第一台电子计算机于1946年诞生，如今其硬件技术已经发展到第四代。

第1代：电子管数字机（1946—1958年）

硬件方面，逻辑元件采用的是真空电子管，主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯；外存储器采用的是磁带。软件方面采用的是机器语言、汇编语言。应用领域以军事和科学计算为主。

特点是体积大、功耗高、可靠性差。速度慢（一般为每秒数千次至数万次）、价格昂贵，但为以后的计算机发展奠定了基础。

第2代：晶体管数字机（1958—1964年）

硬件方面，采用晶体管来作计算机的元件。晶体管不仅能实现电子管的功能，又具有尺寸小、重量轻、寿命长、效率高、发热少、功耗低等优点。使用晶体管后，电子线路的结构大大改观，制造高速电子计算机就更容易实现了。

第3代：集成电路数字机（1964—1970年）硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI），主存储器仍采用磁芯。软件方面出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。特点是速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化等。应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。

第4代：大规模集成电路机（1970年至今）
硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）。软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。1971年世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代。应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。

我们目前主要使用的计算机都是大规模集成电路机，是采用大规模和超大规模的集成电路作为逻辑元件的。

集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；
集成电路，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。
模拟集成电路又称线性电路，用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。
数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如3G手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号）。
所以，目前我们使用的计算机主要是采用数字集成电路搭建的。

数字电路

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路，或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。

前面我们提到过，计算机是既可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算的，这两种计算主要靠CPU来完成，而CPU中重要的负责进行执行运算的部分叫做算术逻辑单元。它就是由数字电路的逻辑门构成的。

逻辑门是数字逻辑电路的基本单元，通过控制高、低电平（分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的“1”和“0”），从而实现逻辑运算。常见的逻辑门包括“与”门，“或”门，“非”门，“异或”等等。逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算。

除了逻辑运算，还可以通过逻辑门的组合，进行简单的额数值运算，如使用逻辑门可以实现加法器：

数字电路具有以下特点：

1、同时具有算术运算和逻辑运算功能
- 数字电路是以二进制逻辑代数为数学基础，使用二进制数字信号，既能进行算术运算又能方便地进行逻辑运算（与、或、非、判断、比较、处理等），因此极其适合于运算、比较、存储、传输、控制、决策等应用。
2、实现简单，系统可靠
- 以二进制作为基础的数字逻辑电路，可靠性较强。电源电压大小的波动对其没有影响，温度和工艺偏差对其工作的可靠性影响也比模拟电路小得多。
3、集成度高，功能实现容易
- 集成度高，体积小，功耗低是数字电路突出的优点之一。电路的设计、维修、维护灵活方便，随着集成电路技术的高速发展，数字逻辑电路的集成度越来越高

由于其具有以上特点，所以，数字电路与数字电子技术广泛的应用于电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天等科学技术领域。

计算机与0和1
我们目前主要使用的计算机都是大规模集成电路机，是采用大规模和超大规模的集成电路作为逻辑元件的。

集成电路，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。而我们的计算机主要是采用数字集成电路搭建的。
逻辑门是数字逻辑电路的基本单元。常见的逻辑门包括“与”门，“或”门，“非”门，“异或”等等。通过逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算和数值运算。
逻辑门可以通过控制高、低电平，从而实现逻辑运算。电源电压大小的波动对其没有影响，温度和工艺偏差对其工作的可靠性影响也比模拟电路小得多。所以相对稳定。

因为数字计算机是由逻辑门组成，而逻辑电路最基础的状态就是两个——开和关。所以，数字电路是以二进制逻辑代数为数学基础。二进制的基本运算规则简单，运算操作方便，这样一来有利于简化计算机内部结构，提高运算速度。

而且在逻辑代数方面，二进制只有0和1两个数码，正好与逻辑代数中的“真”和“假”相吻合。

二进制，是计算技术中广泛采用的一种数制。二进制数据是用0和1两个数码来表示的数。
它的基数为2，进位规则是“逢二进一”，借位规则是“借一当二”，由18世纪德国数理哲学大师莱布尼兹发现。
20世纪被称作第三次科技革命的重要标志之一的计算机的发明与应用，因为数字计算机只能识别和处理由‘0’、‘1’符号串组成的代码。其运算模式正是二进制。

不采用二进制的计算机
以上介绍的都是基于电子计算机的。所以我们说，计算机只认识0和1是不准确的，应该说：电子计算机只认识0和1，因为还有些计算机不是电子计算机。

光子计算机
光子计算机是一种采用光信号作为物质介质和信息载体，依靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行数值运算、逻辑操作和信息的存储和处理。
在光子计算机中，不同波长、频率、偏振态及相位的光代表不同的数据，这远胜于电子计算机中通过电子“0”、“1”状态变化进行的二进制运算，可以对复杂度高、计算量大的任务实现快速的并行处理。光子计算机将使运算速度在基础上呈指数上升。

量子计算机
量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。
普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特（qubit）上运算，可以计算0和1之间的数值。
除此之外，还有纳米计算机、生物计算机等。

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王栋春 · 2019-7-13 13:03:56

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