二进制编码究竟是怎样工作的？- José Américo N L F Freitas

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想象一下，用词语描绘电影中的每一个场景，歌曲里的每一个音符，或者你镇上的每一条街道。现在想象只用数字1和0来表示这些。每次你使用因特网观赏电影、听音乐，或者查询方位，你的设备都是使用二进制编码语言来完成工作的。José Américo N L F de Freitas向我们阐明了二进制的工作原理。

课程作者：José Américo N L F Freitas

想象一下，用词语来描绘
电影中的每一处场景，

你最爱的歌曲的每一个音符，

或者你镇上的每一条街道，

现在想一下试着只用数字
1 和 0 来表达这些。

每次你使用因特网观赏电影、

听音乐、

或者查找方位，

你的设备就是这样工作的：

使用二进制编码语言。

电脑使用二进制，因为它
能可靠地存储数据。

举例来说，电脑的主存储器
由晶体管构成，

晶体管在高压与低压之间转换，

例如 5 伏和 0 伏。

电压有时会振动，但由于
只有高压和低压之分，

1 伏仍然被认为是低压。

这些数值由电脑处理器读取，

根据软件指令，通过
晶体管的状态

来控制其他电脑设备。

这套系统的妙处是：
给定的二进制序列

本身没有既定含义。

相反的，每种数据
根据一套单独的规则，

进行二进制编码。

让我们以数字为例，

在通常的十进制计数法中，

每个数位上的数字
乘以 10 的指数次幂，

指数从右向左，由 0 开始增长，

因此 84 的十进制形式
是 4x10⁰ + 8x10¹。

二进制计数法的原理也很相似，

但每个数位上的数值
与 2 的指数次幂相乘，

因此 84 的二进制形式如图所示。

同时，字母
根据标准规则，如 UTF-8，

用一组特定的 8 位
二进制串进行编码。

在这种情况下，
01010100 指的是字母 T。

那么，你怎么知道
这个给定的二进制序列

指的是 T 还是 84 呢？

事实上，单看这一串数字
的确无法判断，

就像单纯听到“DA”的声音，
你不能判断它的意思一样。

你需要根据语境，判断听到的
是俄语、西班牙语、还是英语。

你同样需要语境

来判断你看到的是二进制
数字还是二进制文字。

二进制编码也被用在
复杂得多的数据类型中，

例如，这个视频的每一帧，

都是由无数的像素组成的。

在彩色图片中，

每个像素由 3 个二进制序列表示，

分别对应红、绿、蓝三原色。

每个序列编码成一个数字，

决定了特定颜色的强度。

之后，一个视频驱动程序将此信息

传递给你屏幕上数百万的液晶，

形成了你现在看到的不同的色调。

这个视频的声音也通过
二进制的形式储存，

通过脉冲编码调制技术实现。

持续的声波被数字化，

通过对其振幅进行
几毫秒一次的快照，

这些声音以二进制串的
数字形式记录下来，

每秒的声音包含
多达 44000 个数字。

当它们被你电脑上
的音频软件读取时，

这些数字决定了
扬声器里线圈的振动速度，

以转换成不同频率的声音。

所有这些需要数十亿、
数百亿的二进制位。

但是通过巧妙的压缩格式，
这个数值能够显著减少。

例如，如果一个图片有 30 个
相邻的绿格像素，

它们会被记录成“30绿”，
而不是把每一个像素分别编码，

这个过程叫做“行程编码“，

这些压缩格式本身
也被编成了二进制码。

那么二进制就是
计算的最终目标了吗？

不一定。

三进制计算机已有相关研究，

将三种可能的状态形成循环。

甚至有量子计算机，

可以同时进行多重状态的循环。

但是到目前为止，
这些研究中没有一种

在信息存储和传输方面
具有足够的物理稳定性。

因此现在，你在屏幕上看到的、

听到的、

和读到的一切，

都是简单的“是” “非”选择

运行了数十亿次的结果。