ما هو ثنائي ، ولماذا تستخدمه أجهزة الكمبيوتر؟

لا تفهم أجهزة الكمبيوتر الكلمات أو الأرقام بالطريقة التي يستخدمها البشر. تسمح البرامج الحديثة للمستخدم النهائي بتجاهل هذا ، ولكن في أدنى مستويات الكمبيوتر الخاص بك ، يتم تمثيل كل شيء بإشارة كهربائية ثنائية تسجل في إحدى الحالتين: تشغيل أو إيقاف. لفهم البيانات المعقدة ، يجب أن يقوم جهاز الكمبيوتر الخاص بك بتشفيرها في ملف ثنائي.

ثنائي هو نظام رقم 2 الأساسي. يعني Base 2 أن هناك رقمين فقط - 1 و 0 - يقابلان حالات التشغيل والإيقاف التي يمكن للكمبيوتر الخاص بك فهمها. ربما كنت على دراية بالقاعدة 10-النظام العشري. يستخدم Decimal عشرة أرقام تتراوح من 0 إلى 9 ، ثم يلتف حولها ليشكل أرقامًا مكونة من رقمين ، مع قيمة كل رقم عشر مرات أكثر من الرقم الأخير (1 ، 10 ، 100 ، وما إلى ذلك). ثنائي مماثل ، مع كل رقم قيمته مرتين أكثر من الماضي.

العد في ثنائي

في الثنائي ، يستحق الرقم الأول 1 بالأرقام العشرية. الرقم الثاني يستحق 2 ، والثالث بقيمة 4 ، والرابع بقيمة 8 ، وهكذا مضاعفة في كل مرة. إن إضافة كل هذه الأرقام يعطيك الرقم بالأرقام العشرية. وبالتالي,

1111 (في binary) = 8 + 4 + 2 + 1 = 15 (بالأرقام العشرية)

محاسبة لـ 0 ، هذا يعطينا 16 قيمة ممكنة لأربع بتات ثنائية. الانتقال إلى 8 بتات ولديك 256 قيمة ممكنة. هذا يأخذ مساحة أكبر بكثير لتمثيله ، حيث أن أربعة أرقام بالأرقام العشرية تمنحنا 10،000 قيمة ممكنة. قد يبدو أننا نمر بكل هذه المشكلة في إعادة اختراع نظام العد لنجعله أكثر صعوبة ، لكن أجهزة الكمبيوتر تفهم ثنائي أفضل بكثير من فهمها العشري. بالتأكيد ، ثنائي يأخذ مساحة أكبر ، لكننا منعنا من قبل الأجهزة. وبالنسبة لبعض الأشياء ، مثل المعالجة المنطقية ، فإن الثنائي أفضل من العشري.

هناك نظام أساسي آخر يستخدم أيضًا في البرمجة: سداسي عشري. على الرغم من عدم تشغيل أجهزة الكمبيوتر بالنظام الست عشري ، يستخدمها المبرمجون لتمثيل العناوين الثنائية في تنسيق يمكن قراءته عند كتابة التعليمات البرمجية. هذا لأن رقمين من ست عشري يمكن أن يمثل بايت بالكامل ثمانية أرقام في ثنائي. يستخدم سداسي عشري 0-9 مثل عشري ، وكذلك الأحرف من A إلى F لتمثيل الستة أرقام الإضافية.

لماذا إذن استخدام أجهزة الكمبيوتر ثنائي?

الجواب القصير: الأجهزة وقوانين الفيزياء. كل رقم في جهاز الكمبيوتر الخاص بك هو إشارة كهربائية ، وفي الأيام الأولى للحوسبة ، كانت الإشارات الكهربائية أصعب بكثير لقياسها والتحكم فيها بدقة شديدة. من المنطقي أن نفرق فقط بين "على" الدولة ممثلة بالشحنة السالبة و "إيقاف" الدولة الممثلة بشحنة موجبة. لأولئك غير متأكدين من السبب وراء تمثيل "off" بشحنة موجبة ، فذلك لأن الإلكترونات لها شحنة سالبة - أكثر من الإلكترونات تعني تيار أكثر بشحنة سالبة.

لذا ، استخدمت أجهزة الكمبيوتر ذات حجم الغرفة في وقت مبكر ثنائيًا لبناء أنظمتها ، وعلى الرغم من أنها استخدمت أجهزة قديمة أكبر حجمًا ، فقد حافظنا على نفس المبادئ الأساسية. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الحديثة ما يعرف باسم الترانزستور لإجراء العمليات الحسابية باستخدام ثنائي. فيما يلي رسم بياني لما يشبه الترانزستور ذو التأثير الميداني (FET):

بشكل أساسي ، يسمح فقط بتدفق التيار من المصدر إلى الصرف إذا كان هناك تيار في البوابة. هذا يشكل مفتاح ثنائي. يمكن للمصنعين بناء هذه الترانزستورات صغيرة بشكل لا يصدق على طول الطريق إلى 5 نانومترات ، أو حول حجم جدولين من الحمض النووي. هذه هي الطريقة التي تعمل بها وحدات المعالجة المركزية الحديثة ، وحتى أنها يمكن أن تعاني من المشاكل التي تميز بين الولايات وخارجها (على الرغم من أن هذا يرجع في معظمه إلى حجمها الجزيئي غير الحقيقي ، كونها خاضعة لغموض ميكانيكا الكم).

لكن لماذا القاعدة 2 فقط?

لذا قد تفكر ، "لماذا 0 و 1 فقط؟ "في حين أن بعضًا من هذه الأرقام يرجع إلى التقاليد في كيفية إنشاء أجهزة الكمبيوتر ، لإضافة رقم آخر يعني أننا سنحتاج إلى التمييز بين المستويات المختلفة الحالية وليس فقط" off "و" on "ولكن أيضًا تنص على" على "قليلاً" و "على الكثير".

تكمن المشكلة هنا في أنك إذا أردت استخدام مستويات متعددة من الجهد الكهربي ، فستحتاج إلى طريقة لإجراء العمليات الحسابية بسهولة معها ، كما أن الأجهزة الخاصة بها ليست قابلة للاستبدال كبديل للحوسبة الثنائية. إنه موجود بالفعل. يطلق عليه جهاز كمبيوتر ثلاثي ، وكان موجودًا منذ عام 1950 ، ولكن هذا إلى حد كبير حيث توقفت التنمية عليه. يعد المنطق الثلاثي أكثر كفاءة من ثنائي ، ولكن حتى الآن ، لا يوجد لدى أحد بديل فعال للترانزستور الثنائي ، أو على الأقل ، لم يتم القيام بأي عمل على تطويرها في نفس المقاييس الصغرية الثنائية..

يرجع السبب في عدم قدرتنا على استخدام المنطق الثلاثي إلى الطريقة التي يتم بها ترميز الترانزستورات في الكمبيوتر ، وهو ما يسمى "البوابات".-وكيف يتم استخدامها لأداء الرياضيات. يقوم Gates بأخذ مدخلين ، وتنفيذ عملية عليهما ، وإرجاع ناتج واحد.

هذا يقودنا إلى الإجابة الطويلة: الرياضيات الثنائية أسهل على الكمبيوتر من أي شيء آخر. يقوم المنطق البولياني بالتخطيط بسهولة للأنظمة الثنائية ، مع تمثيل True و False بواسطة أو خارج. تعمل بوابات الكمبيوتر على المنطق المنطقي: فهي تأخذ مدخلين وتنفذ عملية عليها مثل AND و OR و XOR وهكذا. اثنين من المدخلات من السهل إدارتها. إذا كنت ترغب في رسم إجابات كل إدخال ممكن ، فستحصل على ما يعرف باسم جدول الحقيقة:

سيكون جدول الحقيقة الثنائية التي تعمل على المنطق البوولي أربعة مخرجات محتملة لكل عملية أساسية. ولكن نظرًا لأن البوابات الثلاثية تأخذ ثلاثة مدخلات ، فإن جدول الحقيقة الثلاثي سيكون 9 أو أكثر. بينما يحتوي النظام الثنائي على 16 مُشغِّل محتمل (2 ^ 2 ^ 2) ، فإن النظام الثلاثي سيكون 19683 (3 ^ 3 ^ 3). يصبح التدرج مشكلة لأنه في حين أن النظام الثلاثي أكثر كفاءة ، فإنه أكثر تعقيدًا أيضًا.

من تعرف؟ في المستقبل ، يمكن أن نبدأ في رؤية أجهزة الكمبيوتر الثلاثي تصبح شيئًا ، لأننا ندفع حدود الثنائي إلى مستوى جزيئي. في الوقت الحالي ، على الرغم من ذلك ، سيستمر العالم في العمل على نظام ثنائي.

ائتمانات الصورة: spainter_vfx / Shutterstock ، ويكيبيديا ، ويكيبيديا ، ويكيبيديا ، ويكيبيديا