數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

當(dāng)今社會(huì)，計(jì)算機(jī)無(wú)處不在，我們知道在計(jì)算機(jī)CPU用來(lái)計(jì)算數(shù)據(jù)，內(nèi)存和Flash用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)是現(xiàn)實(shí)社會(huì)中的內(nèi)容在計(jì)算機(jī)中以另外一種方式來(lái)存儲(chǔ)。我們的圖片、文字、視頻等資料都可以保存到計(jì)算機(jī)中。那么計(jì)算機(jī)又是如何保存這些數(shù)據(jù)的呢？在計(jì)算機(jī)中的這些數(shù)據(jù)到底是以什么方式存在？本節(jié)課將會(huì)為大家解答這些疑問(wèn)，讓大家從底層理解什么是計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)。

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計(jì)算機(jī)電路模型

當(dāng)我們拆開(kāi)計(jì)算機(jī)，可以看到里面是一塊電路板，上面有各種各位的元器件，有很多繞老繞去的線路，看起來(lái)很復(fù)雜。所有的計(jì)算都需要電源。我們可以抽象地理解為一個(gè)計(jì)算機(jī)就是一塊人類(lèi)按照一定規(guī)則制造的板子，上面有各種各樣的元件，當(dāng)有電源進(jìn)入板子的時(shí)候，各種元件可以對(duì)電源進(jìn)行有規(guī)則的引導(dǎo)，使得板子的各個(gè)位置有不同的電壓和電流。

電壓就是數(shù)據(jù)

從上面說(shuō)的計(jì)算機(jī)電路模型，我們可以知道計(jì)算機(jī)中的硬件是固定，里面可變的東西是電壓和電流。而計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)就是以電壓的方式來(lái)表示的。比如：1V電壓代表1，2V電壓代表2，3V電壓代表3。那么，結(jié)合之前講到的加法器，兩個(gè)輸入分別為1和2，輸出結(jié)果應(yīng)該是3。實(shí)際上，在計(jì)算機(jī)中是兩個(gè)輸入分別為1V和2V電壓，輸出一個(gè)3V的電壓。

二進(jìn)制數(shù)據(jù)

在計(jì)算機(jī)中所有的數(shù)據(jù)都是用電壓來(lái)表示的，不同的電壓可以表示不同的數(shù)據(jù)，一個(gè)數(shù)據(jù)可以由多個(gè)電壓組合來(lái)表示。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)量很大的時(shí)候，用上面的電壓表示法，則電壓值的需要很細(xì)分為不同的數(shù)值，在電路中要穩(wěn)定的產(chǎn)生很多電壓是很難的。如果把電壓分為兩種

• 一種是高電平（高電壓），用1代表高電平
• 一種是低電平（低電壓），用0代表低電平

把所有的數(shù)據(jù)用0和1的組合來(lái)表示，比如數(shù)字0是 0000 0000，數(shù)字1是 0000 0001。一張圖片可能由幾百萬(wàn)個(gè)0和1的組合來(lái)表示。所有的文字、圖片、音樂(lè)、視頻、文檔等數(shù)據(jù)都用0和1的組合來(lái)表示。在電路中，只有高電平和低電平的區(qū)分，比如把0V~1V表示低電平，3V~6V表示高電平，這樣就算電壓值有一定的波動(dòng)，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。這種0和1的組合，稱為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算

我們生活中的算術(shù)運(yùn)算都是使用十進(jìn)制來(lái)計(jì)算的，也就是逢十進(jìn)一，比如：1 + 9 = 10。而二進(jìn)制的運(yùn)算則是逢二進(jìn)一，比如：1 + 1 = 10。各進(jìn)制數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換可以查看[進(jìn)制轉(zhuǎn)換][1]，電腦上的計(jì)算器工具也可以幫我們進(jìn)行不同進(jìn)制數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

為什么用二進(jìn)制

計(jì)算機(jī)內(nèi)部之所以采用二進(jìn)制，其主要原因是二進(jìn)制具有以下優(yōu)點(diǎn):

1. 技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。用雙穩(wěn)態(tài)電路表示二進(jìn)制數(shù)字0和1是很容易的事情。
   計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制進(jìn)行編碼，而不是我們熟悉的十進(jìn)制，最重要的原因是二進(jìn)制物理上更容易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)殡娮悠骷蠖嗑哂袃煞N穩(wěn)定狀態(tài)。比如晶體管的導(dǎo)通和截止，電壓的高和低，磁性的有和無(wú)等。而找到一個(gè)具有十個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的電子器件是很困難的。使用二進(jìn)制還有運(yùn)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。十進(jìn)制有55種求和與求積的運(yùn)算規(guī)則，二進(jìn)制僅有各有3種，這樣可以簡(jiǎn)化運(yùn)算器等物理器件的設(shè)計(jì)。另外，計(jì)算機(jī)的部件狀態(tài)少，可以增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，二進(jìn)制對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)講，是自然而然的選擇。
2. 可靠性高。二進(jìn)制中只使用0和1兩個(gè)數(shù)字，傳輸和處理時(shí)不易出錯(cuò)，因而可以保障計(jì)算機(jī)具有很高的可靠性。
3. 運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單。與十進(jìn)制數(shù)相比，二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算規(guī)則要簡(jiǎn)單得多，這不僅可以使運(yùn)算器的結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，而且有利于提高運(yùn)算速度。
4. 與邏輯量相吻合。二進(jìn)制數(shù)0和1正好與邏輯量“真”和“假”相對(duì)應(yīng)，因此用二進(jìn)制數(shù)表示二值邏輯顯得十分自然。
5. 二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換相當(dāng)容易。人們使用計(jì)算機(jī)時(shí)可以仍然使用自己所習(xí)慣的十進(jìn)制數(shù)，而計(jì)算機(jī)將其自動(dòng)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)存儲(chǔ)和處理，輸出處理結(jié)果時(shí)又將二進(jìn)制數(shù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，這給工作帶來(lái)極大的方便。

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