4.資料儲存模型-二進位制
資料儲存模型
當今社會，計算機無處不在，我們知道在計算機CPU用來計算資料，記憶體和Flash用來儲存資料。計算機中的資料是現實社會中的內容在計算機中以另外一種方式來儲存。我們的圖片、文字、視訊等資料都可以儲存到計算機中。那麼計算機又是如何儲存這些資料的呢？在計算機中的這些資料到底是以什麼方式存在？本節課將會為大家解答這些疑問，讓大家從底層理解什麼是計算機中的資料。
計算機電路模型
當我們拆開計算機，可以看到裡面是一塊電路板，上面有各種各位的元器件，有很多繞老繞去的線路，看起來很複雜。所有的計算都需要電源。我們可以抽象地理解為一個計算機就是一塊人類按照一定規則製造的板子，上面有各種各樣的元件，當有電源進入板子的時候，各種元件可以對電源進行有規則的引導，使得板子的各個位置有不同的電壓和電流。
電壓就是資料
從上面說的計算機電路模型，我們可以知道計算機中的硬體是固定，裡面可變的東西是電壓和電流。而計算機中的資料就是以電壓的方式來表示的。比如：1V電壓代表1，2V電壓代表2，3V電壓代表3。那麼，結合之前講到的加法器，兩個輸入分別為1和2，輸出結果應該是3。實際上，在計算機中是兩個輸入分別為1V和2V電壓，輸出一個3V的電壓。
二進位制資料
在計算機中所有的資料都是用電壓來表示的，不同的電壓可以表示不同的資料，一個數據可以由多個電壓組合來表示。然而，當資料量很大的時候，用上面的電壓表示法，則電壓值的需要很細分為不同的數值，在電路中要穩定的產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
把所有的資料用0和1的組合來表示，比如數字0是 0000 0000，數字1是 0000 0001。一張圖片可能由幾百萬個0和1的組合來表示。所有的文字、圖片、音樂、視訊、文件等資料都用0和1的組合來表示。在電路中，只有高電平和低電平的區分，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，資料也不會丟失。這種0和1的組合，稱為二進位制資料。
二進位制數的運算
我們生活中的算術運算都是使用十進位制來計算的，也就是逢十進一，比如：1 + 9 = 10。而二進位制的運算則是逢二進一，比如：1 + 1 = 10。各進位制資料之間的轉換可以檢視
為什麼用二進位制
計算機內部之所以採用二進位制，其主要原因是二進位制具有以下優點:
- 技術上容易實現。用雙穩態電路表示二進位制數字0和1是很容易的事情。
計算機使用二進位制進行編碼，而不是我們熟悉的十進位制，最重要的原因是二進位制物理上更容易實現。因為電子器件大多具有兩種穩定狀態。比如電晶體的導通和截止，電壓的高和低，磁性的有和無等。而找到一個具有十個穩定狀態的電子器件是很困難的。使用二進位制還有運算簡單的優點。十進位制有55種求和與求積的運算規則，二進位制僅有各有3種，這樣可以簡化運算器等物理器件的設計。另外，計算機的部件狀態少，可以增強整個系統的穩定性。所以，二進位制對於計算機來講，是自然而然的選擇。 - 可靠性高。二進位制中只使用0和1兩個數字，傳輸和處理時不易出錯，因而可以保障計算機具有很高的可靠性。
- 運算規則簡單。與十進位制數相比，二進位制數的運算規則要簡單得多，這不僅可以使運算器的結構得到簡化，而且有利於提高運算速度。
- 與邏輯量相吻合。二進位制數0和1正好與邏輯量“真”和“假”相對應，因此用二進位制數表示二值邏輯顯得十分自然。
- 二進位制數與十進位制數之間的轉換相當容易。人們使用計算機時可以仍然使用自己所習慣的十進位制數，而計算機將其自動轉換成二進位制數儲存和處理，輸出處理結果時又將二進位制數自動轉換成十進位制數，這給工作帶來極大的方便。