为什么计算机只使用 0 和 1?

电器工程 电脑 计算机架构
2022-01-10 10:44:04

为什么计算机只使用 0 和 1?添加其他数字(例如 2 或 3)不会加速计算机吗?另外,2和3可以用来缩短整数的位长(2和3可以用来结束一个整数,所以数字1只需要一个两位。)..

为什么二进制计算机更受欢迎?

4个回答

它不会加快他们的速度。现在很容易:制作一个像 NAND 这样的基本逻辑门,逻辑输入要么将输出拉到 Vdd,要么拉到地。如果您要使用中间电平,则需要 FET 达到 Vdd/2 或 Vdd/4 等电平。这将消耗更多的电力,并且需要更精确的工作组件,这需要更多的时间来稳定到最终水平。如果您将更多值填充到单个数据单元中,则所需的精度会增加,稳定时间也会增加。现在使用的二进制系统只是将 FET 推向 Vcc。

exscape提到了抗噪性,这就是准确性所指的:信号可能偏离标称值多少。在二进制系统中可能接近 50%,或在 1.2 V 处理器中超过 0.5 V。如果您使用 4 个不同的电平,它们之间的距离只有 300 mV,那么抗噪性不会好于 150 mV,可能是 100 mV。

请注意,有些闪存设备使用多个级别在单个存储单元中存储超过 1 位,即 MLC(多级单元)闪存。这不会提高速度,但会在单个芯片上打包更多数据。

二进制级别的存储和计算非常便宜、小巧且快速。这段文字可能过于简单化了,但我想它明白了:

读取二进制存储单元只需要一个简单的比较器来完成它的工作:高/低。计算归结为四个输入组合(00、01、10、11)到两位输出(0 和 1)的非常简单的表格。

现在,如果您必须比较几个可能的值,则必须有一个更复杂的比较器设置,它比简单的设置更慢或更大。此外,计算表变得更大,因此计算也更加复杂。虽然我们可能会节省一些小区域来缩小存储空间,但其他一切,比如计算和传输,都会变得更加困难和缓慢。

正如在另一个答案中所讨论的,整个设置还必须更加精确地构建以保持抗噪性。

所有这些东西加在一起意味着:在芯片上放置数十亿个二进制门比仅仅放置十亿个四进制门要高效得多。

在你的房子周围转一转,或者如果你没有这些类型的开关,去五金店看看是多么容易或难,把开关放在开和关的中间,添加第三种状态,现在试试看看你能不能胜任显赫的职位。再比如,拿一个可乐罐或者啤酒瓶或者其他任何圆柱形的物体侧放,然后在上面平衡一个大理石,那个平衡的大理石有多容易、快速和稳定?

使用晶体管作为开关非常容易,将其驱动到一个轨道或另一个,易于检测输出。现在,如果您要尝试让所有晶体管不打开关闭开关,而是针对每个状态校准到不同的范围(除了全部打开和全部关闭之外,还有您建议的两个中间状态)。现在整个系统必须更准确、更昂贵、容易出错和失败等。

基本上这是尝试过的,一个或一些早期的计算机尝试十进制(10个电压级别),它失败了。无论是管式晶体管还是硅,使用晶体管作为开关要容易得多、便宜得多、速度更快、更可靠,并且只有两种状态,下轨和上轨。

显然是可以做到的。这个星球上的所有†数字存储都是四态的。DNA 将数据编码为每个位的四个碱基对之一,以每个 3 位的字节排列。因此每个字节可以有 64 种不同的状态。

 

†由一种有知觉的生命形式人工创造的极小部分除外。