为什么计算机使用二进制数系统 (0,1)？答案

【问题标题】：Why Do Computers Use the Binary Number System (0,1)?为什么计算机使用二进制数系统 (0,1)？
【发布时间】：2014-08-03 14:27:14
【问题描述】：

为什么计算机使用二进制数系统 (0,1)？他们为什么不使用三进制数系统（0,1,2）或任何其他数系统呢？使用二进制数有什么好处？

【问题讨论】：

因为它们依靠电力运行，并且可以打开或关闭，即 0 或 1。on 告诉电路考虑 1，off 告诉电路考虑 0。所有其他数字系统都是基于二进制数的组合计算。这是非常基本的原则。存在不同的变化
@Hanky웃Panky：完全有可能构建一个使用多个电压电平表示 0、1 或 2 的系统。我认为一些存储技术通常使用 4 电平表示，虽然我是远非该领域的专家。
当然可以，这就是我提到存在不同变体的原因。但这是非常基本的解释。需要大量研究才能对这些有所了解，而不仅仅是问答环节。我的评论只是开胃菜，不是主菜
我很想断言它是(two-state) Transistors 的结果/结果，它们是“现代电子设备的基本组成部分”。如果晶体管固有地在三态系统上工作/由三态系统工作，那么看到广泛使用的三元基极我不会感到惊讶..
我读过量子计算会保持0,1等状态，我不是这方面的专家，但最好读一下。它说“另一方面，量子计算机会将信息存储为 1、0 或两种状态的量子叠加。这种称为量子位的“量子位”比二进制具有更大的灵活性系统。” physics.about.com/od/quantumphysics/f/quantumcomp.htm

标签： architecture binary hardware ternary-operator computer-architecture

【解决方案1】：

这是硬件世界中软件思维的经典例子:)

哦，天哪。我是唯一一个记得真空管或我们过去称之为阀门的人吗？逻辑不是从晶体管开始的，朋友们。第一台计算机 (ENIAC) 使用了大量的电子管、二极管和继电器。

如前所述，现代计算机中二进制系统的使用与电气状态和逻辑有关。如果您还记得的话，TTL（晶体管-晶体管逻辑）显着提高了计算能力（使其创建内存和逻辑电路的速度更快、更便宜、更可靠）组装和配置为晶体管，可以放大信号或用作门控开关。

您可以安排这些 TTL 电路的大型阵列来“存储”状态。我们可以继续，但足以说明 BINARY 存在的原因与今天相同。

数字由位表示，这些位是具有 TRUE/FALSE 状态逻辑的离散电气线路，它直接映射到 ON/OFF 的电气表示。

这是唯一有意义且可靠且经济的硬件架构。 1 (1) 和零 (0) 统治着世界，因为它们是最精细、最可靠和最具成本效益的电路。

【讨论】：

【解决方案2】：

使用二进制系统构建硬件是最便宜的。有 0V 或 vdd - 没有别的。逆变器只需要 2 个晶体管，并且具有您可以获得的最佳速度/电流比。如果您尝试多电平，您将需要窗口比较器，每个电平通常需要 4 个晶体管（和 N-1 个参考电压），并且比简单的反相器慢得多。对于简单的逻辑来说太贵了！多级仅对慢速存储器有意义（您减少了存储单元的数量，但您必须牺牲读取放大器的速度。这就是非易失性存储器比 RAM 慢的原因之一）

【讨论】：

如果您想在不切换时设计具有低泄漏的栅极，仍然强制晶体管完全打开或完全关闭，那么这些电压电平必须间隔一伏左右。现代 CMOS 逻辑在不切换时的功耗非常低，只有泄漏。保留该属性以达到我们在当前 CPU 上拥有的逻辑密度而不熔化是相当必要的；功率密度已经是一个限制因素。请参阅power wall section in this nice article。
通过 V^2 的功率缩放（因为负载基本上是电容性的，所以更多的电荷 x 每次充电更多的能量），在 3V 而不是near threshold around 1V 下运行意味着从0 至 3V，反之亦然。较小的过渡较少，例如在 1V 和 2V 之间。
您可以使用电流模式逻辑进一步降低电压摆幅。 100mV pp 是可行的。但是你用交流性能换取直流电流消耗。所以 CML（电流模式逻辑）只在 5GHz 和 50GHz 之间有一个甜蜜点。
有趣。但是这个权衡/最佳点是假设门实际上在每个周期都在切换，对吗？为了不融化，现代 CPU 在任何给定时间都需要有相当一部分逻辑为“dark”，例如 SRAM 或未使用的执行单元。我想如果您可以对您的 CML 逻辑块进行电源门控（而不仅仅是停止时钟），那么如果您可以容忍它们在重新通电后需要稳定的任何延迟，那么这可能会起作用。
没错。这种高速 CML 的典型应用是将它们用作频率测量等的分频器。

【解决方案3】：

计算机用于处理各种形式的数据，例如图像、文件、文字、数字、音频、视频等。这些由对非常小的电流供应高度敏感的微型晶体管处理。它们只需打开并离开。通过使用这些开关，二进制数发挥作用。如果开关打开，则用 1 表示，否则用 0 表示。如果计算机使用这些 1 和零，那么我们需要使用这些微小的晶体管。有很多微小的计算机中的晶体管比其他类型的晶体管便宜。因此，最好使用 1 和 0（二进制）并由微型晶体管以打开（1）和关闭（0）形式处理。

【讨论】：

【解决方案4】：

这不是收益的问题吗？重要的是研发的数量，当然还有研发产品所需的资金。当前的二元系统是数十年演变的结果。除非它用于一些高端研究和内部开发，否则至少在这十年内没有人会感兴趣使用它。

【讨论】：