ZaLinux.ru

Биты, байты и двоичные данные

Вы когда-нибудь задумывались, что такое на самом деле — биты, байты и бинарные данные? Эти слова похожи по звучанию, но разные по значению, эта статья познакомит вас с компьютерами в их основе: мы переносимся на физический уровень и дальше…

Бит и биты!

Компьютеры обрабатывают данные иначе, чем люди. Но задумывались ли вы, как на самом деле хранятся эти огромные объёмы данных? Добро пожаловать в компьютеры — их основа: биты. Любая часть информации в большинстве современных вычислительных систем, будь то ваш настольный ПК, мобильный телефон или интеллектуальный экран на вашем умном холодильнике, хранит данные с помощью «битов».

Самый маленький фрагмент информации, который компьютер может «понять» и обработать, — это бит. Но что это немного? Как мы можем оценить бит? На самом деле это очень просто. Представьте, что у вас есть небольшой кусок металла (формы, которая может быть намагничена) и магнит. Если вы намагничиваете кусок металла, мы будем называть это состояние намагниченным или 1. Если мы не намагничиваем кусок металла или возвращаем намагниченный кусок металла в размагниченное состояние, мы назовём такое размагниченное состояние 0.

По сути, это и есть бит: намагниченный или размагниченный кусок металла. Таким образом, казалось бы, что мы не можем хранить много информации в одном бите: только 0 и 1 — два возможных состояния. Давайте вместо этого возьмём восемь бит и посмотрим, что мы можем с этим сделать.

Байт и байты!

Когда мы объединяем восемь битов, мы формируем байт. Байт — это человеческое понятие, а не то, что компьютер может понять по своей сути. Очень рано разработчики компьютеров решили создавать байты из 8 бит. Давайте посмотрим, сколько комбинаций мы можем создать, используя восемь битов, установленных в состояние 0 или 1:

0000 0000 = 0
0000 0001 = 1
0000 0010 = 2
0000 0011 = 3
...
0000 1000 = 8
0000 1001 = 9
...
0100 0000 = 64
...
1000 0000 = 128
1000 0001 = 129
1000 0010 = 130
...
1111 1111 = 255

Слева — двоичное число, справа — десятичное.

Есть ровно 256 возможных комбинаций (от 0 до 255). Несмотря на то, что у нас есть только восемь маленьких металлических частей и один магнит, теперь мы можем сохранить 255 различных состояний, просто намагничивая или размагничивая любой из восьми металлических предметов. Это много? Возможно, но если учесть, что простой PDF-файл с несколькими отсканированными страницами может легко иметь размер 10 мегабайт (= 10 000 000 байт или 80 000 000 бит), вы можете задаться вопросом, как любой компьютер может обрабатывать 80 миллионов маленьких кусочков металла 😉

Ещё более удивительно то, что у многих людей скорость подключения к Интернету составляет 50 Мбит/с (мегабит в секунду) или больше. 50 Мбит/с - это 6 250 000 байт в секунду, что, в свою очередь, составляет поразительные 50 000 000 бит в секунду. В этом случае данные не хранятся на намагниченных металлических деталях.

Следующий вопрос, который может прийти в голову, — куда записываются эти биты? В любой форме хранения в вычислительной системе. Например, основной чип памяти в вашем компьютере, или просто физический диск, например, более старый тип HDD (Hard Disk Drive), у которого были буквально вращающиеся намагничиваемые диски внутри, а маленькая головка двигалась взад и вперёд. в то время как диски вращались со скоростью 5400, 7000 или 10000 оборотов в минуту и намагничивали или размагничивали биты (1 или 0).

У компьютера также есть другие места, где он может хранить информацию, например кеши уровня 1 и уровня 2 (и, если применимо, уровня 3 и т. д.) Внутри ЦП (центрального процессора). Итак, каковы некоторые из максимальных скоростей, при которых компьютеры могут намагничивать и размагничивать биты?

Добро пожаловать в самые быстрые диски в мире: быстрые современные NVMe (тип твердотельного накопителя, который, в свою очередь, является преемником жёсткого диска) могут достигать скорости последовательной записи 7000 МБ/с, то есть 56000000000 физических магнитных битов записывается в секунду. Невероятно, но реально.

Иногда полезно вернуться немного назад в историю и в то, как всё работает, чтобы оценить то, что было достигнуто, и понять, с какой невероятной скоростью мы прогрессируем. На самом деле это то, что происходит внутри вашего компьютера каждую секунду, и это происходит ещё чаще и быстрее, когда вы обрабатываете интенсивную рабочую нагрузку. Круто?

Бинарный (двоичный)!

Теперь, когда мы рассмотрели биты и байты, мы можем сделать небольшой шаг вперёд и перейти к понятию «двоичный». Двоичный как термин может использоваться как указатель двоичного числа (как в нашем однобайтовом примере выше, где мы перешли от 0000 0000 (десятичное 0) до 1111 1111 (десятичное число 255)), или как поток, некоторые данные или состояние.

Например, мы можем говорить о двоичном потоке данных, когда говорим о нулях и единицах, перемещающихся по компьютерной сети. В таком случае (двоичный поток данных) состояние битов не намагничивается или размагничивается, как когда они хранятся на диске или в кэше, а скорее меняется напряжение (например, +5 Вольт), чтобы указать состояние 1 и ноль вольт, чтобы указать состояние 0.

Мы можем использовать слово двоичный для обозначения данных, хранящихся как двоичные (например, на диске), или как состояние, например, исполняемый файл на компьютере часто называется двоичным. Все эти разные виды использования слова «двоичный» требуют немного времени, чтобы привыкнуть к жаргону.

Заключение

В этой статье мы исследовали мельчайшую динамику того, что происходит в ядре компьютера: простые биты, намагниченные или размагниченные на диск, или напряжение, протекающее по проводу, являются самыми основными единицами вычислений и хранения данных. Затем мы сделали шаг вверх и перешли к байтам и тому, как один байт может содержать значение от 0 до 255, установив или отключив 8 отдельных битов. Наконец, мы изучили понятие «двоичный» и множество способов использования слова двоичный.

Смотрите также: От 0 до F: шестнадцатеричные числа

Рекомендуемые статьи:

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *