二进制计算机通过以下方式识别二进制数:
一、硬件层面:晶体管状态表示
计算机采用双极型晶体管或场效应晶体管作为基本逻辑元件。这些晶体管具有两种状态:
- 导通状态:
电阻变小,对应二进制数 0(低电平);
- 截止状态:电阻变大,对应二进制数 1(高电平)。
多晶体管组合
通过控制多个晶体管的导通与截止,可以表示多位二进制数。例如,8个晶体管可表示32位二进制数,每个晶体管对应1位。
补码存储
实际存储时,计算机采用补码形式表示有符号数,简化了加减法运算。
二、软件与硬件协同
指令编码
软件(如C语言程序)经编译后转换为二进制机器码,这些代码本质上是控制晶体管状态的电信号序列。
CPU译码与执行
CPU读取机器码并译码为具体操作,通过控制单元发送电信号控制晶体管状态。例如,译码器将输入信号转换为特定门电路的输入,与门、或门等逻辑元件进一步处理。
三、进制转换与扩展
进制表示
- 二进制以 `0b` 开头(如 `0b100101110`),八进制以 `0` 开头(如 `0126`),十六进制以 `0x` 开头(如 `0x12A`)。
- 低进制数可通过除二取余法转换为二进制,反之亦然。
扩展性
多位二进制数可组合表示更大数值。例如,8位二进制数可表示0到255的数值,16位可表示0到65535的数值。
总结
二进制计算机的核心在于利用晶体管的两种状态(导通/截止)表示0和1,通过硬件电路和软件指令的协同作用实现数据处理。这种设计既简化了物理实现,又保证了运算效率。