编码的本质及计算机的工作原理

2021-12-29 09:41:03 文章来源:网络

编码的本质是什么?计算机的工作原理是什么?越想越迷糊,感觉计算机就像迷雾一样,平常只会用,但不清楚原理。

后来,从基本电路开始,搭建了复杂电路,并通过调节开关,控制电路。然后,利用存储中的高低电平控制电路,体会了机器语言编程的感觉,算是基本入门。机器语言很繁琐,后来体会了汇编语言的好处,也控制了电路,**后又体会了高级语言的好处,也能控制电路。**近,又有一些新思考,所以简要地讲述一下。

‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍一. 掌握原理的重要**小时候,很喜欢骑自行车,试了很多次,一直不会骑,直到有一天,突然就会了,挺奇怪的。那个瞬间,至今难忘。那时,玩得不亦乐乎,此皆幼时闲情也。

不需要读什么书,也不需要什么知识,我们就能大致悟出自行车的工作原理,其实就是常识。如下的描述,并不十分**准,但足够让人了解自行车的工作原理。

用力踩呀踩,中间的铁齿轮开始转动。

通过链条,带动后轮转动,准备向前。

后轮推动前轮往前转,自行车走起来。有的朋友要说,会骑自行车就行了,管它什么工作原理。这句话,听起来好有道理。林语堂先生却说:光知道用东西,却不知其所以然,实为遗憾。后来,**台湾知名技术作家侯杰先生,在他的著作《深入浅出MFC》中,也提到了上述观点。我个人的观点是: 我们使用工具,并不是一定要深究其原理,有时候,没有必要浪费**力和时间,沉迷于不重要的细节,自我陶醉,无法自拔。但是,如果能够了解一些原理,能帮助我们更好地使用工具,甚至有可能改进和创造工具。二. 从**到软层层抽象如今,我们几乎所有的人,每天都在使用计算机(手机也是计算机)。对于大多数人而言, 没有必要深入了解计算机的工作原理。而对于从事计算机相关行业的人,或者对计算机有兴趣、有好奇心的人,也可以去了解一下。 另外,了解计算机的工作原理,也能为装叉吹牛增加一些信心和谈资。说不定帮人修电脑或者安装系统时,侃侃而谈,还能成就一段**好姻缘。很多大二大三大四的师兄,特别擅长这些,那些大一的学**,仰慕不已。如果不了解自行车知识,不了解牛爵爷的力学,也能搞懂自行车的工作原理。 但是,如果不了解计算机知识,**不可能搞懂计算机的工作原理。因为,经历从**件到**的层层抽象后,计算机**复杂得让人难以想象。比如芯片,指甲那么大,却有几十亿个晶体管电子器件,每个晶体管电子器件的电流和电压,在1秒内,能变化几亿甚至几十亿次。学过排列组合的朋友,应该知道,芯片**每时每刻的状态数量,是个巨大的天文数字。

再比如操作系统,以谷歌公司的Android系统为例,少说点也有1亿行代码。假设一本书有500页,书的单面印50行代码,那么一本书就能印**25000行代码。如果把操作系统的代码都印**在书上,那就是4000本书,震惊。

那么,当我们拿着手机,聊**、逛**、**抖音时,我们是否意识到发生了什么呢?通过手机app、中间件、操作系统、驱动程序,我们在操纵着手机芯片中的电压和电流,操纵着芯片中的无数分子中的原子中的电子。我们还利用了麦克斯韦电磁场理论,通过电磁波的方式,远程操纵着各大互联网公司的服务器的芯片中的无数电子。有点武侠小说的感觉,手指一滑,世界各地的计算机芯片中的电子便为之一振。是的,从微观层面讲,那些电子在杂乱无章地“乱窜”,充满着不确定**。但是,通过抽象,我们拥有了宏观层面确定的欧姆定律、基尔霍夫定律等规律。然而,电流电压依然会存在上下轻微波动,并不准确,那怎么办?通过再次抽象,我们拥有了确定的与或非门电路;通过再次抽象,我们拥有了确定的芯片;通过再次抽象,我们拥有了确定的驱动程序、操作系统;**后,拥有了带功能意义的app, 于是,我们能滑动手机,玩着,乐着。

计算机,从顶层的应用程序往下看,处处都有抽象,处处都是编码和转换。我们没有办法,也没有必要弄清计算机的每个细节,但只要把握住了计算机的工作原理,弄清一些核心概念,还是能在一定抽象度上搞懂计算机。抽象,是计算机科学和技术中**重要的思想,没有之一。抽象的重要**,在操作系统中的体现尤为明显。通过层层抽象,我们才可以轻松地聊**、逛**、**抖音,而**背后的**底层,不过是芯片中电子在“乱窜”而已。

三. 编码和解码的本质到此为止,我们似乎了解了一点计算机的工作原理,但略感模糊,所以还需要继续探索与追问,那就来一起看看吧。

计算机中一切的行为,都可以归结于计算。当我们在聊**、逛**、**抖音时,都是手机芯片的计算来实现的。既然都是通过计算来实现的,那就要弄清计算机的计算原理。先来看看计算机中**简单的加法,这还得从编码说起。编码的本质是什么呢?对通信专业同学而言,**反应是信号编码,而对计算机专业同学而言,**反应是写代码。这两种理解,都局限在特定专业领域内。事实上,编码是广义的,无处不在,我们的工作和生活中,到处都是编码。

在战争中联络的暗号,是一种编码。如果不懂之前的约定,就无法知道暗号的意思,这个“知道”的过程,就是解码。

瞪你一眼,也是编码,把想法用瞪眼来表示。我们经常说:我不懂你说的意思。本质就是:我无法解码你说的东西。

很多场景,都是编码与解码的过程。来看图,一图胜千言:

可见,对于同一事物,如果编码方式不同,那么得到的结果也不同。对于不同事物,编码后可能得到相同的结果, 但他们的含义是不一样的。要正确解码,必须知道它曾经采用了哪种编码方式,否则无法解码。编码的本质,就是映射。解码的本质,就是去“理解”。要配套使用才行。四. 二进制的加法示例为什么我们费尽心思去讲编码的本质呢?因为通信的本质,就是编码并传输,计算机的本质,就是编码并处理。我们先来看一幅图:计算1+2.我们可以看到,从苹果到数字,是一种编码方式,从数字到苹果,是对应的解码。而且,上述的编码,是我们很熟悉的阿拉伯十进制编码。

以“109个苹果”为例,我们用十进制和二进制分别对其进行编码,具体的过程如下:

可以看到,十进制编码后,数字都是由0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9这十个数字组成的。而二进制编码后,数字都是由0, 1这两个数字组成的。这里,再次看到编码和解码的特点:对于“109个苹果”,当编码方式不同时,其编码后的结果自然不相同。对于1101101,如果不知道编码方式,就没法理解它。如果是二进制编码,就会被理解为是“109个苹果”。万一按照十进制去理解,那就是“一百一十万一千一百零一”个苹果,这显然是不对的,究其原因,就是编码的时候,用了二进制编码,但解码的时候,用了十进制解码,自然不行。对于1101101,为了不错误理解,常用1101101B表示是用二进制编码,这个B是binary digit的缩写,意思是二进制,解码后是“109个苹果”。对于不标注B的109, 默认是十进制。下面,我们来看下二进制的加法计算:

可以看到,二进制数字只有0,1两个数位,做加法时,满二进一。无论是十进制编码,还是二进制编码,他们都是等效的。实际上,还可以编码为三进制、四进制、...、十五进制、十六进制、十七进制等其他进制,本质思路是一样,相同的玩法。五. 二进制的发展由来众所周知,现代计算机采用的是二进制逻辑,但是,为什么计算机要采用如此反人**的二进制呢?我们来慢慢说,往下看。先来看“14个苹果”加“38个苹果”这件看似简单的事情, 我们该怎样用电路来完成计算呢?思路是编码后再计算,然后解码。

首先,需要把苹果编码成具体数字,即14和38这两个值。然后,需要把14和18编码成14v和18v, 即用电压表示数。**后,把结果52v解码理解成数字52,即为“52个苹果”。先来看看,用电来表示数,并实现加法,以14加38为例,输入14v的电压和38v的电压,设计电路,实现电压相加,得到52v,完全可以。可如果是9999加8888呢?用9999v和8888v的电压?估计早就被烧糊了,器毁人亡。

我们来改进设计方案,下面这个设计就靠谱很多了,一根电线上的**低电压是0v, **高电压是9v, 不至于把器件烧毁,人也安全。下面这个十进制加法器,貌似很**了。事实上,**初,人们造计算机的时候,用的就是十进制。

可是,现在有三个必须要面对和解决的问题:

怎么实现4v+8v=12v呢?把两个电压串联起来,结果不就是电压之和吗?可是,这毕竟不是两个电池啊,貌似不太好串联。想了很**,也没找到好办法。

从0v到9v, 总共有10个电压位,由于电子线路器件的复杂**,如果一根电线的电压值是7.49v, 那么请问,它表示的是数字7还是数字8呢?很尴尬很难办。如果要去计算14.001加上38.002, 用电路该如何表示呢?如何计算出准确无误的52.003 ? 要知道,任何一点电压的波动,都可能让**后结果产生偏差。有没有更好的设计方式呢? 各路先驱,苦苦探索,**后探索出了解决之道:使用二进制来计算,用电路来实现二进制计算。

用电路来实现二进制表示和二进制计算,我们今天看起来似乎很简单,但探索出这条路,并不容易,也是坎坷挺多的哈。莱布尼茨发明了二进制,但他在做乘法器时,没意识到二进制的重要**。终生未**的他,在科学和哲学史上,是百科全书。

布尔创建了逻辑代数,也称布尔代数,在很大程度上, 为后来的电路设计及其简化,做出了很大的贡献。现在很多编程语言中都**了布尔类型,以纪念这位先驱。1864年,在暴风雨中,布尔淋湿了,还坚持去上课,然后肺炎复发,一命呜呼了,真是可惜啊。希望大家注意身体,生病了,要休息。累了,要休息,别扛着。

香农,**先洞察到了开关系统和布尔逻辑的关系,并发表论文《继电器和开关电路的符号化分析》,可以说,这篇文论让人们意识到,可以用电路来实现二进制表示和二进制计算。香农活到了二十一世纪,当他看着这个世界,因为他的贡献而变得如此**好时,内心一定是很欣慰的。香农更有名的一篇论文是《通信的数学原理》,学过通信的人,不能不知道这篇论文。作为信息论的创始人,香农当之无愧。来思考一个有趣问题:香农为什么没有拿图灵奖呢?

六. 二进制计算的实现继续回到正题,反思一下上面的设计,问题就在于电压位太多了,导致0v和9v中间插入了太多的电压位,相邻电压位容易错乱干扰,不准确。

联想一下前面提到的二进制,能不能用二进制来计算呢?把0编码成0v, 把1编码成9v, 也就是用0v标志0,用9v表示1,完全可以,看设计图:

这样,即使电压出现偏差,比如8.4v, 也认为它是9v产生的偏差,所以判定它是9v,对应二进制的1. 如果出现1.6v, 知道这是0v出现了偏差,所以可以判定它是0v, 对应二进制的0.由此可见,引入只有0v,9v这两个电压位后,系统会更稳定可靠,出错的可能更小。两个电压位的加法,其实就是二进制加法。二进制中的0用0v来表示,二进制中的1用9v来表示。至于14.001加38.002,要实现准确计算也很简单,无非就是多加几根电线,专门表示001和002,跟整数加法的逻辑类似。这样一来,0.001和0.002就是准确值,不怕电压波动。上面是6位二进制数字和6位二进制数字加法器,如果用电路实现它,首先就要实现1位二进制和1位二进制相加的加法器,即我们需要做一个下图中的“神秘电路”,其实就是“半加器”:

到此为止,虽然没有完整地设计出加法器的具体电路,但对计算机的计算原理,有比较深刻的认识。计算机的计算本质,就是将要计算的数字,进行二进制编码。然后,用对应的电路的高低电压(如9v和0v)来表示,通过电路的逻辑功能,从电路的输出中得到高低电压,进而理解为二进制,并**后转化为数字,作为结果值。需要注意,高低电压(如9v和0v),在数字电路中,经常被称为高电平和低电平。下次我们提到高电平时,表示二进制数字1, 而提到低电平时,表示二进制数字0.那么,高电平和低电平一定是9v和0v吗?显然不一定。也可以把高低电平分别定义为5v和0v,在proteus仿真时,我用5v表示高电平),而用0v表示低电平。 这样,就实现了用电路来计算二进制。有了编码和计算,我们才能让计算机,呈现出丰富多**的功能,这就是计算机的工作原理。**略说起来,也是挺简单明了的。

总结一下。本文我们介绍了计算机的工作原理,又讲了编码的本质和二进制编码,然后讲了二进制编码的好处,**后从设计图的角度,实现了二进制加法。

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佛山豪德数控机械有限公司生产基地,受访者供图

中新网广东**12月25日电(方伟彬 曾**芬 陈秋娜)广东是中**居产业大省之一,连日来,记者走访珠三角家居制造企业后发现,以木工机械为代表的细分赛道正在闯出一条新路,国产高端装备正在弯道超车。

在广东佛山,享有“**木工机械重镇”的佛山伦教,目前拥有工贸企业500多家,年产值超过60亿元,广东先达数控机械有限公司和佛山豪德数控机械有限公司都是其中的佼佼者。

记者走访广东先达数控机械有限公司,在该公司生产车间看到,一台台数控五面钻、数控六面钻等设备在做调试。车间内的技术人员告诉记者,“先达”**早是从代理销售德国和意大利机器起家,直到2010年转型自建工厂、投身木工机械生产。

广东先达数控机械有限公司董事长刘乐球,受访者供图

广东先达数控董事长刘乐球表示,国内很多家具生产企业已经逐步使用国产自动化生产设备和自动化生产线,国内木工机械产品在**市场已经占有90%以上的份额。在木工机械产品上逐渐发力的“先达”更是凭借着过**的产品、极高的**价比、优质的售后服务,成功打进了国内的欧派、联邦、威法、志邦等中高端家居企业的生产车间。

刘乐球见证了**木工机械从手工到半自动、全自动再到数控化、智能化的成长历程,对**木工机械的发展他信心十足。和他有同样看法的还有佛山豪德数控机械有限公司总经理刘敬盛。

据介绍,“豪德数控”专注于全系列家具机械装备及木门机械装备研发,旗下拥有多个系列产品,**括数控开料机、数控钻孔机、全自动封边机、电脑裁板锯等,并在广东顺德伦教、勒流,湖北天门都设有生产基地。产品不仅进入多家国内家居厂家的生产线,替换进口设备,还远销全球50多个**及地区。

佛山豪德数控机械有限公司总经理刘敬盛,受访者供图

佛山豪德数控总经理刘敬盛表示:“近几年,国内木工加工机械已经实现了进口替代,未来的十年内,国内木工机械将迎来质的变革,进一步走向全球市场。”

国内木工机械崛起,离不开中**居产业尤其是定制家居行业高速发展的产业背景。近年来,国内工业**的快速崛起和落地应用,也直接推动了数控木工机械实现从全进口到自主研发,从传统的手动方式到现在全数控机械的发展。

三维家CEO蔡志森表示,十年前木工行业没有数控机**,而现在定制家具产业里面的机**,数控率化基本达到70%以上,这已经远超国内整体机**业45%的数控化率。

广东先达数控机械有限公司生产基地,受访者供图

据介绍,三维家云工业**覆盖营销、设计、拆单和生产管理等家居全产业链流程,在家居垂直细分领域对标行业领头羊,同时深入研发机械设备的CNC数控系统,通过对开料机、贴标机、数控钻、电子锯等家居生产设备的智能控制,推动家居装备制造业的数字化升级。

豪德数控总经理刘敬盛表示,跟三维家合作,提升了设备**应用的稳定**,数据对接的完整**。而且从设备工作模式看,由单机到连线,连线到工作站的转变是未来趋势,三维家具有前后端打通的优势,能提升机器和产线各个节点的效率。

刘敬盛认为,企业一定要抓住数控化、自动化、智能化设备的机会,才能在后期赛场上取胜。(完)

来源:****网

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