計算機數據存儲模型

數據存儲模型

當今社會，計算機無處不在，我們知道在計算機CPU用來計算數據，內存和Flash用來存儲數據。計算機中的數據是現實社會中的內容在計算機中以另外一種方式來存儲。我們的圖片、文字、視頻等資料都可以保存到計算機中。那么計算機又是如何保存這些數據的呢？在計算機中的這些數據到底是以什么方式存在？本節課將會為大家解答這些疑問，讓大家從底層理解什么是計算機中的數據。

計算機電路模型

當我們拆開計算機，可以看到里面是一塊電路板，上面有各種各位的元器件，有很多繞老繞去的線路，看起來很復雜。所有的計算都需要電源。我們可以抽象地理解為一個計算機就是一塊人類按照一定規則制造的板子，上面有各種各樣的元件，當有電源進入板子的時候，各種元件可以對電源進行有規則的引導，使得板子的各個位置有不同的電壓和電流。

電壓就是數據

從上面說的計算機電路模型，我們可以知道計算機中的硬件是固定，里面可變的東西是電壓和電流。而計算機中的數據就是以電壓的方式來表示的。比如：1V電壓代表1，2V電壓代表2，3V電壓代表3。那么，結合之前講到的加法器，兩個輸入分別為1和2，輸出結果應該是3。實際上，在計算機中是兩個輸入分別為1V和2V電壓，輸出一個3V的電壓。

二進制數據

在計算機中所有的數據都是用電壓來表示的，不同的電壓可以表示不同的數據，一個數據可以由多個電壓組合來表示。然而，當數據量很大的時候，用上面的電壓表示法，則電壓值的需要很細分為不同的數值，在電路中要穩定的產生很多電壓是很難的。如果把電壓分為兩種

• 一種是高電平（高電壓），用1代表高電平
• 一種是低電平（低電壓），用0代表低電平

把所有的數據用0和1的組合來表示，比如數字0是 0000 0000，數字1是 0000 0001。一張圖片可能由幾百萬個0和1的組合來表示。所有的文字、圖片、音樂、視頻、文檔等數據都用0和1的組合來表示。在電路中，只有高電平和低電平的區分，比如把0V~1V表示低電平，3V~6V表示高電平，這樣就算電壓值有一定的波動，數據也不會丟失。這種0和1的組合，稱為二進制數據。

二進制數的運算

我們生活中的算術運算都是使用十進制來計算的，也就是逢十進一，比如：1 + 9 = 10。而二進制的運算則是逢二進一，比如：1 + 1 = 10。各進制數據之間的轉換可以查看[進制轉換][1]，電腦上的計算器工具也可以幫我們進行不同進制數據的轉換。

為什么用二進制

計算機內部之所以采用二進制，其主要原因是二進制具有以下優點:

1. 技術上容易實現。用雙穩態電路表示二進制數字0和1是很容易的事情。
   計算機使用二進制進行編碼，而不是我們熟悉的十進制，最重要的原因是二進制物理上更容易實現。因為電子器件大多具有兩種穩定狀態。比如晶體管的導通和截止，電壓的高和低，磁性的有和無等。而找到一個具有十個穩定狀態的電子器件是很困難的。使用二進制還有運算簡單的優點。十進制有55種求和與求積的運算規則，二進制僅有各有3種，這樣可以簡化運算器等物理器件的設計。另外，計算機的部件狀態少，可以增強整個系統的穩定性。所以，二進制對于計算機來講，是自然而然的選擇。
2. 可靠性高。二進制中只使用0和1兩個數字，傳輸和處理時不易出錯，因而可以保障計算機具有很高的可靠性。
3. 運算規則簡單。與十進制數相比，二進制數的運算規則要簡單得多，這不僅可以使運算器的結構得到簡化，而且有利于提高運算速度。
4. 與邏輯量相吻合。二進制數0和1正好與邏輯量“真”和“假”相對應，因此用二進制數表示二值邏輯顯得十分自然。
5. 二進制數與十進制數之間的轉換相當容易。人們使用計算機時可以仍然使用自己所習慣的十進制數，而計算機將其自動轉換成二進制數存儲和處理，輸出處理結果時又將二進制數自動轉換成十進制數，這給工作帶來極大的方便。