揭秘二进制：0和1如何构建数字世界的画面与声音
我们日常使用的是十进制，拥有0到9共十个数字，数到9后向前进位变成10。而计算机使用的二进制规则与之类似，只是它仅包含0和1两个数字。当二进制数到1时，由于没有新的数字可用，只能向前进位，即01之后是10。简单来说，逢十进一是十进制，逢二进一则是二进制。
`` 是摘要与正文的分隔标记，请保留。为什么计算机选择二进制？
计算机之所以使用二进制而非人类熟悉的十进制，根本原因在于其底层硬件——电子电路的工作特性。
芯片中的晶体管如同开关，能够控制电流，产生高、低两种电平状态。我们将低电平记作0，高电平记作1。这里的高和低并不要求电压精确到某个特定数值，只要落在规定的范围内，电路就能准确判断其代表0还是1。即使电压存在微小波动，也不容易出错。
相比之下，如果使用十档电压分别代表0到9，在相同的电压范围内，每一档之间的间距会更小，从而更容易受到干扰。因此，区分两种状态比区分十种状态更容易、更可靠。对于更大的数字，只需将多个0和1组合起来即可表示。
大量晶体管可以组成逻辑门，逻辑门进一步构成加法器、寄存器、内存和CPU。计算机正是通过这些电路对0和1进行存储、判断和运算。
比特、字节与数据单位
在二进制中，每一个0或1被称为一个比特（bit）。8个比特组成一个字节（byte）。
一个字节包含8个位置，每个位置可以是0或1，因此总共能组成 $2^8 = 256$ 种不同的状态。我们常见的文件大小、内存容量和硬盘容量，都是基于字节计算出来的。
从0和1到文字：编码的作用
既然计算机只认识0和1，它是如何显示文字的呢？答案是编码。
人们预先制定了一套规则，为每个字符分配一个数字，再将该数字转换为二进制保存。例如，大写字母“A”在ASCII编码中的十进制编号是65，转换为8位二进制即为 01000001。计算机保存的是这串二进制数据，软件读取后，根据字符编码规则将其解释为字母“A”。
中文的处理原理相同，只是使用的编码规则更为复杂，常见的有Unicode和UTF-8。如果在保存和读取文件时使用了不同的编码规则，就可能出现乱码。
数字与字符的区别
很多人疑惑：如果计算机只认识0和1，那么在一个既包含数字65又包含字母A的文本文件中，计算机如何区分哪个是数字，哪个是字母？
答案很简单：文本文件中没有“数字”这个概念，只有“字符”。
例如，文件中写着“65A”，计算机实际保存的是三个字符：“6”、“5”和“A”。其中，“6”和“5”各自拥有独立的ASCII编码，“A”也有自己的编码。计算机只是将这些字符原封不动地存储起来。
真正把“6”和“5”变成数字65的，并不是文件本身，而是程序。例如Excel、Python或Java等程序，会根据上下文判断此处需要的是数字，于是将字符“65”解析为整数65；如果此处仅需显示文本，它们就仍然只是字符“65”。
因此，计算机存储的是数据，数据本身没有意义，真正赋予它意义的是程序如何解释它。
图像的本质：像素与RGB
图像的保存和显示原理与文字类似。计算机并不会保存一张“真正的图片”，它保存的依然只是一串0和1。之所以这串数据能变成图片，是因为计算机和图片软件提前约定了一套规则：这串数据不是文字，而是图片，软件会按照图片规则进行解析。
像素与颜色
一张图片并非整体，而是由无数个极小的方块组成，这些方块称为像素。计算机保存图片时，并非存入整张图，而是记录每个像素的信息，如第一个像素的颜色、第二个像素的颜色，直至最后一个。
为了表示颜色，计算机通常使用红（R）、绿（G）、蓝（B）三个数值，即RGB。这三个数值组合起来，可以表示几乎所有颜色。随后，这些数值被转换为二进制保存。
分辨率与文件大小
除了颜色，计算机还需知道图片的宽和高。例如，一张1920x1080的图片表示共有1920列、1080行像素，总计约207万个像素。
软件知道宽和高后，便能按照从左到右、从上到下的顺序，将像素放回正确位置。当图片软件打开文件时，先读取宽和高，再依次读取每个像素的颜色，重新绘制到屏幕上。所有像素画完后，用户看到的便是完整的图片。
因此，图片分辨率越高，像素越多，需要记录的信息也就越多，文件通常也会越大。
声音与视频：采样与压缩
声音通过采样变成数字。计算机在极短的时间间隔内不断测量声音波形的强弱，将每次测量结果记录为数字，再转换为二进制。
视频可以简单理解为连续播放的图片加上声音。为了减小文件体积，图片、音频和视频通常还会经过压缩，但压缩后保存的结果仍然是二进制。
程序也是二进制
我们编写的C、Java或Python代码是给人看的。经过编译器、解释器和运行环境处理后，最终会变成CPU能够执行的机器指令，而这些机器指令同样以二进制形式保存。
结语：数据与规则
说“计算机只认识0和1”是一种简化说法。更准确地说，计算机的电路能够处理两种稳定状态，而人们通过不同的编码规则，赋予这些0和1不同的含义。
同一串二进制数据：
- 按照字符编码读取，可能是一段文字；
- 按照图片格式读取，可能是一组像素；
- 按照机器指令读取，也可能是一段程序。
真正决定数据含义的，不只是0和1本身，还有解释它的规则。
