1. 为什么计算机用二进制计数

人类的计数方式通常是“逢十进一”,称为十进制(Decimal),大概因为人有十个手指,所以十进制是最自然的计数方式,很多民族的语言文字中都有十个数字,而阿拉伯数字0~9是目前最广泛采用的。

计算机是用数字电路搭成的,数字电路中只有1和0两种状态,或者可以说计算机只有两个手指,所以对计算机来说二进制(Binary)是最自然的计数方式。根据“逢二进一”的原则,十进制的1、2、3、4分别对应二进制的1、10、11、100。二进制的一位数字称为一个位(Bit),三个bit能够表示的最大的二进制数是111,也就是十进制的7。不管用哪种计数方式,数的大小并没有变,十进制的1+1等于2,二进制的1+1等于10,二进制的10和十进制的2大小是相等的。事实上,计算机采用如下的逻辑电路计算两个bit的加法:

图 14.1. 1-bit Full Adder

1-bit Full Adder

图的上半部分(出自Wikipedia)的电路称为一位全加器(1-bit Full Adder),图的下半部分是一些逻辑电路符号的图例。我们首先解释这些图例,逻辑电路由门电路(Gate)和导线(Wire)组成,同一条导线上在某一时刻的电压值只能是高和低两种状态之一,分别用0和1表示。如果两条导线短接在一起则它们的电压值相同,在接点处画一个黑点,如果接点处没有画黑点则表示这两条线并没有短接在一起,只是在画图时无法避免交叉。导线的电压值进入门电路的输入端,经过逻辑运算后在门电路的输出端输出运算结果的电压值,任何复杂的加减乘除运算都可以分解成简单的逻辑运算。AND、OR和NOT运算在第 3 节 “布尔代数”中讲过了,这三种逻辑运算分别用与门、或门和反相器(Inverter)实现。另外几种逻辑运算在这里补充一下。异或(XOR,eXclusive OR)运算的真值表如下:

表 14.1. XOR的真值表

ABA XOR B
000
011
101
110

用一句话概括就是:两个操作数相同则结果为0,两个操作数不同则结果为1。与非(NAND)和或非(NOR)运算就是在与、或运算的基础上取反:

表 14.2. NAND的真值表

ABA NAND B
001
011
101
110

表 14.3. NOR的真值表

ABA NOR B
001
010
100
110

如果把与门、或门和反相器组合来实现NAND和NOR运算,则电路过于复杂了,因此逻辑电路中通常有专用的与非门和或非门。现在我们看看上图中的AND、OR、XOR是怎么实现两个bit的加法的。A、B是两个加数,Cin是低位传上来的进位(Carry),相当于三个加数求和,三个加数都是0则结果为0,三个加数都是1则结果为11,即输出位S是1,产生的进位Cout也是1。下面根据加法的规则用真值表列出所有可能的情况:

表 14.4. 1-bit Full Adder的真值表

ABCinCoutS
00000
00101
01001
01110
10001
10110
11010
11111

请读者对照电路图验证一下真值表是否正确。如果把很多个一位全加器串接起来,就成了多位加法器,如下图所示(该图出自Wikipedia):

图 14.2. 4-bit Ripple Carry Adder

4-bit Ripple Carry Adder

图中的一位全加器用方框表示,上一级全加器的Cout连接到下一级全加器的Cin,让进位像涟漪一样一级一级传开,所以叫做Ripple Carry Adder,这样就可以把两个4 bit二进制数A3A2A1A0和B3B2B1B0加起来了。在这里介绍Ripple Carry Adder只是为了让读者理解计算机是如何通过逻辑运算来做算术运算的,实际上这种加法器效率很低,只能加完了一位再加下一位,更实用、更复杂的加法器可以多个位一起计算,有兴趣的读者可参考[数字逻辑基础]


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