[Khoa học] Máy tính sử dụng dãy bit để làm gì?

Khi sử dụng máy tính hay học về máy tính, bạn sẽ thấy máy tính sử dụng dãy số bit để đọc hiểu hoặc chuyển chữ cái, dãy số thập phân về hệ nhị phân để xử lý. Nhưng máy tính làm vậy để làm gì nhỉ? Và máy tính sử dụng dãy bit để làm gì? Để tìm hiểu bí mật này, Tino Group sẽ đồng hành cùng bạn trong bài viết!

Tìm hiểu về dãy bit

Nội dung trong bài viết sẽ có phần khó hiểu đến rất khó hiểu cho nhiều người đọc phổ thông. Do đó, bạn nên đọc lại nhiều lần một cách chậm rãi nhé! Ngoài ra, để giúp cho những bạn mới tìm hiểu sẽ rõ hơn, chúng ta sẽ tìm hiểu về những thông tin cơ bản về bit.

Dãy bit là gì? Binary là gì? Chúng hoạt động ra sao?

Máy tính không hiểu các từ hoặc số như cách con người hiểu. Hầu hết các phần mềm, chương trình hiện đại cho phép người dùng không cần biết, nhưng ở các cấp thấp nhất của máy tính của bạn, mọi thứ được biểu thị bằng tín hiệu điện nhị phân ở một trong hai trạng thái: bật hoặc tắt. Để hiểu được dữ liệu phức tạp, máy tính của bạn phải mã hóa nó ở dạng nhị phân.

Binary hay nhị phân là một hệ cơ số 2 số. Cơ số 2 có nghĩa là chỉ có hai chữ số — 1 và 0 — tương ứng với trạng thái bật và tắt mà máy tính của bạn có thể hiểu được. Mỗi số 0 và 1 là một bit.

Những dãy số 0 và 1 dữ liệu được dịch ra nhị phân sẽ được gọi là dãy bit. Có thể hiểu, số 0 và 1 là ngôn ngữ máy.

Cách chuyển đổi nhị phân thành thập phân

Trong hệ nhị phân chỉ có 2 số 0 và 1. Để quy đổi từ hệ nhị phân thành thập phân, chúng ta sử dụng quy ước như sau:

• Chữ số thứ nhất có giá trị là 1
• Chữ số thứ hai có giá trị là 2
• Chữ số thứ ba là 4
• Chữ số thứ tư có giá trị 8

Và chúng ta cứ nhân đôi lên sau mỗi đơn vị và tối đa là 8 bit. Vậy, chúng ta sẽ có:

1111 (trong hệ nhị phân) = 8 + 4 + 2 + 1 = 15 (trong hệ thập phân)

Với 4 bit chúng ta sẽ có 16 giá trị và 8 bit chúng ta sẽ có 256 bit.

Máy tính sử dụng dãy bit để làm gì?

Lý do máy tính sử dụng dãy bit

Câu trả lời ngắn gọn: phần cứng và quy luật vật lý.

Có lẽ trả lời quá ngắn gọn sẽ khó hiểu. Do đó, Tino Group sẽ tiếp tục giải thích với bạn như sau: mỗi số trong máy tính của bạn là một tín hiệu điện và trong thời gian đầu khi phát triển máy tính, các tín hiệu điện khó đo lường và kiểm soát chính xác như hiện tại. Vì thế, việc chỉ phân biệt giữa trạng thái “bật” – được biểu thị bằng điện tích âm – và trạng thái “tắt” – được biểu thị bằng điện tích dương.

Bạn tiếp tục bối rối khi “tắt” được biểu thị bằng điện tích dương? Đó là vì các electron mang điện tích âm – nhiều electron hơn có nghĩa là dòng điện nhiều hơn với điện tích âm.

Do đó, trong những chiếc máy tính thời kỳ đầu tiên, chúng đã dùng hệ nhị phân để xây dựng hệ thống; dù máy tính cũ kỹ hơn, to hơn, cồng kềnh hơn nhưng vẫn giữ những nguyên tắc cơ bản.

Máy tính hiện đại sử dụng bóng bán dẫn để thực hiện các phép tính hệ nhị phân, hình ảnh minh hoạ như sau:

Về cơ bản, chúng chỉ cho phép dòng điện chạy từ nguồn đến cổng nếu có dòng điện trong cổng và điều này sẽ giúp tạo ra một công tắc nhị phân. Các nhà sản xuất có thể tạo ra những chiếc bóng bán dẫn với “size” cực kỳ nhỏ – xuống đến 5 nanomet, hoặc bằng kích thước của hai sợi DNA! Và đây là cách CPU hiện đại hoạt động.

Vì sao máy tính chỉ sử dụng bậc 2?

Thay vì chỉ “có và không”, “1 và 0”; tại sao chúng ta lại không phân biệt dòng điện đi vào thành nhưng trạng thái chỉ bật hoặc tắt thành các trạng thái như: bật một chút hoặc bật lên nhiều hơn một chút? Điều này đồng nghĩa với việc tạo thêm 1 số thứ 3 vào. Liệu điều này có thực tế hay không?

Câu trả lời là có. Năm 1840, máy tính có khả năng thực hiện các phép tính 3 giá trị đã tồn tại . Và đến năm 1958, Liên Xô đã chế tạo máy tính bậc 3 thành công. Nhưng sau đó, chúng đã bị dừng lại vì không có một sự thay thế nào hiệu quả hơn bóng bán dẫn bậc 2 cả và cũng không có công việc nào được thực hiện để phát triển chúng ở quy mô siêu nhỏ như nhị phân.

Tuy nhiên, máy tính bậc 3 lại hiệu quả vượt trội hơn bậc 2 nhiều lần.

Lý do chúng ta không thể sử dụng logic bậc 3 xuất phát từ cách các bóng bán dẫn được xếp chồng lên nhau trong máy tính – một thứ gọi là “cổng” – và cách chúng được sử dụng để thực hiện phép toán. 2 cổng lấy hai đầu vào, thực hiện một thao tác trên chúng và trả lại một đầu ra.

Điều này lại dẫn đến một thứ phức tạp hơn cần trả lời:

Nhị phân là cách đơn giản cho một máy tính thực hiện hơn bất kỳ thứ gì khác. Boolean logic ánh xạ đến các hệ thống nhị phân đơn giản hơn, với True và False được biểu diễn bằng cách bật và tắt. Các cổng trong máy tính của bạn hoạt động trên logic Boolean: chúng nhận hai đầu vào và thực hiện một thao tác trên như AND, OR, XOR,.. và dĩ nhiên là 2 đầu vào dễ quản lý.Bạn nhìn cách thể hiện của nhị phân so với bậc 3 sẽ thấy “đỡ rối não” hơn rất rất nhiều!

Một bảng nhị phân hoạt động trên logic Boolean chỉ có 4 đầu ra cho mỗi hoạt động cơ bản.

Nhưng các cổng bậc 3 có 3 đầu vào do đó, một bảng sẽ có 9 hoặc nhiều hơn :< Hệ nhị phân chỉ có 16 toán tử khả dĩ (2 ^ 2 ^ 2), hệ thống bậc ba sẽ có 19.683 (3 ^ 3 ^ 3).

Dù máy tính bậc 3 hiệu quả hơn nhưng mức độ phức tạp của chúng sẽ đi theo cấp số nhân! Và việc chia tỉ lệ sẽ trở thành một “cơn ác mộng” thực sự.

Vậy là chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu máy tính sử dụng dãy bit để làm gì rồi đấy! Chỉ đơn giản là để mọi việc trở nên đơn giản hơn để xử lý mà thôi ^^ Nhưng chúng ta cũng không thể biết được, máy tính bậc 3 trong tương lai có trở thành một thứ gì đó thực sự “ổn hơn”. Tuy nhiên, hiện tại, thế giới của chúng ta vẫn sẽ tiếp tục chạy trên hệ nhị phân.

Những câu hỏi thường gặp