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二进制系统
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二进制系统
二进制由两个数字 0 和 1 组成适合数字电路中的高电平1和低电平0表示。在计算机内部所有数据如数字、文本、图像、声音等最终都以二进制形式存储和处理。
编码的作用
将信息字符、数字、图像、信号等转换为计算机可以识别的二进制格式。编码的规则决定了如何解码二进制数据以恢复原始信息。
二进制编码的类型
数值编码
用二进制表示数字。无符号整数 直接用二进制表示正整数。 示例5 用二进制表示为 101。 有符号整数 用最高位表示符号0 表示正1 表示负。 示例-5 用补码表示为 111110118 位。 浮点数 使用 IEEE 754 标准表示小数分为符号位、指数位和尾数位。 示例3.14 的二进制形式为 01000000010010001111010111000011。
字符编码
用二进制表示字符。ASCII 使用 7 位二进制编码常见字符。 示例字符 A 的 ASCII 编码为 01000001。 Unicode/UTF-8 扩展支持全球语言字符。 示例中 的 UTF-8 编码为 11100100 10111000 10101101。
图像编码
将图像像素值用二进制表示。位图BMP直接用二进制存储每个像素的颜色值。 示例黑白图像中黑色为 0白色为 1。 压缩格式如 JPEG、PNG使用压缩算法编码图像以减少存储空间。
音频编码
将声音波形采样后用二进制存储。示例MP3、WAV 格式音频使用二进制编码音频数据。
网络编码
网络通信协议将数据包编码为二进制格式。示例HTTP 请求或 TCP 数据包用二进制传输。
其他编码
BCDBinary Coded Decimal用二进制表示十进制数字每个十进制位用 4 位二进制表示。 示例数字 59 的 BCD 表示为 0101 1001。 格雷码Gray Code编码方式使相邻数字只有一位不同常用于错误检测。
二进制编码的应用
1. 数据存储
计算机存储设备硬盘、SSD、内存以二进制形式存储数据。文本文件用字符编码如 UTF-8保存图像、音频等文件用特定格式编码。
2. 数据传输
网络通信中所有数据以二进制格式打包并传输。 通信协议如 TCP/IP 协议中使用二进制传输 IP 地址、端口号等。文件传输如 HTTP 协议中发送网页内容的二进制编码。
3. 多媒体处理
视频和音频文件如 MP4、MP3用二进制编码压缩存储播放时解码为原始格式。图像处理和显示设备如相机、屏幕通过二进制编码生成和显示图片。
4. 控制与嵌入式系统
嵌入式设备如微控制器、单片机通过二进制控制硬件。 指令以二进制形式传递给处理器。传感器数据用二进制编码采集和处理。
5. 加密与安全
数据加密技术如 AES、RSA使用二进制操作实现密钥生成和数据加密。哈希算法如 SHA-256将数据编码为固定长度的二进制散列值。
6. 人工智能与机器学习
模型参数、输入数据如图片像素、文本都以二进制编码表示。神经网络权重存储为二进制数据用于训练和推理。
7. 条形码与二维码
条形码和二维码用二进制编码信息。 条形码黑白条纹用二进制编码数字。二维码二维黑白矩阵用二进制编码文本或 URL。
二进制编码的优点与局限
优点
简单高效二进制适合硬件实现如电路的高低电平。通用性强可以编码任意类型的数据字符、图像、音频等。便于存储与传输所有数字设备都以二进制形式处理数据。
局限
可读性差二进制表示直观性低不易被人类理解。冗余性某些编码方式如 ASCII可能浪费空间。复杂性特定数据如图像编码和解码过程可能较复杂。
二进制编码的应用
示例 1文本编码
字符 Hello转为二进制 ASCIIH - 01001000, e - 01100101, l - 01101100, o - 01101111
示例 2图片编码 一张 2x2 的黑白图片 1 0
0 1编码为二进制1001
示例 3网络数据包
一个简单的 TCP 数据包 源端口号8080 - 00011111 1001000016 位目标端口号80 - 00000000 0101000016 位
