1.2.2 數字化

所有這些與計算機有什么關系呢？事實證明，數據的模擬表示對于計算機來說是難以處理的。模擬系統類型是如此豐富多樣，以至于創造一個能理解全部這些系統的通用計算設備幾乎是不可能的。例如，創造一臺能測量水銀體積的機器與創造一臺能讀唱片溝槽的機器是完全不同的任務。此外，計算機還需要能高度可靠和準確地表示某些類型的數據，比如數字數據集和軟件程序。數據的模擬表示難以精確測量，而且精度會隨著時間衰減，在被復制的時候可能失去保真度。計算機需要一種方式來表示所有類型的數據，且格式能被準確地處理、存儲和復制。

如果我們不想把數據表示為可能無限變化的模擬值，那么該怎么辦呢？我們可以采用數字方法。數字系統把數據表示成一系列符號，其中每個符號都代表一組有限值中的一個。現在，這個描述聽起來有點格式化和令人困惑，這里沒有深入講解數字系統的理論，而是解釋這在實踐中意味著什么。在幾乎所有的現代計算機中，數據都被表示為兩個符號的組合，這兩個符號就是0和1。雖然數字系統可以使用兩個以上的符號，但是增加符號會提高系統的復雜度和成本。只采用兩個符號能簡化硬件并提高可靠性。大多數現代計算機中的所有數據都是用0和1的序列來表示的。從此刻開始，當談及數字計算機時，你可以認為我說的系統只處理0和1，而不是其他一些符號集。

有一點需要強調：計算機上所有的數據都是以0和1的形式存儲的。你最近用智能手機拍的一張照片也是如此嗎？是的，設備把這張照片存儲為0和1的序列。從網上下載的歌曲呢？0和1的序列。在計算機上編寫的文檔呢？0和1的序列。安裝的app呢？也是0和1的序列。訪問的網站呢？還是0和1的序列。

我們只用0和1便可表示自然界中的無限值，這聽起來似乎是有局限性的。怎么把音樂錄音或精細的照片精簡為0和1呢？很多人發現，用有限的“詞匯”表示復雜的思想是違反直覺的。這里的關鍵是數字系統使用的是0和1的序列。例如，一張數字照片通常是由數百萬個0和1組成的。

那么，這些0和1到底是什么呢？你可能會看到其他用來描述這些0和1的術語，如假和真、關和開，以及低和高等。這是因為計算機不能按字面意思來存儲數字0或1。它存儲的是一系列的項（entry），每一項都只有兩種可能的狀態。每一項都像電燈的開關一樣，要么開，要么關。實際上，這些1和0的序列是以各種方式存儲的。在CD或DVD上，0和1是以盤片上凸起（0）或平坦（1）的形式表示的。在閃存驅動器中，1和0以電荷的形式存儲。硬盤驅動器通過磁化與否來存儲0和1。正如你將在第4章看到的，數字電路用電平來存儲0和1。

在我們繼續介紹后面的內容之前，關于“模擬”最后需要注意的一點是：它通常只用來表示“非數字”。例如，工程師可能會說“模擬信號”，其含義是信號是連續變化的，不符合數字值特性。換句話說，它是非數字信號，但并不一定代表其他東西的模擬。所以，當你看到“模擬”這個詞的時候，要考慮到它并不一定總是你想的意思。