或與非(或與非的運算法則)

之前探討了關(guān)于計算機是怎樣一步步被人類不斷推進演變的過程，今天，我們將從抽象層面帶大家感受一下計算機復(fù)雜的一面。

從昨天講的，我們可以發(fā)現(xiàn)不論是通過裝置上的一個單位，還是通過晶體管控制開關(guān)，計算機給我們的狀態(tài)只有“開”和“關(guān)”，雖然只有兩個狀態(tài)，但是我們?nèi)匀豢梢杂眠@兩種狀態(tài)表達很多重要的信息，這就是所謂的“二進制”。

你是不是很疑惑：既然二進制只有兩個狀態(tài)，那它肯定不能完成很復(fù)雜的工作咯？

答案是：是的，但是它卻可以準(zhǔn)確的表示你需要的值：‘true’和‘fal’。

在計算機中，狀態(tài)為“開”時，電流流過，用true表示；狀態(tài)為“關(guān)”時，電流停止，用fal表示。通常情況下，也會用0和1來表示二進制的狀態(tài)。

上篇文章我們講晶體管可以用來控制電流的開啟和關(guān)閉，其實不然，晶體管還可以用來控制不同的電流水平。

早期某些電子計算機是三進制或五進制，表示他們的狀態(tài)有3種或5種，但問題是：像這種狀態(tài)層級越多，狀態(tài)之間的區(qū)分也就會越模糊。

晶體管每秒有數(shù)百萬次的變化，那中間存在的問題也會變得更加糟糕。

因此，將兩個信號放在盡可能遠的地方，即只使用 "開" 和 "'關(guān)"的狀態(tài)，這樣就可以在很多干擾問題種區(qū)分最明顯的信號問題。

其實在計算機種使用二進制還有一個原因，那就是二進制在數(shù)學(xué)中有成熟的分支，它是專門用來處理‘true’和‘fal’的問題，而且數(shù)學(xué)家們也已經(jīng)研究出了操作二進制的所有必要的規(guī)則和方法，這個分支被稱為“布爾代數(shù)”。

“布爾代數(shù)”來源于一位19世紀(jì)自學(xué)數(shù)學(xué)的英國數(shù)學(xué)家 'George Boole' ，他致力于研究亞里士多德的邏輯理論，亞里士多德邏輯法是以哲學(xué)為基礎(chǔ)，Boole的方法則是使用邏輯方程式的方法去判斷真假，這一方法在1847年他的第一本書《邏輯的數(shù)學(xué)分析》中提出。

通常我們學(xué)習(xí)到的都是常規(guī)代數(shù)，變量為數(shù)字，并對這些數(shù)字進行加減乘除等運算，但在布爾代數(shù)中，變量為‘true’和‘fal’，并對這些變量進行邏輯處理。

布爾代數(shù)中的三個基本操作：“非”、“與”、“或”，這些操作都有他們自己獨特的作用。

“非（NOT）”作用于單個布爾值，無論其是true或fal，都會將其反轉(zhuǎn)，即true轉(zhuǎn)換為fal，fal轉(zhuǎn)換為true。

在布爾值中，當(dāng)輸入為true時，輸出為true；當(dāng)輸入fal時，輸出fal，它并沒有進行任何操作。

如果我們對其稍作修改，例如創(chuàng)建一個“非”電路，如果輸入true，則輸出為fal；如果輸入fal時，輸出將會是true，我們將剛剛創(chuàng)建的“非”電路稱為“非”門。

“與（AND）”作用于最少兩個輸入，但是只有一個輸出。只有當(dāng)所有輸入都為true時，輸出true，但如果輸入有一個fal，那輸出就是fal。

最后一個布爾運算為“或（OR）”：只要有一個輸入為true，那么輸出為true，如果輸入都為fal，那輸出就是fal。

上面我們對非、與、或門有了一定的了解，現(xiàn)在我們看看這三種門的表示符號吧！

標(biāo)準(zhǔn)工程師們使用三角形加小圓點表示非：

一個D形狀的圖標(biāo)表示與：

一個像宇宙飛船一樣的圖標(biāo)表示或：

這些圖標(biāo)和思想可以在我們構(gòu)建更大組件的同時，去控制好整體的相對復(fù)雜度，但是那些晶體管和電路的復(fù)雜依然存在。

舉個例子：在其他有用的布爾運算中有個被稱之為“異或（XOR）”的方法。

異或和或很像，只是如果輸入都為fal，那輸出就是fal。只有一種情況下異或會輸出true，就是當(dāng)一個輸入為true，另一個輸入為fal時。

異或門在實際應(yīng)用中是很必要的，因此工程師們也給了它一個單獨的標(biāo)志：一個帶著笑臉的或門：

最重要的是，我們不需要太過于操心其中各個邏輯門的構(gòu)成，以及這些門該如何用晶體管去搭建，又或者如何讓這些電子在半導(dǎo)體中流通。

因為當(dāng)計算機工程師在設(shè)計處理器時，很少會考慮晶體管層面是如何工作的，他們通常使用的是更大的區(qū)塊，例如邏輯門，或者由邏輯門組成的更大的組件。

即便你是專業(yè)的程序員，也很少去思考如何直接在物理層面用這些極小的組件去實現(xiàn)你的程序邏輯。

當(dāng)然，我們也將思考的重心從原始的電子流動，轉(zhuǎn)移到了用數(shù)據(jù)表示來替代：如true和fal，這讓我們的思維方式又一次接近了計算機本身。

今天就先聊到這里了，下期見，歡迎下方留言討論哦。

譯制：巢影字幕組

排版編輯：陸妹

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