计算机采用二进制原因

要知道计算机为什么采用二进制，首先需要清楚进制、计算机的发展、基本电子元器件、逻辑门电路

一、进制简单介绍

进制：一种进位的计数方式

常见的进制有二进制，八进制，十进制，十六进制，其转换方式如下：

二进制，逢二进一
十进制，逢十进一
八进制，逢八进一
十六进制，逢十六进一

二进制符号数的三种表示方式：原码、反码、补码
原码：在数值前加符号位，正整数的原码符号位为0，负整数的符号位为1
8位二进制原码的表示范围：-127～+127
正整数的原码、反码、补码相同
负整数反码：原码符号位不变，其余位取反
8位二进制反码的表示范围：-127～+127
负整数补码：原码符号位不变，其余位取反加1（即补码+1）
8位二进制补码的表示范围：-128～+127

生活中我们常用的是十进制，计算机运算所用的是二进制补码，对于基础运算或其他8421、5421、余三码等不累述。

二、计算机的发展

第1代：电子管数字机（1946—1958年）
硬件方面，逻辑元件采用的是真空电子管，主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯；外存储器采用的是磁带。软件方面采用的是机器语言、汇编语言。应用领域以军事和科学计算为主。
缺点是体积大、功耗高、可靠性差。速度慢（一般为每秒数千次至数万次）、价格昂贵，但为以后的计算机发展奠定了基础。
第2代：晶体管数字机（1958—1964年）
软件方面的操作系统、高级语言及其编译程序应用领域以科学计算和事务处理为主，并开始进入工业控制领域。特点是体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数10万次，可高达300万次）、性能比第1代计算机有很大的提高。
第3代：集成电路数字机（1964—1970年）
硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI），主存储器仍采用磁芯。软件方面出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。特点是速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化等。应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。
第4代：大规模集成电路机（1970年至今）
硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）。软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。1971年世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代。应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。

计算机是由硬件系统和软件系统两部分组成，计算机的发展（运算速度）中离不开硬件性能的支持，软件程序的优化，只是性能的一种体现，是有限的，而硬件的性能提升是无限的，本文不阐述计算机发展的性能，只关注计算机处理运算的背后支持的电子原件的运算规则，所有的软件系统处理最终都将被得到硬件的支持。

三、计算机中的电子元器件

在计算机的发展中，第一代逻辑原件采用电子管、第二代采用晶体管、第三代采用集成电路，第四代采用大规模集成电路。

电子管：一种淘汰的电子元器件，它不是单个，是一类元器件，内部结构可分为二级管、三极管、多级管，放大、稳压、变频、整流等作用，这种元器件缺点体积大，功耗高、寿命短、不便于集成。

晶体管：一种目前常用的电子元器件，我们平时所说的二极管、三级管、场效应管、晶闸管就是指的晶体管，一般采用硅、锗半导体材料，材料的不同，PN结的设计结构不同，功能也不相同，比如单PN结的二级管的单向导电性，整流和稳压等，双PN结（PNP和NPN）的三极管的放大和开关特性，用于信号、电流、电压等放大和电路开关通断功能。

集成电路：一种采用特殊工艺，将晶体管、电阻、电容等元件集成在硅基片上而形成的具有一定功能的器件，按集成元器件的数量分为小规模集成电路(1000个元器件以下)、大规模集成电路（1000-10万个元器件之间）、超大规模集成电路（10万-100万个元器件）、特大规模集成电路（100万到1000万）。

四、逻辑门电路

逻辑门电路： 通过二极管、三极管、电阻等元器件实现基本逻辑关系的电路，有与门、或门、非门（反相器）。

在电路中高电平表示1，低电平表示0，电路通路状态表示1,断路状态表示0，下面的0.3或0.7都是因为二极管的材质不用，PN结导通电压不同，硅管大约0.7，锗管大约0.3。

与门电路：全1出1，有0出0

或门电路：有1出1，全0才0

非门电路：0非1,1非0

以上的逻辑电路可以清楚的知道，硬件实现的基本逻辑运算。其他复杂逻辑电路都是由基本的逻辑门电路进行组合而成。

五、计算机采用二进制的原因

有了以上的基础，可以更清楚计算机为什么采用二进制而不是采用其他进制
1、最主要的原因是在硬件中实现逻辑运算中，通常是两种状态，1表示电路通路，0表示电路断路，在进行逻辑运算时锲合起来更简单，如果状态多了，需要进行逻辑电路组合，这样便提升了硬件的复杂度。

2、运算效率高，在1的结构上，因为计算机的电子原件只有通断状态，没有增加额外的电子元器件，运算效率可观，如果状态多了，增加额外的元器件，会降低运算效率。

3、稳定性好，信息在传输的过程中受到干扰，很方便进行校验调整

扩展： 程序中为什么能用逻辑运算表达的常用逻辑运算而不是直接加减乘除

比如在java的源码中，很多地方用到了移位运算，移位运算更契合逻辑硬件直接运算，从计算机的角度运算更简单自然效率更高，在进行数字运算需要转换，在计算机中,所有的计算过程,最终都归结为处理器运算单元中的计算，所有的计算都是数的计算，计算机中的数都是以二进制形式存在的，因此都可以通过逻辑运算实现，所有数据的计算过程都是通过门电路实现的。