Bits & Bytes 解释 — 所有软件的真正基础

Source: Dev.to

你发送的每条信息、看到的每张图片、打开的每个应用——从表情符号到操作系统——都建立在两个看似简单的概念之上：位 和 字节。它们是数字世界的原子。如果你真的想了解软件工程，就必须深入理解它们。

本文将详细阐述位和字节到底是什么、它们为何存在，以及它们如何为从 IP 地址到表情符号的所有事物提供动力。

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什么是比特？

A bit (short for binary digit) is the smallest unit of information in computing. 它只能存在 两种可能的状态：

• 0 or 1 → 0 或 1
• off or on → 关闭 或 开启
• false or true → 假 或 真
• low voltage or high voltage → 低电压 或 高电压

At the physical level, a bit is implemented using a transistor — a tiny electronic switch that either allows electricity to flow or blocks it. 在物理层面，比特是通过 晶体管 实现的——一种微小的电子开关，可以让电流通过或阻断。

In electronic circuits:

• A high voltage (e.g., 5 V) represents 1 → 高电压（例如 5 V）表示 1
• A low voltage (0 V) represents 0 → 低电压（0 V）表示 0

These voltage changes occur at precise intervals, controlled by the processor’s clock speed. 这些电压变化在精确的时间间隔内发生，由处理器的时钟频率控制。

💡 Key idea: A bit is not abstract — it is a physical phenomenon expressed as electricity.
💡 **关键概念：**比特不是抽象的——它是以电流形式表现的物理现象。

二进制系统：计算机如何思考

由于比特只有两种状态，计算机使用**二进制数系统（基数 2）**进行运算。通过 0 和 1 的组合，计算机可以表示：

• 数字
• 字母
• 图像
• 音频
• 视频
• 整个操作系统

例如：

01000001

在二进制中，这个序列代表 ASCII 编码中的字母 A。

对单个比特进行操作效率极低——因此我们将其分组。

什么是字节？

字节 是由 8 位(bit) 组成的一组。它是用于以下方面的标准单位：

• 测量 存储容量
• 测量 数据传输
• 表示 字符和符号

一个字节可以表示 256 种可能的值，范围从 0 到 255，因为：

[ 2^8 = 256 ]

虽然没有通用的符号，但以下是常见的：

• “B” – 英语国家
• “o” – 法语地区

字节也被称为 八位字节（octet）。

为什么每字节 8 位？

8 位字节在 1960 年代 成为标准，主要受到 IBM（现代计算的先驱）的影响。早期处理器设计为 8 条内部数据线，在以下方面提供了最佳平衡：

• 性能
• 成本
• 可靠性

有趣的是，苏联在 1970 年代的计算机使用基于 12、18、24 或 48 位 的架构，这使它们与西方系统不兼容。标准化获胜，8 位字节成为通用。

什么是字节的用途？

存储与数据大小

当你看到文件大小如：

• 1 KB
• 5 MB
• 2 GB

你看到的是 字节。一个 1 MB 文件 大约意味着 100 万字节 的数据。每个文本文件、图像、歌曲或应用程序都有以字节为单位的大小。

字符与文本（ASCII）

字节也用于表示字符。使用 ASCII 表，每个字符映射到一个数值：

这就是计算机存储和显示文本的方式。

字节内部的位：最高有效位（MSB）

字节内部的位并不完全相同。每一位都有位置值，数值最高的位称为 最高有效位（MSB）。

• 按惯例，MSB 是 最左边的位。
• 它常用于在数值表示中决定符号或大小。

了解 MSB 对以下工作至关重要：

• 底层编程
• 网络通信
• 二进制算术

字节大小转换表

日常技术中的字节

您不断地与字节交互——即使您没有意识到它。

IP 地址

类似 192.168.1.1 的地址由 4 个字节 构成，这也是每个八位组的取值范围为 0 到 255 的原因。

图像

数字图像是像素网格。每个像素的颜色由表示红、绿、蓝强度的 字节 决定。

表情符号

现代表情符号在 Unicode 标准下通常需要 4 个字节。
有趣的事实： Sebastián Delmont，一位委内瑞拉工程师兼前 Platzi 团队成员，帮助将 arepa 表情符号 🫓 整合进 Unicode。

超越二进制：其他进制系统

虽然人类使用 十进制（base 10），但程序员常用：

二进制（base 2）

只使用 0 和 1。

十六进制（base 16）

使用数字 0–9 和字母 A–F。它提供了一种紧凑且易读的二进制数据表示方式。

示例：

• 一个字节 → 11111111（binary）
• 同一个字节 → FF（hexadecimal）

十六进制常见于：

• 内存地址
• 颜色 (#FF5733)
• 调试工具

为什么这对软件工程师很重要

了解位和字节可以帮助你：

• 推理性能
• 理解内存和存储
• 调试底层问题
• 设计高效系统
• 像机器一样思考

高级抽象很强大——但 清晰源于基础。

最终思考

所有数字化的事物——从简单的消息到复杂的应用程序——都是建立在 位和字节的简单而强大的理念 上。
掌握这些概念不仅能让你成为更好的程序员；它还能让你成为 更好的工程师。

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作者：Cristian Sifuentes
软件工程基础、系统思维与架构