我們都知道，在計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)是由二進(jìn)制進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取輸出的。那么，在計(jì)算機(jī)中，數(shù)、字符、圖片、聲音和視頻怎么用二進(jìn)制存儲(chǔ)和讀取輸出的呢？

數(shù)的存儲(chǔ)和讀取輸出

整數(shù)的存儲(chǔ)和讀取輸出

整數(shù)的存儲(chǔ)和讀取輸出應(yīng)該說(shuō)是最簡(jiǎn)答的讀取輸出方法了。如果是個(gè)正整數(shù)，那就直接轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制進(jìn)行存儲(chǔ)。如果是個(gè)負(fù)整數(shù)，先把其絕對(duì)值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，然后符號(hào)位為 \(1\)（代表負(fù)數(shù)），然后以其補(bǔ)碼的形式（先對(duì)非符號(hào)位取反，再對(duì)取反的結(jié)果 \(+1\)）存儲(chǔ)。想要讀取輸出，對(duì)于非負(fù)數(shù)，直接轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制即可；反之，先把補(bǔ)碼變成原碼，符號(hào)位改為 \(0\)，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制后在前面添個(gè)負(fù)號(hào)上去即可。

浮點(diǎn)數(shù)的存儲(chǔ)和讀取輸出

浮點(diǎn)數(shù)，也就是小數(shù)，是參照 IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)，Institute of Electrical and Electronics Engineers）的 IEEE 754 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取輸出的。其中，又劃分為單精度浮點(diǎn)數(shù)和雙精度浮點(diǎn)數(shù)。兩者的差別僅在于精度，存儲(chǔ)和讀取輸出方法沒(méi)有差異。

單精度浮點(diǎn)數(shù)

用 \(32\) bit 存儲(chǔ)，分成三部分：

• 符號(hào)位：占 \(1\) 位，\(0\) 讀取輸出正數(shù)，\(1\) 讀取輸出負(fù)數(shù)。
• 指數(shù)位：占 \(8\) 位，為表達(dá)正負(fù)指數(shù)，存儲(chǔ)指數(shù)需加偏移值 \(127\)。指數(shù)實(shí)際范圍能達(dá) \(-126\sim127\)，指數(shù)域編碼值范圍是 \(1\sim254\)。\(0\) 和 \(255\) 為特殊值，用于代表非規(guī)格數(shù)、無(wú)窮大或 NaN。
• 尾數(shù)位：占 \(23\) 位。規(guī)格化尾數(shù)默認(rèn)首位為 \(1\)，存儲(chǔ)省略此 \(1\)，僅存小數(shù)部分。例如尾數(shù)為 \(1.011\)，則存入的尾數(shù)位是 \(011\)，位數(shù)不足時(shí)低位補(bǔ) \(0\)。

雙精度浮點(diǎn)數(shù)

用 \(64\) bit 存儲(chǔ)，同樣分為三部分：

• 符號(hào)位：占 \(1\) 位，\(0\) 讀取輸出正數(shù)，\(1\) 讀取輸出負(fù)數(shù)。
• 指數(shù)位：占 \(11\) 位，偏移值是 \(1023\)，指數(shù)實(shí)際范圍為 \(-1022\sim1023\)，指數(shù)域編碼 \(1\sim2046\) 對(duì)應(yīng)正常情況。\(0\) 及 \(2047\) 保留用于特殊情況。
• 尾數(shù)位：占 \(52\) 位。規(guī)格化尾數(shù)省略首位 \(1\)，存儲(chǔ)小數(shù)部分。

讀取輸出方法

特殊情況定義

表 \(1\) —— 浮點(diǎn)數(shù)特殊情況定義

字符的存儲(chǔ)和讀取輸出

我們平時(shí)用電腦，不僅僅只是會(huì)碰見(jiàn)數(shù)，最常見(jiàn)的就是碰到字符對(duì)吧。那么這些字符是如何轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取輸出的呢？

我們不難想到，可以把字符一一映射到一個(gè)數(shù)上面，然后進(jìn)行二進(jìn)制存儲(chǔ)。于是，聰明的人類就發(fā)明出了 ASCII 碼（美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼，American Standard Code for Information Interchange）。它是一套基于拉丁字母的字符編碼系統(tǒng)，最初用于在計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備之間統(tǒng)一信息交換的字符讀取輸出方式，包含了大小寫字母、數(shù)字、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)以及控制字符等，共定義了 \(128\) 個(gè)字符（\(0\sim127\)），每個(gè)字符用 \(7\) 位二進(jìn)制數(shù)讀取輸出。

圖 \(1\) —— ASCII 碼表

比如我要存儲(chǔ) Hello, world!，那么我就查詢其 ASCII 碼表，把字符映射成整數(shù)，然后轉(zhuǎn)成二進(jìn)制進(jìn)行存儲(chǔ)。想讀取輸出也很簡(jiǎn)單，只要做個(gè)逆操作：讀取二進(jìn)制，轉(zhuǎn)換為 ASCII 碼，然后看看是哪個(gè)映射到這個(gè)值的。

表 \(2\) —— Hello, world! 對(duì)應(yīng)的 ASCII 碼及二進(jìn)制

但是我們要讀取輸出的字符不僅僅只是英文那么簡(jiǎn)單啊，我們還要讀取輸出中文（如：你好，世界！）、日文（如：こんにちは、世界！）、emoji（如：??）等等，光是中文漢字都有 \(10,000\) 多個(gè)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了 ASCII 能讀取輸出的范圍。于是，人們又弄出了一套 Unicode 編碼，這個(gè)編碼幾乎覆蓋了全世界的語(yǔ)言的所有字符（包括中文、日文、韓文、阿拉伯文、西里爾文等），以及大量符號(hào)（如數(shù)學(xué)符號(hào)、 emoji 等）。這個(gè)編碼有常見(jiàn)的 \(3\) 種方案：UTF-8、UTF-16 以及 UTF-32。

如果我要存儲(chǔ) 漢あ?? 三個(gè)字符，先映射到 Unicode 編碼碼點(diǎn)中，然后查找二進(jìn)制。想要讀取輸出就進(jìn)行一次逆操作：先讀取二進(jìn)制，轉(zhuǎn)換為 Unicode 編碼，再查找是哪個(gè)字符映射過(guò)來(lái)的。這里以 UTF-8 為例子。

表 \(3\) —— 漢あ?? 對(duì)應(yīng)的 Unicode 碼點(diǎn)及二進(jìn)制

圖片的存儲(chǔ)和讀取輸出

我們使用電腦時(shí)碰見(jiàn)圖片應(yīng)該也是常見(jiàn)的（上文的 ASCII 碼表就是一張圖片）。那么，圖片又是如何在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)和讀取輸出的呢？

我們都知道，一張圖片是由很多很多像素點(diǎn)組成的。每一個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè) RGB（紅、綠、藍(lán)，Red, Green, Blue）值。我們就拿一個(gè)表存下這個(gè)圖片所有像素點(diǎn)的 R 值、G 值、B 值，再轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制存儲(chǔ)。當(dāng)然，如果這個(gè)圖片有透明度，根據(jù)不同的圖片格式，如果這個(gè)圖片是 PNG 格式，需要增加一個(gè)字節(jié)來(lái)讀取輸出透明度，\(0\) 讀取輸出全透明，\(255\) 讀取輸出不透明，這個(gè)透明度的值越小，越透明，反之亦然；如果這個(gè)圖片是個(gè) GIF 格式，只需要增加一位，\(0\) 讀取輸出透明，\(1\) 讀取輸出不透明。JPEG 和 BMP 格式的圖片無(wú)法渲染透明度。讀取輸出時(shí)，根據(jù)每一個(gè) RGB 值和透明度值渲染每一個(gè)像素，再拼湊出這個(gè)圖案。

當(dāng)然，除了靜態(tài)圖，還有動(dòng)態(tài)圖。動(dòng)態(tài)圖就是記錄每一幀的圖片數(shù)據(jù)，然后記錄每一幀的時(shí)長(zhǎng)、整體循環(huán)次數(shù)，以及記錄一些幀間規(guī)則。記錄的這些東西都是一個(gè)一個(gè)的數(shù)，可以直接轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制存儲(chǔ)。讀取輸出時(shí)，通過(guò)讀取記錄的每一個(gè)數(shù)據(jù)，把每一幀于每一幀之間通過(guò)幀間時(shí)長(zhǎng)和一些其他的規(guī)則，把動(dòng)態(tài)的畫面展示出來(lái)。

聲音的存儲(chǔ)和讀取輸出

我們聽(tīng)歌的時(shí)候就會(huì)碰到聲音。那么計(jì)算機(jī)又是怎么存儲(chǔ)聲音的呢？其實(shí)本質(zhì)就是把模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)，核心步驟包括 “模擬信號(hào)數(shù)字化” 和 “數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼與存儲(chǔ)”。

模擬聲音信號(hào)的數(shù)字化

自然界的聲音（如人聲、樂(lè)器聲）是連續(xù)的模擬信號(hào)（隨時(shí)間連續(xù)變化的聲波），而計(jì)算機(jī)只能處理離散的數(shù)字信號(hào)（\(0\) 和 \(1\)），因此需要通過(guò) “模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）” 將模擬聲音轉(zhuǎn)為數(shù)字形式，包含三個(gè)核心步驟：

1. 采樣：按固定時(shí)間間隔截取模擬聲波的瞬時(shí)振幅，將連續(xù)的聲波 “離散化” 為一系列采樣點(diǎn)。采樣頻率（單位：Hz）越高，越接近原始聲音細(xì)節(jié)。
2. 量化：將每個(gè)采樣點(diǎn)的振幅（模擬量）轉(zhuǎn)換為有限個(gè)離散的數(shù)字值（整數(shù)），確定每個(gè)采樣點(diǎn)的 “音量大小”。因離散化導(dǎo)致的原始信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的差異，位數(shù)越高，誤差越小，聲音越細(xì)膩。
3. 編碼：將量化后的整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)（\(0\) 和 \(1\)），并添加同步信息、糾錯(cuò)碼等，形成可存儲(chǔ)的數(shù)字音頻流。

讀取輸出聲音

要從二進(jìn)制轉(zhuǎn)回聲音，卻不是向字符映射那么簡(jiǎn)單做個(gè)逆運(yùn)算就行的。首先需要讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，明確采樣率、量化數(shù)以及聲道數(shù)等方便后續(xù)處理。接著，借助數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）把解碼后的 PCM 二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號(hào)。DAC 的工作原理是將二進(jìn)制數(shù)字量譯碼后，把每一位依權(quán)值大小轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬量，再匯總這些模擬量得到最終模擬輸出信號(hào)。例如 R-2R 梯形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC 可按 \(2\) 的冪次方比例將各二進(jìn)制位轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)電流，求和后輸出匹配的模擬值。經(jīng) DAC 轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)常帶有高頻噪聲及混疊產(chǎn)物，需利用低通濾波器消除高于音頻頻段的信號(hào)成分。濾波器依據(jù)奈奎斯特采樣定理設(shè)置截止頻率，像針對(duì) \(44.1\) kHz 采樣的音頻，濾波器可將 \(22.05\) kHz 以上的高頻成分濾除，使輸出的模擬信號(hào)更平滑，接近原始模擬聲音信號(hào)。濾波后的模擬音頻信號(hào)通常強(qiáng)度較弱，要通過(guò)音頻放大器增強(qiáng)其功率，達(dá)到能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器或耳機(jī)等發(fā)聲設(shè)備的水平。最后，揚(yáng)聲器或耳機(jī)依據(jù)模擬信號(hào)的電壓或電流變化振動(dòng)發(fā)聲，讓人們聽(tīng)到對(duì)應(yīng)的聲音。

視頻的存儲(chǔ)和讀取輸出

視頻，其實(shí)就是動(dòng)圖和聲音的結(jié)合體。其主要就是對(duì)動(dòng)圖和聲音進(jìn)行一個(gè)封裝，同步時(shí)間戳，然后轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件。對(duì)于如何存儲(chǔ)動(dòng)圖和聲音，請(qǐng)見(jiàn)上文。

讀取輸出視頻，首先就是讀取二進(jìn)制并解析封裝格式、編碼類型、時(shí)間戳規(guī)則等，然后分離視頻流和音頻流。接著，對(duì)視頻流和音頻流解碼（具體內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)上文），接著，音畫同步輸出。

尾聲

以上就是這篇文章的全部了，感謝各位讀者的閱讀。由于作者知識(shí)有限，有哪些地方寫得不好或者有錯(cuò)誤的，歡迎大家評(píng)論區(qū)指出。