ما هو البت في الحاسوب؟

مفتاح الإضاءة إما مطفأ وإما مضاء. البت هو الفكرة نفسها مكتوبة رقمًا: 0 أو 1. بت واحد يستطيع الإجابة عن سؤال واحد إجابته نعم أو لا، لكن ضع البتات جنبًا إلى جنب فيضاعف كل بت إضافي عدد الأنماط التي يمكنها تكوينها. ثمانية منها تكفي لأي حرف على لوحة المفاتيح، ومليارات منها تحمل فيلمًا.

كيف يُخزَّن البت

البت هو أي شيء له حالتان يستطيع العتاد ضبطهما وقراءتهما بشكل موثوق. تستخدم الأجهزة المختلفة ظواهر فيزيائية مختلفة:

• المعالج: سلك أو ترانزستور عند جهد مرتفع أو منخفض.
• ذاكرة RAM: مكثف صغير في كل خلية ذاكرة، إما مشحون وإما فارغ.
• القرص الصلب: منطقة صغيرة من القرص ممغنطة في اتجاه أو في الاتجاه الآخر.
• ذاكرة الفلاش (أقراص SSD وذواكر USB): شحنة كهربائية محبوسة في خلية. تخزّن ذاكرة الفلاش الحديثة 3 أو 4 بتات في الخلية الواحدة باستخدام عدة مستويات للشحنة.

تُستخدم حالتان بدل عشر لأن الحالتين يسهل التمييز بينهما حتى حين تكون الإشارة مشوشة. فالدارة لا تحتاج إلا إلى أن تقرر هل الجهد مرتفع أم منخفض، لا إلى أي المستويات العشرة هو الأقرب.

كيف تعدّ البتات

تعدّ البتات بالنظام الثنائي، أي الأساس 2. كل خانة قيمتها ضعف قيمة الخانة التي على يمينها: 1 و2 و4 و8 و16 وهكذا. البتات 1101 تعني 8 + 4 + 0 + 1، أي 13.

مع n من البتات يوجد 2ⁿ نمطًا مختلفًا، فكل بت يُضاف يضاعف النطاق:

for n in [1, 2, 4, 8, 16, 32, 64]:
    print(f"{n:>2} bits -> {2 ** n:,} values")

 1 bits -> 2 values
 2 bits -> 4 values
 4 bits -> 16 values
 8 bits -> 256 values
16 bits -> 65,536 values
32 bits -> 4,294,967,296 values
64 bits -> 18,446,744,073,709,551,616 values

هذه الأرقام تظهر في كل مكان. قناة اللون المخزنة في 8 بتات لها 256 درجة، ولهذا تمتد قيم RGB من 0 إلى 255. عنوان IPv4 مكوّن من 32 بتًا، فيوجد منه نحو 4.3 مليار عنوان، ولهذا السبب انتقل IPv6 إلى 128 بتًا. والعدد الصحيح ذو الإشارة بطول 32 بتًا أقصاه 2,147,483,647، وإضافة 1 إليه في جافا تجعله يلتف إلى ‎-2,147,483,648.

تحوّل بايثون بين الأرقام وبتاتها باستخدام bin() وint()، ومحوّل أنظمة العد يفعل الشيء نفسه في المتصفح:

number = 13
print(bin(number))            # 13 written in bits
print(int("1101", 2))         # bits back to a number
print(number.bit_length(), "bits needed")

flags = 0b0110
print(bin(flags & 0b0100))    # is bit 2 on? (nonzero means yes)
print(bin(flags | 0b0001))    # turn bit 0 on
print(bin(flags ^ 0b1111))    # flip all four bits
print(bin(flags << 1))        # shift left: doubles the value

0b1101
13
4 bits needed
0b100
0b111
0b1001
0b1100

التعامل مع البتات منفردة

العوامل في النصف الثاني من ذلك المثال هي عوامل على مستوى البت (bitwise). تعمل على كل خانة بت على حدة: & (و) يُبقي البت فقط حيث يملكه الرقمان كلاهما، و| (أو) يُبقيه حيث يملكه أي منهما، و^ (أو الحصرية xor) يُبقيه حيث يملكه أحدهما فقط، و<< و>> يزيحان كل البتات يسارًا أو يمينًا. تستخدم C وجافا وجافا سكريبت وبايثون الرموز نفسها.

تستخدمها البرامج لتجميع عدة إعدادات من نوع نعم أو لا في رقم واحد، بت لكل إعداد. صلاحيات الملفات في يونكس تعمل بهذه الطريقة: القراءة والكتابة والتنفيذ ثلاثة بتات، فـ 7 (بالثنائي 111) تعني الثلاثة كلها، و5 (بالثنائي 101) تعني القراءة والتنفيذ. وهذا ما يضبطه chmod 755. كل إعداد من هذه الإعدادات قيمة منطقية، وبت واحد هو كل ما تحتاجه القيمة المنطقية.

البتات في النصوص

يُخزَّن النص على شكل أرقام، والأرقام على شكل بتات. لكل حرف رمز، والرمز يُكتب بالنظام الثنائي:

for letter in "Hi!":
    code = ord(letter)
    print(letter, code, format(code, "08b"))

H 72 01001000
i 105 01101001
! 33 00100001

كل حرف هنا يشغل 8 بتات، أي بايتًا واحدًا. لا يحتاج ASCII إلا إلى 7 بتات لكل حرف، لكن الحواسيب تخزّنه في بايتات كاملة. ومحوّل النص إلى ثنائي يُظهر بتات أي نص تكتبه.

البتات في الأرقام اليومية

رقمان مألوفان يُحسبان بالبتات. سرعات الإنترنت تُقاس بالبتات في الثانية: اتصال بسرعة 100 Mbps ينقل 100 مليون بت كل ثانية، أي 12.5 ميغابايت في الثانية، لأن أحجام الملفات تُقاس بالبايتات المكونة من 8 بتات. الحرف الصغير b في Mbps يعني بتات، والحرف الكبير B في MB يعني بايتات، وصفحة البايت تقارن الوحدتين بالتفصيل.

والرقم الآخر هو وصف "64 بت" على المعالجات وأنظمة التشغيل. إنه حجم الأرقام وعناوين الذاكرة التي يعمل بها المعالج في خطوة واحدة.

والبتات تكشف الأخطاء أيضًا. بت التماثل (parity bit) بت إضافي يُضاف إلى مجموعة بحيث يكون عدد الآحاد زوجيًا دائمًا. إن انقلب بت واحد في الطريق يصبح العدد فرديًا ويعرف المستقبِل أن البيانات تالفة. والمجموع الاختباري يوسّع الفكرة نفسها لتشمل ملفات كاملة.

من أين جاءت الكلمة

كلمة bit اختصار لعبارة binary digit. استخدمها Claude Shannon في ورقته المنشورة عام 1948 بعنوان "A Mathematical Theory of Communication"، ونسب الكلمة إلى John Tukey. وفي نظرية المعلومات عند Shannon، البت مقياس أيضًا: مقدار المعلومات في إجابة سؤال له نتيجتان متساويتا الاحتمال، مثل رمي عملة متوازنة.

إلى أين بعد ذلك

تُعالَج البتات في الغالب ثمانية في كل مرة، لذا اقرأ بعد ذلك ما هو البايت، بما في ذلك المقارنة بين البت والبايت. وتُظهر صفحة ما هي القيمة المنطقية كيف يقود بت واحد من المعنى، صحيح أو خطأ، القرارات في البرنامج، وتُظهر صفحة ما هو المجموع الاختباري كيف تكشف البتات البيانات التالفة.