Bit là gì?

Công tắc đèn chỉ có tắt hoặc bật. Bit cũng là ý tưởng đó, viết dưới dạng số: 0 hoặc 1. Một bit trả lời được một câu hỏi có hoặc không, nhưng đặt nhiều bit cạnh nhau thì mỗi bit thêm vào làm số mẫu chúng tạo ra tăng gấp đôi. Tám bit là đủ cho mọi chữ cái trên bàn phím, còn hàng tỷ bit thì chứa được cả một bộ phim.

Bit được lưu thế nào

Bit là bất cứ thứ gì có hai trạng thái mà phần cứng đặt được và đọc lại một cách tin cậy. Mỗi loại thiết bị dùng một hiệu ứng vật lý khác nhau:

• Bộ xử lý: một dây dẫn hoặc transistor ở điện áp cao hay thấp.
• RAM: một tụ điện tí hon trong mỗi ô nhớ, có tích điện hoặc không.
• Ổ cứng: một vùng nhỏ trên đĩa được từ hóa theo chiều này hoặc chiều kia.
• Bộ nhớ flash (SSD, USB): điện tích bị giữ lại trong một ô. Bộ nhớ flash hiện đại lưu 3 hoặc 4 bit trong một ô nhờ dùng nhiều mức điện tích.

Người ta dùng hai trạng thái thay vì mười vì hai trạng thái dễ phân biệt ngay cả khi tín hiệu bị nhiễu. Mạch điện chỉ cần quyết định điện áp đang cao hay thấp, chứ không phải xem nó gần với mức nào nhất trong mười mức.

Bit đếm như thế nào

Bit đếm theo hệ nhị phân, cơ số 2. Mỗi vị trí có giá trị gấp đôi vị trí bên phải nó: 1, 2, 4, 8, 16 và cứ thế. Dãy bit 1101 nghĩa là 8 + 4 + 0 + 1, tức 13.

Với n bit có 2ⁿ mẫu khác nhau, nên mỗi bit thêm vào làm khoảng giá trị tăng gấp đôi:

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

Những con số này xuất hiện ở khắp nơi. Một kênh màu lưu bằng 8 bit có 256 sắc độ, vì thế giá trị RGB chạy từ 0 đến 255. Địa chỉ IPv4 dài 32 bit, nên có khoảng 4,3 tỷ địa chỉ, và IPv6 chuyển lên 128 bit cũng vì lý do đó. Số nguyên có dấu 32 bit lớn nhất là 2.147.483.647, và cộng thêm 1 trong Java sẽ quay vòng về -2.147.483.648.

Python chuyển đổi giữa số và các bit của nó bằng bin() và int(), còn công cụ chuyển đổi hệ cơ số làm việc tương tự ngay trên trình duyệt:

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

Làm việc với từng bit

Các toán tử ở nửa sau của ví dụ trên là toán tử bit (bitwise operator). Chúng xử lý riêng từng vị trí bit: & (and) chỉ giữ bit ở nơi cả hai số đều có, | (or) giữ bit ở nơi một trong hai có, ^ (xor) giữ bit ở nơi chỉ đúng một số có, còn << và >> dịch mọi bit sang trái hoặc phải. C, Java, JavaScript và Python đều dùng chung các ký hiệu này.

Chương trình dùng chúng để gói nhiều thiết lập có hoặc không vào một con số, mỗi thiết lập một bit. Quyền tệp trên Unix hoạt động theo cách này: đọc, ghi và thực thi là ba bit, nên 7 (nhị phân 111) nghĩa là cả ba quyền, còn 5 (nhị phân 101) nghĩa là đọc và thực thi. Đó chính là điều chmod 755 thiết lập. Mỗi thiết lập như vậy là một boolean, và một boolean chỉ cần đúng một bit.

Bit trong văn bản

Văn bản được lưu dưới dạng số, còn số được lưu dưới dạng bit. Mỗi ký tự có một mã, và mã đó được viết ở hệ nhị phân:

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

H 72 01001000
i 105 01101001
! 33 00100001

Mỗi ký tự ở đây chiếm 8 bit, tức một byte. ASCII chỉ cần 7 bit cho mỗi ký tự, nhưng máy tính lưu nó theo từng byte trọn vẹn. Công cụ chuyển văn bản sang nhị phân hiển thị các bit của bất kỳ đoạn văn bản nào bạn gõ.

Bit trong những con số hằng ngày

Có hai con số quen thuộc được tính bằng bit. Tốc độ internet đo bằng bit trên giây: đường truyền 100 Mbps chuyển 100 triệu bit mỗi giây, tức 12,5 megabyte mỗi giây, vì dung lượng tệp được đo bằng byte, mỗi byte 8 bit. Chữ b thường trong Mbps nghĩa là bit, còn chữ B hoa trong MB nghĩa là byte; trang về byte so sánh đầy đủ hai đơn vị này.

Con số còn lại là nhãn "64 bit" trên bộ xử lý và hệ điều hành. Đó là kích thước của các số và địa chỉ bộ nhớ mà bộ xử lý làm việc trong một bước.

Bit còn giúp phát hiện lỗi. Bit chẵn lẻ (parity bit) là một bit thêm vào một nhóm để số lượng chữ số 1 luôn là số chẵn. Nếu có một bit bị đảo trên đường truyền, số lượng trở thành lẻ và bên nhận biết dữ liệu đã hỏng. Checksum mở rộng ý tưởng này cho cả tệp.

Từ này đến từ đâu

"Bit" là cách viết tắt của binary digit. Claude Shannon dùng từ này trong bài báo năm 1948 "A Mathematical Theory of Communication" và ghi công đặt tên cho John Tukey. Trong lý thuyết thông tin của Shannon, một bit còn là một đơn vị đo: lượng thông tin trong câu trả lời cho một câu hỏi có hai kết quả khả năng như nhau, chẳng hạn một lần tung đồng xu cân đối.

Học tiếp ở đâu

Bit hầu như luôn được xử lý theo từng nhóm tám, nên hãy đọc tiếp byte là gì, trong đó có phần so sánh bit và byte. Boolean là gì cho thấy một bit ý nghĩa duy nhất, đúng hoặc sai, điều khiển các quyết định trong chương trình ra sao, còn checksum là gì cho thấy bit phát hiện dữ liệu bị hỏng như thế nào.