Компьютер обрабатывает информацию в каком коде. Как компьютер обрабатывает информацию

Одно из основных достоинств компьютера связано с тем, что это удивительно универсальная машина. Каждый, кто хоть когда-нибудь с ним сталкивался, знает, что занятие арифметическими подсчетами составляет совсем не главный метод использования компьютера. Компьютеры прекрасно воспроизводят музыку и видеофильмы, с их помощью можно организовывать речевые и видеоконференции в Интернет, создавать и обрабатывать графические изображения, а возможность использования компьютера в сфере компьютерных игр на первый взгляд выглядит совершенно несовместимой с образом суперарифмометра, перемалывающего сотни миллионов цифр в секунду.

Составляя информационную модель объекта или явления, мы должны договориться о том, как понимать те или иные обозначения. То есть договориться о виде представления информации.

Человек выражает свои мысли в виде предложений, составленных из слов. Они являются алфавитным представлением информации. Основу любого языка составляет алфавит - конечный набор различных знаков (символов) любой природы, из которых складывается сообщение.

Одна и та же запись может нести разную смысловую нагрузку. Например, набор цифр 251299 может обозначать: массу объекта; длину объекта; расстояние между объектами; номер телефона; запись даты 25 декабря 1999 года.

Для представления информации могут использоваться разные коды и, соответственно, надо знать определенные правила - законы записи этих кодов, т.е. уметь кодировать.

Код - набор условных обозначений для представления информации.

Кодирование - процесс представления информации в виде кода.

Для общения друг с другом мы используем код - русский язык. При разговоре этот код передается звуками, при письме - буквами. Водитель передает сигнал с помощью гудка или миганием фар. Вы встречаетесь с кодированием информации при переходе дороги в виде сигналов светофора. Таким образом, кодирование сводиться к использованию совокупности символов по строго определенным правилам.

Кодировать информацию можно различными способами: устно; письменно; жестами или сигналами любой другой природы.

Кодирование данных двоичным кодом.

По мере развития техники появлялись разные способы кодирования информации. Во второй половине XIXвека американский изобретатель Сэмюэль Морзе изобрел удивительный код, который служит человечеству до сих пор. Информация кодируется тремя символами: длинный сигнал (тире), короткий сигнал (точка), нет сигнала (пауза) - для разделения букв.

Своя система существует и в вычислительной технике - она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называютсядвоичными цифрами , по-английски -binary digit или сокращенноbit(бит).

Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да илинет , черное илибелое , истина илиложь и т.п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия:

Тремя битами можно закодировать восемь различных значений:

000 001 010 011 100 101 110 111

Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе, то есть общая формула имеет вид:

где N- количество независимых кодируемых значений;

m - разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе.

Современный компьютер может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, звуковую и видео информацию. Все эти виды информации в компьютере представлены в двоичном коде, т. е. используется алфавит мощностью два символа (0 и 1). Связано это с тем, что удобно представлять информацию в виде последовательности электрических импульсов: импульс отсутствует (0), импульс есть (1). Такое кодирование принято называть двоичным, а сами логические последовательности нулей и единиц - машинным языком.

Каждая цифра машинного двоичного кода несет количество информации равное одному биту.

Данный вывод можно сделать, рассматривая цифры машинного алфавита, как равновероятные события. При записи двоичной цифры можно реализовать выбор только одного из двух возможных состояний, а, значит, она несет количество информации равное 1 бит. Следовательно, две цифры несут информацию 2 бита, четыре разряда --4 бита и т. д. Чтобы определить количество информации в битах, достаточно определить количество цифр в двоичном машинном коде.

Кодирование текстовой информации

В настоящее время большая часть пользователей при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др.

На основании одной ячейки информационной ёмкостью 1 бит можно закодировать только 2 различных состояния. Для того чтобы каждый символ, который можно ввести с клавиатуры в латинском регистре, получил свой уникальный двоичный код, требуется 7 бит. На основании последовательности из 7 бит, в соответствии с формулой Хартли, может быть получено N=2 7 =128 различных комбинаций из нулей и единиц, т.е. двоичных кодов. Поставив в соответствие каждому символу его двоичный код, мы получим кодировочную таблицу. Человек оперирует символами, компьютер – их двоичными кодами.

Для латинской раскладки клавиатуры такая кодировочная таблица одна на весь мир, поэтому текст, набранный с использованием латинской раскладки, будет адекватно отображен на любом компьютере. Эта таблица носит название ASCII (American Standard Code of Information Interchange) по-английски произносится [э́ски], по-русски произносится [а́ски]. Ниже приводится вся таблица ASCII, коды в которой указаны в десятичном виде. По ней можно определить, что когда вы вводите с клавиатуры, скажем, символ “*”, компьютер его воспринимает как код 42(10), в свою очередь 42(10)=101010(2) – это и есть двоичный код символа “*”. Коды с 0 по 31 в этой таблице не задействованы.

Таблица символов ASCII

Для того чтобы закодировать один символ используют количество информации равное 1 байту, т. е. I = 1 байт = 8 бит. При помощи формулы, которая связывает между собой количество возможных событий К и количество информации I, можно вычислить сколько различных символов можно закодировать (считая, что символы - это возможные события):

К = 2 I = 2 8 = 256,

т. е. для представления текстовой информации можно использовать алфавит мощностью 256 символов.

Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255.

Необходимо помнить, что в настоящее время для кодировки русских букв используют пять различных кодовых таблиц (КОИ - 8, СР1251, СР866, Мас, ISO), причем тексты, закодированные при помощи одной таблицы не будут правильно отображаться в другой кодировке. Наглядно это можно представить в виде фрагмента объединенной таблицы кодировки символов.

Одному и тому же двоичному коду ставится в соответствие различные символы.

Впрочем, в большинстве случаев о перекодировке текстовых документов заботится не пользователь, а специальные программы - конверторы, которые встроены в приложения.

Начиная с 1997 г. последние версии Microsoft Office поддерживают новую кодировку. Она называется Unicode (Юникод). Unicode – это кодировочная таблица, в которой для кодирования каждого символа используется 2 байта, т.е. 16 бит. На основании такой таблицы может быть закодировано N=2 16 =65 536 символов.

Юникод включает практически все современные письменности, в том числе: арабскую, армянскую, бенгальскую, бирманскую, греческую, грузинскую, деванагари, иврит, кириллицу, коптскую, кхмерскую, латинскую, тамильскую, хангыль, хань (Китай, Япония, Корея), чероки, эфиопскую, японскую (катакана, хирагана, кандзи) и другие.

С академической целью добавлены многие исторические письменности, в том числе: древнегреческая, египетские иероглифы, клинопись, письменность майя, этрусский алфавит.

В Юникоде представлен широкий набор математических и музыкальных символов, а также пиктограмм.

Для символов кириллицы в Юникоде выделено два диапазона кодов:

Cyrillic (#0400 - #04FF)

Cyrillic Supplement (#0500 - #052F).

Но внедрение таблицы Unicode в чистом виде сдерживается по той причине, что если код одного символа будет занимать не один байт, а два байта, что для хранения текста понадобится вдвое больше дискового пространства, а для его передачи по каналам связи – вдвое больше времени.

Поэтому сейчас на практике больше распространено представление Юникода UTF-8 (Unicode Transformation Format). UTF-8 обеспечивает наилучшую совместимость с системами, использующими 8-битные символы. Текст, состоящий только из символов с номером меньше 128, при записи в UTF-8 превращается в обычный текст ASCII. Остальные символы Юникода изображаются последовательностями длиной от 2 до 4 байтов. В целом, так как самые распространенные в мире символы – символы латинского алфавита - в UTF-8 по-прежнему занимают 1 байт, такое кодирование экономичнее, чем чистый Юникод.

Чтобы определить числовой код символа можно или воспользоваться кодовой таблицей. Для этого в меню нужно выбрать пункт "Вставка" - "Символ", после чего на экране появляется диалоговая панель Символ. В диалоговом окне появляется таблица символов для выбранного шрифта. Символы в этой таблице располагаются построчно, последовательно слева направо, начиная с символа Пробел.

Общие понятия

Определение 1

Кодирование - это преобразование информации из одной ее формы представления в другую, наиболее удобную для её хранения, передачи или обработки.

Определение 2

Кодом называют правило отображения одного набора знаков в другом.

Определение 3

Двоичный код – это способ представления информации с помощью двух символов - $0$ и $1$.

Определение 4

Длина кода – количество знаков, используемых для представления кодируемой информации.

Определение 5

Бит - это одна двоичная цифра $0$ или $1$. Одним битом можно закодировать два значения: $1$ или $0$. Двумя битами можно закодировать уже четыре значения: $00$, $01$, $10$, $11$. Тремя битами кодируются $8$ разных значений. Добавление одного бита удваивает количество значений, которое можно закодировать.

Рисунок 1.

Виды кодирования информации

Различают кодирование информации следующих видов:

• кодирование цвета;
• кодирование числовой информации;
• кодирование звуковой информации;
• кодирование видеозаписи.

Кодирование текстовой информации

Любой текст состоит из последовательности символов. Символами могут быть буквы, цифры, знаки препинания, знаки математических действий, круглые и квадратные скобки и т.д.

Текстовая информация, как и любая другая, хранится в памяти компьютера в двоичном виде. Для этого каждому ставится в соответствии некоторое неотрицательное число, называемое кодом символа , и это число записывается в память ЭВМ в двоичном виде. Конкретное соотношение между символами и их кодами называется системой кодировки . В персональных компьютерах обычно используется система кодировки ASCII (American Standard Code for Informational Interchange – Американский стандартный код для информационного обмена).

Замечание 1

Разработчики программного обеспечения создали собственные $8$-битные стандарты кодировки текста. За счет дополнительного бита диапазон кодирования в них был расширен до $256$ символов. Чтобы не было путаницы, первые $128$ символов в таких кодировках, как правило, соответствуют стандарту ASCII. Оставшиеся $128$ - реализуют региональные языковые особенности.

Замечание 2

Восьмибитными кодировками, распространенными в нашей стране, являются KOI8, UTF8, Windows-1251 и некоторые другие.

Кодирование цвета

Чтобы сохранить в двоичном коде фотографию, ее сначала виртуально разделяют на множество мелких цветных точек, называемых пикселями (что-то на подобии мозаики). После разбивки на точки цвет каждого пикселя кодируется в бинарный код и записывается на запоминающем устройстве.

Пример 1

Если говорят, что размер изображения составляет, например, $512 х 512$ точек, это значит, что оно представляет собой матрицу, сформированную из $262144$ пикселей (количество пикселей по вертикали, умноженное на количество пикселей по горизонтали).

Пример 2

Прибором, "разбивающим" изображения на пиксели, является любая современная фотокамера (в том числе веб-камера, камера телефона) или сканер. И если в характеристиках камеры значится, например, "$10$ Mega Pixels", значит количество пикселей, на которые эта камера разбивает изображение для записи в двоичном коде, - 10 миллионов. Чем на большее количество пикселей разделено изображение, тем реалистичнее выглядит фотография в декодированном виде (на мониторе или после распечатывания).

Однако качество кодирования фотографий в бинарный код зависит не только от количества пикселей, но также и от их цветового разнообразия. Алгоритмов записи цвета в двоичном коде существует несколько. Самым распространенным из них является RGB . Эта аббревиатура – первые буквы названий трех основных цветов: красного – англ.Red , зеленого – англ. Green , синего – англ. Blue . Смешивая эти три цвета в разных пропорциях, можно получить любой другой цвет или оттенок.

На этом и построен алгоритм RGB. Каждый пиксель записывается в двоичном коде путем указания количества красного, зеленого и синего цвета, участвующего в его формировании.

Чем больше битов выделяется для кодирования пикселя, тем больше вариантов смешивания этих трех каналов можно использовать и тем значительнее будет цветовая насыщенность изображения.

Определение 6

Цветовое разнообразие пикселей, из которых состоит изображение, называется глубиной цвета .

Кодирование графической информации

Описанная выше техника формирования изображений из мелких точек является наиболее распространенной и называется растровой . Но кроме растровой графики, в компьютерах используется еще и так называемая векторная графика .

Векторные изображения создаются только при помощи компьютера и формируются не из пикселей, а из графических примитивов (линий, многоугольников, окружностей и др.).

Векторная графика - это чертежная графика. Она очень удобна для компьютерного «рисования» и широко используется дизайнерами при графическом оформлении печатной продукции, в том числе создании огромных рекламных плакатов, а также в других подобных ситуациях. Векторное изображение в двоичном коде записывается как совокупность примитивов с указанием их размеров, цвета заливки, места расположения на холсте и некоторых других свойств.

Пример 3

Чтобы записать на запоминающем устройстве векторное изображение круга, компьютеру достаточно в двоичный код закодировать тип объекта (окружность), координаты его центра на холсте, длину радиуса, толщину и цвет линии, цвет заливки.

В растровой системе пришлось бы кодировать цвет каждого пикселя. И если размер изображения большой, для его хранения понадобилось бы значительно больше места на запоминающем устройстве.

Тем не менее, векторный способ кодирования не позволяет записывать в двоичном коде реалистичные фото. Поэтому все фотокамеры работают только по принципу растровой графики. Рядовому пользователю иметь дело с векторной графикой в повседневной жизни приходится не часто.

Кодирование числовой информации

При кодировании чисел учитывается цель, с которой цифра была введена в систему: для арифметических вычислений или просто для вывода. Все данные, кодируемые в двоичной системе, шифруются с помощью единиц и нолей. Эти символы еще называют битами . Этот метод кодировки является наиболее популярным, ведь его легче всего организовать в технологическом плане: присутствие сигнала – $1$, отсутствие – $0$. У двоичного шифрования есть лишь один недостаток – это длина комбинаций из символов. Но с технической точки зрения легче орудовать кучей простых, однотипных компонентов, чем малым числом более сложных.

Замечание 3

Целые числа кодируются просто переводом чисел из одной системы счисления в другую. Для кодирования действительных чисел используют $80$-разрядное кодирование. При этом число преобразуют в стандартный вид.

Кодирование звуковой информации

Определение 7

Любой звук, слышимый человеком, является колебанием воздуха, которое характеризируется двумя основными показателями: частотой и амплитудой. Амплитуда колебаний - это степень отклонения состояния воздуха от начального при каждом колебании. Она воспринимается нами как громкость звука. Частота колебаний - это количество отклонений состояний воздуха от начального за единицу времени. Она воспринимается как высота звука.

Пример 4

Так, тихий комариный писк - это звук с высокой частотой, но с небольшой амплитудой. Звук грозы наоборот имеет большую амплитуду, но низкую частоту.

Схему работы компьютера со звуком в общих чертах можно описать так. Микрофон превращает колебания воздуха в аналогичные по характеристикам электрических колебаний. Звуковая карта компьютера преобразовывает электрические колебания в двоичный код, который записывается на запоминающем устройстве. При воспроизведении такой записи происходит обратный процесс (декодирование) - двоичный код преобразуется в электрические колебания, которые поступают в аудиосистему или наушники. Динамики акустической системы или наушников имеют противоположное микрофону действие. Они превращают электрические колебания в колебания воздуха.

Принцип разделения звуковой волны на мелкие участки лежит в основе двоичного кодирования звука. Аудиокарта компьютера разделяет звук на очень мелкие временные участки и кодирует степень интенсивности каждого из них в двоичный код. Такое дробление звука на части называется дискретизацией. Чем выше частота дискретизации, тем точнее фиксируется геометрия звуковой волны и тем качественней получается запись.

Определение 8

Качество записи сильно зависит также от количества битов, используемых компьютером для кодирования каждого участка звука, полученного в результате дискретизации. Количество битов, используемых для кодирования каждого участка звука, полученного при дискретизации, называется глубиной звука .

Кодирование видеозаписи

Видеозапись состоит из двух компонентов: звукового и графического .

Кодирование звуковой дорожки видеофайла в двоичный код осуществляется по тем же алгоритмам, что и кодирование обычных звуковых данных. Принципы кодирования видеоизображения схожи с кодированием растровой графики (рассмотрено выше), хотя и имеют некоторые особенности. Как известно, видеозапись - это последовательность быстро меняющихся статических изображений (кадров). Одна секунда видео может состоять из $25$ и больше картинок. При этом, каждый следующий кадр лишь незначительно отличается от предыдущего.

Учитывая эту особенность, алгоритмы кодирования видео, как правило, предусматривают запись лишь первого (базового) кадра. Каждый же последующий кадр формируются путем записи его отличий от предыдущего.

Информация бывает разного вида, например:

Запах, вкус, звук;

Символы и знаки.

В разных отраслях науки, культуры и техники разработаны специальные формы для записи информации.

Код - это группа обозначений, которую можно использовать для отображения информации.

Процесс преобразования сообщения в комбинацию символов в соответствии с кодом называется кодированием .

Существует три основных способа кодирования информации:

• Числовой способ - с помощью чисел.
• Символьный способ - информация кодируется с помощью символов того же алфавита, что и исходящий текст.
• Графический способ - информация кодируется с помощью рисунков или значков.

Примеры кодирования информации:

Для отображения звуков русского алфавита используют буквы (АБВГДЕЁЖ…ЭЮЯ);

Для отображения чисел используют цифры (0123456789);

Звуки записывают нотами и другими символами ;

Слепые используют азбуку Брайля , где буква состоит из шести элементов: дырочек и бугорков.

Азбука Брайля

Надо учитывать, что не зная принципы кодирования информации, один и тот же код, можно понять по-разному, например, число 300522005 можно посчитать за число, номер телефона или за количество населения.

В компьютере кодируют введённую информацию: текст, изображения и звуки. В закодированном виде компьютер обрабатывает, хранит и пересылает информацию. Чтобы вывести информацию из компьютера в понятной для человека форме, её надо декодировать .

Методами шифрования занимается специальная наука - криптография .

В компьютере для кодирования любой информации используются только два символа: 0 и 1 , так как компьютерной технике проще реализовывать два состояния:

0 - сигнала нет (нету напряжения или не течёт ток);

1 - сигнал есть (есть напряжение или течёт ток).

Создание кода.

Одним битов можно кодировать два состояния: 0 и 1 (да и нет, чёрный и белый). При увеличении количества битов на один получится в два раза больше кодов.

Пример:

Два бита создают 4 разных кода: 00, 01, 10 и 11;

три бита создают 8 разных кодов: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, и 111.

Кодирование различных видов информации

Кодирование текстов

При кодировании текста каждому символу присваивается какое-то значение, например, порядковый номер.

Первый популярный компьютерный стандарт кодирования текста имеет название ASCII (American Standart Code for Information Interchange), в котором для кодирования каждого символа используются 7 бит.

7-ю битами можно закодировать 128 символов: большие и маленькие латинские буквы, цифры, знаки препинания, а так же специальные символы, например, «§».

Стандарту создавали разные варианты, дополняя код до 8 бит (256 символов), чтобы можно было кодировать национальные символы, например, латышскую букву ā.

Но 256 символов не хватило, чтобы кодировать все символы разных алфавитов, поэтому создали новые стандарты. Один из самых популярных в наше время, это UNICODE . В котором каждый символ кодируют 2-мя байтами, получается в итоге 62536 разных кодов .

Кодирования графических данных

Почти все созданные и обработанные изображения, хранящиеся в компьютере, можно поделить на две группы:

Растровая графика;

Векторная графика.

Любое изображение созданное в растровой графике состоит их цветных точек. Эти точки называют пикселями (pixel) .

Для кодирования не цветных изображений обычно используют 256 оттенков серого , начиная от белого, заканчивая чёрным. Для кодирования всех цветов надо 8 битов (1 байт).

Для кодирования цветных изображений обычно используют три цвета: красный, зелёный и синий . Цветной тон получается при смешивании этих трёх цветов.

Кодирование звуков

Звуки появляются из-за колебаний воздуха. У звука есть две величины:

- амплитуда колебания , которая указывает на громкость звука;

- частота колебания , которая указывает на тональность звука.

Звук можно переделать в электрический сигнал, например, микрофоном.

Звук кодируют, после точного интервала времени измеряя размер сигнала и присваивая ему бинарную величину. Чем чаще проводятся эти измерения, тем лучше качество звука.

Пример:

На одном компакт диске, с объемом 700 Мб, может вместиться 80 минут звука CD качества.

Кодирование видео

Фильм состоит из кадров, которые быстро меняются. Кодированный фильм содержит информацию о размере кадра, используемых цветах, и количество кадров в секунду (обычно 30), как и способ записи звука - каждому кадру отдельно или всему фильму сразу.