Представление информации в компьютере

Единицы измерения объема информации в компьютере.

Способ преобразования разнообразной информации в последовательность нулей и единиц двоичного кода, то есть записи ее на строгом математическом языке, широко используется в технических устройствах, в том числе и в компьютере.

С помощью двух цифр 0 и 1 можно закодировать любое сообщение. При создании первой вычислительной машины такой способ представления информации привлек к себе внимание именно простотой технической реализации: есть сигнал — это 1, нет сигнала — это 0.

Символы двоичного кода 0 и 1 принято называть двоичными цифрами или битами (от англ. binary digit — двоичный знак). Бит является минимальной единицей измерения объема информации. Объем информации в сообщении определяется количеством битов.

Бит — наименьшая единица измерения объема информации.

Более крупной единицей измерения объема информации служит 1 байт, состоящий из 8 битов.

Принято также использовать и более крупные единицы измерения объема информации, которые приведены в таблице 2.1. Число 1024 (210) является множителем при переходе к более высокой единице измерения.

Для преобразования информации в двоичные коды и обратно в компьютере должно быть организовано два процесса:

• 1. кодирование — преобразование входной информации в машинную форму, то есть в двоичный код; .
• 2. декодирование — преобразование двоичного кода в форму, понятную человеку.

Кодирование обеспечивается устройствами ввода, а декодирование — устройствами вывода.

Таблица 2.1. Единицы измерения объема информации.

Кодирование числовой информации

Числа в компьютере представляются в двоичной системе счисления, то есть посредством двух цифр — 0 и 1. Это позиционная система, из чего следует, что вес цифры 1 зависит от места (позиции), которое эта цифра занимает в числе. Любое число можно разложить по степеням основания системы счисления, в том числе и двоичной. Принято при работе с разными системами счисления внизу около числа ставить цифру для обозначения конкретной системы счисления, например, 11 012, 12 013, 32 045, 5 810, 8B50D16.

Для сравнения рассмотрим два примера представления чисел:

в десятичной системе счисления число 3058₁₀ можно представить следующим образом.

305 810 = ЗхЮ3 + ОхЮ2 + бхЮ1 + 8×10° = ЗхЮ3 + бхЮ1 + 8×10°,.

где степени числа 10 (основания системы) соответствуют номеру позиции цифры в числе;

в двоичной системе счисления число 1101₂ можно представить следующим образом.

11 012 = 1×23 + 1×22 + 0×2х + 1×2° = 23 + 22 + 2° = 1310,.

где степени числа 2 (основания системы) соответствуют номеру позиции цифры в числе.

В компьютере различают представление целых и действительных чисел. Целые числа представляются в виде одного, двух или четырех байт со знаком или без знака. Форматы без знака существуют только для положительных чисел. В форматах со знаком знак числа определяет старший разряд: 0 — положительное, 1 — отрицательное. Такое представление получило название представления с фиксированной точкой.

Действительные числа в двоичной системе счисления представляются в экспоненциальном виде:

А₂ = ±М₂х2^Р,.

где М2 — мантисса числа в виде правильной дроби, а Р — порядок, показывающий, на сколько разрядов должна переместиться десятичная точка мантиссы для получения исходного числа.

Такое представление получило название представления с плавающей точкой.

Кодирование текстовой информации

Нажатие любой алфавитно-цифровой клавиши на клавиатуре приводит к тому, что в компьютер посылается сигнал в виде двоичного числа, представляющего собой одно из значений кодовой таблицы. Кодовая таблица — это внутреннее представление символов в компьютере. Долгое время во всем мире в качестве стандарта была принята таблица ASCII (American Standard Code for Informational Interchange — Американский стандартный код информационного обмена).

При таком кодировании для хранения двоичного кода одного символа выделялся 1 байт = 8 бит. Учитывая, что каждый бит может принимать значение 1 или 0, количество возможных кодовых комбинаций (сочетаний единиц и нулей) для отображения символов равнялось 2⁸ = 256.

В стандарте ASCII коды первых 128 символов от 0 до 127 отводились для цифр, букв латинского алфавита и управляющих символов. Вторая половина кодовой таблицы (от 128 до 255) американским стандартом не была определена и предназначаюсь для символов национальных алфавитов, псевдографики и некоторых математических символов.

В настоящее время для кодирования текстовой информации; основном используется стандарт Unicode, как результат сотрудничества Международной организации по стандартизации ведущими производителями компьютеров и программного обеспечения. Цель создания этого стандарта — единая таблица ;ля всех национальных языков (для 25 реально существующих письменностей).

Для кодирования алфавитов всех национальных языков достаточно 16-битного представления (по 2 байта на символ). Каждому национальному алфавиту выделен свой блок с кодами символов этой письменности.

К настоящему времени кодирование всех официальных письменностей можно считать завершенным. Unicode 3.2 помимо русского языка поддерживает следующие языки народов России с дополнительными кириллическими буквами: башкирский, бурятский, калмыцкий, коми, ненецкий, осетинский и многие другие.

Как перспектива развития стандарта Unicode — это освоение 1-битного пространства кодов для кодирования письменности мертвых" языков, дополнительных китайских иероглифов и искусственно созданных алфавитов.

Кодирование графической информации

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами — как растровое или как векторное изображение. Для каждого вида изображения используется свой способ кодирования.

Растровое изображение представляет собой совокупность точек, используемых для его отображения на экране монитора. Объем астрового изображения определяется как произведение количества точек и информационного объема одной точки, который зависит от количества возможных цветов. Чем больше цветов, тем длиннее должен быть код данного цвета. Количество битов на кодирование одного цвета принято называть глубиной цвета.

Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен 1 биту, так как точка может быть либо черной, либо белой, что можно закодировать двумя цифрами — 0 или 1.

Рассмотрим, сколько потребуется бит для отображения цветной точки: для 8 цветов необходимо 3 бита; для 16 цветов — 4 бита; для 256 цветов — 8 битов (1 байт).

Векторное изображение представляет собой графический объект, состоящий из графических примитивов. Каждый примитив состоит из элементарных отрезков кривых, параметры которых (координаты узловых точек, радиус кривизны и пр.) описываются математическими формулами. Для каждой линии указываются ее тип (сплошная, пунктирная, штрихпунктирная), толщина и цвет, а замкнутые фигуры дополнительно характеризуются типом заливки. Кодирование векторных изображений выполняется различными способами в зависимости от прикладной среды. В частности, формулы, описывающие отрезки кривых, могут кодироваться как обычная буквенно-цифровая информация для дальнейшей обработай специальными программами.

Кодирование звука

Звук представляет собой непрерывный сигнал — звуковую волну с меняющейся амплитудой и частотой. Громкость сигнала зависит от его амплитуды (чем больше амплитуда, тем громче сигнал). Тон сигнала зависит от его частоты (чем больше частота сигнала, тем выше тон). Частота звуковой волны выражается числом колебаний в секунду и измеряется в герцах (Гц, Hz). Человеческое ухо способно воспринимать звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. Этот диапазон частот называют звуковым.

При кодировании звуковой информации непрерывный сигнал разбивается на равные по длительности интервалы времени (дискреты). При этом предполагается, что на каждом участке сигнал не изменяется, то есть имеет постоянный уровень, который может быть представлен двоичным кодом. Очевидно, что такая замена реального сигнала на совокупность уровней отражается на качестве звука. Поэтому чем меньше временные интервалы (дискреты), тем точнее сигнал можно представить в виде кодов.

Важной характеристикой при кодировании звука является частота дискретизации — это количество измерений уровней сигнала за 1 секунду. Другой важной характеристикой является глубина кодирования звука — количество битов, отводимое на >дно измерение уровня звукового сигнала.

Кто хоть раз играл в компьютерные игры или, например, получал справку о текущем времени по телефону, имел дело с синтезированным звуком. Вывод подобных звуков осуществляется синтезатором, который считывает из памяти последовательность хранящихся там звуковых кодов. На подобном принципе основан таблично-волновой способ кодирования. В заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков окружающего мира, музыкальных инструментов и пр. и их числовые коды. Числовые коды выражают высоту тона, продолжительность и интенсивность звука и прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к реальному качеству звучания.