Представление информации в ЭВМ

Введение

Информационная технология – это совокупность конкретных технических и программных средств, с помощью которых выполняются разнообразные операции по обработке информации во всех сферах нашей жизни и деятельности..Термин «информация» восходит к латинскому informatio,– разъяснение, изложение, осведомленность. В информатике отдельно рассматривается аналоговая информация и цифровая. Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном, работает с цифровой информацией.Представление информации в ЭВМ, единицы измерения объема данныхВиды информацииПо способу восприятия информации.У человека пять органов чувств:зрение; с помощью глаз люди различают цвета, воспринимают зрительную информацию, к которой относятся и текстовая, и числовая, и графическая;слух: уши помогают воспринимать звуковую информацию – речь, музыку, звуковые сигналы, шум;обоняние: с помощью носа люди получают информацию о запахах окружающего мира;вкус; вкусовые рецепторы языка дают возможность получить информацию о том, каков предмет на вкус – горький, кислый, сладкий, соленый;осязание; кончиками пальцев (или просто кожей), наощупь можно получить информацию о температуре предмета – горячий он или холодный, о качестве его поверхности – гладкий или шершавый.Человек получает информацию о внешнем мире с помощью своих органов чувств. По форме представления информации:Рассмотрим только те виды информации, которые «понимают» технические устройства (в частности, компьютер).Текстовая информация, например текст в учебнике, сочинение в тетради, реплика актера в спектакле, прогноз погоды, переданной по радио.Числовая информация, например таблица умножения, арифметический пример, счет в хоккейном матче, время прибытия поезда и др. В чистом виде числовая информация встречается редко, разве что на контрольных по математике. Чаще всего используется комбинированная форма представления информации.Графическая информация: рисунки, схемы, чертежи, фотографии. Такая форма представления информации наиболее доступна, так как сразу передает необходимый образ (модель), а словесная и числовая требуют мысленного воссоздания образа. В то же время графическая форма представления не дает исчерпывающих разъяснений о передаваемой информации. Поэтому наиболее эффективно сочетание текста, числа и графики.Музыкальная (звуковая) информация. В настоящее время мультимедийная (многосредовая, комбинированная) форма представления информации в вычислительной техники становится основной. Цветная графика сочетается в этих системах со звуком и текстом, с движущимися видеоизображением и трехмерными образами.По общественному значению информации:Информация может быть:личной – это знания, опыт, интуиция, умения, эмоции, наследственность конкретного человека;общественной – общественно-политическая, научно-популярная, т.е. то, что мы получаем из средств массовой информации. Кроме того, это опыт всего человечества, исторические, культурные и национальные традиции и др.;обыденная – та, которой мы обмениваемся в процессе общения;эстетическая – изобразительное искусство, музыка, театр и др.;специальная – научная, производственная, техническая, управленческая.1.2Представление информации в ЭВМ.В настоящее время во всех вычислительных машинах информация представляется с помощью электрических сигналов. При этом возможны две формы ее представления – в виде непрерывного сигнала (с помощью сходной величины – аналога) и в виде нескольких сигналов (с помощью набора напряжений, каждое из которых соответствует одной из цифр представляемой величины).Первая форма представления информации называется аналоговой, или непрерывной. Величины, представленные в такой форме, могут принимать принципиально любые значения в определенном диапазоне. Количество значений, которые может принимать такая величина, бесконечно велико. Отсюда названия – непрерывная величина и непрерывная информация.Вторая форма представления информации называется дискретной (цифровой). Такие величины, принимающие не все возможные, а лишь вполне определенные значения, называются дискретными (прерывистыми). В отличие от непрерывной величины, количество значений дискретной величины всегда будет конечным. Дискретная форма представления используется в цифровых электронно-вычислительных машинах (ЭВМ), которые легко решают задачи, связанные с хранением, обработкой и передачей больших объемов информации.Для автоматизации работы ЭВМ с информацией, относящейся к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления – для этого обычно используется прием кодирования.Кодирование – это представление сигнала в определенной форме, удобной или пригодной для последующего использования сигнала. Совокупность символов кодового алфавита, применяемых для кодирования одного символа (или одной комбинации символов) исходного алфавита, называется кодовой комбинацией, или, короче, кодом символа. Символ (или комбинация символов) исходного алфавита, которому соответствует кодовая комбинация, называется исходным символом. В качестве примера можно привести систему записи математических выражений, азбуку Морзе, морскую флажковую азбуку, систему Брайля для слепых и др.В вычислительной технике также существует своя система кодирования – она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1 (используется двоичная система счисления). Эти знаки называются двоичными цифрами, или битами (binary digital).Если увеличивать на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, то увеличивается в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе. Для расчета количества значений используется следующая формула:N=2m,где N – количество независимо кодируемых значений, а m – разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе.1.3Кодирование текстовой информацииДля кодирования текстовых данных используются специально разработанные таблицы кодировки, основанные на сопоставлении каждого символа алфавита с определенным целым числом. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского языков, как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые общепринятые специальные символы. Но не все так просто, и существуют определенные сложности. В первые годы развития вычислительной техники они были связаны с отсутствием необходимых стандартов, а в настоящее время, наоборот, вызваны изобилием одновременно действующих и противоречивых стандартов. Практически для всех распространенных на земном шаре языков созданы свои кодовые таблицы. Для того чтобы весь мир одинаково кодировал текстовые данные, нужны единые таблицы кодирования, что до сих пор пока еще не стало возможным.1.4Кодирование графической информацииКодирование графической информации основано на том, что изображение состоит из мельчайших точек, образующих характерный узор, называемый растром. Каждая точка имеет свои линейные координаты и свойства (яркость), следовательно, их можно выразить с помощью целых чисел – растровое кодирование позволяет использовать двоичный код для представления графической информации. Черно-белые иллюстрации представляются в компьютере в виде комбинаций точек с 256 градациями серого цвета – для кодирования яркости любой точки достаточно восьмиразрядного двоичного числа.Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпозиции (разложения) произвольного цвета на основные составляющие. При этом могут использоваться различные методы кодирования цветной графической информации. Например, на практике считается, что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путем механического смешивания основных цветов. В качестве таких составляющих используют три основных цвета: красный (Red, R), зеленый (Green, G) и синий (Blue, B). Такая система кодирования называется системой RGB.На кодирование цвета одной точки цветного изображения надо затратить 24 разряда. При этом система кодирования обеспечивает однозначное определение 16,5 млн различных цветов, что на самом деле близко к чувствительности человеческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color).Каждому из основных цветов можно поставить в соответствие дополнительный цвет, то есть цвет, дополняющий основной цвет до белого. Соответственно дополнительными цветами являются: голубой (Cyan, C), пурпурный (Magenta, M) и желтый (Yellow, Y). Такой метод кодирования принят в полиграфии, но в полиграфии используется еще и четвертая краска – черная (Black, K). Данная система кодирования обозначается CMYK, и для представления цветной графики в этой системе надо иметь 32 двоичных разряда. Такой режим называется полноцветным (True Color).Если уменьшать количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета каждой точки, то можно сократить объем данных, но при этом диапазон кодируемых цветов заметно сокращается. Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами называется режимом High Color.1.5Кодирование звуковой информацииПриемы и методы кодирования звуковой информации пришли в вычислительную технику наиболее поздно и до сих пор далеки от стандартизации. Множество отдельных компаний разработали свои корпоративные стандарты, хотя можно выделить два основных направления. Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармоничных сигналов разной частоты, каждый из которых представляет правильную синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами, то есть кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, то есть являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства – аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях часть информации теряется, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с «окрасом», характерным для электронной музыки.2.Единицы измерения данныхВ информатике часто используется величина, называемая байтом (byte) и равная 8 битам. И если бит позволяет выбрать один вариант из двух возможных, то байт, соответственно, 1 из 256 (28). В большинстве современных ЭВМ при кодировании каждому символу соответствует своя последовательность из восьми нулей и единиц, т. е. байт. Соответствие байтов и символов задается с помощью таблицы, в которой для каждого кода указывается свой символ. Так, например, в широко распространенной кодировке Koi8-R буква "М" имеет код 11101101, буква "И" - код 11101001, а пробел - код 00100000. Наряду с байтами для измерения количества информации используются более крупные единицы:1 Кбайт (один килобайт) = 210 байт = 1024 байта; 1 Мбайт (один мегабайт) = 210 Кбайт = 1024 Кбайт; 1 Гбайт (один гигабайт) = 210 Мбайт = 1024 Мбайт. В последнее время в связи с увеличением объёмов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как: 1 Терабайт = 240 байт = 1024 гигабайт (примерно 1012 байт). 1 Петабайт = 250 байт = 1024 терабайт (примерно 1015 байт).1 Эксабайт = 260 байт = 1024 петабайт (примерно 1018 байт).1 Зеттабайт = 270 байт = 1024 эксабайт (примерно 1021 байт).1 Йоттабайт = 280 байт = 1024 зеттабайт (примерно 1024 байт).3.Представление целых чиселДля представления знаковых целых чисел используются три способа:1) прямой код;2) обратный код;3) дополнительный код.Все три способа используют самый левый (старший) разряд битового набора длины k для кодирования знака числа: знак “плюс” кодируется нулем, а “минус” — единицей. Остальные k-1 разрядов (называемые мантиссой или цифровой частью) используются для представления абсолютной величины числа.3.1Положительные целые числаПоложительные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах изображаются одинаково — цифровая часть содержит двоичную запись числа, в знаковом разряде содержится 0. Например, для k = 8:3.2Отрицательные целые числаОтрицательные числа в прямом, обратном и дополнительном кодах имеют разное изображение.Прямой код В знаковый разряд помещается цифра 1, а в разряды цифровой части числа — двоичный код его абсолютной величины.Обратный кодПолучается инвертированием всех цифр двоичного кода абсолютной величины числа, включая разряд знака: нули заменяются единицами, а единицы — нулями. Пример (k = 8 ):Дополнительный кодПолучается образованием обратного кода с последующим прибавлением единицы к его младшему разряду. Например:Заметим, что ноль имеет два представления в прямом и обратном коде, а в дополнительном коде представление нуля единственно.
Заключение
Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью компьютерных программ можно преобразовывать полученную информацию, например «наложить» друг на друга звуки от разных источников.Аналогично на компьютере можно обрабатывать текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми.
Список использованных источников
Информатика./под ред. В. В. Трофимова. – М.: Юрайт, Высшее образование, 2010. - 912 с.Информатика. Базовый курс. 2-е издание./под ред. Симоновича С. Учебник для ВУЗов. - СПб.: ПИТЕР, 2008. - 640 с.Информатика для экономистов: Учебник/ Под общ. ред. В. М. Матюшка. – М.: ИНФА-М, 2007. - 880 с.Судоплатов С. В., Овчинникова Е. В. Математическая логика и теория алгоритмов: Учебник - ("Высшее образование")- ИНФРА-М, Изд-во НГТУ, 2008, 224 с.