Тема 2: Физические основы представления информации в компьютерах

План лекции:

• Определение и классификация информации

• Измерение количества информации

• Кодирование символьной информации

Определение и классификация информации

2.1. Информатика, информация, сигналы и их представление

Широкое применение компьютеров содействует научно-техническому развитию страны. Сфера использования компьютеров охватывает практически все виды человеческой деятельности.

Компьютер — это программно управляемая физическая система, предназначенная для алгоритмической проработки информации, поданной сигналами.

В широком значении слова информация является отпечатком реального мира. Информация — это единственный ресурс жизнеобеспечения, которое не уменьшается. Более того: ее объем в данное время удваивается ежегодно.

Информация, подготовленная для проработки на компьютерах, называется данными.

Информационный процесс включает в себя такие этапы:

1. сбор информации от разнообразных источников и представления ее в форме необходимой для введения в компьютер;

2. передачу (пересылку) информации от источника к приемнику;

3. хранение — процесс передачи информации во времени;

4. обработка — систематическое выполнение операций над данными;

5. выдачу результата проработки пользователю.

На всех этих этапах используют средства компьютерной схемотехники. К информации предъявляют такие требования:

• корректность (однозначность восприятия);

• ценность (полезность) и оперативность (актуальность);

• точность, достоверность и стойкость (возможность реагировать на смены начальных данных);

• достаточность (полнота) — наличие минимально необходимого объема информации для принятия правильного решения.

Структуру и общие свойства информационных процессов изучают в информатике, которая содержит:

• теорию информации;

• алгоритмические, программные и компьютерные средства обработки информации;

• архитектуру компьютеров, системы искусственного интеллекта, вычислительные сети и др.

В теории информации изучают процессы передачи, превращения и хранения информации, куда входят:

• методы определения количества информации в сообщении;

• рациональные средства представления информации с помощью разнообразных символов (букв, цифр и др.);

• средства формирования, выявления и оценки параметров информационных процессов.

Упорядоченную последовательность символов (букв, цифр, математических знаков, предназначенных для передачи информации), закодированную в материальной форме, называют сообщением.

Информационное сообщение всегда связано с источником и приемником информации, соединенными каналом передачи (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Информационная модель канала передачи

Исторически первой технологической формой получения, пе­редачи, хранения информации являлось аналоговое (непрерывное) представление звукового, оптического, электрического или другого сигнала (сообщения). Магнитная аудио- и видеозапись, фотогра­фирование, запись на шеллачные или виниловые грампластинки, проводное и радиовещание — основные способы хранения и пере­дачи информации в аналоговой форме (рис. 1.2).

Рис.1.2 Аналоговый сигнал и его дискретная (цифровая) аппроксимация (оцифровка)

Аналого-цифровое (дискретное) преобразование — АЦП (analog-to-digital conversion) заключается в формировании последо­вательностей n-разрядных двоичных слов, представляющих с задан­ной точностью аналоговые сигналы. Для выполнения этого преоб­разования вначале осуществляется квантование аналогового сигна­ла. В результате преобразования получается дискретный сигнал.

Наименьшее изменение аналогового сигнала, которое регистрирует­ся устройством, осуществляющим преобразование, называется раз­решением.

Аналого-дискретные преобразователи чаще всего изготавлива­ются в виде интегральных схем. В необходимых случаях осуществ­ляется обратное — дискретно-аналоговое (цифро-аналоговое преобра­зование — ЦАП).

Дискретный сигнал — сигнал, имеющий конечное, обычно не­большое, число значений.

Практически всегда дискретный сигнал имеет два либо три зна­чения. Нередко его называют также цифровым сигналом.

В цифровых системах используются двоичные сигналы (рис.1.3, а), имеющие значения:

(+) или (-).

Вместе с тем при передаче данных в большинстве случаев применяются троичные сигналы (рис. 1.3, б) со значениями: (+), (0), (-).

Рис.1.3 Примеры дискретных сигналов: двоичный (а) и троичный (б).

Здесь «единица» представляется отсутст­вием потенциала в канале, тогда как «нуль» характеризуется поло­жительным либо отрицательным импульсом. При этом полярность импульсов, представляющих «нули», должна чередоваться, т. е. за положительным (+) импульсом должен следовать отрицательный (-) и наоборот. В форме троичного сигнала осуществляется не только кодирование передаваемых данных, но также обеспечивается син­хронизация работы канала и проверка целостности данных.

Дискретные сигналы, по сравнению с аналоговыми, имеют ряд важных преимуществ: помехоустойчивость, легкость восстановле­ния формы, простота аппаратуры передачи.