Самостоятельная работа №1 Принципы хранения информации в компьютере.

Если раньше для этих целей использовались различные физические принципы, различные носители и различные способы, то компьютер позволяет хранить, обрабатывать и передавать любого типа информацию в виде электрических импульсов.

Точно так же, как это делает человеческий мозг.

Каким же образом любая информация, будь то текст, изображение или звуки, преобразуется в электрические импульсы?

Ответ на этот вопрос заключен в самом слове «компьютер». Иначе говоря – «калькулятор», «расчётчик», то есть, инструмент, оперирующий цифрами. Язык цифр – единственный язык, который понимает компьютер. И это ещё не всё! Компьютер умеет оперировать только двумя цифрами – 0 и 1.  В отличие от нас, привыкших к десятичной математике, компьютер использует двоичное исчисление.

Таким образом, чтобы ввести информацию в компьютер нужно:

1. Закодировать информацию десятичными цифрами

2. Перевести десятичный код в двоичный

Сохранить двоичный код в виде электрических импульсов

Рассмотрим первый этап.

Можно ли любой тип информации закодировать цифрами?

Начнем со звука. Из физики вы помните, что звуковая волна характеризуется амплитудой и частотой колебания.  От этих характеристик зависит высота звука  и его громкость.

И частоту, и амплитуду можно записать цифрами. Значит гамму из 7 звуков можно записать последовательностью из 14 цифр. Это, конечно,  очень примитивное представление, Настоящую музыку, с обертонами, затуханием звуковой волны и т.д не опишешь двумя цифрами. Однако и эти эффекты можно оценить в цифрах. Если компьютер имеет так называемые медиа-устройства – звуковую карту, микрофон и наушники или колонки вы можете записывать, хранить и воспроизводить любые звуки.

Звуковая карта – это специальное устройство, которое оценит частоту и амплитуду колебаний мембраны микрофона и передаст соответствующие цифры в память компьютера, а при  воспроизведении звука, наоборот, преобразует цифры, хранящиеся в памяти компьютера в соответствующие колебания звукового контура усилителя.

Приёмы и методы работы со звуковой информацией имеют два основных направления.

1. Метод FM(Frequency Modulation) - основан на том, что любой сложный звук можно разложить напоследовательность простых сигналов разных частот, каждый из которых представляет синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами.

В природе звуки имеют непрерывный спектр, их разложение на отдельные дискретные сигналы выполняются аналогово-цифровыми преобразователями, а синтез звука из отдельных сигналов - цифрово-аналоговыми преобразователями.

При таких преобразованиях неизбежны потери и качество звука соответствует качеству звучаний простых инструментов с "окрасом", характерным для электронной музыки.

2. Метод таблично-волнового синтеза(Wave table) более современный. Он основан на так называемых сэмплах(образцах), которые храняться в специальных таблицах. Поскольку в качестве образцов используются "реальные звуки", то и качество звука, получаемого в результате синтеза, довольно хорошее.

Изображение. Если рассмотреть изображение, например, в газете через лупу, то можно увидеть, что оно состоит из отдельных точек, образующих характерный узор, называемый растром.

Поскольку координаты и индивидуальные особенности(яркость, цвет) каждой точки можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что растровое кодирование позволяет оцифровать графику.

Общепринятым на сегодняшний день считается представление черно-белых иллюстраций в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета, т.е. для описания яркости точки достаточно восьмиразрядного двоичного числа - 1 байта.

Для кодирования цветной графики применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на три основных составляющих.

В качестве составляющих используются три цвета - красный, зелёный и синий.

Считается, что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путём смешения этих трёх цветов. Такая система кодирования получила название RGB, по первым буквам английских названий цветов.

Чтобы задать цвет точки, надо задать яркость каждого из этих цветов, то есть, потребуется три байта. Каждому из основных цветов, можно сопоставить дополнительный цвет(цвет, дополняющий основной до белого). Из дополнительных цветов тоже можно составить палитру.

Для палитры RGB дополнительной палитрой является палитра, состоящая из голубого(Cyan), пурпурного(Magenta) и желтого(Yellow) цветов. Такой метод кодирования применяется в полиграфии, правда, добавляется ещё 4 цвет - чёрный(CMYK).

Черный цвет обозначается буквой К, т.к. В уже занята синим цветом. Такой режим также называется полноцветным (Тrue Color). Для него требуется 4 байта. Если уменьшить число двоичных разрядов для кодирования 1 точки, то можно существенно сократить объём данных, но при этом уменьшится диапазон кодируемых цветов.

Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами называется режимом High Color. При кодировании с помощью 8 бит, можно передать только 256 цветов, такой метод называется индексным. Смысл названия в том, что в этом методе не кодируется цвет, а только указывается его номер(индекс) в справочной таблице, соответствующей той или иной палитре.

Такой тип графики, когда изображение кодируется координатами точек на экране компьютера (их называют пикселлами) называется растровой графикой.

Так обычно хранятся фотографии, картины, т.е. многоцветные изображения с переходами тонов. (Современные компьютеры  позволяют использовать 16 милл. цветов).Для рисунков с четкими границами больше подходит т.н. векторная графика.

Изображение разбивается на графические примитивы: прямые и кривые линии, квадраты, пряоугольники, круги, эллипсы. Для всех этих примитивов существуют функции, которые требуют задания координат, длины радиуса круга или стороны квадрата и т.д.

Так же как и для звука,  для ввода и воспроизведения  изображения в компьютере должно быть устройство, позволяющее преобразовывать изображение в цифры и передавать их в память для хранения и обработки, и наоборот, цифры из памяти преобразовывать в изображение на экране или для печати на принтере. Таким устройством является видеокарта.

Видеокарта – это электронная схема, которая формирует изображение в своей памяти(видеопамяти) и передаёт его на экран.

Рассмотрим второй этап.

Основные элементы компьютера – ячейки памяти могут находится в двух состояниях, быть либо заряженными либо нет. Эти состояния можно описать математически, как состояние 1 и состояние 0, либо логически, как состояние «да» и состояние «нет».

Такое устройство компьютера идеально подходит для операций двоичной математики и двоичной или «булевой» алгебры. Поскольку двоичная математика использует только две цифры 0 и 1, а булева алгебра – два понятия «истина» и «ложь».

Итак, чем двоичная математика отличается от десятичной?

А ничем, за исключением количества используемых цифр.  На самом деле, количество используемых цифр – это дело удобства и привычки.

Мы привыкли к десяти цифрам, изобретенным арабами. К тому же считать десятками нам удобно, потому, что нам легко их возводить в любую степень в уме.

В сущности, что такое десятичное число? 

Это разложение любого количества по степеням десяти. Возьмём любое число.

Например, 135. 1*102+3*101+5*100, а теперь я запишу это же число по-другому=135 1*53+2*51+0*50 – пятеричная система=120 1*27+0*26+0*25+0*24+0*23+1*22+1*21+1*20=10000111

Такое число удобно для хранения в памяти компьютера. Целые числа кодируются двоичным кодом достаточно просто - нужно взять целое число и делить его пополам до тех пор, пока в остатке не образуется 0 или 1.

Совокупность остатков и образует двоичный аналог десятичного числа.

Пример.

9:2=9 (1 в остатке)

 9:2=4 (1 в остатке)  4:2=2 (0 в остатке)  2:2=1 Таким образом: 19₁₀=1011₂ (двоичное число записывается справа налево, начиная с последнего).

Это достаточно простой алгоритм перевода десятичных чисел в двоичные заложен в схемы компьютера. Одно такое двоичное число (0 или 1), соответствующее элементу памяти компьютера является минимальной для компьютера единицей информации.

В информатике эту величину принято называть битом.(от английского binary digit - двоичная цифра). Бит – минимальная значимая для компьютера единица информации, соответствующая 1 двоичному разряду и одной ячейке памяти.

Для нас же значимой единицей информации является десятичное число, соответствующее  какому-либо символу на клавиатуре и состоящее из ряда двоичных цифр. Чем больше число, тем больше двоичных разрядов оно содержит. 

В кодовой таблице 256 символов. То есть, максимальное десятичное число в таблице кодировки – 256 = = 11111111. Такие группы по 8 бит принято называть байтами. Именно в байтах принято измерять количество информации, которой оперирует компьютер. Если информации много, то ее измеряют в Кб, Мб и Гб. 1КБ=1024б,

1Мб=1024Кб,

1Гб=1024Мб