2.5. Кодирование графических данных

Общепринятым сегодня считается представление черно-белых иллюстраций в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета. При этом для кодирования яркости любой точки достаточно 8-разрядного двоичного числа.

Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на три основных – красный, зелёный и синий. Для кодирования яркости каждой составляющей используется 256 значений (8 двоичных разрядов). Для кодирования цвета используются 24 разряда. Такая система кодирования обеспечивает представление 16,5 млн различных цветов.

3. Принцип работы вычислительной машины

3.1. Реализация обработки данных с помощью технического устройства

Обработка данных реализуется с помощью некоторой функции f, отображающей множество данных D во множество возможных результатов R (рис. 6).

Рис. 6. Отображение множества данных в множество результатов

Чтобы промоделировать f с помощью технического устройства необходимо располагать тремя физическими представлениями:

• физическим представлением множества данных D';

• физическим представлением множества результатов R';

• физическим представлением функции обработки f', таким, что применение f' к D' должно давать элемент R'.

Функция f' должна быть физически реализуемой, то есть должна вычисляться на некотором физическом устройстве. Чтобы выполнить обработку данных и интерпретировать результат необходимо располагать кодами представления исходных данных и результатов (рис. 7):

входным кодом , представляющим элемент данных D с помощью физического элемента из D';

выходным кодом , интерпретирующим элемент из R' с помощью элемента из R.

Отображения ,  и f' выбираются так, чтобы выполнялось условие

.

Рис. 7. Представление реального вычислительного процесса с помощью технического устройства.

ЭВМ позволяет получить указанные физические представления. Принципиально вычислительная машина состоит из двух частей (рис. 8):

• центрального процессора, позволяющего с помощью электронных устройств выполнять f';

• памяти, являющейся физической системой, представляющей D' и R'.

Рис. 8. Структура вычислительной машины.

3.2. Организация памяти

Память есть физическая система с большим числом возможных состояний. Каждое состояние с помощью отображений  и  связывается с элементами множеств D и R. Практически используемые системы имеют конечное число состояний, то есть множества D и R представляются конечными множествами D' и R'.

Удобно представлять память состоящей из множества N одинаковых физических систем, каждая из которых имеет M состояний. Каждая такая физическая система называется словом. Обычно слово проектируют так, чтобы . Такой элемент может быть реализован в виде комбинации восьми электронных ключей, каждый из которых может находиться в одном из двух устойчивых состояний – «включено» и «выключено». Это позволяет поставить в соответствие каждой комбинации ключей 8-разрядное двоичное число, то есть байт. Сам элемент памяти обычно тоже называется байтом. Память компьютера может быть представлена как последовательность пронумерованных байтов. Нумерация начинается с нуля. Номер байта называется его адресом.

Байт является наименьшей единицей информации, которая может быть записана в память или считана из памяти с помощью одной операции ввода-вывода. Для измерения более крупных объемов памяти используются килобайт, мегабайт и гигабайт.

1 Кбайт = 1024 байт = 2¹⁰ байт.

1 Мбайт = 1024 Кбайт = 2²⁰ байт.

1 Гбайт = 1024 Мбайт = 2³⁰ байт.

Каждое из возможных состояний байта можно интерпретировать в зависимости от ситуации и используемых кодов как:

целое натуральное число в диапазоне от 0 до 255;

слово из букв обычного алфавита и т.д.

Отдельные байты могут объединяться в структуры, позволяющие представлять более сложные объекты, такие как вещественные числа, таблицы, списки и т.д.

В качестве единицы хранения данных используется объект переменной длины, называемый файлом. Понятие файла используется в двух смыслах. Логическим файлом называется логически связанная последовательность данных одного типа, имеющая имя. С таким определением файла имеет дело программист, пишущий программу. Физический файл или просто файл – это последовательность произвольного числа байтов памяти, имеющая имя. Адресом файла в памяти является адрес его первого байта. Каждый файл должен иметь уникальное имя. Без этого невозможно гарантировать однозначный доступ к данным.

Обычно в отдельном файле хранятся данные одного типа (целые числа, символы и пр.). Тип данных определяет тип файла. Существуют текстовые файлы, двоичные файлы, графические файлы и т.д. Файл, содержащий готовую к исполнению программу, называется программным.

Память вычислительной машины подразделяется на оперативную (оперативное запоминающее устройство, или ОЗУ) и внешнюю (внешнее запоминающее устройство, или ВЗУ).

Оперативная память служит для временного хранения программ и данных непосредственно во время вычислений. Это память с быстрым доступом относительно небольшого объема. Содержимое оперативной памяти сохраняется только во время работы компьютера. Такая память называется энергозависимой.

Внешняя память имеет значительно больший объём и служит для долговременного хранения программ и данных. Она является энергонезависимой. Данные во внешней памяти хранятся в виде файлов, являющихся последовательностями байтов. Для того чтобы программа могла быть выполнена, она должна быть загружена в оперативную память машины.

На устройствах внешней памяти (магнитных носителях) информация представлена в двоичном коде состоянием намагниченных и ненамагниченных участков на дорожках диска.

В современных персональных компьютерах есть быстрая память еще одного вида, имеющая специальное назначение. Это видеопамять. Видеопамять хранит код изображения, выводимого на дисплей.

Для ускорения доступа к данным используется специальное устройство, называемое кэш-памятью. Кэш-память – это «сверхоперативная» память сравнительно небольшого объема. В кэш-памяти хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. При обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к оперативной памяти, то среднее время доступа к памяти уменьшается.