7.5. Кодирование звуковой информации

Приемы и методы работы со звуковой информацией пришли в вычислительную технику наиболее поздно. Поэтому эти методы работы еще не стандартизированы. Многие фирмы разработали свои корпоративные стандарты. Можно выделить два основных направления.

1. Метод частотных модуляций FM (Frequency Modulation).

По своей природе звук является непрерывным сигналом. Это колебания воздуха с определённой частотой и амплитудой. При преобразовании звука в электрический сигнал (например, при записи с помощью микрофона) происходит непрерывное фиксирование определённого напряжения электрического тока. Такой сигнал называется аналоговым:

Для компьютерной обработки аналоговый сигнал нужно преобразовать в последовательность двоичных цифр, то есть дискретизировать и оцифровать.

Дискретизация- это превращение непрерывных электрических колебаний в числовую последовательность. Для этого измеряется амплитуда сигнала через равные промежутки времени, и полученные числовые значения кодируются в двоичной форме и записываются в память компьютера. Чем меньше промежуток времени, тем выше частота дискретизации и, соответственно, выше качество записи звука. Частота дискретизации измеряется в килогерцах.

1 кГц=1 тыс. измерений в секунду.

Наиболее распространёнными являются частоты 44,1 кГц и 48 кГц.

При воспроизведении звука производится обратная операция по превращению двоичных кодов в непрерывные электрические колебания. Эти функции по преобразованию звука выполняют два специальных устройства - аналого-цифровойицифро-аналоговый преобразователи, которые располагаются на звуковой карте.

При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи получается не вполне удовлетворительным. Но это достаточно компактный метод, он начал использоваться, когда ресурсов вычислительной техники было недостаточно.

2. Метод таблично-волнового синтеза (Wave-Table) состоит в следующем. Где-то в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для различных музыкальных инструментов. В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, параметры среды, в которой происходит звучание и др. Т .к в качестве образца использовались реальные звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза получается достаточно высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

8. Понятие архитектуры и принципы устройства вычислительных систем

Обработка информации и представление результатов обработки в виде удобном для человека производится с помощью вычислительной техники. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой (ВС). Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.

Компьютер – это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработка и транспортировки данных.

Архитектура ВС – это описание устройства ВС с точки зрения пользователя или программиста. Архитектура не включает в себя конструктивные особенности устройства машины, электронные схемы. Т. о. архитектура определяет логическую схему организации ВС, описывающую состав и взаимодействие основных компонентов ВС в ходе вычислительного процесса.

Современные ВС всегда рассматриваются как совокупность двух взаимодействующих компонентов: аппаратуры и программного обеспечения (ПО). Все свойства ВС определяются как аппаратными средствами, так и программным обеспечением.

Аппаратные средства (hardware) – это все физические (механические, электронные и т. п.) элементы, из которых построена машина, а программное обеспечение (software) – это комплекс программ, установленных на данной ВС, кроме того, к программному обеспечению относятся программная документация, инструкции, руководства пользователю и т. п.

Принципы устройства

По принципам устройства компьютер представляет собой модель человека, работающего с информацией. Существует четыре основных компонента информационной деятельности человека:

• прием (ввод) информации;

• запоминание информации;

• процесс мышления, т. е. обработка информации;

• передача (вывод информации).

Компьютер включает в себя устройства, которые выполняют эти функции:

функция	устройство
прием (ввод) информации;	Устройства ввода
запоминание информации;	Память
процесс мышления, т. е. обработка информации;	Процессор
передача (вывод информации).	Устройства вывода

Процессор – устройство, которое автоматически выполняет действия, записанные в хранящейся в памяти программе. Т. е. процессор осуществляет непосредственную обработку данных, а память является хранилищем данных и программ. Эти устройства являются центральными устройствами. Кроме них, в состав ВС включаются внешние устройства, к которым относятся устройства ввода-вывода информации (УВВ), а также внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Команды, из которых состоит программа, имеют структуру:

Код ОПерации

Адрес Операнда 1

Адрес Операнда 2

Команды и данные, над которыми выполняются команды, хранятся в специальном запоминающем устройстве – оперативной памяти. Всю память можно представить в виде линейного массива ячеек определенного размера. Ячейки последовательно пронумерованы, их номера называются адресами. Минимально адресуемой единицей памяти в большинстве современных ЭВМ является байт. Память характеризуется:

• емкостью – максимальным количеством информации, которое хранится в памяти;

• быстродействием – временем обращения к памяти, которое определяется временем считывания (записи) информации. Время считывания – это время, отсчитываемое от момента появления адреса ячейки до момента получения информации.

Память подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память имеет относительно небольшую емкость и большое быстродействие. Внешняя память имеет более низкое быстродействие, но позволяет хранить очень большой объем информации. Во внешнюю память также записываются данные и результаты работы программ, но для выполнения операций над этой информацией, ее надо сначала записать во внутреннюю память, т. к. процессор имеет доступ только к ней. После окончания работы с этой информацией, ее снова надо записать во внешнюю память.

Процессор – это центральное устройство ЭВМ. Он состоит из устройства управления и арифметико-логического устройства. АЛУ выполняет арифметические и логические операции. УУ управляет работой всех блоков ЭВМ. В простейшем случае УУ имеет в своем составе три регистра (ячейки):

• регистр команды, который содержит код команды во время ее выполнения,

• программный счетчик, в котором содержится адрес очередной команды,

• регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти.

Работа процессора сводится к выполнению следующего цикла:

1. УУ интерпретирует выбранную команду и формирует набор команд более низкого уровня для АЛУ и других устройств. Эти команды задают последовательность низкоуровневых операций, таких как сдвиг, пересылка и анализ признаков результата. Такие операции называются микрокомандами, а последовательность микроопераций, соответствующих одной команде называется микропрограммой.

2. Содержимое считанной ячейки памяти помещается в регистр команды. После чего УУ по полю кода операции команды определяет ее длину. Вычисленная длина добавляется к программному счетчику и тем самым формируется адрес следующей команды.

3. По адресным полям определятся, есть ли операнды и, если да, то они считываются из ОП.

4. УУ и АЛУ выполняют операцию, указанную в КОП.

5. УУ выполняет операцию записи результата выполнения команды в ОП.

Порядок выбора адресов из памяти определяет программа, которая располагается во внутренней памяти. В линейных программах команды выбираются из памяти последовательно, в разветвляющихся программах может происходить переход к ячейке памяти, расположенной в любом месте ОП. Такие команды называются командами передачи управления.

Выполнение основной программы может прерываться для выполнения какого-то другого срочного задания, например, передачи данных на устройство ввода-вывода. Такой режим работы называется прерыванием. После обслуживания прерывания процессор возвращается к выполнению отложенной программы. Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в работе аппаратуры, деления на 0, требования внешним устройством выполнения операций ввода и т. д.

Принципы фон Неймана

Схема устройства компьютера, принципы которого были рассмотрены, была предложена американским математиком Джоном фон Нейманом в 1946 году. Нейман сформулировал основные принципы работы ЭВМ, которые во многом сохранились и в современных компьютерах.

1. Принцип программного управления: процесс обработки информации в ЭВМ (вычислительный процесс) осуществляется в соответствии с заранее составленной программой. Команды, записанные в программе, выполняются друг за другом.

2. Принцип хранимой в памяти программы. Он является следствием из описанной выше организации вычислительного устройства. Программа на время выполнения записывается в оперативную (т. е. непосредственно доступную процессору) память, там же хранятся и данные, обрабатываемые этой программой.

3. Принцип использования двоичной системы для кодирования данных и команд программы.

4. Наличие единого вычислительного устройства, которое включает в себя процессор, средства передачи информации (шину) и память.

Связь между устройствами ЭВМ осуществляется через системный интерфейс, который называется шиной. Шина представляет собой совокупность линий, предназначенных для передачи единицы информации (команды, данных или управляющих сигналов). Соответственно, в шине можно выделить:

1. шину адреса (ША) – используется для передачи адресов (номеров ячеек памяти или устройств ввода-вывода, к которым производится обращение);

2. шину данных (ШД) – по ней осуществляется обмен данными;

3. шину управления (ШУ) – по ней передаются управляющие сигналы.