3. Кодирование информации в эвм
Электронной вычислительной машиной (ЭВМ) называется устройство, выполняющее следующие операции:
ввод информации;
обработку информации по заложенной в ЭВМ программе;
вывод результатов обработки в форме, пригодной для восприятия
Каким образом обрабатывается информация в компьютере и как обеспечить обмен информацией между пользователем и ЭВМ?
Процесс приема и передачи информации можно изобразить на схеме:
Источник
сообщения
Кодирующее
устройство
Передача
информации
Декодирующее
устройство
Получатель
сообщения
Кодирование – операция, связанная с переходом от исходной формы представления информации в форму, удобную для хранения, передачи или обработки.
Декодирование – связано с обратным переходом к исходному представлению информации.
В настоящее время существуют разные способы кодирования и декодирования информации в компьютере.
Выбор способа зависит от вида информации, которую необходимо кодировать: текст, число, графическое изображение и т.д.
ЭВМ может обрабатывать информацию, представленную только в числовой форме. Любая другая информация (текстовая, графическая) преобразуется в числовую. Так, например, при вводе текста, каждый символ кодируется определенным числом (существуют специальные таблицы кодировки, наиболее известные и распространенные коды ASCII), а при выводе наоборот, каждому числу соответствует изображение определенного символа.
Восемь двоичных разрядов позволяют закодировать 28=256 символов, этого достаточно, чтобы закодировать любую букву, цифру или служебный символ. Нажатие клавиши на клавиатуре приводит к тому, что сигнал посылается в компьютер в виде двоичного числа, которое хранится в кодовой таблице. Кодовая таблица символов – это внутреннее представление символов в компьютере. Во всем мире в качестве стандарта принята таблица ASCII (American Standart Code for Information Interchange) – Американский стандартный код для обмена информацией.
Первые 128 символов (от 0 до 127) – это цифры, прописные и строчные буквы латинского алфавита, управляющие символы. Вторая половина кодовой таблицы (от 128 до 255) предназначена для национальных символов (в том числе кириллицы), математических символов и так называемых псевдографических символов, которые используются для рисования рамок.
В разных странах, на разных моделях компьютеров могут использоваться и разные варианты второй половины кодовой таблицы.
Нужно иметь ввиду три особенности алфавита в кодовой таблице и их следствия:
прописные и строчные буквы представлены разными кодами, т.е. “А” и “а” – разные объекты;
при упорядочивании слов по алфавиту сравниваются между собой десятичные коды букв. Поэтому, чтобы избежать недоразумений, если не указано “нечувствителен к регистру”, используйте только латинский или русский алфавит и только прописные или только строчные первые буквы. Имейте ввиду, что любая цифра “меньше” любой буквы, код латинских букв “меньше” чем русских;
Многие латинские и русские буквы имеют визуально неразличимое начертание, но разные коды.
Итак, компьютер способен распознавать только значения бита. Однако он редко работает с конкретными битамив отдельности, а совокупность из 8 битов, воспринимаемая компьютером как единое целое, называется байтом.
Вся работа компьютера – это управление потоками байтов, которые устремляются в компьютер с клавиатуры или дисков (или по линии связи), преобразовываются по командам программ, запоминаются временно или записываются на постоянное хранение на магнитный диск, а также выводятся на экран дисплея или бумагу принтера в виде букв, цифр, значков.
Кодирование текста.
Текстовые данные представляются в виде последовательности двоично-кодированных символов и могут занимать несколько машинных слов. Двоичный код каждого символа занимает 1 байт памяти, следовательно, текст из m символов займет в памяти m байтов.
Кодирование чисел.
Для кодирования числа, участвующего в вычислениях, используют специальные правила перевода из обычной десятичной системы счисления в двоичную.
Числа можно кодировать следующим образом. Каждую десятичную цифу можно представить в виде двоичного кода, при этом для кодирования каждой из 10 цифр достаточно 4 бит. Значит, в байте могут разместиться двоичные коды двух десятичных цифр. Числа, представленные в таком виде, называются двоично-кодированными десятичными числами или числами в двоично-десятичной форме.
Двоично-десятичнаяформа неэффективна с точки зрения использования памяти ЭВМ. Поэтому в большинстве случаев используется двоичная система счисления и действия над числами выполняются именно в двоичной системе.
В двоичной систем для представления чисел внутри ЭВМ используют представление чисел с фиксированной и плавающей запятой.
С фиксированной запятой (естественная форма) число представляется в виде целой и дробной части, причем положение запятой фиксировано раз инавсегда. Один двоичный разряд используется для представления знака числа (0 – для положительного числа, 1 – для отрицательного). Эта форма простая, но имеет небольшой диапазон представления чисел и поэтому не всегда приемлема. В современных ЭВМ используется только для представления целых чисел.
Для целых чисел, как правило, отводится 1 (полуслово) или 2 байта (слово) памяти, а, следовательно, диапазон значений целых чисел: от ‑32768 до +32768 (215=32768).
В форме с плавающей запятой число представляется в виде ±m*2±p, где m – мантисса, p – порядок.
В машинном слове в определенных разрядах записывается мантисса (как правило, меньше 1), а в других разрядах порядок. Два разряда используются для записи знака мантиссы и знака порядка.
Такая форма представления чисел является основной и дает возможность представлять числа в более широком диапазоне: число обычной точности занимает 4 байта и по модулю не превышает 0,3*1039, число двойной точности занимает 8 байтов и по модулю не превышает 0,7977*10308.
Кодирование графической информации.
Создавать и хранить графические объекты в памяти компьютера можно двумя способами – как растровое изображение или как векторное изображение.
Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселов), используемых для его отображения на экране монитора. Объем растрового изображения определяется умножением количества точек на информационный объем одной точки, который зависит от количества возможных цветов: для черно-белого изображения информации объем одной точки – 1 бит (два состояния - черный или белый), для восьми цветов – 3 бита, для 16 цветов 4 бита, для 256 цветов – 8 битов (1 байт).
Растровая графика используется при сканировании изображения, для ввода с цифровых фото и видеокамер.
Векторное изображение представляет собой графический объект, состоящий из линий (элементарных отрезков и дуг). Положение этих элементарных объектов определяется координатами точек и длиной радиуса.
Для каждой линии указывается ее тип (сплошная, пунктирная, штрих-пунктирная), толщина и цвет. Информация о векторном изображении кодируется как обычная буквенно-цифровая информация и обрабатывается специальными программами.
Векторная графика используется для создания иллюстраций, оформительских работ, основанных на применении шрифтов, геометрических элементов, хотя высокохудожественные произведения создавать довольно сложно.
Фрактальная графика предназначена для автоматической генерации изображений путем математических расчетов.
Кодирование звуковой информации.
Звуковая информация представляется последовательностью элементарных звуков (фонем) и пауз между ними. Каждый звук кодируется и хранится в памяти. Вывод звуков из компьютера осуществляется синтезатором речи, который считывает из памяти хранящийся код звука.
Кодирование текстовой информации
Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать и текстовую информацию.
Для хранения двоичного кода одного символа выделен 1 байт = 8 бит.
Учитывая, что каждый бит принимает значение 0 или 1, количество их возможных сочетаний в байте равно:
Значит, с помощью 1 байта можно получить 256 разных двоичных кодовых комбинаций и отобразить с их помощью 256 различных символов.
Такое количество символов вполне достаточно для представления текстовой информации, включая прописные и заглавные буквы русского и латинского алфавита, цифры, знаки, графические символы и т.д.
Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111.
Таким образом, человек различает символы по их начертанию, а компьютер - по их коду.
Важно, что присвоение символу конкретного кода - это вопрос соглашения, которое фиксируется в кодовой таблице.
Кодирование текстовой информации с помощью байтов опирается на несколько различных стандартов, но первоосновой для всех стал стандарт ASCII (American Standart Code for Information Interchange), разработанный в США в Национальном институте ANSI (American National Standarts Institute).
В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования - базовая и расширенная.
Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255.
Первые 33 кода (с 0 до 32) соответствуют не символам, а операциям (перевод строки, ввод пробела и т. д.).
Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и знакам препинания.
Коды с 128 по 255 являются национальными, т.е. в национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы.
Кодирование графической информации
Графическая информация на экране монитора представляется в виде растрового изображения, которое формируется из определенного количества строк, которые, в свою очередь, содержат определенное количество точек (пикселей).
Каждому пикселю присвоен код, хранящий информацию о цвете пикселя.
Для получения черно-белого изображения (без полутонов) пиксель может принимать только два состояния: “белый” или “черный”.
Тогда для его кодирования достаточно 1 бита: 1 – белый, 0 – черный.
Пиксель на цветном дисплее может иметь различную окраску. Поэтому 1 бита на пиксель – недостаточно.
Для кодирования 4-цветного изображения требуется два бита на пиксель, поскольку два бита могут принимать 4 различных состояния.
Может использоваться, например, такой вариант кодировки цветов:
00 – черный
10 – зеленый
01 – красный
11 – коричневый.
Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего.
Из трех цветов можно получить восемь комбинаций:
Черный - 0 0 0
Синий - 0 0 1
Зеленый - 0 1 0
Голубой - 0 1 1
Красный - 1 0 0
Розовый - 1 0 1
Коричневый - 1 1 0
Белый - 1 1 1
Следовательно, для кодирования 8-цветного изображения требуется три бита памяти на один пиксель.
Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности, тогда количество различных вариантов их сочетаний, дающих разные краски и оттенки, увеличивается.
Шестнадцатицветная палитра получается при использовании 4-разрядной кодировки пикселя: к трем битам базовых цветов добавляется один бит интенсивности. Этот бит управляет яркостью всех трех цветов одновременно.
Также графическая информация может быть представлена в виде векторного изображения.
Векторное изображение представляет собой графический объект, состоящий из элементарных отрезков и дуг.
Положение этих элементарных объектов определяется координатами точек и длиной радиуса.
Для каждой линии указывается ее тип (сплошная, пунктирная, штрих-пунктирная), толщина и цвет.
Информация о векторном изображении кодируется как обычная буквенно-цифровая и обрабатывается специальными программами.
Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора, т.е. количеством точек, из которых оно складывается.
Чем больше разрешающая способность, т.е. чем больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображение.
Кодирование звуковой информации
Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.
Чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон.
Программное обеспечение компьютера в настоящее время позволяет непрерывный звуковой сигнал преобразовывать в последовательность электрических импульсов, которые можно представить в двоичной форме.
Аудиоадаптер (звуковая плата) – специальное устройство, подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении звука.
В процессе записи звука аудиоадаптер с определенным периодом измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код полученной величины.
Затем полученный код из регистра переписывается в оперативную память компьютера.
Качество компьютерного звука определяется характеристиками аудиоадаптера: частотой дискретизации и разрядностью.