МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОСИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Уфимский колледж статистики, информатики

и вычислительной техники

УТВЕРЖДАЮ ЗАМЕСТИТЕЛЬ ДИРЕКТОРА ПО УЧЕБНОЙ РАБОТЕ ___________(З.З.Курмашева) «__»______________20__ г.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ РАБОТАМ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ВТ»

для специальностей:

230106 – Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей

230101 -- Вычислительные машины, комплексы, системы и сети

Согласовано: Методист _________________ /_____________/___ подпись ФИО

Рассмотрено на заседании цикловой комиссии вычислительной техники Председатель цикловой комиссии _______________ Гареев А.А. Разработал преподаватель ________________ Нурисламов.И.Ф. 2010 г

Содержание

Практическая работа №1 ……………………………………………………………стр.3

Практическая работа №2 ……………………………………………………………стр.8

Практическая работа №3 …………………………………………………………..стр.15

Практическая работа №4 …………………………………………………………..стр.27

Практическая работа №5 …………………………………………………………..стр.32

Список литературы ………………………………………………………………….стр.41

Практическая работа №1

Тема работы: Кодирование информации.

Цель работы: научиться кодировать информацию

Теоретическая часть: 

Кодирование информации

 

Кодирование информации — одна из базовых тем курса теоретических основ информатики, отражающая фундаментальную необходимость представления информации в какой-либо форме, — т.е. кодировании информации. При этом слово «кодирование» понимается не в узком смысле — кодирование как способ сделать сообщение непонятным для всех, кто не владеет ключом кода, а в широком — как представление информации в виде сообщения на каком-либо языке.

Освещение данной темы в курсе информатики возможно под различными углами зрения и на различных уровнях. Самый простой подход состоит в рассмотрении понятия кодирования как представления информации в ознакомительном, общеобразовательном плане. Более продвинутый подход включает изучение теории кодирования, в том числе, ряда теорем с доказательствами. В данном практикуме мы ориентируемся на достаточно элементарные сведения о кодировании, имеющие общеобразовательное значение, и оставляем серьезное знакомство с теорией кодирования для специальных курсов.

Кодирование и обработка чисел

 Для представления информации в памяти ЭВМ (как числовой, так и не числовой) используется двоичный способ кодирования.

Элементарная ячейка памяти ЭВМ имеет длину 8 бит (байт). Каждый байт имеет свой номер (его называют адресом). Наибольшую последовательность бит, которую ЭВМ может обрабатывать как единое целое, называют машинным словом. Длина машинного слова зависит от разрядности процессора и может быть равной 16, 32 битам и т.д.

Для кодирования символов достаточно одного байта. При этом можно представить 256 символов (с десятичными кодами от 0 до 255). Набор символов персональных ЭВМ IBM PC чаще всего является расширением кода ASCII (American Standard Code for Information Interchange — стандартный американский код для обмена информацией).

В некоторых случаях при представлении в памяти ЭВМ чисел используется смешанная двоично-десятичная «система счисления», где для хранения каждого десятичного знака нужен полубайт (4 бита) и десятичные цифры от 0 до 9 представляются соответствующими двоичными числами от 0000 до 1001. Например, упакованный десятичный формат, предназначенный для хранения целых чисел с 18-ю значащими цифрами и занимающий в памяти 10 байт (старший из которых знаковый), использует именно этот вариант.

Другой способ представления целых чисел — дополнительный код. Диапазон значений величин зависит от количества бит памяти, отведенных для их хранения. Например, величины типа Integer (все названия типов данных здесь и ниже представлены в том виде, в каком они приняты в языке программирования Turbo Pascal. В других языках такие типы данных тоже есть, но могут иметь другие названия) лежат в диапазоне от –32768 (–215) до 32767 (215 – 1) и для их хранения отводится 2 байта; типа LongInt — в диапазоне от –231 до 231 – 1 и размещаются в 4 байтах; типа Word — в диапазоне от 0 до 65535 (216 – 1) (используется 2 байта) и т.д.

Как видно из примеров, данные могут быть интерпретированы как числа со знаками, так и без знаков. В случае представления величины со знаком самый левый (старший) разряд указывает на положительное число, если содержит нуль, и на отрицательное, если — единицу.

Вообще, разряды нумеруются справа налево, начиная с 0. Ниже показана нумерация бит в двухбайтовом машинном слове.

15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0

Дополнительный код положительного числа совпадает с его прямым кодом. Прямой код целого числа может быть получен следующим образом: число переводится в двоичную систему счисления, а затем его двоичную запись слева дополняют таким количеством незначащих нулей, сколько требует тип данных, к которому принадлежит число. Например, если число 37(10) = 100101(2) объявлено величиной типа Integer, то его прямым кодом будет 0000000000100101, а если величиной типа LongInt, то его прямой код будет 00000000000000000000000000100101. Для более компактной записи чаще используют шестнадцатеричный код. Полученные коды можно переписать соответственно как 0025(16) и 00000025(16).

Дополнительный код целого отрицательного числа может быть получен по следующему алгоритму:

1) записать прямой код модуля числа;

2) инвертировать его (заменить единицы нулями, нули — единицами);

3) прибавить к инверсному коду единицу.

Например, запишем дополнительный код числа (–37), интерпретируя его как величину типа LongInt:

1) прямой код числа 37 есть 00000000000000000000000000100101;

2) инверсный код 11111111111111111111111111011010;

3) дополнительный код 11111111111111111111111111011011 или FFFFFFDB(16).

При получении числа по его дополнительному коду прежде всего необходимо определить его знак. Если число окажется положительным, то просто перевести его код в десятичную систему счисления. В случае отрицательного числа необходимо выполнить следующий алгоритм:

1) вычесть из кода числа 1;

2) инвертировать код;

3) перевести в десятичную систему счисления. Полученное число записать со знаком минус.

 

Примеры. Запишем числа, соответствующие дополнительным кодам:

а) 0000000000010111. Поскольку в старшем разряде записан нуль, то результат будет положительным. Это код числа 23.

б) 1111111111000000. Здесь записан код отрицательного числа. Исполняем алгоритм:

1) 1111111111000000(2) – 1(2) = 1111111110111111(2); 2) 0000000001000000; 3) 1000000(2) = 64(10).

Ответ: –64.

Несколько иной способ применяется для представления в памяти персонального компьютера действительных чисел. Рассмотрим представление величин с плавающей точкой.

Любое действительное число можно записать в стандартном виде M × 10p, где 1 £ M < 10, p — целое. Например, 120100000 = 1,201 × 108. Поскольку каждая позиция десятичного числа отличается от соседней на степень числа 10, умножение на 10 эквивалентно сдвигу десятичной запятой на одну позицию вправо. Аналогично деление на 10 сдвигает десятичную запятую на позицию влево. Поэтому приведенный выше пример можно продолжить: 120100000 = 1,201 × 108 = 0,1201 × 109 = 12,01 × 107¼. Десятичная запятая «плавает» в числе и больше не помечает абсолютное место между целой и дробной частями.

В приведенной выше записи M называют мантиссой числа, а p — его порядком. Для того чтобы сохранить максимальную точность, вычислительные машины почти всегда хранят мантиссу в нормализованном виде, что означает, что мантисса в данном случае есть число, лежащее между 1(10) и 2(10) (1 £ M < 2). Основание системы счисления здесь, как уже отмечалось выше, — число 2. Способ хранения мантиссы с плавающей точкой подразумевает, что двоичная запятая находится на фиксированном месте. Фактически подразумевается, что двоичная запятая следует после первой двоичной цифры, т.е. нормализация мантиссы делает единичным первый бит, помещая тем самым значение между единицей и двойкой. Место, отводимое для числа с плавающей точкой, делится на два поля. Одно поле содержит знак и значение мантиссы, а другое содержит знак и значение порядка.

Персональный компьютер IBM PC с математическим сопроцессором позволяет работать со следующими действительными типами (диапазон значений указан по абсолютной величине):

Тип	Диапазон	Мантисса	Байты
Real	2,9 × 10–39..1,7 × 1038	11–12	6
Single	1,5 × 10–45..3,4 × 1038	7–8	4
Double	5,0 × 10–324..1,7 × 10308	15–16	8
Extended	3,4 × 10–4932..1,1 × 104932	19–20	10

Покажем преобразование действительного числа для представления его в памяти ЭВМ на примере величины типа Double.

Как видно из таблицы, величина это типа занимает в памяти 8 байт. На рисунке показано, как здесь представлены поля мантиссы и порядка:

S	Смещенный порядок	Мантисса
63	52	0

Можно заметить, что старший бит, отведенный под мантиссу, имеет номер 51, т.е. мантисса занимает младшие 52 бита. Черта указывает здесь на положение двоичной запятой. Перед запятой должен стоять бит целой части мантиссы, но поскольку она всегда равна 1, здесь данный бит не требуется и соответствующий разряд отсутствует в памяти (но он подразумевается). Значение порядка хранится здесь не как целое число, представленное в дополнительном коде. Для упрощения вычислений и сравнения действительных чисел значение порядка в ЭВМ хранится в виде смещенного числа, т.е. к настоящему значению порядка перед записью его в память прибавляется смещение. Смещение выбирается так, чтобы минимальному значению порядка соответствовал нуль. Например, для типа Double порядок занимает 11 бит и имеет диапазон от 2–1023 до 21023, поэтому смещение равно 1023(10) = 1111111111(2). Наконец, бит с номером 63 указывает на знак числа.

Таким образом, из вышесказанного вытекает следующий алгоритм для получения представления действительного числа в памяти ЭВМ:

1) перевести модуль данного числа в двоичную систему счисления;

2) нормализовать двоичное число, т.е. записать в виде M × 2p, где M — мантисса (ее целая часть равна 1(2)) и p — порядок, записанный в десятичной системе счисления;

3) прибавить к порядку смещение и перевести смещенный порядок в двоичную систему счисления;

4) учитывая знак заданного числа (0 — положительное; 1 — отрицательное), выписать его представление в памяти ЭВМ.

Пример. Запишем код числа –312,3125.

1) Двоичная запись модуля этого числа имеет вид 100111000,0101.

2) Имеем 100111000,0101 = 1,001110000101 × 28.

3) Получаем смещенный порядок 8 + 1023 = 1031. Далее имеем 1031(10) = 10000000111(2).

4) Окончательно

1	10000000111	0011100001010000000000000000000000000000000000000000
63	52	0

Очевидно, что более компактно полученный код стоит записать следующим образом: C073850000000000(16).

Другой пример иллюстрирует обратный переход от кода действительного числа к самому числу.

Пример. Пусть дан код 3FEC600000000000(16) или

0	01111111110	1100011000000000000000000000000000000000000000000000
63	52	0

1) Прежде всего замечаем, что это код положительного числа, поскольку в разряде с номером 63 записан нуль. Получим порядок этого числа: 01111111110(2) = 1022(10); 1022 – 1023 = –1.

2) Число имеет вид 1,1100011 × 2–1 или 0,11100011.

3) Переводом в десятичную систему счисления получаем 0,88671875.

Коды с обнаружением ошибок

Для обнаружения ошибок в передаваемых данных в общем случае могут применяться различные методы. К ним, в частности, относятся:

> посимвольный контроль четности (используемый при передаче по порту RS-232);

> поблочный контроль четности;

^ расчет контрольной суммы;

^ контроль циклическим избыточным кодом (CRC).

Реализация первых трех методов относительно проста. К сожалению, неспособность этих методов выявлять группирующие ошибки ограничивает их практическую применимость.

CRC-контроль является более мощным методом обнаружения ошибок и используется для обнаружения ошибок на уровне блоков данных. Он основан на делении и умножении многочленов. В определенном смысле CRC-контроль является алгоритмом хеширования, который отображает (хэширует) элементы большого набора на элементы меньшего набора. IIpoiiecc хэширования приводит к потере информации. Хотя каждый отдельный элемент набора данных отображается на один и только один элемент хэш-набора — обратное не верно. При CRC-контроле большой набор всех возможных двоичных чисел отображается на меньший набор всех возможных CRC.

Вычисление и использование кода CRC производится в соответствии со следующей последовательностью действий:

К содержимому кадра, описываемого полиномом F(x), добавляется набор единиц

количество которых равно длине поля CRC.

Образованное таким образом число х F(x)+x L(x), где k — степень F(x), делится на производящий полином д(х).

Остаток 0(х) от такого деления, определяемый из соотношения

Q(x)g(x)=x16 F(x)+xkL(x) + 0(х),

где Q(x) — частное от деления x16F(x)+xkL(x) на д(х), в инвертированном виде помещается в контрольное поле кадра.

Рис. 7.3. Схема деления на полином g(x)=x +x +х +1

На приемной стороне выполняется деление содержимого кадра с полем CRC xl6F'(x)+xkL(x) + 0(х), где F'(x)=xi6F(.x)+L(x)+0(x) - передаваемая кодовая комбинация, на полином д(х). Результат такого деления можно привести к виду:

xVF(x)+xkL(x)+0(x)]/g(y>xwL(xVg(x)=xi\Q(x)g(x)}/g(x)+xlбUx)/g(x).

Числитель первого слагаемого делится па д(х), поэтому в приемнике, если при передаче не было ошибок, остаток получается равным остатку от деления постоянного числителя второго слагаемого (х1 L(x)/g(x)) и имеет вид

x^+x^+x^x^xV+x+i = 1110100001111.

Таким образом, если результат вычислений на приемной стороне равен некоторому определенному числу (в некоторых системах нулю, либо другому числу, несовпадающему с приведенным выше), то считается, что передача выполнена без ошибок.

Возможны и другие алгоритмы формирования и проверки контрольного поля кадра. Однако отличия их от рассмотренного носят частный характер.

При выборе порождающего полинома руководствуются желаемой разрядностью остатка и его способностью выявлять ошибки. Ряд порождающих полиномов принят международными организациями в качестве стандартов.

Рекомендацией ITU-T V.41 стандартизуется полином д(х)= х^+х^+х5-^}. Часто этот полином обозначают просто как ССГГТ-16 или МККТТ-16. Он, в частности, используется в протоколе XModem-CRC и производных от него протоколах передачи файлов.

Другим популярным 16-разрядным порождающим полиномом является полином CRC-16. Он приобрел широкую известность как часть протокола двоичной синхронной передачи (BSC — Binary Synchronous Communications) фирмы IBM, Данный многочлен также определяется альтернативной процедурой Приложения А к стандарту V.42 ITU-T. Полином CRC-16 представляется в виде

g(x)=xlб+xi5+x2+i.

Увеличение числа разрядов CRC-поля позволяет значительно повысить надежность передаваемых данных. Порождающий полином CCITT^32 (MKKTT-32) дает 32-разрядный остаток и также стандартизирован в Рекомендации V.42. Многочлен CCITT-32, известный как CRC-32, представляется в виде

g(x)=xз2+xW+xlб+xl2+xll+xlo+xв+x7+ х^+х^х1^.

Находит применение и многочлен CRC-12 g(x)=xi2+xil+xз+\. Он может использоваться в тех случаях, когда для поля CRC выделяется меньшее число разрядов или когда не требуется более высокая точность более длинных CRC.

Техническая реализация вычислений CRC основана, как правило, на использовании сдвиговых регистров с логическими элементами "исключающее ИЛИ" (сумма по модулю 2). Схема деления входной последовательности на полином g(x)=xl6+xl2+x5•<-'^ приведена на рис. 7.3.

После сдвига всего исходного кадра в ячейках памяти сдвигового регистра остается результат деления (остаток). В дальнейшем он используется в качестве контрольного поля кадра.

Таким образом обеспечивается кодовая прозрачность. Протоколу безразлично, какие кодовые комбинации находятся в потоке данных. Единственное, что требуется, так это поддержание уникальности флагов.

Ход работы:

Ответить вопросы

       

Каково место кодирования среди процессов обработки информации?

Что называется знаком, абстрактным алфавитом? Приведите примеры.

Что такое код? Приведите примеры кодирования и декодирования.

Что называется избыточностью кода?

Какова избыточность естественных языков? Для чего она служит?

Какие коды называются двоичными? Приведите примеры.

Какой код используется для кодирования букв латинского алфавита букв персонального компьютера?

Какие коды используются в вычислительной технике для кодирования букв русского алфавита?

Как представляются действительные числа в памяти ЭВМ?

 

Задачи и упражнения

    Оцените число символов алфавита, кодируемого с помощью двоичных последовательностей длиной

а) 4 знака; б) 8 знаков; в) 12 знаков; г) 16 знаков.

    Закодируйте и декодируйте любое текстовое сообщение с помощью кода Цезаря — пронумеровав алфавит десятичными цифрами и заменяя буквы соответствующими им числами.

     Закодируйте и декодируйте любое текстовое сообщение, усложнив код Цезаря добавлением к каждому последующему числу, заменяющему букву, некоторое постоянное число.

Выполнить задание по вариантам

1. Переведите данное число из десятичной системы счисления в двоично-десятичную.

2. Переведите данное число из двоично-десятичной системы счисления в десятичную.

5. Запишите прямой код числа, интерпретируя его как восьмибитовое целое без знака.

6. Запишите дополнительный код числа, интерпретируя его как восьмибитовое целое со знаком.

7. Запишите прямой код числа, интерпретируя его как шестнадцатибитовое целое без знака.

8. Запишите дополнительный код числа, интерпретируя его как шестнадцатибитовое целое со знаком.

9. Запишите в десятичной системе счисления целое число, если дан его дополнительный код.

10. Запишите код действительного числа, интерпретируя его как величину типа Double.

11. Дан код величины типа Double. Преобразуйте его в число.

Вариант 1

1. а) 585(10); б) 673(10); в) 626(10).

2. а) 010101010101(2-10); б) 10011000(2-10); в) 010000010110(2-10).

5. а) 224(10); б) 253(10); в) 226(10).

6. а) 115(10); б) –34(10); в) –70(10).

7. а) 22491(10); б) 23832(10).

8. а) 20850(10); б) –18641(10).

9. а) 0011010111010110; б) 1000000110101110.

10. а) –578,375; б) –786,375.

11. а) 408E130000000000; б) C077880000000000.

Вариант 2

1. а) 285(10); б) 846(10); в) 163(10).

2. а) 000101010001(2-10); б) 010101010011(2-10); в) 011010001000(2-10).

5. а) 242(10); б) 135(10); в) 248(10).

6. а) 81(10); б) –40(10); в) –24(10).

7. а) 18509(10); б) 28180(10).

8. а) 28882(10); б) –19070(10).

9. а) 0110010010010101; б) 1000011111110001.

10. а) –363,15625; б) –487,15625.

11. а) C075228000000000; б) 408B9B0000000000.

Вариант 3

1. а) 905(10); б) 504(10); в) 515(10).

2. а) 010010010100(2-10); б) 001000000100(2-10); в) 01110000(2-10).

3. Информатика.

4. 50 72 6F 63 65 64 75 72 65.

5. а) 207(10); б) 210(10); в) 226(10).

6. а) 98(10); б) –111(10); в) –95(10).

7. а) 19835(10); б) 22248(10).

8. а) 18156(10); б) –28844(10).

9. а) 0111100011001000; б) 1111011101101101.

10. а) 334,15625; б) 367,15625.

11. а) C07C08C000000000; б) C0811B0000000000.

Вариант 4

1. а) 483(10); б) 412(10); в) 738(10).

2. а) 001101011000(2-10); б) 100010010010(2-10); в) 010101000110(2-10).

3. Computer.

4. 84 88 91 8A 8E 82 8E 84.

5. а) 185(10); б) 224(10); в) 193(10).

6. а) 89(10); б) –65(10); в) –8(10).

7. а) 29407(10); б) 25342(10).

8. а) 23641(10); б) –23070(10).

9. а) 0111011101000111; б) 1010110110101110.

10. а) 215,15625; б) –143,375.

11. а) C071760000000000; б) 407FF28000000000.

 

Отчет должен содержать:

1.    Тему и цель работы.

2.     Решить задачи и упражнения  

3.     Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит содержание 1-й и 2-й теорем Шеннона?

2. Как получить прямой и дополнительный коды целого числа?

Практическая работа №2

Тема работы: Кодирование текстовой, графической, звуковой информации

Цель работы: -закрепить пройденный материал  

Теоретическая часть:

Для кодирования символов национальных алфавитов используется расширение кодовой таблицы ASCII,  то есть 8-ми разрядные коды от 128 до 255. В языках использующих кириллический алфавит, в том числе русском, пришлось полностью менять вторую половину таблицы ASCII, приспосабливая ее под кириллический алфавит. Но отсутствие согласованных стандартов привело к появлению различных кодовых таблиц для кодирования русскоязычных текстов, среди которых альтернативная кодовая таблица CP-866 международный стандарт ISO 8859 кодовая таблица фирмы Microsoft CP-1251 (кодировка Windows) кодовая таблица, применяемая в ОС Unix  KOI 8-r

Кодовая таблица Windows (CP-1251)

Альтернативная кодовая таблица

Сравните: в альтернативной кодировке русский прописной символ А имеет код 128,а в кодировке Windows - 192.

Решите примеры.

Пример 1. Сколько бит памяти компьютера занимает слово МИКРОПРОЦЕССОР?

Прежде, чем приступить к решению примера, вспомним,

какой объем памяти занимает один символ компьютерного текста.

В чем заключается принципа последовательного кодирования алфавита?

Пример 2. Что зашифровано последовательностью десятичных кодов: 108 105 110 107, если буква i в таблице кодировки символов имеет десятичный код 105?

Соблюдается ли принцип последовательного кодирования в кодовых страницах?

Выясним это, решив следующий пример.

Пример 3. С помощью последовательности десятичных кодов: 225 232 242 зашифровано слово бит. Найти последовательность десятичных кодов этого же слова, записанного заглавными буквами.

Самостоятельная решить примеры

4. Свободный объем оперативной памяти компьютера 640 Кбайт. Сколько страниц книги поместится в ней, если на странице 16 строк по 64 символа в строке?

5. Текст занимает полных 10 секторов на односторонней дискете объемом 180 Кбайт. Дискета разбита на 40 дорожек по 9 секторов. Сколько символов содержит текст?

Кодирование графической информации

Форму представления на экране дисплея графического изображения, состоящего из отдельных точек (пикселей), называют растровой. Минимальным объектом в растровом графическом редакторе является точка (пиксель -- picture element). Разрешающая способность монитора (количество точек по горизонтали и вертикали), а также число возможных цветов каждой точки определяются типом монитора. Например: 640 480= 307 200 точек, 800 600= 480 000 точек. 1 пиксель черно-белого экрана кодируется 1 битом информации. Количество различных цветов и битовая глубина (число разрядов, используемых для кодировки цвета)  связаны формулой:

Зависимость цветовой палитры монитора от информационной емкости одного пикселя: 4 бита -- 16 цветов, 8 бит -- 256 цветов. Объем памяти, необходимой для хранения графического изображения, занимающего весь экран, равен произведению количества пикселей (разрешающей способности) на число бит, кодирующих одну точку. Объем графического файла в битах определяется как произведение количества пикселей на разрядность цвета (битовую глубину)

Например, при разрешении  и количестве цветов 16 (4 бита) объем памяти равен: (бит) или  Кбайт

Объемы видеопамяти для мониторов с различными разрешающей способностью и цветовой палитрой  представлены ниже.

Бит/пиксель	4 бита	8 бит	16 бит	24 бита
Число цветов	цв	цв	цв	цв
640 480	150 Кбайт	300 Кбайт	600 Кбайт	900 Кбайт
800 600	234,4 Кбайт	468,8 Кбайт	937,6 Кбайт	1,4 Мбайт
1024 768	384 Кбайт	768 Кбайт	1,5 Мбайт	2,25 Мбайт
1280 1024	640 Кбайт	1,25 Мбайт	2,5 Мбайт	3,75 Мбайт

 

 Ввод и хранение в ЭВМ технических чертежей, состоящих из отрезков, дуг, окружностей осуществляется в векторной форме. Минимальной единицей, обрабатываемой векторным графическим редактором, является объект (прямоугольник, круг, дуга). Для каждой линии указывается ее тип: тонкая, штрихпунктирная и т.д. Хранение информации в векторной форме на несколько порядков сокращает необходимый объем памяти по сравнению с растровой.

Кодирование видеоинформации. Видеоинформация включает в себя последовательность кадров и звуковое сопровождение. Так как объемом звуковой составляющей видеоклипа можно пренебречь, то объем видеофайла примерно равен произведению количества информации в каждом кадре на число кадров. Число кадров вычисляется как произведение длительности видеоклипа на скорость кадров , то есть их количество в 1 с: При разрешении 800*600 точек, разрядности цвета C=16, скорости кадров v=25 кадров/c, видеоклип длительностью 30 с будет иметь объем: бит байт Мбайт

Растровая и векторная графика

Существуют три основных способа кодирования графической информации: растровый; векторный; фрактальный. 

Растровая

Фотографии, произведения живописи, картинки с плавными переходами цветов обычно представляются в компьютере как растровые изображения. Для редактирования растровых изображений существуют специальные программные средства - графические растровые редакторы. Многие из них предназначены только для просмотра изображений и, возможно, некоторой коррекцией (яркости, контрастности, цветового баланса). Другие же являются мощными средствами не только для коррекции, но и для комбинирования фрагментов различных изображений (создания коллажей), а также для собственно рисования (Paint, Adobe PhotoShop, Gimp). Следует заметить, что рисовать «с нуля» в редакторах растровой графики, хотя это и возможно,  довольно сложно. Для этой цели лучше подходят редакторы так называемой векторной графики.Растровый формат графического файла характеризуется тем, что все изображение по вертикали и горизонтали разбивается на достаточно мелкие прямоугольники - так называемые элементы изображения, или пикселы (от английского pixel - picture element). В файле, содержащем растровую графику, хранится информация о цвете каждого пиксела данного изображения. Чем меньше прямоугольники, на которые разбивается изображение, тем больше разрешение (resolution), то есть, тем более мелкие детали можно закодировать в таком графическом файле. Размер (size) изображения, хранящегося в файле, задается в виде числа пикселов по горизонтали (width) и вертикали (height). Для примера, оптимальное разрешение 15-дюймового монитора, как правило, составляет 1024×768. Растровые изображения плохо переносят масштабирование. Увеличение размеров картинки обычно приводит к ухудшению ее качества (проявляется зернистость). Редактирование растрового изображения сводится к замене старых пикселей на новые. 

Форматы графических файлов

Существует множество форматов файлов растровой графики, и каждый из них предусматривает собственный способ кодирования информации об изображении. Основные из них:

Формат	Максимальное число бит / пиксел	Максимальное число цветов	Максимальный размер изображения, пиксел
BMP	24	16 777 216	65535 × 65535
GIF	8	256	65535 × 65535
JPEG	24	16 777 216	65535 × 65535
PCX	24	16 777 216	65535 × 65535
PNG	48	281 474 976 710 656	2 147 483 647 × 2 147 483 647
TIFF	24	16 777 216	всего 4 294 967 295

 

Из большого числа форматов графических файлов наиболее широко используются только два - GIF и JPEG.

 GIF-формат 

Популярный формат GIF разработан фирмой CompuServe, как не зависящий от аппаратного обеспечения. Он предназначен для хранения растровых изображений с сжатием. В одном файле этого формата может храниться несколько изображений. Обычно эта возможность используется для хранения анимированных изображений (как набор кадров). 

GIF-формат позволяет записывать изображение «через строчку» (Interlaced), благодаря чему, имея только часть файла, можно увидеть изображение целиком, но с меньшим разрешением. Эта возможность широко применяется в Интернет. Сначала вы видите картинку с грубым разрешением, а по мере поступления новых данных ее качество улучшается. Основное ограничение формата GIF состоит в том, что цветное изображение может содержать не более 256 цветов.

JPEG-формат 

Формат файла JPEG (Joint Photographic Experts Group - Объединенная экспертная группа по фотографии) был разработан компанией C-Cube Microsystems, как эффективный метод хранения изображений с большой глубиной цвета, например, получаемых при сканировании фотографий с многочисленными едва уловимыми (а иногда и неуловимыми) оттенками цвета. 

Самое большое отличие формата JPEG от других форматов состоит в том, что в JPEG используется алгоритм сжатия с потерями (а не алгоритм без потерь).

 Алгоритм сжатия без потерь так сохраняет информацию об изображении, что распакованное изображение в точности соответствует оригиналу. При сжатии с потерями приносится в жертву часть информации об изображении, чтобы достичь большего коэффициента сжатия. 

Сжатие, используемое в формате JPEG, необратимо искажает изображение. Это не заметно при его простом просмотре, но становится явным при последующих манипуляциях. Зато размер файла получается от 10 до 500 раз меньше, чем BMP.   

GIF-формат удобен при работе с рисованными картинками. 

JPEG-формат лучше использовать для хранения фотографий и изображений с большим количеством цветов. 

Для создания анимации и изображений с прозрачным фоном применяется GIF-формат. 

Форматы видеофайлов

 MPEG (Moving Pictures Expert Group) – группа специалистов, объединившихся под эгидой Международной организации по стандартизации (International Standards Organization (ISO) для разработки стандартов для сжатия цифрового видео и аудио. Члены группы представляли различные компании и страны и существенно улучшили действовавший в то время стандарт, положив начало новым стандартам, таким как MPEG -1, MPEG -2, MPEG -3, MPEG -4 и т.д.

 QuickTime – это также стандарт ИСО для цифровых медиа. Он поддерживает аудио-, видеофайлы, анимацию, интерактивные возможности.

 AVI – видеоформат для операционной системы MS Windows. Количество .avi-файлов в сети Интернет постоянно увеличивается. Для их использования применяется программа Media Player; .avi-файлы могут быть преобразованы в файлы формата QuickTime (с расширением .mov).  

Векторная

Векторная графика - математическое описание изображения. 

Программы векторной графики (CorelDraw, Macromedia Flash, XFig, OpenOffice Draw) незаменимы в тех областях графики, где важное значение имеет сохранение ясных и четких контуров (в картографии, в шрифтовых композициях, в создании логотипов, схем, чертежей). Широкое применение в настоящее время подобные редакторы получили в области дизайна, трехмерного моделирования. При векторном кодировании рисунок представляется в виде комбинации простых геометрических фигур - точек, отрезков прямых и кривых, окружностей, прямоугольников и т.п. Для полного описания рисунка необходимо знать вид и базовые координаты каждой фигуры, например, координаты двух концов отрезка, координаты центра и диаметр окружности и т. д. Вектор - это набор данных, характеризующих какой-либо объект. Такой способ кодирования идеально подходит для рисунков, которые легко представить в виде комбинации простейших фигур.

Фрактальная

В математике существует понятие фрактала – геометрического образования, представляющего собой систему самоподобных фигур, расположенных относительно друг друга закономерным образом. Как форма и размер отдельных элементов, так и их взаимное расположение может быть описано математической формулой.

Пример простого самоподобного фрактала – треугольник Серпинского, придуманный польским математиком Вацлавом Серпинским в 1915 году.

Фрактальная графика, как и векторная - вычисляемая но отличается от нее тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнении), поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменив коэффициенты в уравнении, можно получить совершенно другую картину. Таким способом строят как простейшие регулярные структуры, так и сложные иллюстрации, имитирующие природные ландшафты и трехмерные объекты. 

Кодировка звуковой информации

Кодирование и обработка звуковой информации

Звуковая информация. Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну с непрерывно меняющейся интенсивностью и частотой.

Человек воспринимает звуковые волны (колебания воздуха) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона. Чем больше интенсивность звуковой волны, тем громче звук, чем больше частота волны, тем выше тон звука (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Зависимость громкости и высоты тона звука от интенсивности и частоты звуковой волны

Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (высокий звук).

Человек может воспринимать звук в огромном диапазоне интенсивностей, в котором максимальная интенсивность больше минимальной в 1014 раз (в сто тысяч миллиардов раз). Для измерения громкости звука применяется специальная единица "децибел" (дбл) (табл. 5.1). Уменьшение или увеличение громкости звука на 10 дбл соответствует уменьшению или увеличению интенсивности звука в 10 раз.

Таблица 5.1. Громкость звука

Звук Громкость в децибелах Нижний предел чувствительности человеческого уха 0 Шорох листьев 10 Разговор 60 Гудок автомобиля 90 Реактивный двигатель 120 Болевой порог 140

Временная дискретизация звука. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму с помощью временной дискретизации. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, для каждого такого участка устанавливается определенная величина интенсивности звука.

Таким образом, непрерывная зависимость громкости звука от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность "ступенек" (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Временная дискретизация звука

Частота дискретизации. Для записи аналогового звука и г го преобразования в цифровую форму используется микрофон, подключенный к звуковой плате. Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за I секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее "лесенка" цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала.

Частота дискретизации звука - это количество измерений громкости звука за одну секунду.

Частота дискретизации звука может лежать в диапазоне от 8000 до 48 000 измерений громкости звука за одну секунду.

Глубина кодирования звука. Каждой "ступеньке" присваивается определенное значение уровня громкости звука. Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний N, для кодирования которых необходимо определенное количество информации I, которое называется глубиной кодирования звука.

Глубина кодирования звука - это количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука.

Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитать по формуле N = 2I. Пусть глубина кодирования звука составляет 16 битов, тогда количество уровней громкости звука равно: N = 2I = 216 = 65 536.

В процессе кодирования каждому уровню громкости звука присваивается свой 16-битовый двоичный код, наименьшему уровню звука будет соответствовать код 0000000000000000, а наибольшему - 1111111111111111.

Качество оцифрованного звука. Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука. Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефонной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим "моно"). Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио-CD, достигается при частоте дискретизации 48 000 раз в секунду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим "стерео").

Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла. Можно оценить информационный объем цифрового стереозвукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука (16 битов, 24 000 измерений в секунду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду й умножить на 2 (стереозвук):

16 бит  24 000  2 = 768 000 бит = 96 000 байт = 93,75 Кбайт.

.

Ход работы:

Выполнить задания

1.22. Задание с выборочным ответом. Звуковая плата производит двоичное кодирование аналогового звукового сигнала. Какое количество информации необходимо для кодирования каждого из 65 536 возможных уровней интенсивности сигнала? 1) 16 битов; 2) 256 битов; 3) 1 бит; 4) 8 битов.

1.23. Задание с развернутым ответом. Оценить информационный объем цифровых звуковых файлов длительностью 10 секунд при глубине кодирования и частоте дискретизации звукового сигнала, обеспечивающих минимальное и максимальное качество звука: а) моно, 8 битов, 8000 измерений в секунду; б) стерео, 16 битов, 48 000 измерений в секунду.

1.24. Задание с развернутым ответом. Определить длительность звукового файла, который уместится на дискете 3,5" (учтите, что для хранения данных на такой дискете выделяется 2847 секторов объемом 512 байтов каждый): а) при низком качестве звука: моно, 8 битов, 8000 измерений в секунду; б) при высоком качестве звука: стерео, 16 битов, 48 000 измерений в секунду

Выполнить по вариантам

1.     С помощью кодовой таблицы ASCII декодировать следующее сообщение 01010100 01001111 00100000 01000010 01000101 00100000 01001111 01010010 00100000 01001110 01001111 01010100 00100000 01010100 01001111 00100000 01000010 01000101.

2.  С помощью кодовой таблицы ASCII закодировать в последовательность шестнадцатеричных чисел слово COMPUTER.

3. Зашифруйте данный текст, используя таблицу ASCII-кодов.

4. Дешифруйте данный текст, используя таблицу ASCII-кодов

Вариант 1.

3. IBM PC.

4. 8A AE AC AF EC EE E2 A5 E0.

Вариант 2.

3. Автоматизация.

4. 50 72 6F 67 72 61 6D.

Вариант 3

3. Информатика.

4. 50 72 6F 63 65 64 75 72 65

Вариант 4

3. Computer.

4. 84 88 91 8A 8E 82 8E 84

Отчет должен содержать:

1.     Тему и цель работы.

2.     Решение примеров 

3.     Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Как частота дискретизации и глубина кодирования влияют на качество цифрового звука?

2. Приведите примеры искусственного повышения избыточности кода.

Практическая работа №3

Тема работы: Сборка системного блока. 

Цель работы: научиться правильно устанавливать основные компоненты системного блока.  

Теоретическая часть:

Структура ПК

а) Основные устройства

Системный блок. Внутри него расположены блок питания, плата с центральным процессором (ЦП), видеоадаптер, жесткий диск, звуковая плата, дисководы гибких дисков и другие устройства ввода/вывода информации. Видеоадаптер и контроллеры ввода/ вывода размещены прямо на плате ЦП.

б) Микропроцессоры и системные шины

В IBM РС-совместимых компьютерах используются только микропроцессоры Intel или их клоны, имеющие подобную архитектуру. Шины. С основными устройствами компьютера микропроцессор связан через системную шину. По этой шине осуществляется не только передача информации, но и адресация устройств, а также обмен специальными служебными сигналами. Как правило, подключение дополнительных устройств к системной шине производится через разъемы расширения.В недалеком прошлом использовались две стандартные локальные шины: VL-bus (VESA Local-bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect).Сейчас практически все новые выпускаемые шины – AGP(Advanced Graphic Port) Для подключения устройств к таким шинам на системной плате компьютера имеются специальные разъемы, PCI Express(1-3).

Процессор. Опр. Процессор, центральное устройство ЦВМ, выполняющее заданные программой преобразования информации и осуществляющее управление всем вычислительным процессом и взаимодействием устройств вычислительной машины.Осуществляет выполнение программ, работающих на компьютере, и управляет работой остальных устройств компьютера. Скорость его работы во многом определяет быстродействие компьютера. В IВМ РС используются микропроцессоры, разработанные фирмой Intel, а иногда — совместимые с ними микропроцессоры других фирм.

Микропроцессоры отличаются друг от друга двумя характеристиками: типом (моделью) и тактовой частотой. Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту — чем выше тактовая частота, тем выше производительность и цена микропроцессора. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц). Следует заметить, что разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции (например, сложение или умножение) за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

в) Контролеры

Опр.Контроллер (англ. controller, буквально — управитель), электрический аппарат низкого напряжения, предназначенный для пуска, регулирования скорости, реверсирования и электрического торможения электродвигателей постоянного и переменного тока. Посредством К. изменяют электрическое сопротивление в цепи управления, схемы соединений силовых цепей и цепей возбуждения электродвигателей. Управление К. производится обычно вручную рукояткой или маховичком; для дистанционного управления применяют сервомоторы. Конструктивно К. представляют собой многоступенчатые плоские, барабанные или кулачковые контактные переключатели. Плоские К. применяют главным образом там, где требуется большое число ступеней переключения, — для пуска и регулирования электродвигателей мощностью до 30—40 квт. Барабанные К. чаще других применяют для непосредственного управления электродвигателями мощностью 45 квт постоянного и 75 квт переменного тока. При вращении барабана медные сегментные контакты соприкасаются с неподвижными, образуя различные схемы соединения в цепях управления электродвигателя. Для управления более мощными электродвигателями с большим числом включений (до 600 в час) более надёжными оказываются кулачковые К. с перекатывающимися контактами, которые по сравнению со скользящими имеют значительно большую износостойкость.

Все устройства на системной шине микропроцессор рассматривает либо как адресуемую память, либо как порты ввода-вывода. Под портом понимают некую схему сопряжения, которая обычно включает в себя один или несколько регистров ввода-вывода (особых ячеек   памяти). О совершении некоего события микропроцессор может узнать по сигналу, называемому прерыванием. Опр.Прерывание - сигнал, по которому компьютер прекращает выполнение текущей программы и начинает выполнять служебную программу.Обычно прерывания подразделяются на аппаратные, логические и программные. Аппаратные прерывания (IRQ) передаются по специальным линиям системной шины и связаны с запросами от внешних устройств (например, нажатие клавиши на клавиатуре). Логические прерывания возникают при работе самого микропроцессора (например, деление на ноль), а программные инициируются выполняемой программой и обычно используются для вызова специальных подпрограмм.

г) Память Rom, Ram.

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ КОМПЬЮТЕРА — память для загрузки компьютера и работы с часто востребованными данными и программами с большей скоростью. Сохраняет содержащиеся в нем данные только, когда компьютер подключен к электросети; при отключении от нее эти данные стираются.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)  - энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных.

Внешняя память - это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер

Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory). Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

Дополнительная (expanded) память. Почти на всех персональных компьютерах область памяти UMB редко оказывается заполненной полностью. Пустует, как правило, область расширения системного ROM BIOS или часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Ехpanded Memory Specification), впервые разработанная фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM- cпeцификацией). Эта спецификация позволяет использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В области UMB, между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое 64-Кбайтное "окно", которое разбито на страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой сегмент дополнительной памяти в любую из выделенных страниц "окна(TM). Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на несколько мегабайт В компьютерах на процессоре i8088 для реализации дополнительной памяти должны применяться специальные платы с аппаратной поддержкой "подкачки" блоков (страниц) памяти и соответствующий программный драйвер. Разумеется, платы дополнительной памяти могут устанавливаться и в компьютер на базе процессоров i80286 и выше модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Ехpanded Memory Specification),впервые разработанная фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM - cпeцификацией).Эта спецификация позволяет использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ.Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В области UMB, между видеобуфером и системным RGM BIOS, выделяется незанятое 64-Кбайтное "окно", которое разбито на страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой сегмент дополнительной памяти в любую из выделенных страниц "окна”. Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в "окне" (адрес ниже 1 Мбайта), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно "окна" на несколько .В компьютерах на процессоре i8088 для реализации дополнительной памяти должны применяться специальные платы с аппаратной поддержкой "подкачки" блоков (страниц) памяти и соответствующий программный драйвер.Разумеется, платы дополнительной памяти могут устанавливаться и в компьютер на базе процессоров i80286 и выше.Расширенная (extended) память. Компьютеры, использующие процессор l80286 с 24-разрядными адресными шинами, физически  могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 - 4 Гбайта памяти.Такая возможность имеется только для защищенного режима работы процессора, который операционная система MS-DOS не поддерживает. Расширенная память (extended) располагается выше области адресов 1 Мбайт (не надо путать 1 Мбайт ОЗУ и 1 Мбайт адресного пространства). Для работы с расширенной памятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. Аппаратную поддержку в этом случае должен обеспечивать микропроцессор не ниже i80386 или вспомогательный набор специальных микросхем (например, наборы NEAT фирмы Chips and Technologies). Следует заметить, что многие платы памяти, поддерживающие стандарт LIM/EMS, могут использоваться также и в качестве расширенной памяти.

Кэш-память.

Кэш-память - очень быстрое запоминающее устройство небольшого объема, которое используется при обмене данными между процессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальный контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.

Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, например как динамическая память с быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных накопителей, и микропроцессора.Соответствующий контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались в кэш-памяти.

д) Жесткий диск

Накопители на жёстком диске (винчестеры) предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов,трансляторов с языков программирования и т.д. Ёмкость диска. Для пользователя накопители не жёстком диске отличаются друг от друга прежде всего своей ёмкостью. Сейчас компьютеры в основном оснащаются винчестерами от 520 Мбайт и более. Скорость работы диска. Скорость работы диска характеризуется двумя показателями: 1)Временем доступа к данным на диске. 2) Скоростью чтения и записи данных на диск.Эти характеристики соотносятся друг с другом приблизительно так же, как время разгона и максимальная скорость автомобиля. При чтении или записи коротких блоков данных, расположенных в разных участках диска, скорость работы определяется временем доступа к данным ,Зато при чтении или записи данных (в десятки и сотни килобайт) файлов гораздо важнее пропускная способность тракта обмена с диском. Следует заметить, что время доступа и скорость чтения - записи зависят не только от самого дисковода, но от параметров всего тракта обмена с диском: от быстродействия контроллера диска, системной шины и основного микропроцессора компьютера.

Ход работы: