Міністерство науки і освіти України
Слов'янський державний педагогічний університет
Інформація, інформатика,
подання інформації.
Студента 3 курсу
Шрам Сергія
1. Інформація, інформатика,
подання інформації.
Поняття про інформацію
Незважаючи на те, що людині постійно доводиться мати справу з інформацією (він отримує її за допомогою органів почуттів), суворого наукового визначення, що ж таке інформація, не існує. У тих випадках, коли наука не може дати чіткого визначення якогось предмета чи явища, люди користуються поняттями.
Поняття відрізняються від визначень тим, що різні люди за різних обставин можуть вкладати в них різний зміст. У побутовому сенсі під інформацією звичайно розуміють ті відомості, які людина отримує від навколишньої природи і суспільства за допомогою органів почуттів. Спостерігаючи за природою, спілкуючись з іншими людьми, читаючи книги й газети, переглядаючи телевізійні передачі, ми отримуємо інформацію.
Математик розгляне це поняття ширше і включить до нього ті відомості, які людина не отримувала, а створив сам за допомогою умовиводів. Біолог ж піде ще далі і віднесе до інформації і ті дані, які людина не отримувала за допомогою органів почуттів і не створив у своєму розумі, а зберігає в собі з моменту народження і до смерті. Це генетичний код, завдяки якому діти так схожі на батьків.
Отже, в різних наукових дисциплінах і в різних областях техніки існують різні поняття про інформацію. Нам же, приступаючи до вивчення інформатики, треба знайти щось спільне, що об'єднує різні підходи. І така спільна риса є. Усі галузі науки і техніки, які мають справу з інформацією, сходяться в тому, що інформація володіє чотирма властивостями. Інформацію можна: створювати, передавати (і, відповідно, приймати), зберігати та обробляти.
Кожна дисципліна вирішує ці питання по-різному. У нашому навчальному посібнику ми розглянемо ті кошти, які для цього надає інформатика.
Інформатика
Інформатика - це технічна наука, систематизує прийоми створення, зберігання, обробки і передачі інформації засобами обчислювальної техніки, а також принципи функціонування цих засобів та методи керування ними.
З цього визначення видно, що інформатика дуже близька до технології, оскільки відповідає на питання як ..?
• Як приймати і зберігати інформацію?
• Як обробляти інформацію і перетворювати її у форму, зручну для людини?
• Як використовувати обчислювальну техніку з найбільшою ефективністю?
• Як використовувати досягнення інших наук для створення нових засобів обчислювальної техніки?
• Як керувати технічними засобами за допомогою програм?
Тому не випадково предмет, вивченням якого займається інформатика, нерідко називають інформаційною технологією або комп'ютерною технологією.
Важливим у нашому визначенні є те, що у інформатики є як би дві сторони. З одного боку, вона займається вивченням пристроїв і принципів дії засобів обчислювальної техніки, а з іншого боку - систематизацією прийомів і методів роботи з програмами, які керують цією технікою.
Коротка історія інформатики
Коріння інформатики лежать в іншій науці - кібернетиці. Поняття «кібернетика» вперше з'явилося в першій половині XIX століття, коли французький фізик Андре Марі Ампер, відомий нам зі шкільного курсу фізики за законом Ампера, вирішив створити єдину класифікацію усіх наук, як існували в той час , так і гіпотетичних (які не існували, але, на його думку, повинні були б існувати). Він припустив, що повинна існувати якась наука, що займається вивченням мистецтва управління. Ампер не мав на увазі управління технічними системами, оскільки складних технічних систем в ті часи ще не було. Він мав на увазі мистецтво управління людьми, тобто суспільством. Цю неіснуючу науку Ампер назвав кібернетикою від грецького слова кібернетікос (майстерний в управлінні). У Древній Греції цього титулу удостоювалися кращі майстри управління бойовими колісницями.
Згодом слово кібернетікос було запозичене римлянами - так в латинській мові з'явилося слово губернатор (керуючий провінцією). Сьогодні вже важко здогадатися, що слова «кібернетика» і «губернатор» мають одне походження, але це так.
З тих пір про кібернетику забули більш, ніж на сто років. У 1948 році видатний американський математик Норберт Вінер, праці якого з математичної логіки лягли в основу зародження тоді програмування обчислювальної техніки, знову відродив термін «кібернетика» і визначив її як науку про управління в живій природі і в технічних системах. Це визначення виявилося дуже спірним. Змішування живої природи і технічних систем в одній дисципліні призвело до різкого заперечення такого визначення вченими багатьох країн. Особливо сильній критиці зарождавшаяся кібернетика зазнала в Радянському Союзі. У більшості країн світу наукова дискусія призвела до розколу в наукових колах, а в СРСР, де кібернетика отримала навіть політичне засудження, роботи в цій області були взагалі припинені на багато років, що болісно позначається і до цього дня.
Так через спірний визначення в молодій зароджується науці стався розкол. Сьогодні кібернетика продовжує вивчати зв'язок між психологією та математичною логікою, розробляє методи створення штучного інтелекту, але поряд з нею вже діє інша, яка відокремилася від неї наука. Вона займається проблемами застосування засобів обчислювальної техніки для роботи з інформацією. У Великобританії і США цю науку називають computer science (наука про обчислювальної техніки). У Франції вона отримала іншу назву - informatique (інформатика). Звідти ця назва і прийшло до нас в Україну і Росію, а також у деякі інші країни Східної Європи.
Інформація аналогова і цифрова
Інформацію можна класифікувати різними способами, і різні науки роблять це по-різному. Наприклад, у філософії розрізняють інформацію об'єктивну і суб'єктивну. Об'єктивна інформація відображає явища природи і людського суспільства. Суб'єктивна інформація створюється людьми і відображає їх погляд на об'єктивні явища.
Для криміналістики, наприклад, дуже важливо, що інформація буває повною і неповною, істинною і помилковою, достовірної та недостовірною. Юристи розглядають інформацію як факти. Фізики ж розглядають інформацію як сигнали - для них найбільш важлива передача інформації, оскільки фізика вивчає закони природи, що лежать в основі поширення сигналів різних видів (оптичних, звукових, електромагнітних та інших). Біологія вивчає методи обміну інформацією між тваринами, генетика вивчає передачу інформації у спадщину за допомогою генів, а лінгвістика вивчає методи кодування і вираження інформації мовними методами.
Кожна наука, що займається питаннями, пов'язаними з інформацією, впроваджує свою систему класифікації. Для інформатики найголовнішим питанням є те, яким чином використовуються засоби обчислювальної техніки для створення, зберігання, обробки і передачі інформації, тому у інформатики особливий підхід до класифікації інформації. В інформатиці окремо розглядають аналогову інформацію та цифрову. Це важливо, оскільки людина завдяки своїм органам почуттів, звик мати справу з аналоговою інформацією, а обчислювальна техніка, навпаки, в основному працює з цифровою інформацією.
Людина так влаштована, що сприймає інформацію за допомогою органів почуттів. Світло, звук і тепло - це енергетичні сигнали, а смак і запах - це результат впливу хімічних сполук, в основі якого теж енергетична природа. Людина відчуває енергетичні впливу безперервно і може ніколи не зустрітися з однією і тією ж їх комбінацією двічі. Ми не знайдемо двох однакових зелених листків на одному дереві і не почуємо двох абсолютно однакових звуків - це інформація аналогова. Якщо ж різним кольорам дати номери, а різним звукам - ноти, то аналогову інформацію можна перетворити у цифрову.
Музика, коли ми її чуємо, несе аналогову інформацію, але варто тільки записати її нотами, як вона стає цифровою. Ми легко розрізнити різницю в одній і тій же ноті, якщо виконати її на фортепіано і на флейті, хоча на папері ці ноти виглядають однаково.
Різниця між аналоговою інформацією і цифровою перш за все в тому, що аналогова інформація неперервна, а цифрова - дискретна. Якщо у художника в палітрі тільки одна зелена фарба, то безперервну нескінченність зелених кольорів листя він передасть дуже грубо, і всі дерева на картині будуть мати однаковий колір. Якщо у художника три різні зелені фарби, то передача кольору вже буде трохи більш точною. Для більшої точності передачі аналогової інформації про живу природу художники змішують різні фарби і отримують велику кількість відтінків.
Аналого-цифрове перетворення
Перетворення інформації з аналогової форми в цифрову називають аналогово-цифровим перетворенням (АЦП).
Приклади аналогової інформації відомі нам зі шкільного курсу математики. Графіки безперервних функцій виражають аналогову інформацію.
1. На малюнку показано графік функції Y = X 2. Це графік неперервної функції.
2. Той же самий графік після перетворення в цифрову форму виглядає інакше - набагато грубіше.
3. Похибка, яка виникає при такому перетворенні, називається похибкою оцифрування.
4. Перетворення можна зробити менш грубим, якщо стовпчики діаграми поставити частіше (так зменшується дискретність).
5. Чим менше дискретність, тим ближче цифрова інформація до аналогової і менше похибка оцифрування.
Ви бачите, що при зменшенні дискретності на діаграмі стає більше стовпчиків. Якщо дискретність зробити дуже маленькою, то точність представлення безперервної аналогової інформації у вигляді послідовності чисел можна зробити дуже високою, але і стовпчиків у діаграмі буде більше. Тому чим ближче цифрова інформація наближається за якістю до аналогової, тим більше обчислень доводиться виконувати комп'ютера, а значить, тим більше інформації йому треба зберігати й обробляти.
Чим могутніше комп'ютер, тим більше інформації він може обробити в одиницю часу. Чим швидше комп'ютер обробляє інформацію, тим вище якість зображення, краще звук і точніше результати розрахунків, але тим дорожче обходиться людям прийом, передача та обробка інформації.
6. Праворуч показані два «однакових» малюнка, отримані з Інтернету. Витрати часу (і коштів) на прийом другого малюнка в десять разів вище, тому що він містить більше інформації.
Пристрої аналогові і цифрові
Органи почуттів людини так влаштовані, що він здатний приймати, зберігати та обробляти аналогову інформацію. Багато пристроїв, створені людиною, теж працюють з аналоговою інформацією.
1. Телевізор - це аналоговий пристрій. Усередині телевізора є кінескоп. Промінь кінескопа безперервно переміщується по екрану. Чим сильніше промінь, тим яскравіше світиться точка, до якої він потрапляє. Зміна свічення точок відбувається плавно і безперервно.
2. Монітор комп'ютера теж схожий на телевізор, але це пристрій цифрове. У ньому яскравість променя змінюється не плавно, а стрибком (дискретно). Промінь або є, або його немає. Якщо він є, ми бачимо яскраву точку (білу чи кольорову). Якщо променя немає, ми бачимо чорну крапку. Тому зображення на екрані монітора виходять більш чіткими, ніж на екрані телевізора.
3. Програвач грамплатівок - аналоговий пристрій. Чим більше висота нерівностей на звуковій доріжці, тим голосніше звучить звук.
4. Телефон - теж аналогове пристрій. Чим голосніше ми говоримо в трубку, тим вище сила струму, що проходить по дротах, тим голосніше звук, який чує наш співрозмовник.
До цифровим пристроям відносяться персональні комп'ютери - вони працюють з інформацією, представленої в цифровій формі. Цифровими також є музичні програвачі лазерних компакт-дисків, тому музичні компакт-диски можна відтворювати на комп'ютері.
Нещодавно розпочалося створення цифрового телефонного зв'язку, а в найближчі роки очікується і поява цифрового телебачення. У деяких містах України та Росії вже працюють цифрові телевізійні станції. Після того як телебачення стане цифровим, якість зображення на екрані телевізора набагато покращиться - воно стане ближче до якості зображення на екрані комп'ютерного монітора.
Поняття про кодування інформації
Інформація передається у вигляді сигналів. Коли ми розмовляємо з іншими людьми, то вловлюємо звукові сигнали. Якщо ми дивимося у вікно, наше око приймає світлові потоки, відбиті від об'єктів навколишньої природи. Світловий потік - це теж сигнал.
А як же інформація зберігається? Для того щоб інформацію зберегти, її треба закодувати. Будь-яка інформація завжди зберігається у вигляді кодів. Коли ми щось пишемо в зошиті, ми насправді кодуємо інформацію за допомогою спеціальних символів. Ці символи всім знайомі - вони називаються літерами. І система такого кодування теж добре відома - це звичайна абетка. Жителі інших країн ті ж самі слова запишуть по-іншому (іншими літерами) - у них своя абетка. Можна сказати, що у них інша система кодування. У деяких країнах замість букв використовують ієрогліфи - це ще більш складний спосіб кодування інформації.
Можна кодувати і звуки. З однією з таких систем кодування ви теж добре знайомі: мелодію можна записати за допомогою нот. Це не єдина система кодування музики. У давні часи на Русі музику записували за допомогою так званих «гаків» - це особлива форма запису.
Зберігати можна не тільки текстову та звукову інформацію. У вигляді кодів зберігаються і зображення. Якщо подивитися на малюнок з допомогою збільшувального скла, то видно, що він складається з точок - це так званий растр. Координати кожної точки можна запам'ятати у вигляді чисел. Колір кожної точки також можна запам'ятати у вигляді числа. Ці числа можуть зберігатися в пам'яті комп'ютера і передаватися на будь-які відстані. За ним комп'ютерні програми здатні зобразити малюнок на екрані або надрукувати його на принтері. Зображення можна зробити більше або менше, темніше або світліше, його можна повернути, нахилити, розтягнути. Ми говоримо про те, що на комп'ютері обробляється зображення, але насправді комп'ютерні програми змінюють числа, якими окремі точки зображення представлені в пам'яті комп'ютера.
Зберігання цифрової інформації. Біт
Ви вже знаєте, що комп'ютери воліють працювати з цифровою інформацією, а не з аналогової. Так відбувається тому, що цифрову інформацію дуже зручно кодувати, а значить, її зручно зберігати і обробляти.
Комп'ютер працює з інформацією за принципом «розділяй і володарюй». Якщо це книга, то вона ділиться на глави, розділи, абзаци, речення, слова і букви (тобто, символи). Комп'ютер окремо працює з кожним символом. Якщо це малюнок, то комп'ютер працює з кожною точкою цього малюнка окремо.
Питається, а до яких же пір можна ділити інформацію? Буква - це найменша частина інформації? Виявляється, немає. Існує багато різних букв, і, для того щоб комп'ютер міг розрізняти літери, їх теж треба кодувати. У телеграфної азбуки, наприклад, літери кодую г з допомогою точок і тире:
Крапки і тире - це дійсно найбільша мала частина інформації, але в інформатиці кодом телеграфної абетки не користуються. Замість крапок і тире застосовують нулі і одиниці - такий код називається двійковим. По-англійськи двійковий знак звучить як binary digit Скорочено виходить bit (біт).
Біт - це найменша одиниця інформації, яка виражає логічне значення. Так або Ні і позначається двійковим числом 1 або 0.
Якщо якась інформація представлена в цифровому вигляді, то комп'ютер легко перетворює числа, якими вона закодована, в послідовності нулів та одиниць, а далі вже працює з ними. Ви теж можете перетворити будь-яке число в двійкову форму. Робиться це в такий спосіб.
1. Беремо, наприклад, число 29. Оскільки це число непарне, віднімаємо від нього одиницю, записуємо її окремо, а число ділимо навпіл. Вийшло 14.
2. Число 14 - парне. Віднімати від нього одиницю не потрібно, тому ліворуч від «запомненной» одиниці запишемо 0. Число ділимо навпіл, отримуємо 7.
3. Число 7 - знову непарне. Віднімаємо від нього одиницю, записуємо її окремо і ділимо число навпіл. Виходить 3.
4. Число 3 - непарне. Віднімаємо одиницю, записуємо її окремо, і результат ділимо навпіл - отримуємо 1.
5. Останню одиницю вже не ділимо, а просто записуємо ліворуч від отриманого результату.
Слов'янський державний педагогічний університет
Реферат
на тему:Інформація, інформатика,
подання інформації.
Студента 3 курсу
Шрам Сергія
Слов'янськ
20031. Інформація, інформатика,
подання інформації.
Поняття про інформацію
Незважаючи на те, що людині постійно доводиться мати справу з інформацією (він отримує її за допомогою органів почуттів), суворого наукового визначення, що ж таке інформація, не існує. У тих випадках, коли наука не може дати чіткого визначення якогось предмета чи явища, люди користуються поняттями.
Поняття відрізняються від визначень тим, що різні люди за різних обставин можуть вкладати в них різний зміст. У побутовому сенсі під інформацією звичайно розуміють ті відомості, які людина отримує від навколишньої природи і суспільства за допомогою органів почуттів. Спостерігаючи за природою, спілкуючись з іншими людьми, читаючи книги й газети, переглядаючи телевізійні передачі, ми отримуємо інформацію.
Математик розгляне це поняття ширше і включить до нього ті відомості, які людина не отримувала, а створив сам за допомогою умовиводів. Біолог ж піде ще далі і віднесе до інформації і ті дані, які людина не отримувала за допомогою органів почуттів і не створив у своєму розумі, а зберігає в собі з моменту народження і до смерті. Це генетичний код, завдяки якому діти так схожі на батьків.
Отже, в різних наукових дисциплінах і в різних областях техніки існують різні поняття про інформацію. Нам же, приступаючи до вивчення інформатики, треба знайти щось спільне, що об'єднує різні підходи. І така спільна риса є. Усі галузі науки і техніки, які мають справу з інформацією, сходяться в тому, що інформація володіє чотирма властивостями. Інформацію можна: створювати, передавати (і, відповідно, приймати), зберігати та обробляти.
Кожна дисципліна вирішує ці питання по-різному. У нашому навчальному посібнику ми розглянемо ті кошти, які для цього надає інформатика.
Інформатика
Інформатика - це технічна наука, систематизує прийоми створення, зберігання, обробки і передачі інформації засобами обчислювальної техніки, а також принципи функціонування цих засобів та методи керування ними.
З цього визначення видно, що інформатика дуже близька до технології, оскільки відповідає на питання як ..?
• Як приймати і зберігати інформацію?
• Як обробляти інформацію і перетворювати її у форму, зручну для людини?
• Як використовувати обчислювальну техніку з найбільшою ефективністю?
• Як використовувати досягнення інших наук для створення нових засобів обчислювальної техніки?
• Як керувати технічними засобами за допомогою програм?
Тому не випадково предмет, вивченням якого займається інформатика, нерідко називають інформаційною технологією або комп'ютерною технологією.
Важливим у нашому визначенні є те, що у інформатики є як би дві сторони. З одного боку, вона займається вивченням пристроїв і принципів дії засобів обчислювальної техніки, а з іншого боку - систематизацією прийомів і методів роботи з програмами, які керують цією технікою.
Коротка історія інформатики
Коріння інформатики лежать в іншій науці - кібернетиці. Поняття «кібернетика» вперше з'явилося в першій половині XIX століття, коли французький фізик Андре Марі Ампер, відомий нам зі шкільного курсу фізики за законом Ампера, вирішив створити єдину класифікацію усіх наук, як існували в той час , так і гіпотетичних (які не існували, але, на його думку, повинні були б існувати). Він припустив, що повинна існувати якась наука, що займається вивченням мистецтва управління. Ампер не мав на увазі управління технічними системами, оскільки складних технічних систем в ті часи ще не було. Він мав на увазі мистецтво управління людьми, тобто суспільством. Цю неіснуючу науку Ампер назвав кібернетикою від грецького слова кібернетікос (майстерний в управлінні). У Древній Греції цього титулу удостоювалися кращі майстри управління бойовими колісницями.
Згодом слово кібернетікос було запозичене римлянами - так в латинській мові з'явилося слово губернатор (керуючий провінцією). Сьогодні вже важко здогадатися, що слова «кібернетика» і «губернатор» мають одне походження, але це так.
З тих пір про кібернетику забули більш, ніж на сто років. У 1948 році видатний американський математик Норберт Вінер, праці якого з математичної логіки лягли в основу зародження тоді програмування обчислювальної техніки, знову відродив термін «кібернетика» і визначив її як науку про управління в живій природі і в технічних системах. Це визначення виявилося дуже спірним. Змішування живої природи і технічних систем в одній дисципліні призвело до різкого заперечення такого визначення вченими багатьох країн. Особливо сильній критиці зарождавшаяся кібернетика зазнала в Радянському Союзі. У більшості країн світу наукова дискусія призвела до розколу в наукових колах, а в СРСР, де кібернетика отримала навіть політичне засудження, роботи в цій області були взагалі припинені на багато років, що болісно позначається і до цього дня.
Так через спірний визначення в молодій зароджується науці стався розкол. Сьогодні кібернетика продовжує вивчати зв'язок між психологією та математичною логікою, розробляє методи створення штучного інтелекту, але поряд з нею вже діє інша, яка відокремилася від неї наука. Вона займається проблемами застосування засобів обчислювальної техніки для роботи з інформацією. У Великобританії і США цю науку називають computer science (наука про обчислювальної техніки). У Франції вона отримала іншу назву - informatique (інформатика). Звідти ця назва і прийшло до нас в Україну і Росію, а також у деякі інші країни Східної Європи.
Інформація аналогова і цифрова
Інформацію можна класифікувати різними способами, і різні науки роблять це по-різному. Наприклад, у філософії розрізняють інформацію об'єктивну і суб'єктивну. Об'єктивна інформація відображає явища природи і людського суспільства. Суб'єктивна інформація створюється людьми і відображає їх погляд на об'єктивні явища.
Для криміналістики, наприклад, дуже важливо, що інформація буває повною і неповною, істинною і помилковою, достовірної та недостовірною. Юристи розглядають інформацію як факти. Фізики ж розглядають інформацію як сигнали - для них найбільш важлива передача інформації, оскільки фізика вивчає закони природи, що лежать в основі поширення сигналів різних видів (оптичних, звукових, електромагнітних та інших). Біологія вивчає методи обміну інформацією між тваринами, генетика вивчає передачу інформації у спадщину за допомогою генів, а лінгвістика вивчає методи кодування і вираження інформації мовними методами.
Кожна наука, що займається питаннями, пов'язаними з інформацією, впроваджує свою систему класифікації. Для інформатики найголовнішим питанням є те, яким чином використовуються засоби обчислювальної техніки для створення, зберігання, обробки і передачі інформації, тому у інформатики особливий підхід до класифікації інформації. В інформатиці окремо розглядають аналогову інформацію та цифрову. Це важливо, оскільки людина завдяки своїм органам почуттів, звик мати справу з аналоговою інформацією, а обчислювальна техніка, навпаки, в основному працює з цифровою інформацією.
Людина так влаштована, що сприймає інформацію за допомогою органів почуттів. Світло, звук і тепло - це енергетичні сигнали, а смак і запах - це результат впливу хімічних сполук, в основі якого теж енергетична природа. Людина відчуває енергетичні впливу безперервно і може ніколи не зустрітися з однією і тією ж їх комбінацією двічі. Ми не знайдемо двох однакових зелених листків на одному дереві і не почуємо двох абсолютно однакових звуків - це інформація аналогова. Якщо ж різним кольорам дати номери, а різним звукам - ноти, то аналогову інформацію можна перетворити у цифрову.
Музика, коли ми її чуємо, несе аналогову інформацію, але варто тільки записати її нотами, як вона стає цифровою. Ми легко розрізнити різницю в одній і тій же ноті, якщо виконати її на фортепіано і на флейті, хоча на папері ці ноти виглядають однаково.
Різниця між аналоговою інформацією і цифровою перш за все в тому, що аналогова інформація неперервна, а цифрова - дискретна. Якщо у художника в палітрі тільки одна зелена фарба, то безперервну нескінченність зелених кольорів листя він передасть дуже грубо, і всі дерева на картині будуть мати однаковий колір. Якщо у художника три різні зелені фарби, то передача кольору вже буде трохи більш точною. Для більшої точності передачі аналогової інформації про живу природу художники змішують різні фарби і отримують велику кількість відтінків.
Аналого-цифрове перетворення
Перетворення інформації з аналогової форми в цифрову називають аналогово-цифровим перетворенням (АЦП).
Приклади аналогової інформації відомі нам зі шкільного курсу математики. Графіки безперервних функцій виражають аналогову інформацію.
1. На малюнку показано графік функції Y = X 2. Це графік неперервної функції.
2. Той же самий графік після перетворення в цифрову форму виглядає інакше - набагато грубіше.
3. Похибка, яка виникає при такому перетворенні, називається похибкою оцифрування.
4. Перетворення можна зробити менш грубим, якщо стовпчики діаграми поставити частіше (так зменшується дискретність).
5. Чим менше дискретність, тим ближче цифрова інформація до аналогової і менше похибка оцифрування.
Ви бачите, що при зменшенні дискретності на діаграмі стає більше стовпчиків. Якщо дискретність зробити дуже маленькою, то точність представлення безперервної аналогової інформації у вигляді послідовності чисел можна зробити дуже високою, але і стовпчиків у діаграмі буде більше. Тому чим ближче цифрова інформація наближається за якістю до аналогової, тим більше обчислень доводиться виконувати комп'ютера, а значить, тим більше інформації йому треба зберігати й обробляти.
Чим могутніше комп'ютер, тим більше інформації він може обробити в одиницю часу. Чим швидше комп'ютер обробляє інформацію, тим вище якість зображення, краще звук і точніше результати розрахунків, але тим дорожче обходиться людям прийом, передача та обробка інформації.
6. Праворуч показані два «однакових» малюнка, отримані з Інтернету. Витрати часу (і коштів) на прийом другого малюнка в десять разів вище, тому що він містить більше інформації.
Пристрої аналогові і цифрові
Органи почуттів людини так влаштовані, що він здатний приймати, зберігати та обробляти аналогову інформацію. Багато пристроїв, створені людиною, теж працюють з аналоговою інформацією.
1. Телевізор - це аналоговий пристрій. Усередині телевізора є кінескоп. Промінь кінескопа безперервно переміщується по екрану. Чим сильніше промінь, тим яскравіше світиться точка, до якої він потрапляє. Зміна свічення точок відбувається плавно і безперервно.
2. Монітор комп'ютера теж схожий на телевізор, але це пристрій цифрове. У ньому яскравість променя змінюється не плавно, а стрибком (дискретно). Промінь або є, або його немає. Якщо він є, ми бачимо яскраву точку (білу чи кольорову). Якщо променя немає, ми бачимо чорну крапку. Тому зображення на екрані монітора виходять більш чіткими, ніж на екрані телевізора.
3. Програвач грамплатівок - аналоговий пристрій. Чим більше висота нерівностей на звуковій доріжці, тим голосніше звучить звук.
4. Телефон - теж аналогове пристрій. Чим голосніше ми говоримо в трубку, тим вище сила струму, що проходить по дротах, тим голосніше звук, який чує наш співрозмовник.
До цифровим пристроям відносяться персональні комп'ютери - вони працюють з інформацією, представленої в цифровій формі. Цифровими також є музичні програвачі лазерних компакт-дисків, тому музичні компакт-диски можна відтворювати на комп'ютері.
Нещодавно розпочалося створення цифрового телефонного зв'язку, а в найближчі роки очікується і поява цифрового телебачення. У деяких містах України та Росії вже працюють цифрові телевізійні станції. Після того як телебачення стане цифровим, якість зображення на екрані телевізора набагато покращиться - воно стане ближче до якості зображення на екрані комп'ютерного монітора.
Поняття про кодування інформації
Інформація передається у вигляді сигналів. Коли ми розмовляємо з іншими людьми, то вловлюємо звукові сигнали. Якщо ми дивимося у вікно, наше око приймає світлові потоки, відбиті від об'єктів навколишньої природи. Світловий потік - це теж сигнал.
А як же інформація зберігається? Для того щоб інформацію зберегти, її треба закодувати. Будь-яка інформація завжди зберігається у вигляді кодів. Коли ми щось пишемо в зошиті, ми насправді кодуємо інформацію за допомогою спеціальних символів. Ці символи всім знайомі - вони називаються літерами. І система такого кодування теж добре відома - це звичайна абетка. Жителі інших країн ті ж самі слова запишуть по-іншому (іншими літерами) - у них своя абетка. Можна сказати, що у них інша система кодування. У деяких країнах замість букв використовують ієрогліфи - це ще більш складний спосіб кодування інформації.
Можна кодувати і звуки. З однією з таких систем кодування ви теж добре знайомі: мелодію можна записати за допомогою нот. Це не єдина система кодування музики. У давні часи на Русі музику записували за допомогою так званих «гаків» - це особлива форма запису.
Зберігати можна не тільки текстову та звукову інформацію. У вигляді кодів зберігаються і зображення. Якщо подивитися на малюнок з допомогою збільшувального скла, то видно, що він складається з точок - це так званий растр. Координати кожної точки можна запам'ятати у вигляді чисел. Колір кожної точки також можна запам'ятати у вигляді числа. Ці числа можуть зберігатися в пам'яті комп'ютера і передаватися на будь-які відстані. За ним комп'ютерні програми здатні зобразити малюнок на екрані або надрукувати його на принтері. Зображення можна зробити більше або менше, темніше або світліше, його можна повернути, нахилити, розтягнути. Ми говоримо про те, що на комп'ютері обробляється зображення, але насправді комп'ютерні програми змінюють числа, якими окремі точки зображення представлені в пам'яті комп'ютера.
Зберігання цифрової інформації. Біт
Ви вже знаєте, що комп'ютери воліють працювати з цифровою інформацією, а не з аналогової. Так відбувається тому, що цифрову інформацію дуже зручно кодувати, а значить, її зручно зберігати і обробляти.
Комп'ютер працює з інформацією за принципом «розділяй і володарюй». Якщо це книга, то вона ділиться на глави, розділи, абзаци, речення, слова і букви (тобто, символи). Комп'ютер окремо працює з кожним символом. Якщо це малюнок, то комп'ютер працює з кожною точкою цього малюнка окремо.
Питається, а до яких же пір можна ділити інформацію? Буква - це найменша частина інформації? Виявляється, немає. Існує багато різних букв, і, для того щоб комп'ютер міг розрізняти літери, їх теж треба кодувати. У телеграфної азбуки, наприклад, літери кодую г з допомогою точок і тире:
Крапки і тире - це дійсно найбільша мала частина інформації, але в інформатиці кодом телеграфної абетки не користуються. Замість крапок і тире застосовують нулі і одиниці - такий код називається двійковим. По-англійськи двійковий знак звучить як binary digit Скорочено виходить bit (біт).
Біт - це найменша одиниця інформації, яка виражає логічне значення. Так або Ні і позначається двійковим числом 1 або 0.
Якщо якась інформація представлена в цифровому вигляді, то комп'ютер легко перетворює числа, якими вона закодована, в послідовності нулів та одиниць, а далі вже працює з ними. Ви теж можете перетворити будь-яке число в двійкову форму. Робиться це в такий спосіб.
1. Беремо, наприклад, число 29. Оскільки це число непарне, віднімаємо від нього одиницю, записуємо її окремо, а число ділимо навпіл. Вийшло 14.
2. Число 14 - парне. Віднімати від нього одиницю не потрібно, тому ліворуч від «запомненной» одиниці запишемо 0. Число ділимо навпіл, отримуємо 7.
3. Число 7 - знову непарне. Віднімаємо від нього одиницю, записуємо її окремо і ділимо число навпіл. Виходить 3.
4. Число 3 - непарне. Віднімаємо одиницю, записуємо її окремо, і результат ділимо навпіл - отримуємо 1.
5. Останню одиницю вже не ділимо, а просто записуємо ліворуч від отриманого результату.
6. Дивимося на результат. У нас вийшло двійкове число 11101 - це і є двійковий код числа 29.
Як бачите, перетворити число в двійковий код зовсім не важко. Відібрати одиничку і поділити число навпіл може кожен, хоча приємною цю роботу не назвеш. Для людини ця робота дуже втомлює. Зате комп'ютер, який виконує сотні мільйонів операцій у секунду, перетворює числа в двійковий код так швидко, що це абсолютно не помітно з боку.
Коли якась операція виконується непомітно, кажуть, що вона виконується прозоро. Ми думаємо, що комп'ютер працює з текстами, графікою, музикою і відео, а насправді він працює з нулями та одиницями, але для нас ця робота прозора, ми її не помічаємо і можемо про неї не думати.
Від бітів до байтам
Біт - дуже зручна одиниця для зберігання інформації в комп'ютері, але не дуже зручна для обробки інформації. Якщо ми купуємо в магазині хліб, то продавець може видати нам кожен батон окремо, упакувавши його в поліетиленовий пакет. Але якщо ми купуємо горіхи, хіба він стане упаковувати окремо кожен горіх?
Біт - дуже маленька одиниця інформації. Працювати з кожним бітом окремо, звичайно, можна, але це малопродуктивною. Обробкою інформації в комп'ютері займається спеціальна мікросхема, яка називається процесор. Ця мікросхема влаштована так, що може обробляти групу бітів одночасно (паралельно). На початку 70-х років, ще до появи персональних комп'ютерів, були кишенькові електронні калькулятори, в яких процесор міг одночасно працювати з чотирма бітами. Такі процесори називали чотирирозрядний.
Один з перших персональних комп'ютерів (Altair, 1974 р.) мав восьмирозрядний процесор, тобто він міг паралельно обробляти вісім бітів інформації. Це у вісім разів швидше, ніж працювати з кожним бітом окремо, тому в обчислювальній техніці з'явилася нова одиниця виміру інформації - байт. Байт - це група з восьми бітів.
Ми знаємо, що один біт може зберігати в собі один двійковий знак - 0 або 1. Це найменша одиниця подання інформації - проста відповідь на питання Так чи Ні. А що може зберігати байт?
На перший погляд здається, що раз на байті вісім бітів, то й інформації він може зберігати у вісім разів більше, ніж один біт, але це не так. Справа в тому, що в байті важливо не тільки, включений біт або вимкнений, але і те, в якому місці стоять включені біти. Байти 0000 0001, 0000 1000 і 1000 0000 - не однакові, а різні.
Це повинно бути зрозуміло, якщо згадати, що числа 723, 732, 273, 237, 372 327 різні, хоч і записуються однаковими цифрами. Значення чисел залежать не тільки від того, які цифри в них входять, але і від того в яких позиціях ці цифри стоять.
Якщо врахувати що важливі не лише нулі і одиниці, але й позиції, в яких вони стоять, то за допомогою одного байта можна виразити 256 різних одиниць інформації (від 0 до 255).
0000 0000 = 0
0000 0001 = 1
0000 0010 = 2
0000 0011 = 3
0000 0100 = 4
0000 0101 = 5
1111 1100 = 252
1111 1101 = 253
1111 1110 = 254
1111 1111 = 255
Чи завжди байти складалися з восьми бітів? Ні, не завжди. Ще в 60-ті роки, коли не було персональних комп'ютерів і всі обчислення проводилися на великих електронно-обчислювальних машинах (ЕОМ), байти могли бути якими завгодно. Найбільш широко були поширені ЕОМ, у яких байт складався з шести бітів, але були й такі, у яких він складався з чотирьох і навіть із семи бітів.
Восьмібітних байт з'явився досить пізно (на початку сімдесятих років), але швидко завоював популярність. З тих пір поняття про байті, як про групу з восьми бітів, є загальновизнаним.
Двома бітами можна закодувати вже чотири значення: 00, 01, 10, 11.
Трьома бітами кодуються 8 різних значень.
Додавання одного біта подвоює кількість значень, яке можна закодувати. При восьми бітах вже можна закодувати 256 різних значень. Неважко здогадатися, що якби в байті було 9 бітів, то одним байтом можна було б закодувати 512 різних значень, а якщо б у ньому було 10 бітів, то 1024 і т. д.
Але все-таки в байті не 9 і не 10 бітів, а тільки 8, і тому з його допомогою кодують 256 різних значень. Багато це чи мало? Дивлячись для чого. Давайте подивимося, як за допомогою байтів кодують текстову інформацію.
У російській мові 33 букви (символу) - для їх кодування досить 33 різних байтів. Якщо ми хочемо розрізняти прописні (великі) і малі літери, то буде потрібно 66 байтів. Для малих і великих літер англійської мови вистачить ще 52 символів - виходить 118. Додамо сюди цифри (від 0 до 9), всі можливі знаки пунктуації: крапку, кому, тире, знаки оклику та питання. Додамо дужки: круглі, квадратні і фігурні, а також знаки математичних операцій: +, -, =, /, *. Додамо спеціальні символи, наприклад такі, як: %,$,&, @, - ми бачимо, що всі їх можна висловити вісьмома бітами, і при цьому ще залишаться вільні коди, які можна використовувати для інших цілей.
Справа залишилася за малим: треба всім людям світу домовитися про те, яким кодом (від 0 до 255) повинен кодуватися кожен символ. Якщо, наприклад, всі люди будуть знати, що код 33 означає знак оклику, а код 63 - знак запитання, то текст, набраний на одному комп'ютері, завжди можна буде прочитати і роздрукувати на іншому комп'ютері.
Така загальна домовленість про однаковому використанні чого-небудь називається стандартом. Стандарт встановлює таблицю, в якій записано, яким кодом повинен кодуватися кожен символ. Така таблиця називається таблицею кодів. У цій таблиці має бути 256 рядків, в яких записується, який байт яким символом відповідає.
Але тут-то і почалися проблеми. Справа в тому, що символи, які хороші для однієї країни, не підходять для іншої. У Греції використовуються лише літери, в Туреччині - інші. Те, що підходить для Америки, не годиться для Росії, а те, що підходить для Росії, не підходить для Німеччини.
Тому було прийнято наступне рішення. Таблицю кодів розділили навпіл. Перші 128 кодів (з 0 до 127) повинні бути стандартними і обов'язковими для всіх країн і всіх комп'ютерів, а в другій половині (з коду 128 до коду 255) кожна країна може робити все, що йому до вподоби, і створювати в цій половині свій стандарт - національний.
Першу (міжнародну) половину таблиці кодів називають таблицею ASCII - її ввів американський інститут стандартизації ANSI. У цій таблиці розміщуються великі / малі літери англійського алфавіту, символи чисел від 0 до 9, всі знаки пунктуації, символи арифметичних операцій і деякі інші спеціальні коди.
За другу половину кодової таблиці (коди від 128 до 255) стандарт ASCII не відповідає Різні країни можуть створювати тут свої таблиці. Часто буває, що навіть в одній країні в цій половині діють кілька різних стандартів, призначених для різних комп'ютерних систем. У Росії, наприклад, зміст цієї половини таблиці може підкорятися чотирьох різних стандартів, кожен з яких діє в якійсь своїй, особливої області.
Коди ASCII по-російськи вимовляється як а ес-це-і, а іноді (в просторіччі) ще простіше Аски-коди.
Стандартна кодування ASCII
У російській алфавіті буква А має перше місце, а літера Б - друге. У кожної літери є своя позиція. Буква Я має позицію номер 33. Ми можемо вважати, що алфавіт - це таблиця для кодування букв.
Стандарт ASCII - це теж як би «алфавіт», тільки комп'ютерний. Він теж визначає номер кожного символу. Але символів більше, ніж літер, тому що до них ставляться ще й цифри, і знаки пунктуації, і деякі спеціальні символи.
Вище ми сказали, що за допомогою одного байта можна закодувати 256 різних символів. Ще ми дізналися, що стандарт ASCII визначає першу половину кодової таблиці, тобто, кодування символів, що мають номери до 127. Але це не зовсім так. Насправді стандарт ASCII перші 32 коду (від 0 до 31) не визначає. Він залишає їх для так званих керуючих кодів, які не використовуються для представлення інформації, а застосовуються для керування комп'ютерами. Ці коди віддані на розсуд виробників комп'ютерних систем (у них є свої угоди і свої стандарти щодо застосування цих кодів). Ще кілька років тому людям, що працюють з комп'ютерами, варто було знати деякі з цих кодів, але сьогодні це вже не потрібно.
Найперший символ стандарту ASCII - це ПРОБІЛ. Він має код 32.
За ним йдуть спеціальні символи і знаки пунктуації (коди з 33 по 47).
Далі йдуть десять цифр (коди 48-57).
Коди 58-64 використовують деякі математичні символи і знаки пунктуації.
Найцікавіше починається з кодів 65-90. Ними позначають прописні англійські буква від А до Z
Коди 91-96 використовуються для спеціальних символів.
Коди 97-122 - малі літери англійського алфавіту.
Коди 123-127 - спеціальні символи.
Коди верхньої половини таблиці символів (128-255) віддані для національних стандартів. Коли ми дізнаємося про комп'ютер трохи більше, ми розберемося з кількома російськими стандартами і подивимося, як кодуються букви російської мови.
Маючи під рукою кодову таблицю символів, ви можете легко визначити, які слова закодовані наступними байтами
67 79 77 80 85 84 69 82 99 111 109 112 117 116 101 114
У вас розкодування інформації займе пару хвилин. Комп'ютер зробить це за декілька мільйонних часток секунди.
Кодування колірної інформації
За допомогою одного байта можна закодувати 256 різних значень. Ми вже знаємо, що цього цілком вистачає і на російські, і на англійські букви і на знаки пунктуації. А давайте подивимося, чи вистачить цією для кодування графічної інформації. І почнемо з кодування кольору.
Легко здогадайся, що одним байтом можна закодувати 256 різних кольорів. У принципі, цього достатньо для мальованих зображень типу тих, що ми бачимо в мультфільми, але для повнокольорових зображенні живої природи - недостатньо. Людське око - не найдосконаліший інструмент, але і він може розрізняти десятки мільйонів колірних відтінків.
А що, якщо на кодування кольори однієї точки віддати не один байт, а два, тобто, не 8 бітів, а 16. Ми вже знаємо, що додавання кожного біта збільшує у два рази кількість кодованих значень. Додавання восьми бітів вісім разів подвоїть цю кількість, тобто збільшить його в 256 разів (2х2х2х2х2х2х2х2 = 256) Двома байтами можна закодувати 256х256 = 65 536 різних кольорів. Це вже краще і схоже на те, що ми бачимо на фотографіях і на картинках у журналах, але все одно гірше, ніж в живій природі.
Якщо для кодування кольору однієї точки використовувати 3 байти (24 біта), то кількість можливих кольорів збільшиться ще в 256 разів і досягне 16500000. Цей режим дозволяє зберігати, обробляти і передавати зображення, що не поступаються за якістю спостерігаються в живій природі.
Можливо, ви знаєте, що будь-який колір можна представити у вигляді комбінації трьох основних кольорів: червоного, зеленого і синього (їх називають колірними складовими). Якщо ми кодуємо колір точки за допомогою трьох байтів, то перший байт виділяється червоної складової, другий - зеленої, а третій - синьою. Чим більше значення байта колірної складової, тим яскравіше цей колір.
Білий колір. Якщо точка має білий колір, значить, у неї є всі колірні складові, і вони мають повну яскравість. Тому білий колір колірую трьома повними байтами 255, 255, 255.
Чорний колір. Він означає відсутність всіх інших квітів. Всі колірні складові дорівнюють нулю. Чорний колір кодується байтами 0, 0, 0.
Сірий колір. Це колір, проміжний між чорним і білим. У ньому є всі колірні складові, але вони однакові і нейтралізують один одного. Наприклад, сірий колір може бути таким 100, 100, 100 або таким: 150, 150, 150. Можна здогадатися, що в другому випадку яскравість вище, і другий варіант сірого кольору світліше першого.
Червоний колір. У нього всі складові, окрім червоної, дорівнюють нулю. Це може бути, наприклад, темно-червоний колір: 128, 0, 0 або яскраво-червоний: 255, 0, 0.
Те ж відноситься і до синього кольору (0, 0, 255) і до зеленого (0, 255, 0).
Ставлячи будь-які значення (від 0 до 255) для кожного з трьох байтів, за допомогою яких кодується колір, можна закодувати будь-який з 16,5 мільйонів кольорів.
Кодування графічної інформації
Отже, ми вже вміємо з допомогою чисел кодувати колір однієї точки. На це необхідні один, два або три байти, в залежності від того, скільки квітів ми хочемо передати. А як закодувати цілий малюнок?
Рішення приходить само собою - треба малюнок розбити на точки. Чим більше буде точок і чим дрібніше вони будуть, тим точніше буде передача малюнка. А коли малюнок розбитий на точки, то можна почати з його лівого верхнього кута і, рухаючись по рядках зліва направо, кодувати колір кожної точки.
Погляньте на малюнок справа. Книжка у нас чорно-біла, і кольоровий малюнок в ній показати не можна, тому ми не будемо кодувати точки цього малюнка трьома байтами - нам достатньо і одного байта на кожну точку.
Код 0 позначає чорну крапку, код 255 - білу. Коди 1-254 позначають сірі точки. Чим вище значення коду, тим світліше крапка.
Коли всі точки малюнка закодовані, виходить така послідовність байтів:
176, 176, 176, 128, 64, 64, 64, 80, 64, 64, 80, 80, 80, 80, 80 ...
Якби малюнок був кольоровим, то для кожної крапки замість одного байта стояло б три байти і вся послідовність була б втричі довше.
Закодувати малюнок виявилося нескладно, а от як його розкодувати, щоб знову отримати те, що було? Якщо розкодувати байти по одному зліва направо, то ніколи не дізнаєшся, де закінчується один рядок і починається інша.
Це говорить про те, що нам чогось не вистачає. Значить, ми щось важливе випустили з уваги. Якщо б перед групою байтів приписати ще невеликий заголовок, з якого було б зрозуміло, як треба ці байти розкодувати, то все стало б на свої місця. Цей заголовок може бути, наприклад таким: {8х8}. По ньому можна здогадатися, що малюнок повинен складатися з восьми рядків по вісім точок у кожному рядку.
Тема можна зробити ще докладніше, наприклад так: {8х8х3} - тоді можна здогадатися, що це малюнок кольоровий, в якому на кодування кольору кожної точки використано три байти.
Тема допомагає вирішити багато питань, але виникає нова проблема. Як комп'ютер розбереться, де заголовок, а де сама інформація? Адже заголовок теж повинен бути записаний у вигляді байтів. Чи зуміє комп'ютер відрізнити байти заголовка від байтів інформації? Далі ми з цим розберемося.
Візьмемо кілька байтів: 70, 79, 82, 77, 65, 84. Що тут записано?
• Може бути, це дві кольорові точки: перша з кольором 70, 79, 82, а друга: 77, 65, 84?
• Може бути, це шість сірих точок (одні трохи світліше, а інші трохи темніше).
• Може бути, цими байтами закодована дата і час запуску чергового супутника Землі?
• Може бути, це початок якоїсь музичної мелодії?
Це може бути взагалі все, що завгодно, у тому числі і англійське слово FORMAT, закодоване за стандартом ASCII (перевірте, чи не так це насправді).
Якщо комп'ютер не знає, що виражає кожна група байтів, він не зможе нічого з нею зробити. Він повинен розрізняти, де байтами закодований текст, а де музика і малюнки. Тексти повинні завжди залишатися текстами, числа - числами, дати - датами, малюнки - малюнками, музика - музикою, а гроші, що зберігаються в банківському комп'ютері у вигляді тих же самих байтів, повинні залишатися грошима і не перетворюватися на звук і музику.
Вирішення цієї проблеми знову ж таки пов'язано з заголовком. Якщо б перед групою байтів стояв спеціальний заголовок, то комп'ютер точно знав би, що ці байти позначають. А щоб комп'ютер знав, де закінчуються байти заголовка і починаються байти даних, заголовок і дані повинні мати строго певний формат. Для різних видів інформації використовуються різні формати. Наприклад, якщо це чорно-біла картинка, то кожен байт після заголовка визначає яскравість точки, а якщо це кольорова картинка, то колір однієї точки може визначати не один байт, а більше байт.
Поняття про фото
Отже, ми зрозуміли, що будь-яка послідовність байтів може виражати всі що завгодно, але треба знати, в якому форматі інформація записана, чи є у неї заголовок, де він починається і де закінчується.
Якщо ми пишемо контрольну роботу на окремих листочках, а потім здаємо її вчителю на перевірку, то як вчитель дізнається, який учень написав якусь роботу? Дуже просто - кожен учень свою роботу підписує, тобто виконає реєстрацію.
Точно так само і в комп'ютері. Кожна послідовність байтів, що містить інформацію певного типу, повинна бути зареєстрована. Після реєстрації ця послідовність отримує унікальне ім'я і називається файлом. Будь-яка інформація, що зберігається на комп'ютері, повинна бути зареєстрована як файл.
Ми вже говорили про те, що найменшою одиницею подання інформації є біт. Найменшою одиницею обробки або передачі інформації є байт. Тепер ми дізналися найменшу одиницю зберігання інформації - це файл. Ні байт, ні біт не можна зберегти в якості інформації, оскільки незрозуміло, що вони позначають (чи то літери, чи то ноти, чи то ще щось). Файл можна зберегти, тому що він реєструється, навіть якщо в ньому лише один байт.
Простий приклад. Якщо зайти в шкільну бібліотеку і попросити видати літеру «А», то бібліотекар цього зробити не зможе, хоча у нього є тисячі книг, в яких зустрічаються мільйони літер «А». Букви в бібліотеці не зареєстровані. Інша справа - книги, журнали, газети. Вибирайте будь-яку по каталогу. Вони зареєстровані. У них ви знайдете потрібну інформацію.
Файл - це найменша одиниця зберігання інформації, що містить послідовність байтів і має унікальне ім'я.
На ім'я файлу комп'ютер визначає, де знаходиться файл, яка інформація в ньому міститься, в якому форматі вона записана і якими програмами її можна обробити. Ім'я файлу має дуже велике значення, і ми до нього обов'язково повернемося, але зробимо це трохи пізніше.
Як бачите, перетворити число в двійковий код зовсім не важко. Відібрати одиничку і поділити число навпіл може кожен, хоча приємною цю роботу не назвеш. Для людини ця робота дуже втомлює. Зате комп'ютер, який виконує сотні мільйонів операцій у секунду, перетворює числа в двійковий код так швидко, що це абсолютно не помітно з боку.
Коли якась операція виконується непомітно, кажуть, що вона виконується прозоро. Ми думаємо, що комп'ютер працює з текстами, графікою, музикою і відео, а насправді він працює з нулями та одиницями, але для нас ця робота прозора, ми її не помічаємо і можемо про неї не думати.
Від бітів до байтам
Біт - дуже зручна одиниця для зберігання інформації в комп'ютері, але не дуже зручна для обробки інформації. Якщо ми купуємо в магазині хліб, то продавець може видати нам кожен батон окремо, упакувавши його в поліетиленовий пакет. Але якщо ми купуємо горіхи, хіба він стане упаковувати окремо кожен горіх?
Біт - дуже маленька одиниця інформації. Працювати з кожним бітом окремо, звичайно, можна, але це малопродуктивною. Обробкою інформації в комп'ютері займається спеціальна мікросхема, яка називається процесор. Ця мікросхема влаштована так, що може обробляти групу бітів одночасно (паралельно). На початку 70-х років, ще до появи персональних комп'ютерів, були кишенькові електронні калькулятори, в яких процесор міг одночасно працювати з чотирма бітами. Такі процесори називали чотирирозрядний.
Один з перших персональних комп'ютерів (Altair, 1974 р.) мав восьмирозрядний процесор, тобто він міг паралельно обробляти вісім бітів інформації. Це у вісім разів швидше, ніж працювати з кожним бітом окремо, тому в обчислювальній техніці з'явилася нова одиниця виміру інформації - байт. Байт - це група з восьми бітів.
Ми знаємо, що один біт може зберігати в собі один двійковий знак - 0 або 1. Це найменша одиниця подання інформації - проста відповідь на питання Так чи Ні. А що може зберігати байт?
На перший погляд здається, що раз на байті вісім бітів, то й інформації він може зберігати у вісім разів більше, ніж один біт, але це не так. Справа в тому, що в байті важливо не тільки, включений біт або вимкнений, але і те, в якому місці стоять включені біти. Байти 0000 0001, 0000 1000 і 1000 0000 - не однакові, а різні.
Це повинно бути зрозуміло, якщо згадати, що числа 723, 732, 273, 237, 372 327 різні, хоч і записуються однаковими цифрами. Значення чисел залежать не тільки від того, які цифри в них входять, але і від того в яких позиціях ці цифри стоять.
Якщо врахувати що важливі не лише нулі і одиниці, але й позиції, в яких вони стоять, то за допомогою одного байта можна виразити 256 різних одиниць інформації (від 0 до 255).
0000 0000 = 0
0000 0001 = 1
0000 0010 = 2
0000 0011 = 3
0000 0100 = 4
0000 0101 = 5
1111 1100 = 252
1111 1101 = 253
1111 1110 = 254
1111 1111 = 255
Чи завжди байти складалися з восьми бітів? Ні, не завжди. Ще в 60-ті роки, коли не було персональних комп'ютерів і всі обчислення проводилися на великих електронно-обчислювальних машинах (ЕОМ), байти могли бути якими завгодно. Найбільш широко були поширені ЕОМ, у яких байт складався з шести бітів, але були й такі, у яких він складався з чотирьох і навіть із семи бітів.
Восьмібітних байт з'явився досить пізно (на початку сімдесятих років), але швидко завоював популярність. З тих пір поняття про байті, як про групу з восьми бітів, є загальновизнаним.
Кодування текстової інформації байтами
Одним бітом можна закодувати два значення: Так або Ні (1 або 0).Двома бітами можна закодувати вже чотири значення: 00, 01, 10, 11.
Трьома бітами кодуються 8 різних значень.
Додавання одного біта подвоює кількість значень, яке можна закодувати. При восьми бітах вже можна закодувати 256 різних значень. Неважко здогадатися, що якби в байті було 9 бітів, то одним байтом можна було б закодувати 512 різних значень, а якщо б у ньому було 10 бітів, то 1024 і т. д.
Біти | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Кількість кодованих значень | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 256 |
У російській мові 33 букви (символу) - для їх кодування досить 33 різних байтів. Якщо ми хочемо розрізняти прописні (великі) і малі літери, то буде потрібно 66 байтів. Для малих і великих літер англійської мови вистачить ще 52 символів - виходить 118. Додамо сюди цифри (від 0 до 9), всі можливі знаки пунктуації: крапку, кому, тире, знаки оклику та питання. Додамо дужки: круглі, квадратні і фігурні, а також знаки математичних операцій: +, -, =, /, *. Додамо спеціальні символи, наприклад такі, як: %,$,&, @, - ми бачимо, що всі їх можна висловити вісьмома бітами, і при цьому ще залишаться вільні коди, які можна використовувати для інших цілей.
Справа залишилася за малим: треба всім людям світу домовитися про те, яким кодом (від 0 до 255) повинен кодуватися кожен символ. Якщо, наприклад, всі люди будуть знати, що код 33 означає знак оклику, а код 63 - знак запитання, то текст, набраний на одному комп'ютері, завжди можна буде прочитати і роздрукувати на іншому комп'ютері.
Така загальна домовленість про однаковому використанні чого-небудь називається стандартом. Стандарт встановлює таблицю, в якій записано, яким кодом повинен кодуватися кожен символ. Така таблиця називається таблицею кодів. У цій таблиці має бути 256 рядків, в яких записується, який байт яким символом відповідає.
Але тут-то і почалися проблеми. Справа в тому, що символи, які хороші для однієї країни, не підходять для іншої. У Греції використовуються лише літери, в Туреччині - інші. Те, що підходить для Америки, не годиться для Росії, а те, що підходить для Росії, не підходить для Німеччини.
Тому було прийнято наступне рішення. Таблицю кодів розділили навпіл. Перші 128 кодів (з 0 до 127) повинні бути стандартними і обов'язковими для всіх країн і всіх комп'ютерів, а в другій половині (з коду 128 до коду 255) кожна країна може робити все, що йому до вподоби, і створювати в цій половині свій стандарт - національний.
Першу (міжнародну) половину таблиці кодів називають таблицею ASCII - її ввів американський інститут стандартизації ANSI. У цій таблиці розміщуються великі / малі літери англійського алфавіту, символи чисел від 0 до 9, всі знаки пунктуації, символи арифметичних операцій і деякі інші спеціальні коди.
За другу половину кодової таблиці (коди від 128 до 255) стандарт ASCII не відповідає Різні країни можуть створювати тут свої таблиці. Часто буває, що навіть в одній країні в цій половині діють кілька різних стандартів, призначених для різних комп'ютерних систем. У Росії, наприклад, зміст цієї половини таблиці може підкорятися чотирьох різних стандартів, кожен з яких діє в якійсь своїй, особливої області.
Коди ASCII по-російськи вимовляється як а ес-це-і, а іноді (в просторіччі) ще простіше Аски-коди.
Стандартна кодування ASCII
У російській алфавіті буква А має перше місце, а літера Б - друге. У кожної літери є своя позиція. Буква Я має позицію номер 33. Ми можемо вважати, що алфавіт - це таблиця для кодування букв.
Стандарт ASCII - це теж як би «алфавіт», тільки комп'ютерний. Він теж визначає номер кожного символу. Але символів більше, ніж літер, тому що до них ставляться ще й цифри, і знаки пунктуації, і деякі спеціальні символи.
Вище ми сказали, що за допомогою одного байта можна закодувати 256 різних символів. Ще ми дізналися, що стандарт ASCII визначає першу половину кодової таблиці, тобто, кодування символів, що мають номери до 127. Але це не зовсім так. Насправді стандарт ASCII перші 32 коду (від 0 до 31) не визначає. Він залишає їх для так званих керуючих кодів, які не використовуються для представлення інформації, а застосовуються для керування комп'ютерами. Ці коди віддані на розсуд виробників комп'ютерних систем (у них є свої угоди і свої стандарти щодо застосування цих кодів). Ще кілька років тому людям, що працюють з комп'ютерами, варто було знати деякі з цих кодів, але сьогодні це вже не потрібно.
Найперший символ стандарту ASCII - це ПРОБІЛ. Він має код 32.
За ним йдуть спеціальні символи і знаки пунктуації (коди з 33 по 47).
Далі йдуть десять цифр (коди 48-57).
Коди 58-64 використовують деякі математичні символи і знаки пунктуації.
Найцікавіше починається з кодів 65-90. Ними позначають прописні англійські буква від А до Z
Коди 91-96 використовуються для спеціальних символів.
Коди 97-122 - малі літери англійського алфавіту.
Коди 123-127 - спеціальні символи.
Коди верхньої половини таблиці символів (128-255) віддані для національних стандартів. Коли ми дізнаємося про комп'ютер трохи більше, ми розберемося з кількома російськими стандартами і подивимося, як кодуються букви російської мови.
Маючи під рукою кодову таблицю символів, ви можете легко визначити, які слова закодовані наступними байтами
67 79 77 80 85 84 69 82 99 111 109 112 117 116 101 114
У вас розкодування інформації займе пару хвилин. Комп'ютер зробить це за декілька мільйонних часток секунди.
Кодування колірної інформації
За допомогою одного байта можна закодувати 256 різних значень. Ми вже знаємо, що цього цілком вистачає і на російські, і на англійські букви і на знаки пунктуації. А давайте подивимося, чи вистачить цією для кодування графічної інформації. І почнемо з кодування кольору.
Легко здогадайся, що одним байтом можна закодувати 256 різних кольорів. У принципі, цього достатньо для мальованих зображень типу тих, що ми бачимо в мультфільми, але для повнокольорових зображенні живої природи - недостатньо. Людське око - не найдосконаліший інструмент, але і він може розрізняти десятки мільйонів колірних відтінків.
А що, якщо на кодування кольори однієї точки віддати не один байт, а два, тобто, не 8 бітів, а 16. Ми вже знаємо, що додавання кожного біта збільшує у два рази кількість кодованих значень. Додавання восьми бітів вісім разів подвоїть цю кількість, тобто збільшить його в 256 разів (2х2х2х2х2х2х2х2 = 256) Двома байтами можна закодувати 256х256 = 65 536 різних кольорів. Це вже краще і схоже на те, що ми бачимо на фотографіях і на картинках у журналах, але все одно гірше, ніж в живій природі.
Якщо для кодування кольору однієї точки використовувати 3 байти (24 біта), то кількість можливих кольорів збільшиться ще в 256 разів і досягне 16500000. Цей режим дозволяє зберігати, обробляти і передавати зображення, що не поступаються за якістю спостерігаються в живій природі.
Можливо, ви знаєте, що будь-який колір можна представити у вигляді комбінації трьох основних кольорів: червоного, зеленого і синього (їх називають колірними складовими). Якщо ми кодуємо колір точки за допомогою трьох байтів, то перший байт виділяється червоної складової, другий - зеленої, а третій - синьою. Чим більше значення байта колірної складової, тим яскравіше цей колір.
Білий колір. Якщо точка має білий колір, значить, у неї є всі колірні складові, і вони мають повну яскравість. Тому білий колір колірую трьома повними байтами 255, 255, 255.
Чорний колір. Він означає відсутність всіх інших квітів. Всі колірні складові дорівнюють нулю. Чорний колір кодується байтами 0, 0, 0.
Сірий колір. Це колір, проміжний між чорним і білим. У ньому є всі колірні складові, але вони однакові і нейтралізують один одного. Наприклад, сірий колір може бути таким 100, 100, 100 або таким: 150, 150, 150. Можна здогадатися, що в другому випадку яскравість вище, і другий варіант сірого кольору світліше першого.
Червоний колір. У нього всі складові, окрім червоної, дорівнюють нулю. Це може бути, наприклад, темно-червоний колір: 128, 0, 0 або яскраво-червоний: 255, 0, 0.
Те ж відноситься і до синього кольору (0, 0, 255) і до зеленого (0, 255, 0).
Ставлячи будь-які значення (від 0 до 255) для кожного з трьох байтів, за допомогою яких кодується колір, можна закодувати будь-який з 16,5 мільйонів кольорів.
Кодування графічної інформації
Отже, ми вже вміємо з допомогою чисел кодувати колір однієї точки. На це необхідні один, два або три байти, в залежності від того, скільки квітів ми хочемо передати. А як закодувати цілий малюнок?
Рішення приходить само собою - треба малюнок розбити на точки. Чим більше буде точок і чим дрібніше вони будуть, тим точніше буде передача малюнка. А коли малюнок розбитий на точки, то можна почати з його лівого верхнього кута і, рухаючись по рядках зліва направо, кодувати колір кожної точки.
Погляньте на малюнок справа. Книжка у нас чорно-біла, і кольоровий малюнок в ній показати не можна, тому ми не будемо кодувати точки цього малюнка трьома байтами - нам достатньо і одного байта на кожну точку.
Код 0 позначає чорну крапку, код 255 - білу. Коди 1-254 позначають сірі точки. Чим вище значення коду, тим світліше крапка.
Коли всі точки малюнка закодовані, виходить така послідовність байтів:
176, 176, 176, 128, 64, 64, 64, 80, 64, 64, 80, 80, 80, 80, 80 ...
Якби малюнок був кольоровим, то для кожної крапки замість одного байта стояло б три байти і вся послідовність була б втричі довше.
Закодувати малюнок виявилося нескладно, а от як його розкодувати, щоб знову отримати те, що було? Якщо розкодувати байти по одному зліва направо, то ніколи не дізнаєшся, де закінчується один рядок і починається інша.
Це говорить про те, що нам чогось не вистачає. Значить, ми щось важливе випустили з уваги. Якщо б перед групою байтів приписати ще невеликий заголовок, з якого було б зрозуміло, як треба ці байти розкодувати, то все стало б на свої місця. Цей заголовок може бути, наприклад таким: {8х8}. По ньому можна здогадатися, що малюнок повинен складатися з восьми рядків по вісім точок у кожному рядку.
Тема можна зробити ще докладніше, наприклад так: {8х8х3} - тоді можна здогадатися, що це малюнок кольоровий, в якому на кодування кольору кожної точки використано три байти.
Тема допомагає вирішити багато питань, але виникає нова проблема. Як комп'ютер розбереться, де заголовок, а де сама інформація? Адже заголовок теж повинен бути записаний у вигляді байтів. Чи зуміє комп'ютер відрізнити байти заголовка від байтів інформації? Далі ми з цим розберемося.
Поняття формату інформації
Ідея представити будь-яку інформацію у вигляді чисел і закодувати їх байтами дуже раціональна. Комп'ютеру зручно працювати, коли тексти, звуки, малюнки та відеофільми представлені у вигляді байтів зі значеннями від 0 до 255. Незрозуміло тільки, як він відрізнить, де і що записано.Візьмемо кілька байтів: 70, 79, 82, 77, 65, 84. Що тут записано?
• Може бути, це дві кольорові точки: перша з кольором 70, 79, 82, а друга: 77, 65, 84?
• Може бути, це шість сірих точок (одні трохи світліше, а інші трохи темніше).
• Може бути, цими байтами закодована дата і час запуску чергового супутника Землі?
• Може бути, це початок якоїсь музичної мелодії?
Це може бути взагалі все, що завгодно, у тому числі і англійське слово FORMAT, закодоване за стандартом ASCII (перевірте, чи не так це насправді).
Якщо комп'ютер не знає, що виражає кожна група байтів, він не зможе нічого з нею зробити. Він повинен розрізняти, де байтами закодований текст, а де музика і малюнки. Тексти повинні завжди залишатися текстами, числа - числами, дати - датами, малюнки - малюнками, музика - музикою, а гроші, що зберігаються в банківському комп'ютері у вигляді тих же самих байтів, повинні залишатися грошима і не перетворюватися на звук і музику.
Вирішення цієї проблеми знову ж таки пов'язано з заголовком. Якщо б перед групою байтів стояв спеціальний заголовок, то комп'ютер точно знав би, що ці байти позначають. А щоб комп'ютер знав, де закінчуються байти заголовка і починаються байти даних, заголовок і дані повинні мати строго певний формат. Для різних видів інформації використовуються різні формати. Наприклад, якщо це чорно-біла картинка, то кожен байт після заголовка визначає яскравість точки, а якщо це кольорова картинка, то колір однієї точки може визначати не один байт, а більше байт.
Поняття про фото
Отже, ми зрозуміли, що будь-яка послідовність байтів може виражати всі що завгодно, але треба знати, в якому форматі інформація записана, чи є у неї заголовок, де він починається і де закінчується.
Якщо ми пишемо контрольну роботу на окремих листочках, а потім здаємо її вчителю на перевірку, то як вчитель дізнається, який учень написав якусь роботу? Дуже просто - кожен учень свою роботу підписує, тобто виконає реєстрацію.
Точно так само і в комп'ютері. Кожна послідовність байтів, що містить інформацію певного типу, повинна бути зареєстрована. Після реєстрації ця послідовність отримує унікальне ім'я і називається файлом. Будь-яка інформація, що зберігається на комп'ютері, повинна бути зареєстрована як файл.
Ми вже говорили про те, що найменшою одиницею подання інформації є біт. Найменшою одиницею обробки або передачі інформації є байт. Тепер ми дізналися найменшу одиницю зберігання інформації - це файл. Ні байт, ні біт не можна зберегти в якості інформації, оскільки незрозуміло, що вони позначають (чи то літери, чи то ноти, чи то ще щось). Файл можна зберегти, тому що він реєструється, навіть якщо в ньому лише один байт.
Простий приклад. Якщо зайти в шкільну бібліотеку і попросити видати літеру «А», то бібліотекар цього зробити не зможе, хоча у нього є тисячі книг, в яких зустрічаються мільйони літер «А». Букви в бібліотеці не зареєстровані. Інша справа - книги, журнали, газети. Вибирайте будь-яку по каталогу. Вони зареєстровані. У них ви знайдете потрібну інформацію.
Файл - це найменша одиниця зберігання інформації, що містить послідовність байтів і має унікальне ім'я.
На ім'я файлу комп'ютер визначає, де знаходиться файл, яка інформація в ньому міститься, в якому форматі вона записана і якими програмами її можна обробити. Ім'я файлу має дуже велике значення, і ми до нього обов'язково повернемося, але зробимо це трохи пізніше.