Кодирование
― процесс представления информации в виде кода, т.е. набора условных обозначений для представления информации.
Человек выражает свои мысли в виде предложений, составленных из слов. Они являются алфавитным представлением информации. Основу любого языка составляет алфавит - конечный набор различных знаков (символов) любой природы, из которых складывается сообщение.
Кодирование сводиться к использованию совокупности символов по строго определенным правилам и имеет два основных значения:
■
Способ изложения информации в виде, приемлемом и понимаемым объектом (например ЭВМ),
■
Способ защиты информации от нежелаемого доступа или распространения.
Возможно объединение этих функций, ввиду универсальности удобства, и/или же, ввиду естественных особенностей местоположения группы людей (язык определенного народа).
История возникновения
Согласно данным, раздобытым и приведенным Дэвидом Каном в своей книге "The Codebreackers" ("Раскодировщики"), которая была написана им еще в 1967 г., но служит и по сей день наиболее богатым источником информации по криптографии, первыми известными "шифрователями" данных на планете были египтяне, еще в 1900 г. до н. э. приступившие к исписыванию стен своих жилищ странными иероглифами. Их последователями стали месопотамцы, чьи глиняные тарелки украшали своеобразные картинки, заключающие в себе какой-то определенный смысл. Искусству их оформления они стали обучаться примерно в 1500 г. до н. э. Спустя тысячу лет жители иудейского царства изобрели для написания книг своеобразный простейший шифр, ATBASH, принцип записи которого основывался на алфавите, только в обратном порядке. На этом "языке" древние евреи писали некоторые книги. А позже ими было изобретено еще несколько способов кодирования записанной информации.
В 487 г. до н. э. греки по некоторым данным создали первое "устройство" для шифрования данных (принцип его действия до сих пор не раскрыт), представляющее из себя нечто неопределенное, на что наматывали тонкую кожаную ленту. Затем исписанную полоску материала снимали с, условно говоря, "барабана" и одевали на себя, как пояс. Предполагают, что получатель закодированного "сообщения", носил "дешифратор" все время с собой, и мог прочесть текст послания где угодно. Но подлинность именно этой истории в 1998 г. была оспорена, и теперь многие полагают, что это всего лишь миф.
Следующим поклонником зарождающейся криптографии стал Юлий Цезарь (100-44 гг. до н.э.). Примерно в пятидесятом году до нашей эры он освоил способ кодирования важных документов путем замены некоторых букв нормального алфавита и применял его для тайной правительственной переписки. Шифр Цезаря был проще ATBASH, но, принимая во внимание то, что большинство людей в то время были неграмотными и читать - то толком не умели, для передачи ценных данных пришелся в самый раз. Помимо подстановки "собственных" букв алфавита некоторые отдельные слова Цезарь писал на латинском, а некоторые - на греческом, чтобы окончательно сбить с толку любопытных злоумышленников.
Где-то в 200 г. уже н. э. по данным опять же Кана шифр применяли для записи на каком-то "Ляйденском папирусе" "волшебных" рецептов. В середине 70-х гг. в свет вышла первая книга о криптографии, написанная, судя по длине имени ее автора, арабом, воодушевленным тем решением, которое пришло ему в голову при создании системы кодирования греческих слов для византийского императора. А в 855 г. н. э. его коллега представил сразу несколько новых алфавитов, из знаков которых в последствии составляли свои записи всякие колдуны и колдуньи.
Многие послания Венецианского правительства в 1226 г. были зашифрованы довольно оригинальным образом - гласные буквы многих слов заменялись точками и крестиками. Как их получателям удавалось прочесть написанное - неясным осталось до сих пор. Но то, что речь опять идет о криптографии - очевидно.
1412-м г. датируют четырнадцати томную энциклопедию на арабском языке, один из довольно внушительных разделов которой был посвящен криптографии и криптологии. В нем приводились данные о принципе кодирования и раскодирования текстовых сообщений, а также описывались первые информационные "таблицы-ключи" с разъяснениями, как правильно трактовать написанное. Уже тогда предусматривались случаи, при которых одна и та же буква в слове употреблялась дважды и более. С целью запутывания возможного похитителя зашифрованного письма, знаки, ее заменяющие, каждый раз использовались разные.
В 18-м г. шестнадцатого столетия Йоханнес Тритемиус опубликовал первое печатное издание по криптологии. Он изобрел метод замены каждого слова одной буквой, взятой из последовательности столбцов. Кроме того, он продемонстрировал идею представления лишь одного знака вместо сразу всех букв алфавита.
В последующие годы и века криптографы разных стран совершенствовали свое мастерство, периодически удивляя окружающих новыми шифрами и способами кодирования целых сочинений. Лишь в 1917 г. произошло событие, возможно, действительно заслуживающее внимания. В Америке появился первый криптоаналитик. Им стал Вильям Фредерик Фридман, "отец американского криптоанализа". Сначала вместе с женой Фридман работал в специальной лаборатории при правительстве США, а спустя некоторое время открыл свою школу в Ривербэнке. В функции первого криптоаналитика входило изучение различных вариантов кодирования информации на предмет их взлома. Известно, что системы иногда оказывались не совершенными, и задачей Вильяма ставилось определение этих самых недостатков.
В том же 1917 г. Гилберт С. Вернам, сотрудник компании AT&T, представил первый реально действующий и максимально "безопасный" аппарат для кодирования данных. Данные ключа (таблицы последовательно записанных инструкций по расшифровке) брались произвольно и никогда более не использовались. Ключ представлял собой одноразовую кассету с пленкой. Устройство собирались использовать во времена Первой Мировой Войны, однако широкое применение "машинка" получила лишь в двадцатые годы.
Кодирование используется для представление информации в компьютере.
Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (например, звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например "наложить" друг на друга звуки от разных источников. Аналогичным образом на компьютере можно обрабатывать текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.
Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц. Т.е., компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной десятичной форме, а все необходимые преобразования выполняют программы, работающие на компьютере.
Системой счисления называется совокупность приемов наименования и записи чисел.
В любой системе счисления для представления чисел выбираются некоторые символы (их называют цифрами), а остальные числа получаются в результате каких-либо операций над цифрами данной системы счисления.
Арифметические действия над числами в любой позиционной системе счисления производятся по тем же правилам, что и десятичной системе, так как все они основываются на правилах выполнения действий над соответствующими многочленами. При этом нужно только пользоваться теми таблицами сложения и умножения, которые соответствуют данному основанию P системы счисления.
1. При переводе чисел из десятичной системы счисления в систему с основанием P > 1 обычно используют следующий алгоритм:
если переводится целая часть числа, то она делится на P, после чего запоминается остаток от деления. Полученное частное вновь делится на P, остаток запоминается. Процедура продолжается до тех пор, пока частное не станет равным нулю. Остатки от деления на P выписываются в порядке, обратном их получению;
если переводится дробная часть числа, то она умножается на P, после чего целая часть запоминается и отбрасывается. Вновь полученная дробная часть умножается на P и т.д. Процедура продолжается до тех пор, пока дробная часть не станет равной нулю. Целые части выписываются после двоичной запятой в порядке их получения. Результатом может быть либо конечная, либо периодическая двоичная дробь. Поэтому, когда дробь является периодической, приходится обрывать умножение на каком-либо шаге и довольствоваться приближенной записью исходного числа в системе с основанием P.
, .
2. При переводе чисел из системы счисления с основанием P в десятичную систему счисления необходимо пронумеровать разряды целой части справа налево, начиная с нулевого, и в дробной части, начиная с разряда сразу после запятой слева направо (начальный номер -1). Затем вычислить сумму произведений соответствующих значений разрядов на основание системы счисления в степени, равной номеру разряда. Это и есть представление исходного числа в десятичной системе счисления.
По мере развития техники появлялись разные способы кодирования информации. Во второй половине XIX в. американский изобретатель Сэмюэль Морзе изобрел код, применяющийся до настоящего времени. Информация кодируется тремя символами: длинный сигнал (тире), короткий сигнал (точка), нет сигнала (пауза) - для разделения букв.
В вычислительной технике существует своя система - она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по-английски - binary digit или сокращенно bit (бит).
Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, черное или белое, истина или ложь и т.п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия: 00 01 10 11. Тремя - соответственно восемь.
Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, увеличивается в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе, по формуле N=2 в степени m, где N - количество независимых кодируемых значений, m - разрядность двоичного кодирования.
Кодирование данных двоичным кодом.
Существуют два основных формата представления чисел в памяти компьютера. Один из них используется для кодирования целых чисел, второй (так называемое представление числа в формате с плавающей точкой) используется для задания некоторого подмножества действительных чисел.
Множество целых чисел, представимых в памяти ЭВМ, ограничено. Диапазон значений зависит от размера области памяти, используемой для размещения чисел. В k-разрядной ячейке может храниться 2k различных значений целых чисел.
Чтобы получить внутреннее представление целого положительного числа N, хранящегося в k-разрядном машинном слове, необходимо перевести число N в двоичную систему счисления, а полученный результат дополнить слева незначащими нулями до k разрядов.
Наример, чтобы получить внутреннее представление целого числа 1607 в 2-х байтовой ячейке,нужно перевести число в двоичную систему: 160710 = 11001000111(2). Внутреннее представление этого числа в ячейке будет следующим: 0000 0110 0100 0111.
Для записи внутреннего представления целого отрицательного числа (-N) необходимо получить внутреннее представление положительного числа N, получить обратный код этого числа заменой 0 на 1 и 1 на 0 и к полученному числу прибавить 1.
Кодирование вещественного числа по Формату с плавающей точкой использует иные алгоритмы.
Кодирование текста.
Множество символов, используемых при записи текста, называется алфавитом. Количество символов в алфавите называется его мощностью.
Для представления текстовой информации в компьютере чаще всего используется алфавит мощностью 256 символов. Один символ из такого алфавита несет 8 бит информации, т. к. 28 = 256. Двоичный код каждого символа(8 бит) занимает 1 байт памяти ЭВМ.
Все символы такого алфавита пронумерованы от 0 до 255, а каждому номеру соответствует 8-разрядный двоичный код от 00000000 до 11111111. Этот код является порядковым номером символа в двоичной системе счисления.
Для разных типов ЭВМ и операционных систем используются различные таблицы кодировки, отличающиеся порядком размещения символов алфавита в кодовой таблице. Международным стандартом на персональных компьютерах является уже упоминавшаяся таблица кодировки ASCII.
Принцип последовательного кодирования алфавита заключается в том, что в кодовой таблице ASCII латинские буквы (прописные и строчные) располагаются в алфавитном порядке. Расположение цифр также упорядочено по возрастанию значений.
Стандартными в этой таблице являются только первые 128 символов, т. е. символы с номерами от нуля (двоичный код 00000000) до 127 (01111111). Сюда входят буквы латинского алфавита, цифры, знаки препинания, скобки и некоторые другие символы. Остальные 128 кодов, начиная со 128 (двоичный код 10000000) и кончая 255 (11111111), используются для кодировки букв национальных алфавитов, символов псевдографики и научных символов.
Кодирование графической информации.
В видеопамяти находится двоичная информация об изображении, выводимом на экран. Почти все создаваемые, обрабатываемые или просматриваемые с помощью компьютера изображения можно разделить на две большие части - растровую и векторную графику.
изображения представляют собой однослойную сетку точек, называемых пикселами (pixel, от англ. picture element). Код пиксела содержит информации о его цвете. Для черно-белого изображения (без полутонов) пиксел может принимать только два значения: белый и черный (светится - не светится), а для его кодирования достаточно одного бита памяти: 1 - белый, 0 - черный.
Пиксел на цветном дисплее может иметь различную окраску, для кодирования 2 в степени n-цветного изображения требуются т бит на пиксел, поскольку они могут принимать 2 в степени n различных состояний. Если иметь возможность управлять интенсивностью (яркостью) свечения базовых цветов, то количество различных вариантов их сочетаний, порождающих разнообразные оттенки, увеличивается. Как пример, может использоваться такой вариант кодировки цветов: 00 - черный, 10 - зеленый, 01 - красный, 11 - коричневый.
На RGB-мониторах разнообразие цветов получается сочетанием базовых цветов - красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue), из которых можно получить 8 комбинаций.
- модель. - модель.
Существуют и таблицы цветов, зависящие от количества разрядов.
Векторное изображение ― это графический объект, состоящий из элементарных отрезков и дуг. В противоположность растровой графике векторное изображение многослойно. Каждый элемент векторного изображения - линия, прямоугольник, окружность или фрагмент текста - располагается в своем собственном слое, пикселы которого устанавливаются независимо от других слоев. Каждый элемент векторного изображения является объектом, который описывается с помощью специального языка (математических уравнения линий, дуг, окружностей и т. д.). Сложные объекты (ломаные линии, различные геометрические фигуры) представляются в виде совокупности элементарных графических объектов. Объекты векторного изображения, в отличии от растровой графики, могут изменять свои размеры без потери качества (при увеличении растрового изображения увеличивается зернистость). Базовым элементом изображения является линия. Как и любой объект, она обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной., цветом, начертанием (пунктирная, сплошная). Замкнутые линии имеют свойство заполнения (или другими объектами, или выбранным цветом). Все прочие объекты векторной графики составляются из линий.
Также существует фрактальная графика, основываеющаяся на математических вычислениях, как и векторная. Но в отличии от векторной ее базовым элементом является сама математическая формула. Это приводит к тому, что в памяти компьютера не хранится никаких объектов и изображение строится только по уравнениям. При помощи этого способа можно строить простейшие регулярные структуры, а также сложные иллюстрации, которые имитируют ландшафты.
Кодирование звука.
Звук ― это колебания воздуха. Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), можно видеть плавно изменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такой - аналоговый - сигнал преобразовывается в последовательность двоичных чисел.
Измеряется напряжение через равные промежутки времени и полученные значения записываются в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его - аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него служит цифро-аналоговый преобразователь - ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.
Чем выше частота дискретизации (т. е. количество отсчетов за секунду) и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук. Но при этом увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения. Этот способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, позволяет представить любой звук и преобразовывать его различными способами.
Человек издавна использует довольно компактный способ представления музыки - нотную запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.
Такая система кодирования не позволяет записывать все звуки, она годится только для инструментальной музыки, но имеет преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии.
Существуют и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них следует отметить формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку. При этом вместо 18-20 музыкальных композиций на стандартный компакт-диск (CDROM) помещается около 200. Одна песня занимает примерно 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.
Код - это набор условных обозначений (или сигналов) для записи (или передачи) некоторых заранее определенных понятий.
Кодирование информации – это процесс формирования определенного представления информации. В более узком смысле под термином «кодирование» часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки.
Обычно каждый образ при кодировании (иногда говорят - шифровке) представлении отдельным знаком.
Знак - это элемент конечного множества отличных друг от друга элементов.
В более узком смысле под термином "кодирование" часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки.
Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (например, звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например "наложить" друг на друга звуки от разных источников.
Аналогичным образом на компьютере можно обрабатывать текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.
Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной десятичной форме, а все необходимые преобразования выполняют программы, работающие на компьютере.
Способы кодирования информации.
Одна и та же информация может быть представлена (закодирована) в нескольких формах. C появлением компьютеров возникла необходимость кодирования всех видов информации, с которыми имеет дело и отдельный человек, и человечество в целом. Но решать задачу кодирования информации человечество начало задолго до появления компьютеров. Грандиозные достижения человечества - письменность и арифметика - есть не что иное, как система кодирования речи и числовой информации. Информация никогда не появляется в чистом виде, она всегда как-то представлена, как-то закодирована.
Двоичное кодирование – один из распространенных способов представления информации. В вычислительных машинах, в роботах и станках с числовым программным управлением, как правило, вся информация, с которой имеет дело устройство, кодируется в виде слов двоичного алфавита.
Кодирование символьной (текстовой) информации.
Основная операция, производимая над отдельными символами текста - сравнение символов.
При сравнении символов наиболее важными аспектами являются уникальность кода для каждого символа и длина этого кода, а сам выбор принципа кодирования практически не имеет значения.
Для кодирования текстов используются различные таблицы перекодировки. Важно, чтобы при кодировании и декодировании одного и того же текста использовалась одна и та же таблица.
Таблица перекодировки - таблица, содержащая упорядоченный некоторым образом перечень кодируемых символов, в соответствии с которой происходит преобразование символа в его двоичный код и обратно.
Наиболее популярные таблицы перекодировки: ДКОИ-8, ASCII, CP1251, Unicode.
Исторически сложилось, что в качестве длины кода для кодирования символов было выбрано 8 бит или 1 байт. Поэтому чаще всего одному символу текста, хранимому в компьютере, соответствует один байт памяти.
Различных комбинаций из 0 и 1 при длине кода 8 бит может быть 28 = 256, поэтому с помощью одной таблицы перекодировки можно закодировать не более 256 символов. При длине кода в 2 байта (16 бит) можно закодировать 65536 символов.
Кодирование числовой информации.
Сходство в кодировании числовой и текстовой информации состоит в следующем: чтобы можно было сравнивать данные этого типа, у разных чисел (как и у разных символов) должен быть различный код. Основное отличие числовых данных от символьных заключается в том, что над числами кроме операции сравнения производятся разнообразные математические операции: сложение, умножение, извлечение корня, вычисление логарифма и пр. Правила выполнения этих операций в математике подробно разработаны для чисел, представленных в позиционной системе счисления.
Основной системой счисления для представления чисел в компьютере является двоичная позиционная система счисления.
Кодирование текстовой информации
В настоящее время, большая часть пользователей, при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др. Подсчитаем, сколько всего символов и какое количество бит нам нужно.
10 цифр, 12 знаков препинания, 15 знаков арифметических действий, буквы русского и латинского алфавита, ВСЕГО: 155 символов, что соответствует 8 бит информации.
Единицы измерения информации.
1 байт = 8 бит
1 Кбайт = 1024 байтам
1 Мбайт = 1024 Кбайтам
1 Гбайт = 1024 Мбайтам
1 Тбайт = 1024 Гбайтам
Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255.
Необходимо помнить, что в настоящее время для кодировки русских букв используют пять различных кодовых таблиц (КОИ - 8, СР1251, СР866, Мас, ISO), причем тексты, закодированные при помощи одной таблицы не будут правильно отображаться в другой
Основным отображением кодирования символов является код ASCII - American Standard Code for Information Interchange- американский стандартный код обмена информацией, который представляет из себя таблицу 16 на 16, где символы закодированы в шестнадцатеричной системе счисления.
Кодирование графической информации.
Важным этапом кодирования графического изображения является разбиение его на дискретные элементы (дискретизация).
Основными способами представления графики для ее хранения и обработки с помощью компьютера являются растровые и векторные изображения
Векторное изображение представляет собой графический объект, состоящий из элементарных геометрических фигур (чаще всего отрезков и дуг). Положение этих элементарных отрезков определяется координатами точек и величиной радиуса. Для каждой линии указывается двоичные коды типа линии (сплошная, пунктирная, штрихпунктирная), толщины и цвета.
Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей), полученных в результате дискретизации изображения в соответствии с матричным принципом.
Матричный принцип кодирования графических изображений заключается в том, что изображение разбивается на заданное количество строк и столбцов. Затем каждый элемент полученной сетки кодируется по выбранному правилу.
Pixel (picture element - элемент рисунка) - минимальная единица изображения, цвет и яркость которой можно задать независимо от остального изображения.
В соответствии с матричным принципом строятся изображения, выводимые на принтер, отображаемые на экране дисплея, получаемые с помощью сканера.
Качество изображения будет тем выше, чем "плотнее" расположены пиксели, то есть чем больше разрешающая способность устройства, и чем точнее закодирован цвет каждого из них.
Для черно-белого изображения код цвета каждого пикселя задается одним битом.
Если рисунок цветной, то для каждой точки задается двоичный код ее цвета.
Поскольку и цвета кодируются в двоичном коде, то если, например, вы хотите использовать 16-цветный рисунок, то для кодирования каждого пикселя вам потребуется 4 бита (16=24), а если есть возможность использовать 16 бит (2 байта) для кодирования цвета одного пикселя, то вы можете передать тогда 216 = 65536 различных цветов. Использование трех байтов (24 битов) для кодирования цвета одной точки позволяет отразить 16777216 (или около 17 миллионов) различных оттенков цвета - так называемый режим “истинного цвета” (True Color). Заметим, что это используемые в настоящее время, но далеко не предельные возможности современных компьютеров.
Кодирование звуковой информации.
Из курса физики вам известно, что звук - это колебания воздуха. По своей природе звук является непрерывным сигналом. Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), мы увидим плавно изменяющееся с течением времени напряжение.
Для компьютерной обработки аналоговый сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел, а для этого его необходимо дискретизировать и оцифровать.
Можно поступить следующим образом: измерять амплитуду сигнала через равные промежутки времени и записывать полученные числовые значения в память компьютера.
Пользователи информации
Пользователи или потребители информации – животный и растительный мир, люди, технические устройства. С точки зрения социума – люди (индивиды), нуждающиеся в какой-либо информации и с этой целью осуществляющие поиск её собственными силами или с помощью посредников. В качестве посредников обычно выступают работники библиотек (библиографы) и информационных служб.
Кодирование информации
Считается, что впервые кодирование появилось в V веке до н.э. в Греции. Издавна о возникновении опасности человек сообщал разными действиями: рисунком, криком, огнём и жестами. Затем он стал использовать доступные технические средства: азбуку Морзе, телеграф, радио, телефон и другие виды сигнализации. В любом случае получатель этой информации должен знать правила её формирования и отображения. Такие правила принято называть «кодом».
Код – набор условных обозначений для записи или передачи заранее определенных понятий; правило, по которому сопоставляются различные алфавиты и слова. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов . При кодировании каждый образ представляется отдельным знаком.
Знак – элемент конечного множества отличных друг от друга элементов. Процесс «кодирования» называют также процессом «шифрования», хотя последний термин имеет, по крайней мере, два значения. Первое – перевод информации из одной системы представления в другую, а другое – шифрование любой системы с целью ограничения возможности пользоваться ею.
Количество знаков, используемое при кодировании, называется «длиной кода ». Количество символов в элементе кодирования и длина кода абсолютно разные вещи. Например, в русском алфавите 33 символа, а слова могут быть длиной в один, два и т.д. символа.
Кодирование информации – процесс формирования определенного представления информации. В более узком смысле под термином «кодирование » часто понимают переход из одной формы представления информации в другую, более удобную для хранения, передачи или обработки.
Код может быть постоянной и непостоянной длины. Кодом непостоянной длины является троичный код Морзе, используемый в порядке исключения. Коды непостоянной длины в технике не применяют
В вычислительной технике (ВТ) компьютер может обрабатывать информацию, представленную только в числовой форме, поэтому в компьютерной среде любую информацию (звук, изображение, показания приборов и т. д.) специальным образом кодируют. При этом все необходимые преобразования выполняют компьютерные программы. В ВТ широко используется двоичное кодирование с алфавитом (0, 1).
Компьютеры работают с числами, представленными двоичной системой счисления. С целью унификации приёмов и методов работы применяется универсальная система кодирования данных – двоичный код. Двоичный код представляет совокупность двоичных знаков, принимающих значение нуля или единицы. Он получил название «бит». Термин «бит » происходит от английского словосочетания « binary digit », что означает «двоичный разряд ». Для кодирования одного символа нужно восемь бит. Восемь последовательных бит составляют один байт , являющийся единицей представления данных или единицей информации (количества информации , объёма памяти и ёмкости запоминающего устройства). Байт является основой следующих производных единиц измерения информации:
1 килобайт (Кб) = 1024 байтам,
1 мегабайт (Мб) = 1024 Кб,
1 гигабайт (Гб) = 1024 Мб,
1 терабайт (Тб) = 1024 Гб,
1 петабайт (Пб) = 1024 Тб
Средством кодирования служит таблица соответствия , устанавливающая взаимно однозначное соответствие между знаками или группами знаков двух различных знаковых систем (байтами и символами). Существует несколько видов специальных таблиц кодов. Наибольшее распространение получили кодовые таблицы: ASCII (American Standard Code for Information Interchange – американский стандартный код обмена информацией), двоичный код обмена информацией (ДКОИ) и КОИ-8 (код обмена информацией длиной 8 бит).
Обычно в России используется альтернативная кодировка, содержащая символы русского алфавита. Таковых насчитывается не менее четырёх. Все таблицы кодов содержат 256 символов, при этом один байт представляет значение одного из 256 возможных символов.
При вводе в компьютер текстовых данных каждая буква кодируется определенным числом в соответствии с таблицей кодов. Это происходит следующим образом – при нажатии клавиши на клавиатуре компьютера с изображением символа осуществляется ввод в ЭВМ соответствующего знака алфавита. Таким образом, выполняется его кодирование , то есть преобразование знака в компьютерный (машинный) код. Для вывода на внешние устройства (экран или печать) по этим числам строятся изображения букв, то есть при выводе знака на экран монитора или принтер происходит обратный процесс – декодирование . В этом случае знак из компьютерного кода преобразуется в графическое изображение.
Чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, нужно через одинаковые небольшие промежутки времени измерять его интенсивность и представлять результаты каждого измерения в числовой форме (тема 7).
Кодирование используется при выполнении различных информационных процессов, при этом информация может неоднократно кодироваться, т.е. изменять своё представление. Простейшие примеры перекодировки – передача телеграмм или заказ билетов в автоматизированной системе. Конечно, кодирование широко используется в программировании и при проведении мероприятий по защите информации.
Числовая форма . Как говорилось выше, компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Скажем, чтобы перевести в цифровую форму звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например «наложить» друг на друга звуки от разных источников. После этого результат можно преобразовать обратно в звуковую форму.
Кодировки символов . Для обработки на компьютере текстовой информации обычно при вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся соответствующие изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов. Наиболее часто используемые на IВМ РС кодировки символов описаны в главах 10 и 32.
Двоичная система счисления . Как правило, все числа внутри компьютера представляются с помощью нулей и единиц, а не десяти цифр, как это привычно для людей. Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом их устройство получается значительно более простым. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной для людей десятичной форме - все необходимые преобразования могут выполнить программы, работающие на компьютере.
Биты и байты . Единицей информации в компьютере является одни бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Как правило, команды компьютеров работают не с отдельными битами, а с восемью битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных (256 = 2). Более крупными единицами информации являются килобайт (сокращенно обозначаемый Кбайт), равный 1024 байтам (1024=2), мегабайт (сокращенно обозначаемый Мбайт), равный 1024 Кбайтам и гигабайт (Гбайт), равный 1024 Мбайтам. Для ориентировки скажем, что если на странице текста помещается в среднем 2500 знаков, то 1 Мбайт- это примерно 400 страниц, а 1 Гбайт - 400 тыс. страниц.
Как работает компьютер
Еще при создании первых компьютеров в 1945 г. знаменитый математик Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. Сейчас подавляющее большинство компьютеров в основных чертах соответствует принципам фон Неймана.
Устройства компьютера . Прежде всего, компьютер, согласно принципам фон Неймана, должен иметь следующие устройства:
· арифмепгическо-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
· устройство управления , которое организует процесс выполнения программ;
· запоминающее устройство , или память для хранения про
· грамм и данных;
· внешние устройства для ввода-вывода информации.
Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера.
Вот каковы должны быть связи между устройствами компьютера (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные - информационные).
Принципы работы компьютера . В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.
Как правило, после выполнения одной команды устройство управления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или переход, в программе может выполняться не всегда, а только при выполнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательности команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выполнять различные последовательности команд в зависимости от выполнения определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.
Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешними устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.
Особенности современных компьютеров . Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в единое устройство - центральный процессор. Кроме того, процесс выполнения программ может прерываться для выполнения неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера - прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.
