Кодирование и измерение информации доклад

Обновлено: 02.07.2024

Анализируя информацию, мы сталкиваемся с необходимостью определения качества и определения количества полученной информации. Определить качество информации чрезвычайно сложно, а часто и вообще невозможно. Какие-либо сведения, например исторические, могут десятилетиями считаться ненужными и вдруг их ценность может резко возрасти.

Вместе с тем определить количество информации не только можно, но и нужно. Это необходимо для того, чтобы сравнить друг с другом различные массивы информации, а также определить, какие размеры должны иметь материальные объекты (бумага, магнитные носители и т.д.), хранящие эту информацию.

Далее, говоря об измерении информации, мы будем иметь в виду определение ее количества.

Единая форма кодирования и измерения количества информации

Как измерять количество информации? Для этого нужно иметь универсальный способ, позволяющий представить любую ее форму (текстовую, графическую и др.) в едином стандартном виде.

За такой способ принята так называемая двоичная форма представления информации. Она заключается в записи любой информации в виде последовательности только двух символов: 0 и 1 (то есть в виде двоичных чисел) и с технической точки зрения наиболее проста и удобна (есть ток/нет тока, намагничено/размагничено, высокое напряжение/низкое напряжение).

Рассмотрим сначала одноразрядное двоичное число – бит. Оно может принимать два различных значения: 0 и 1

К = 2 n °, где n – число разрядов двоичного числа.

В общем случае, верно, что чем больше различных видов однотипной информации требуется закодировать, тем больше разрядов двоичного числа (бит) требуется.

Единицы измерения информации

Таким образом, можно утверждать: информацию можно измерять в битах, то есть в количестве двоичных разрядов. Бит является наименьшей единицей измерения количества информации.

Представление текстовой информации в компьютере. Кодовые таблицы

Каждому символу ставится в соответствие двоичное число, причем таким образом, что чем дальше символ расположен от начала алфавита, тем больше значение двоичного числа, которое является кодом данного символа. Сколько разрядов (бит) требуется, чтобы закодировать все буквы, знаки препинания, математические и специальные символы? Легко подсчитать:

кириллица (большие и малые буквы) - 66;
латинские (большие и малые буквы) - 52;
цифры - 10;
знаки препинания (. , : ; ‘ « ! ? -) - 9;
знаки математических операций (+ - * / ^) - 5.

Таблица кодирования ASCII

Как мы уже выяснили, традиционно для кодирования одного символа используется 8 бит. И, когда люди определились с количеством бит, им осталось договориться о том, каким кодом кодировать тот или иной символ, чтобы не получилось путаницы, т.е. необходимо было выработать стандарт – все коды символов сохранить в специальной таблице кодов. В первые годы развития вычислительной техники таких стандартов не существовало, а сейчас наоборот, их стало очень много, но они противоречивы. Первыми решили эти проблемы в США, в Институте стандартизации. Этот институт ввел в действие таблицу кодов ASCII (American Standard Code for Information Interchange – стандартный код информационного обмена США).

Рассмотрим таблицу кодов ASCII:

Таблица ASCII разделена на две части. Первая – стандартная – содержит коды от 0 до 127. Вторая – расширенная – содержит символы с кодами от 128 до 255.

Первые 32 кода отданы производителям аппаратных средств и называются они управляющие, т.к. эти коды управляют выводом данных. Им не соответствуют никакие символы.

Коды с 32 по 127 соответствуют символам английского алфавита, знакам препинания, цифрам, арифметическим действиям и некоторым вспомогательным символам.

Коды расширенной части таблицы ASCII отданы под символы национальных алфавитов, символы псевдографики и научные символы.

Все буквы расположены в них по алфавиту, а цифры – по возрастанию. Этот принцип последовательного кодирования позволяет определить код символа, не заглядывая в таблицу.

Коды цифр берутся из этой таблицы только при вводе и выводе и если они используются в тексте. Если же они участвуют в вычислениях, то переводятся в двоичную систему счисления.

Альтернативные системы кодирования кириллицы

Система кодирования КОИ-7 (код обмена информацией, семизначный), действовавшая в СССР. Была вскоре вытеснена американским кодом ASCII во вторую, расширенную часть системы кодирования с кодами от 128 по 255.
Кодировка Windows-1251. Была введена извне компанией Microsoft Так как программный продукт этой компании – операционная система Windows глубоко закрепилась и широко распространилась, то кодировка Windows-1251 получила широкое применение на компьютерах, работающих под управлением именно этой операционной системы.
Кодировка КОИ-8 широко распространена на территории России и в российском секторе Интернета.
Кодировка ISO (International Standard Organization — Международный институт стандартизации) – содержит символы русского алфавита, но на практике используется редко.
Кодировка ГОСТ – альтернативная. Действует на компьютерах в операционных системах MS-DOS.

Таблица Unicode разделена на несколько областей. Область с кодами от 0000 до 007F содержит символы набора Latin 1 (младшие байты соответствуют кодировке ISO 8859-1). Далее идут области, в которых расположены знаки различных письменностей, а также знаки пунктуации и технические символы. Часть кодов зарезервирована для использования в будущем (29000). 6000 кодовых комбинаций оставлено программистам.

Символам кириллицы выделены коды в диапазоне от 0400 до 0451.

Использование Unicode значительно упрощает создание многоязычных документов, публикаций и программных приложений.

Решение задач

1. Закодируйте с помощью ASCII слово: МИР

Решение: открываем таблицу ASCII,
по таблице ищем букву М, её код 204
по таблице ищем букву И, её код 200
по таблице ищем букву Р, её код 208

Ответ: код слова МИР – 204 200 208

2. Декодируйте тексты, заданные десятичным кодом: 192 203 195 206 208 200 210 204

Решение: открываем таблицу ASCII, в таблице ищем коды и соответствующую им букву:
192 – А; 203 – Л; 195 – Г; 206 – О; 208 – Р; 200 – И; 210 – Т; 204 – М, т. е. получили слово: АЛГОРИТМ

Ответ: 192 203 195 206 208 200 210 204 – АЛГОРТИМ

Решение: Зная, что все буквы расположены по алфавиту, а цифры по возрастанию делаем следующие выводы: I – 73, J – 74, K – 75, L – 76, M – 77, N – 78, O – 79, P – 80, Q – 81, R – 82

Ответ: MIR – 77 73 82

4. Каков информационный объём текста, содержащего слово МИР:

Зная, что в 16-битовой кодировке 1 символ – 16 бит делаем следующие выводы:
МИР – 3 символа = 48 бит (3*16)

Ответ: а) 48 бит; б) 24 бит.

5. Текст занимает полных 2 страницы. На каждой странице размещается 45 строк по 45 символов. Определить объём оперативной памяти, который займёт этот текст.

Решение: Мы знаем, что 1 символ – 8бит – 1 байт , значит нам нужно найти кол-во символов данного текста: 2 страницы*45 строк*45 символов = 4050 символов = 4050 байт

Ответ: 4050 байт

Кодирование графической информации

Общие понятия о графической информации

Графическая информация представляет собой изображение, сформированное из определенного числа точек – пикселей. Добавим к этой информации новые сведения. Процесс разбиения изображения на отдельные маленькие фрагменты (точки) называется пространственной дискретизацией. Ее можно сравнить с построением рисунка из мозаики. При этом каждой мозаике (точке) присваивается код цвета.

От количества точек зависит качество изображения. Оно тем выше, чем меньше размер точки и соответственно большее их количество составляет изображение. Такое количество точек называется разрешающей способностью и обычно существуют четыре основных значений этого параметра: 640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024.

Качество изображения зависит также от количества цветов, т.е. от количества возможных состояний точек изображения, т.к. при этом каждая точка несет большее количество информации. Используемый набор цветов образует палитру цветов.

Кодирование цвета

Рассмотрим, каким образом происходит кодирование цвета точек. Для кодирования цвета применяется принцип разложения цвета на составляющие. Их три: красный цвет (Red, R), синий (Blue, В) и зелёный (Green, G). Смешивая эти составляющие, можно получать различные оттенки и цвета – от белого до черного.

Сколько бит необходимо выделить для каждой составляющей, чтобы при кодировании изображения его качество было наилучшим?

Если рисунок черно-белый, то общепринятым на сегодняшний день считается представление его в виде комбинации точек с 256 градациями серого, т.е. для кодирования точки достаточно 1 байта.

Если же изображение цветное, то с помощью 1 байта можно также закодировать 256 разных оттенков цветов. Этого достаточно для рисования изображений типа тех, что мы видим в мультфильмах. Для изображений же живой природы этого недостаточно. Если увеличить количество байт до двух (16 бит), то цветов станет в два раза больше, т.е. 65536. Это уже похоже на то, что мы видим на фотографиях и на картинках в журналах, но все равно хуже, чем в живой природе. Увеличим еще количество байтов до трех (24 бита). В этом случае можно закодировать 16,5 миллионов различных цветов. Именно такой режим позволяет работать с изображениями наилучшего качества.

Количество бит, необходимое для кодирования цвета точки называется глубиной цвета. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 4, 8, 16 и 24 бита на точку.

Количество цветов можно вычислить по формуле: N=2 I , где I – глубина цвета.

00000000 – минимальная интенсивность, соответствующая полному отсутствию данного цвета;
11111111 – максимальная интенсивность, соответствующая присутствию данного цвета целиком;
11110000 – средняя интенсивность, соответствующая более светлому оттенку данного цвета.

Решение задач

1. Какой объём видеопамяти необходим для хранения четырёх страниц изображения при условии, что разрешающая способность дисплея равна 640Х480 точек, а используемых цветов – 32?

RS – разрешающая способность (в нашем случае RS = 640Х480);
I – глубина (в нашем случае – неизвестно);
KS – количество страниц (в нашем случае KS = 4).

Для нахождения I воспользуемся формулой: N=2 I ,
где I – глубина цвета,
N – количество цветов (у нас 32).
Следовательно: 32 = 2 I и значит I = 5 бит.

Теперь все параметры нам известны, находим объём:

V = 640*480*5*4 =6144000 бит = 750 Кбайт (т.к. в 1 байте – 8 бит и в 1 Кбайте – 1024 байт)

Ответ: 750 Кбайт

2. 256-цветный рисунок содержит 1 Кбайт информации. Из скольки точек он состоит?

Решение: Найдём информационный объём одной точки: N = 2 I , 256 = 2 I , I = 8 бит (глубина)

Переведём известный объём в биты: 1Кбайт = 1024 байт*8бит = 8192 бит

Зная глубину и объём находим количество точек на изображении: 8192:8 = 1024 точек

Ответ: 1024 точек

Кодирование звуковой информации

Оцифровка звука

Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Для человека звук тем громче, чем больше амплитуда сигнала, и тем выше тон, чем больше частота сигнала. Непрерывный сигнал не несет в себе информации, поэтому он должен быть превращен в последовательность двоичных нулей и единиц – двоичный (цифровой) код.

Оцифровку звука выполняет специальное устройство на звуковой плате. Называется оно аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Обратный процесс – воспроизведение закодированного звука производится с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Весь процесс кодирования и декодирования представить в виде следующей схемы:

Схема кодирования звука:

Характеристики оцифрованного звука

Качество звука зависит от двух характеристик – глубины кодирования и частоты дискретизации. Рассмотрим эти характеристики.

Глубина кодирования звука (I) — это количество бит, используемое для кодирования различных уровней сигнала или состояний. Тогда общее количество таких состояний или уровней (N) можно вычислить по формуле: N=2 I .

Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука, и тогда общее количество различных уровней будет: N=2 16 = 65536.

Частота дискретизации (М) – это количество измерений уровня звукового сигнала в единицу времени. Эта характеристика показывает качество звучания и точность процедуры двоичного кодирования. Измеряется в герцах (Гц). Одно измерение за одну секунду соответствует частоте 1 Гц, 1000 измерений за одну секунду – 1 килогерц (кГц). Частота дискретизации звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц. При частоте 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц – качеству звучания аудио-CD.

Высокое качество звучания достигается при частоте дискретизации 44,1 кГц и глубины кодирования звука, равной 16 бит. Для мрачного, приглушенного звука характерны следующие параметры: частота дискретизации – 11 кГц, глубина кодирования – 8 бит.

Решение задач

1. Определить объём памяти для хранения моноаудиофайла, время звучания которого составляет пять минут при частоте дискретизации 44 кГц и глубине кодирования 16 бит.

Решение: Воспользуемся формулой: V = M*I*t

В нашем случае М = 44 кГц = 44000 Гц
I = 16 бит
t = 5 минут,
подставляем в формулу и получаем:
V = 44000*16*5 = 3520000 бит = 430 Кбайт (примерно)

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Кодирование информации. Измерение информации.

Кодирование информации – переход от одной формы представления информации к другой.

Способ кодирования зависит от цели, ради которой оно осуществляется: сокращение записи, шифровка. Существуют три основных способа кодирования:

Графический – с помощью рисунков или значков.

Числовой – с помощью чисел.

Символьный – с помощью символов того же алфавита, что и исходный текст.

Самое простое кодирование – перевод с одного языка на другой.

Английский писатель Конан Дойль придумал пляшущих человечков, Леонардо да Винчи писал свои записки в зеркальном отражении, американский художник Морзе придумал свою азбуку, существует флажковая азбука, штрих-код.

Компьютерное кодирование. Всю получаемую информацию компьютер превращает в свой код – всего две цифры – 1 и 0. Человечеству удалось придумать надежные технические устройства, которые распознают и сохраняют два различных состояния (цифры):

- магнитная лента. Намагничено/не намагничено. И т.д.

Все виды информации в ПК кодируются на машинном языке в виде последовательностей нулей и единиц.

Единицы измерения информации

Самая маленькая единица измерения информации – 1 бит (0 или 1).

BIT – это аббревиатура от BI nary digi T ( двоичная цифра ).

Следующая единица – байт.

BYTE – B inar Y Te rm (двоичный элемент) – это последовательность из восьми бит. Именно одним байтом кодируется один символ.

1 байт = 8 битам.

В информатике система образования кратных единиц измерения количества информации отличается от принятых в большинстве наук. Международная система единиц СИ в качестве множителей кратных единиц использует коэффициент 10 n , где n =3, 6, 9. Для компьютера кратной единицей измерения информации является коэффициент 2 n . Значит 1 байт=8 битам, будет равен 2 3 .

Но байт – маленькая величина, поэтому обычно используют килобайты, мегабайты.

Килобайт=2 10 =1024 байт

Мегабайт=2 10 Кбайт=2 20 байт=1 048 576байт

Гигабайт=2 10 Мбайт=2 30 байт=1 073 741 824байт

Терабайт=2 10 Гбайт=2 40 байт=1 099 511 627 776байт

Петабайт; Экзабайт; Зеттабайт; Йоттабайт.

1 страница печатного текста (60 строк и 80 символов в строке)- (60*80=4800/1024=4,7 Кбайт).

ПРИМЕР: перевести 5Мбайт в байты;

Перевести 345байт в Кбайты;

Количество возможных событий и количество информации

Существует формула, которая связывает между собой количество возможных событий N и количество информации I .

N = 2 I - формула Хартли (1)

ПРИМЕРЫ: 1. Вы подошли к светофору, когда горел желтый цвет. После этого загорелся зеленый. Какое количество информации вы при этом получили?

N =2; 2=2 I > I =1 бит

2. Вы подошли к светофору, когда горел красный цвет. После этого загорелся желтый. Какое количество информации вы при этом получили?

N=1; 1=2 I > 2 0 =2 I > I=0 бит

N =4; 4=2 I > 2 2 =2 I > I =2 бит

N =8; 8=2 I > 2 3 =2 I > I =3 бит

5. В школьной библиотеке 16 стеллажей с книгами. На каждом стеллаже по 8 полок. Библиотекарь сообщил Пете, что нужная ему книга находится на пятом стеллаже на третьей сверху полке. Какое количество информации библиотекарь передал Пете?

N =16*8=128; 128=2 I > 2 7 =2 I > I =7 бит

N =2 4 ; > N =16 этажей (событий)

N =2 3 =8 подъездов (событий)

N=2 I ; > 7=2 I > 2 2,8 =2 I > I=2,8 бита

Байт - основная единица информации.

1 байт = 8 бит; 1 Кбайт = 2 10 байт = 1024 байт; 1 Мбайт = 2 10 Кбайт = 1024 Кбайт; 1 Гбайт = 2 10 Мбайт = 1024 Мбайт

Определение количества (объема) информации

Вероятностный подход к измерению количества информации - рассматривает информацию с точки зрения повышения определенности знания в результате ее получения:

Количество (объем) получаемой информации (I) при известном количестве возможных событий (N):

Для равновероятных событий: I = log₂N

Для разновероятных событий: (формула Шеннона),

I - кол-во информации (бит), N - кол-во возможных событий, Pi - вероятность i-го события, i = 1, 2, …, N.

Представление информации в компьютере

Все виды информации в компьютере обрабатываются в двоично-кодированном виде - т. е. в виде последовательности нулей и единиц, на физическом уровне представляемой в форме электрических импульсов: 1 - есть импульс, 0 - нет импульса.

Логические последовательности нулей и единиц представляют собой машинный язык.

Кодирование текстовой информации

Принцип кодирования: каждому символу ставится в соответствие определенный уникальный числовой (двоичный) код. Таблица, устанавливающая такое соответствие, называется таблицей кодировки символов.

В различных кодировках: коды от 0 до 32 - соответствуют управляющим клавишам (Enter, Esc и т. п.); от 33 до 127 - латинским буквам, цифрам, знакам арифметическим операций и знакам препинания; от 128 до 255 (расширенная часть таблицы кодировки) - для символов национальных алфавитов (в т. ч. кириллицы).

UNICODE - 16-разрядная кодировка символов, позволяющая закодировать 2 16 = 65536 различных символов.

Кодирование графической информации

Минимальный объект кодирования растрового графического изображения - пиксель.

В основе кодирования цветных графических изображений - принцип декомпозиции цветов - т. е. разложение произвольного цвета на основные составляющие (например, по системе RGB: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue)).

Глубина кодирования (глубина цвета) - количество бит (двоичных разрядов), используемых для кодирования цвета одной точки. От глубины цвета (k) зависит количество отображаемых цветов (N) - т. е. количество возможных состояний одной точки изображения: N=2 k .

Наиболее распространенные значения глубины цвета: 4, 8, 16, 24 бита на точку.

Разрешение - количество точек (пикселей) изображения, приходящихся на единицу длины. От разрешения зависит размер пикселя.

Наиболее частот используемые экранные разрешения: 640x480, 800x600, 1024x768, 1280x1024 точек.

Глубина кодирования и разрешение влияют на качество кодирования изображения.

Объем видеопамяти (V), необходимый для формирования графического изображения на экране: V = M * N * k, где M - кол-во точек изображения по горизонтали, N - кол-во точек изображения по вертикали, k - глубина цвета (бит).

Кодирование звуковой информации

Для кодирования непрерывного (аналогового) звукового сигнала производится его дискретизация по времени (временная дискретизация, оцифровка) - разбиение непрерывной звуковой волны на отдельные короткие временные участки с измерением для каждого из них интенсивности звукового сигнала (величины амплитуды). Это выполняется аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). При воспроизведении закодированного (оцифрованного) звука выполняется обратное преобразование цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) с последующим сглаживанием ступенчатого сигнала через аналоговый фильтр.

Глубина кодирования звука - количество бит (двоичных разрядов), используемых для кодирования уровня интенсивности (амплитуды) одного звукового сигнала. От глубины звука (k) зависит количество отражаемых в кодировании различных уровней звукового сигнала (N): N=2 k .

Частота дискретизации - количество измерений уровня (амплитуды, интенсивности) звукового сигнала в единицу времени. Количество измерений в секунду может лежать в диапазоне от 8000 до 48000, т. е. диапазон частоты дискретизации аналогового звукового сигнала: от 8 до 48 кГц.

Глубина кодирования и частота дискретизации влияют на качество кодирования звука.

Информационный объем моноаудиофайла (V): V = N * f * k, где N - общая длительность звучания (секунд), f - частота дискретизации (Гц), k - глубина кодирования (бит).

Представление чисел в памяти компьютера

Традиционная форма записи чисел, используемая в повседневной жизни, называется естественной формой записи чисел. Существует также экспоненциальная форма представления чисел: A_q = m * q p , где q - основание системы счисления, m - мантисса числа, p- порядок числа. Для 10-ой с/с: A₁₀ = m * 10 p , для 2-ой с/с: A₂ = m * 2 p .

В компьютере числа представляются в одной из двух форм:

1. В форме с фиксированной точкой - соответствует естественной двоичной форме записи чисел с фиксированной разрядностью и указанием знака числа. В современных ЭВМ в такой форме представляются только целые числа.

2. В форме с плавающей точкой - соответствует экспоненциальной двоичной форме записи чисел с фиксированной разрядностью мантиссы и порядка и указанием знаков мантиссы и порядка. В компьютере числа в плавающей форме записываются в нормализованном виде (когда первая цифра мантиссы числа не равна нулю).

Информация – это сведения об окружающем мире (объекте, процессе, явлении, событии), которые являются объектом преобразования (включая хранение, передачу и т.д.) и используются для выработки поведения, для принятия решения, для управления или для обучения.

При всем многообразии подходов к определению понятия информации, с позиции измерения информации выделяют два из них: определение К. Шеннона, применяемое в математической теории информации (содержательный подход), и определение А. Н. Колмогорова, применяемое в отраслях информатики, связанных с использованием компьютеров (алфавитный подход).

Содержательный подход часто называют субъективным, так как разные люди (субъекты) информацию об одном и том же предмете оценивают по-разному.

Но если число исходов не зависит от суждений людей (случай бросания кубика или монеты), то информация о наступлении одного из возможных исходов является объективной.

Единицы измерения информации.

Как уже было сказано, основная единица измерения информации — бит. 8 бит составляют 1 байт.

Наряду с байтами для измерения количества информации используются более крупные единицы:

1 Кбайт (один килобайт) = 210 байт = 1024 байта;

1 Мбайт (один мегабайт) = 210 Кбайт = 1024 Кбайта;

1 Гбайт (один гигабайт) = 210 Мбайт = 1024 Мбайта.

В последнее время в связи с увеличением объёмов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как:

1 Терабайт (Тб) = 1024 Гбайта = 240 байта,

1 Петабайт (Пб) = 1024 Тбайта = 250 байта.

Билет №6. Устройство памяти компьютера. Носители информации (гибкий диск, жесткий диск, диск CD - ROM / R / RW , DVD и т.д.

Основной функцией внешней памяти компьютера является способность долговременно хранить большой объем информации (программы, документы, аудио-и видеоклипы и т. д.). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем или дисководом, а хранится информация на носителях (например, дискетах).

В накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД или дискетах) и накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД или винчестерах), в основу записи, хранения и считывания информации положен магнитный принцип, а в лазерных дисководах — оптический принцип.

1. Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус. Такой носитель информации называется дискетой. Дискета вставляется в дисковод, вращающий диск с постоянной угловой скоростью. Магнитная головка дисковода устанавливается на определенную концентрическую дорожку диска, на которую и записывается (или считывается) информация.

Информационная ёмкость дискеты невелика и составляет всего 1.44 Мбайт. Скорость записи и считывания информации также мала (около 50 Кбайт/с) из-за медленного вращения диска (360 об./мин).

В целях сохранения информации гибкие магнитные диски следует предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как это может привести к размагничиванию носителя и потере информации.

2. Жесткий диск (HDD — Hard Disk Drive) относится к несменным дисковым магнитным накопителям. Первый жесткий диск был разработан фирмой IBM в 1973 г. и имел емкость 16 Кбайт.

Жесткие магнитные диски представляют собой несколько десятков дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический корпус и вращающихся с высокой угловой скоростью. За счет множества дорожек на каждой стороне дисков и большого количества дисков информационная емкость жестких дисков может в десятки тысяч раз превышать информационную емкость дискет и достигать сотен Гбайт. Скорость записи и считывания информации с жестких дисков достаточно велика (около 133 Мбайт/с) за счет быстрого вращения дисков (7200 об./мин). Часто жесткий диск называют винчестер.

В жестких дисках используются достаточно хрупкие и миниатюрные элементы. Чтобы сохранить информацию и работоспособность жестких дисков, необходимо оберегать их от ударов и резких изменений пространственной ориентации в процессе работы.

3. Лазерные дисководы и диски. За последние несколько лет компьютерные устройства для чтения компакт-дисков (CD), называемые CD-ROM, стали практически необходимой частью любого компьютера. Это произошло потому, что разнообразные программные продукты стали занимать значительное количество места, и поставка их на дискетах оказалась чрезмерно дорогостоящей и ненадёжной. Поэтому их стали поставлять на CD (таких же, как и обычные музыкальные).

Лазерные дисководы используют оптический принцип чтения информации. На лазерных дисках CD (CD — Compact Disk, компакт диск) и DVD (DVD — Digital Video Disk, цифровой видеодиск) информация записана на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Лазерный луч падает на поверхность вращающегося диска, а интенсивность отраженного луча зависит от отражающей способности участка дорожки и приобретает значения 0 или 1. Для сохранности информации лазерные диски надо предохранять от механических повреждений (царапин), а также от загрязнения.

На лазерных дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна. Производятся такие диски путем штамповки. Существуют CD-R и DVD-R диски информация на которые может быть записана только один раз. На дисках CD-RW и DVD-RW информация может быть записана/перезаписана многократно. Диски разных видов можно отличить не только по маркировки, но и по цвету отражающей поверхности.

Запись на CD и DVD при помощи обычных CD-ROM и DVD-ROM невозможна. Для этого необходимы устройства CD-RW и DVD-RW с помощью которых возможны чтение-однократная запись и чтение-запись-перезапись. Эти устройства обладают достаточно мощным лазером, позволяющем менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска.

Информационная ёмкость CD-ROM достигает 700 Мбайт, а скорость считывания информации (до 7.8 Мбайт/с) зависит от скорости вращения диска. DVD-диски имеют гораздо большую информационную ёмкость (однослойный односторонний диск - 4.7 Гбайт) по сравнению с CD-дисками, т.к. используются лазеры с меньшей длинной волны, что позволяет размещать оптические дорожки более плотно. Так же существуют двухслойные DVD-диски и двухсторонние DVD-диски. В настоящее время скорости считывания 16-скоростных DVD-дисководов достигает 21 Мбайт/с.

4. Устройства на основе flash-памяти. Flash-память - это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах. Устройства на основе flash-памяти не имеют в своём составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах.

Flash-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный корпус. Для записи или считывания информации накопители подключаются к компьютеру через USB-порт. Информационная емкость карт памяти достигает 1024 Мбайт.

Билет №5. Функциональная схема компьютера (основные устройства, их функции и взаимосвязь).

По своему назначению компьютер - это универсальный прибор для работы с информацией. По принципам своего устройства компьютер - это модель человека, работающего с информацией.

Персональный компьютер (ПК) — это компьютер, предназначенный для обслуживания одного рабочего места. По своим характеристикам он может отличаться от больших ЭВМ, но функционально способен выполнять аналогичные операции. По способу эксплуатации различают настольные (desktop), портативные (laptop и notebook) и карманные (palmtop) модели ПК.

Аппаратное обеспечение. Поскольку компьютер предоставляет все три класса информационных методов для работы с данными (аппаратные, программные и естественные), принято говорить о компьютерной системе как о состоящей из аппаратных и программных средств, работающих совместно. Узлы, составляющие аппаратные средства компьютера, называют аппаратным обеспечением. Они выполняют всю физическую работу с данными: регистрацию, хранение, транспортировку и преобразование как по форме, так и по содержанию, а также представляют их в виде, удобном для взаимодействия с естественными информационными методами человека.

Совокупность аппаратных средств компьютера называют его аппаратной конфигурацией.

Когда программа находится в активном состоянии, содержательная часть ее данных рассматривается как команды, согласно которым работают аппаратные средства компьютера. Чтобы изменить порядок их работы, достаточно прервать исполнение одной программы и начать исполнение другой, содержащей иной набор команд.

Совокупность программ, хранящихся на компьютере, образует его программное обеспечение.Совокупность программ, подготовленных к работе, называют установленным программным обеспечением. Совокупность программ, работающих в тот или иной момент времени, называют программной конфигурацией.

Устройство компьютера. Любой компьютер (даже самый большой) состоит из четырех частей:

· устройства ввода информации

· устройства обработки информации

· устройства вывода информации.

Конструктивно эти части могут быть объединены в одном корпусе размером с книгу или же каждая часть может состоять из нескольких достаточно громоздких устройств

Базовая аппаратная конфигурация ПК. Базовой аппаратной конфигурацией персонального компьютера называют минимальный комплект аппаратных средств, достаточный для начала работы с компьютером. С течением времени понятие базовой конфигурации постепенно меняется.

Чаще всего персональный компьютер состоит из следующих устройств:

1. Системный блок — основной блок компьютерной системы. В нем располагаются устройства, считающиеся внутренними. Устройства, подключаемые к системному блоку снаружи, считаются внешними. Для внешних устройств используют также термин периферийное оборудование.

2. Монитор — устройство для визуального воспроизведения символьной и графической информации. Служит в качестве устройства вывода. Для настольных ПК в настоящее время наиболее распространены мониторы, основанные на электронно-лучевых трубках. Они отдаленно напоминают бытовые телевизоры.

3. Клавиатура — клавишное устройство, предназначенное для управления работой компьютера и ввода в него информации. Информация вводится в виде алфавитно-цифровых символьных данных.

Дополнительно могут подключатся другие устройства ввода и вывода информации, например звуковые колонки, принтер, сканер и др.

Внутренние устройства персонального компьютера. Внутренними считаются устройства, располагающиеся в системном блоке. Доступ к некоторым из них имеется на лицевой панели, что удобно для быстрой смены информационных носителей, например гибких магнитных дисков. Разъемы некоторых устройств выведены на заднюю стенку — они служат для подключения периферийного оборудования. К некоторым устройствам системного блока доступ не предусмотрен — для обычной работы он не требуется.

Процессор. Микропроцессор — основная микросхема персонального компьютера. Все вычисления выполняются в ней. Основная характеристика процессора — тактовая частота (измеряется в мегагерцах, МГц). Чем выше тактовая частота, тем выше производительность процессора. Так, например, при тактовой частоте 500 МГц процессор может за одну секунду изменить свое состояние 500 миллионов раз. Для большинства операций одного такта недостаточно, поэтому количество операций, которые процессор может выполнить в секунду, зависит не только от тактовой частоты, но и от сложности операций.

Оперативная память. Оперативную память можно представить как обширный массив ячеек, в которых хранятся числовые данные и команды в то время, когда компьютер включен. Объем оперативной памяти измеряется в миллионах байтов — мегабайтах (Мбайт).

Процессор может обратиться к любой ячейке оперативной памяти (байту), поскольку она имеет неповторимый числовой адрес. Обратиться к индивидуальному биту оперативной памяти процессор не может, так как у бита нет адреса. В то же время, процессор может изменить состояние любого бита, но для этого требуется несколько действий.

Материнская плата. Материнская плата — это самая большая плата персонального компьютера. На ней располагаются магистрали, связывающие процессор с оперативной памятью, — так называемые шины. Различают шину данных, по которой процессор копирует данные из ячеек памяти, адресную шину, по которой он подключается к конкретным ячейкам памяти, и шину команд, по которой в процессор поступают команды из программ. К шинам материнской платы подключаются также все прочие внутренние устройства компьютера. Управляет работой материнской платы микропроцессорный набор микросхем — так называемый чипсет.

Видеоадаптер. Видеоадаптер — внутреннее устройство, устанавливаемое в один из разъемов материнской платы. В первых персональных компьютерах видеоадаптеров не было. Вместо них в оперативной памяти отводилась небольшая область для хранения видеоданных. Специальная микросхема (видеоконтроллер) считывала данные из ячеек видеопамяти и в соответствии с ними управляла монитором.

По мере улучшения графических возможностей компьютеров область видеопамяти отделили от основной оперативной памяти и вместе с видеоконтроллером выделили в отдельный прибор, который назвали видеоадаптером. Современные видеоадаптеры имеют собственный вычислительный процессор (видеопроцессор), который снизил нагрузку на основной процессор при построении сложных изображений. Особенно большую роль видеопроцессор играет при построении на плоском экране трехмерных изображений. В ходе таких операций ему приходится выполнять особенно много математических расчетов.

В некоторых моделях материнских плат функции видеоадаптера выполняют микросхемы чипсета — в этом случае говорят, что видеоадаптер интегрирован с материнской платой. Если же видеоадаптер выполнен в виде отдельного устройства, его называют видеокартой. Разъем видеокарты выведен на заднюю стенку. К нему подключается монитор.

Звуковой адаптер. В настоящее время средства для работы со звуком считаются стандартными. Для этого на материнской плате устанавливается звуковой адаптер. Он может быть интегрирован в чипсете материнской платы или выполнен как отдельная подключаемая плата, которая называется звуковой картой.

Разъемы звуковой карты выведены на заднюю стенку компьютера. Для воспроизведения звука к ним подключают звуковые колонки или наушники. Отдельный разъем предназначен для подключения микрофона. При наличии специальной программы это позволяет записывать звук. Имеется также разъем (линейный выход) для подключения к внешней звукозаписывающей или звуковоспроизводящей аппаратуре (магнитофонам, усилителям и т.п.).

Жесткий диск. Поскольку оперативная память компьютера очищается при отключении питания, необходимо устройство для длительного хранения данных и программ. В настоящее время для этих целей широко применяют так называемые жесткие диски. Принцип действия жесткого диска основан на регистрации изменений магнитного поля вблизи записывающей головки.

Основным параметром жесткого диска является емкость, измеряемая в гигабайтах (миллиардах байтов), Гбайт. Средний размер современного жесткого диска составляет 80 — 160 Гбайт, причем этот параметр неуклонно растет.

Дисковод гибких дисков. Для транспортировки данных между удаленными компьютерами используют так называемые гибкие диски. Стандартный гибкий диск (дискета) имеет сравнительно небольшую емкость 1,44 Мбайт. По современным меркам этого совершенно недостаточно для большинства задач хранения и транспортировки данных, но низкая стоимость носителей и высокая степень готовности к работе сделали гибкие диски самыми распространенными носителями данных.

Для записи и чтения данных, размещенных на гибких дисках, служит специальное устройство — дисковод. Приемное отверстие дисковода выведено на лицевую панель системного блока.

Дисковод CD-ROM. Для транспортировки больших объемов данных удобно использовать компакт-диски CD-ROM. Эти диски позволяют только читать ранее записанные данные — производить запись на них нельзя. Емкость одного диска составляет порядка 650-700 Мбайт.

Для чтения компакт-дисков служат дисководы CD-ROM. Основной параметр дисковода CD-ROM— скорость чтения. Она измеряется в кратных единицах. За единицу принята скорость чтения, утвержденная в середине 80-х гг. для музыкальных компакт-дисков (аудиодисков). Современные дисководы CD-ROM обеспечивают скорость чтения 40х - 52х.
Основной недостаток дисководов CD-ROM — невозможность записи дисков — преодолен в современных устройствах однократной записи — CD-R. Существуют также устройства CD-RW, позволяющие осуществлять многократную запись.

Принцип хранения данных на компакт-дисках не магнитный, как у гибких дисков, а оптический.

Коммуникационные порты. Для связи с другими устройствами, например принтером, сканером, клавиатурой, мышью и т. п., компьютер оснащается так называемыми портами. Порт — это не просто разъем для подключения внешнего оборудования, хотя порт и заканчивается разъемом. Порт — более сложное устройство, чем просто разъем, имеющее свои микросхемы и управляемое программно.

Сетевой адаптер. Сетевые адаптеры необходимы компьютерам, чтобы они могли обмениваться данными между собой. Этот прибор следит за тем, чтобы процессор не подал новую порцию данных на внешний порт, пока сетевой адаптер соседнего компьютера не скопировал к себе предыдущую порцию. После этого процессору дается сигнал о том, что данные забраны и можно подавать новые. Так осуществляется передача.

Сетевые адаптеры могут быть встроены в материнскую плату, но чаще устанавливаются отдельно, в виде дополнительных плат, называемых сетевыми картами.

Информация бывает разных видов, таких как запах, вкус, звук; символы и знаки. В различных отраслях науки, техники и культуры применяются особые формы и методики для кодирования и записи информации.

Числовой способ — с помощью чисел.
Символьный способ — информация кодируется с помощью символов того же алфавита, что и исходящий текст.
Графический способ — информация кодируется с помощью рисунков или значков.

Трактовка понятий

Количество и графическое отображение символов в алфавитах естественных языков сложилось исторически и характеризуется особенностями языка (произносимыми звуками). Например русский алфавит имеет 33 символа, латинский – 26, китайский несколько тысяч.

К основным способам кодирования информации в информатике относятся: числовой, символьный (текстовый), графический. В первом случае используются числа, во втором — символы того алфавита, что и первоначальный текст, в третьем — картинки, рисунки, значки.

Двоичная методика

На английском языке используется выражение binary digit либо сокращённо bit (бит). Через 1 бит можно выразить: да либо нет; белое или чёрное; ложь либо истина.

Двоичное кодирование информации привлекает тем, что легко реализуется технически. Электронные схемы для обработки двоичных кодов должны находиться только в одном из двух состояний: есть сигнал/нет сигнала или высокое напряжение/низкое напряжение. В результате любая информация кодируется в компьютерах с помощью последовательностей лишь двух цифр — 0 и 1.

Итак, минимальные единицы измерения информации – это бит и байт. Один бит позволяет закодировать 2 значения (0 или 1). Используя два бита, можно закодировать 4 значения: 00, 01, 10, 11. Тремя битами кодируются 8 разных значений: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Из приведенных примеров видно, что добавление одного бита увеличивает в 2 раза то количество значений, которое можно закодировать. 1 байт состоит из 8 бит и способен закодировать 256 значений.

Традиционно для того чтобы закодировать один символ используют количество информации равное 1 байту. Поэтому чаще всего одному символу текста, хранимому в компьютере, соответствует один байт памяти.

Наряду с битами и байтами используют и большие единицы измерения информации.

1 бит ;
1 байт = 8 бит;
1 Кбайт = 2 10 байт = 1024 байт;
1 Мбайт = 2 10 Кбайт = 1024 Кбайт = 2 20 байт;
1 Гбайт = 2 10 Мбайт = 1024 Мбайт = 2 30 байт;
1 Тбайт = 2 10 Гбайт = 1024 Гбайт = 2 40 байт.
1 Пбайт = 2 10 Тбайт = 1024 Тбайт = 2 50 байт.

Подробнее о информации в компьютерных системах можно прочтитать в статье Понятие информации. Информатика

Текстовое значение

Кодирование и обработка текстовой информации Уже с 60-х годов прошлого столетия, компьютеры всё больше стали использовать для обработки текстовой информации. Для кодирования текстовой информации в компьютере применяется двоичное кодирование, т.е. представление текста в виде последовательности 0 и 1. Чтобы выразить текст числом, каждая буква сопоставляется с числовым значением. Смысл кодирования: одному символу принадлежит код в пределах 0−255 либо двоичный код от 00000000 до 11111111.

Текстовая информация состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др. Одного байта достаточно для хранения 256 различных значений, что позво ляет размещать в нем любой из алфавитно-цифровых символов. Первые 128 сим волов (занимающие семь младших бит) стандартизированы с помощью кодировки ASCII (American Standart Code for Information Interchange). Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 0000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255.

В мировой практике для кодирования текста при помощи байтов используются разные стандарты. Самым распространенным, но не единственным видом кодирования является код ASCII. В соответствии с этим стандартом, знаки в пределах 0−32 соответствуют операциям, а 33−127 — символам из латинского алфавита, знакам препинания и арифметики. Для национальных кодировок применяются значения 128−255. В разных национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы. К примеру, существует 5 кодировочных таблиц для русских букв (Windows, MS-DOS, Mac, ISO, КОИ – 8). Поэтому тексты созданные в одной кодировке не будут правильно отображаться в другой.

Таблица стандартной и альтернативной частей кодов ASCII

В настоящее время для кодирования кириллицы наибольшее распространение получила кодовая таблица СР1251, которая используется в операционных системах семейства Windows фирмы Microsoft. Во всех современных кодовых таблицах, кроме таблицы стандарта Unicode, для кодирования одного символа отводится 8 двоичных разрядов (8 бит).

В конце прошлого века появился новый международный стандарт Unicode, в котором один символ представляется двухбайтовым двоичным кодом. Применение этого стандарта – продолжение разработки универсального международного стандарта, позволяющего решить проблему совместимости национальных кодировок символов. С помощью данного стандарта можно закодировать 65536 различных символов.

Растровое изображение

Графическая информация, представленная в виде рисунков, фотографий, слайдов, подвижных изображений (анимация, видео), схем, чертежей, может создаваться и редактироваться с помощью компьютера, при этом она соответствующим образом кодируется. В настоящее время существует достаточно большое количество прикладных программ для обработки графической информации, но все они реализуют три вида компьютерной графики: растровую, векторную и фрактальную. Мы рассмотрим самую распространенный, растровый формат кодирования изображения.

Графические данные на мониторе представляются в качестве растрового изображения. Если более пристально рассмотреть графическое изображение на экране монитора компьютера, то можно увидеть большое количество разноцветных точек (пикселов – от англ. pixel, образованного от picture element – элемент изображения), которые, будучи собраны вместе, и образуют данное графическое изображение. Каждому пикселю присвоен особый код, в котором хранится информация об оттенке пикселя. Из этого можно сделать вывод: графическое изображение в компьютере определенным образом кодируется и должно быть представлено в виде графического файла.

Файлы, созданные на основе растровой графики, предполагают хранение данных о каждой отдельной точке изображения. Для отображения растровой графики не требуется сложных математических расчетов, достаточно лишь получить данные о каждой точке изображения (ее координаты и цвет) и отобразить их на экране монитора компьютера.

Всего есть по 256 вариантов яркости каждого из трех цветов. Это позволяет закодировать 256 3 = 16 777 216 оттенков, что более чем достаточно для человека. Так как 256 = 2 8 , каждая из трех составляющих занимает в памяти 8 бит или 1 байт, а вся информация о каком-то цвете — 24 бита (или 3 байта). Эта величина называется глубиной цвета.

Звуки и их разрядность

Человек воспринимает звуковые волны (колебания воздуха) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона. Чем больше интенсивность звуковой волны, тем громче звук, чем больше частота волны, тем выше тон звука. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму с помощью временной дискретизации. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, для каждого такого участка устанавливается определенная величина интенсивности звука.

В каждом современном компьютере предусмотрена звуковая плата, колонки, микрофон. С их помощью производится запись, сохраняются и воспроизводятся звуки — волны с определённой частотой и амплитудой. Программное обеспечение для компьютеров преобразовывает звуковые сигналы в последовательность нулей и единиц. Для этого использунтся аудиоадаптер или звуковая плата. Устройство подключается к компьютеру с целью преобразования электроколебаний звуковой частоты в двоичный код. Процесс преобразования выполняется как при вводе звуков в компьютер так и при обратном их преобразовании.

Для человека звук тем громче, чем больше амплитуда сигнала, и тем выше тон, чем больше частота сигнала. Компьютер — устройство цифровое, поэтому непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в последовательность электрических импульсов (нулей и единиц). Оцифровку звука выполняет специальное устройство на звуковой плате. Называется оно аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Обратный процесс — воспроизведение закодированного звука производится с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Глубина кодирования звука — это количество бит, используемое для кодирования различных уровней сигнала или состояний. Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука, и тогда общее количество различных уровней громкомти, который сможет распознать компьютер будет: N = 2 16 = 65536.

Частота дискретизации- это количество измерений уровня звукового сигнала в единицу времени. Эта характеристика показывает качество и точность процедуры двоичного кодирования. Измеряется в герцах (Гц).

Одно измерение за одну секунду соответствует частоте 1 Гц, 1000 измерений за одну секунду — 1 килогерц (кГц). Частота дискретизации звукового сигнала может принимать значения от 8 до 196 кГц. При частоте 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц — качеству звучания аудио-CD. Достаточно высокое качество звучания достигается при частоте дискретизации 44 кГц и глубины кодирования звука, равной 16 бит.

Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды уже можно сохранить в памяти компьютера. В случае, когда записываются абсолютные значения амплитуды, такой формат записи называется PCM ( Pulse Code Modulation). Стандартный аудио компакт-диск (CD-DA), применяющийся с начала 80-х годов 20-го столетия, хранит информацию в формате PCM с частотой дискретизации 44.1 кГц и разрядностью квантования 16 бит.

Подробнее о свойствах звука можно прочитать в статье Звук

Машинные команды

В вычислительных машинах, включая компьютеры, предусмотрена программа для управления их работой. Все команды кодируются в определённой последовательности с помощью нулей и единиц. Подобные действия называются машинными командами (МК).

Машинная команда представляет собой закодированное по определенным правилам указание микропроцессору на выполнение некоторой операции или действия. Каждая команда содержит элементы, определяющие:

указание на то, какие действия должен сделать микропроцессор (ответ па этот вопрос дает часть команды, которая называется кодом операции (КОП));
указание на объекты, над которыми надо провести какие-то действия (эти элементы машинной команды называются операндами);
указание на способ действия (эти элементы называются типами операндов).

Структура машинной команды состоит из операционной и адресной части. В операционной части содержится код операции. Чем длиннее операционная часть, тем большее количество операций можно в ней закодировать.

В адресной части машинной команды содержится информация об адресах операндов. Это либо значения адресов ячеек памяти, в которых размещаются сами операнды (абсолютная адресация), либо информация, по которой процессор определяет значения их адресов в памяти (относительная адресация). Абсолютная адресация использовалась только в машинах 1 и 2-го поколений. Начиная с машин 3-го поколения, наряду с абсолютной используется относительная адресация.

Подробнее о поколениях компьютеров смотрите в статье История развития компьютеров

Заключение

Информацию необходимо представлять в какой — либо форме, т.е. кодировать. Для представления дискретной информации используется некоторый алфавит. Однако однозначное соответствие между информацией и алфавитом отсутствует. Другими словами, одна и та же информация может быть представлена посредством различных алфавитов. В связи с такой возможностью возникает проблема перехода от одного алфавита к другому, причём, такое преобразование не должно приводить к потере информации.

Читайте также: