Цифровая и аналоговая информация реферат

Обновлено: 07.07.2024

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Реферат

1. Информация, информатика,

Понятие об информации

Несмотря на то, что человеку постоянно приходится иметь дело с информацией (он получает ее с помощью органов чувств), строгого научного определения, что же такое информация, не существует. В тех случаях, когда наука не может дать четкого определения какому-то предмету или явлению, люди пользуются понятиями.

Понятия отличаются от определений тем, что разные люди при разных обстоятельствах могут вкладывать в них разный смысл. В бытовом смысле под информацией обычно понимают те сведения, которые человек получает от окружающей природы и общества с помощью органов чувств. Наблюдая за природой, общаясь с другими людьми, читая книги и газеты, просматривая телевизионные передачи, мы получаем информацию.

Математик рассмотрит это понятие шире и включит в него те сведения, которые человек не получал, а создал сам с помощью умозаключений. Биолог же пойдет еще дальше и отнесет к информации и те данные, которые человек не получал с помощью органов чувств и не создавал в своем уме, а хранит в себе с момента рождения и до смерти. Это генетический код, благодаря которому дети так похожи на родителей.

Итак, в разных научных дисциплинах и в разных областях техники существуют разные понятия об информации. Нам же, приступая к изучению информатики, надо найти что-то общее, что объединяет различные подходы. И такая общая черта есть. Все отрасли науки и техники, имеющие дело с информацией, сходятся в том, что информация обладает четырьмя свойствами. Информацию можно: создавать, передавать (и, соответственно, принимать), хранить и обрабатывать.

Каждая дисциплина решает эти вопросы по-разному. В нашем учебном пособии мы рассмотрим те средства, которые для этого предоставляет информатика.

Информатика — это техническая наука, систематизирующая приемы создания, хранения, обработки и передачи информации средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими.

Из этого определения видно, что информатика очень близка к технологии, поскольку отвечает на вопрос как.

• Как принимать и хранить информацию?

• Как обрабатывать информацию и преобразовывать ее в форму, удобную для человека?

• Как использовать вычислительную технику с наибольшей эффективностью?

• Как использовать достижения других наук для создания новых средств вычислительной техники?

• Как управлять техническими средствами с помощью программ?

Поэтому не случайно предмет, изучением которого занимается информатика, нередко называют информационной технологией или компьютерной технологией.

Важным в нашем определении является то, что у информатики есть как бы две стороны. С одной стороны, она занимается изучением устройств и принципов действия средств вычислительной техники, а с другой стороны — систематизацией приемов и методов работы с программами, управляющими этой техникой.

Краткая история информатики

Так из-за спорного определения в молодой зарождающейся науке произошел раскол. Сегодня кибернетика продолжает изучать связь между психологией и математической логикой, разрабатывает методы создания искусственного интеллекта, но наряду с ней уже действует другая, отделившаяся от нее наука. Она занимается проблемами применения средств вычислительной техники для работы с информацией. В Великобритании и США эту науку называют computer science (наука о вычислительной технике). Во Франции она получила другое название — informatique (информатика). Оттуда это название и пришло к нам в Украину и Россию, а также в некоторые другие страны Восточной Европы.

Информация аналоговая и цифровая

Информацию можно классифицировать разными способами, и разные науки делают это по-разному. Например, в философии различают информацию объективную и субъективную. Объективная информация отражает явления природы и человеческого общества. Субъективная информация создается людьми и отражает их взгляд на объективные явления.

Для криминалистики, например, очень важно, что информация бывает полной и неполной, истинной и ложной, достоверной и недостоверной. Юристы рассматривают информацию как факты. Физики же рассматривают информацию как сигналы — для них наиболее важна передача информации, поскольку физика изучает законы природы, лежащие в основе распространения сигналов разных видов (оптических, звуковых, электромагнитных и других). Биология изучает методы обмена информацией между животными, генетика изучает передачу информации по наследству с помощью генов, а лингвистика изучает методы кодирования и выражения информации языковыми методами.

Каждая наука, занимающаяся вопросами, связанными с информацией, вводит свою систему классификации. Для информатики самым главным вопросом является то, каким образом используются средства вычислительной техники для создания, хранения, обработки и передачи информации, поэтому у информатики особый подход к классификации информации. В информатике отдельно рассматривают аналоговую информацию и цифровую. Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном работает с цифровой информацией.

Человек так устроен, что воспринимает информацию с помощью органов чувств. Свет, звук и тепло — это энергетические сигналы, а вкус и запах – это результат воздействия химических соединений, в основе которого тоже энергетическая природа. Человек испытывает энергетические воздействия непрерывно и может никогда не встретиться с одной и той же их комбинацией дважды. Мы не найдем двух одинаковых зеленых листьев на одном дереве и не услышим двух абсолютно одинаковых звуков — это информация аналоговая. Если же разным цветам дать номера, а разным звукам — ноты, то аналоговую информацию можно превратить в цифровую.

Музыка, когда мы ее слышим, несет аналоговую информацию, но стоит только записать ее нотами, как она становится цифровой. Мы легко различим разницу в одной и той же ноте, если исполнить ее на фортепиано и на флейте, хотя на бумаге эти ноты выглядят одинаково.

Разница между аналоговой информацией и цифровой прежде всего в том, что аналоговая информация непрерывна, а цифровая — дискретна. Если у художника в палитре только одна зеленая краска, то непрерывную бесконечность зеленых цветов листьев он передаст очень грубо, и все деревья на картине будут иметь одинаковый цвет. Если у художника три разные зеленые краски, то передача цвета уже будет чуть более точной. Для большей точности передачи аналоговой информации о живой природе художники смешивают разные краски и получают большое количество оттенков.

Преобразование информации из аналоговой формы в цифровую называют аналогово-цифровым преобразованием (АЦП).

Примеры аналоговой информации известны нам из школьного курса математики. Графики непрерывных функций выражают аналоговую информацию.

1. На рисунке показан график функции Y=X 2 . Это график непрерывной функции.

2. Тот же самый график после преобразования в цифровую форму выглядит иначе — намного грубее.

3. Погрешность, которая возникает при таком преобразовании, называется погрешностью оцифровки.

4. Преобразование можно сделать менее грубым, если столбики диаграммы поставить почаще (так уменьшается дискретность).

5. Чем меньше дискретность, тем ближе цифровая информация к аналоговой и меньше погрешность оцифровки.

Вы видите, что при уменьшении дискретности на диаграмме становится больше столбиков. Если дискретность сделать очень маленькой, то точность представления непрерывной аналоговой информации в виде последовательности чисел можно сделать очень высокой, но и столбиков в диаграмме будет больше. Поэтому чем ближе цифровая информация приближается по качеству к аналоговой, тем больше вычислений приходится выполнять компьютеру, а значит, тем больше информации ему надо хранить и обрабатывать.

Чем мощнее компьютер, тем больше информации он может обработать в единицу времени. Чем быстрее компьютер обрабатывает информацию, тем выше качество изображения, лучше звук и точнее результаты расчетов, но тем дороже обходится людям прием, передача и обработка информации.

Устройства аналоговые и цифровые

Органы чувств человека так устроены, что он способен принимать, хранить и обрабатывать аналоговую информацию. Многие устройства, созданные человеком, тоже работают с аналоговой информацией.

1. Телевизор — это аналоговое устройство. Внутри телевизора есть кинескоп. Луч кинескопа непрерывно перемещается по экрану. Чем сильнее луч, тем ярче светится точка, в которую он попадает. Изменение свечения точек происходит плавно и непрерывно.

2. Монитор компьютера тоже похож на телевизор, но это устройство цифровое. В нем яркость луча изменяется не плавно, а скачком (дискретно). Луч либо есть, либо его нет. Если он есть, мы видим яркую точку (белую или цветную). Если луча нет, мы видим черную точку. Поэтому изображения на экране монитора получаются более четкими, чем на экране телевизора.

3. Проигрыватель грампластинок — аналоговое устройство. Чем больше высота неровностей на звуковой дорожке, тем громче звучит звук.

4. Телефон — тоже аналоговое устройство. Чем громче мы говорим в трубку, тем выше сила тока, проходящего по проводам, тем громче звук, который слышит наш собеседник.

К цифровым устройствам относятся персональные компьютеры — они работают с информацией, представленной в цифровой форме. Цифровыми также являются музыкальные проигрыватели лазерных компакт-дисков, поэтому музыкальные компакт-диски можно воспроизводить на компьютере.

Недавно началось создание цифровой телефонной связи, а в ближайшие годы ожидается и появление цифрового телевидения. В некоторых городах Украины и России уже работают цифровые телевизионные станции. После того как телевидение станет цифровым, качество изображения на экране телевизора намного улучшится — оно станет ближе к качеству изображения на экране компьютерного монитора.

Понятие о кодировании информации

Информация передается в виде сигналов. Когда мы разговариваем с другими людьми, то улавливаем звуковые сигналы. Если мы смотрим в окно, наш глаз принимает световые потоки, отраженные от объектов окружающей природы. Световой поток — это тоже сигнал.

А как же информация хранится? Для того чтобы информацию сохранить, ее надо закодировать. Любая информация всегда хранится в виде кодов. Когда мы что-то пишем в тетради, мы на самом деле кодируем информацию с помощью специальных символов. Эти символы всем знакомы — они называются буквами. И система такого кодирования тоже хорошо известна — это обыкновенная азбука. Жители других стран те же самые слова запишут по-другому (другими буквами) — у них своя азбука. Можно сказать, что у них другая система кодирования. В некоторых странах вместо букв используют иероглифы — это еще более сложный способ кодирования информации.

Хранить можно не только текстовую и звуковую информацию. В виде кодов хранятся и изображения. Если посмотреть на рисунок с помощью увеличительного стекла, то видно, что он состоит из точек — это так называемый растр. Координаты каждой точки можно запомнить в виде чисел. Цвет каждой точки тоже можно запомнить в виде числа. Эти числа могут храниться в памяти компьютера и передаваться на любые расстояния. По ним компьютерные программы способны изобразить рисунок на экране или напечатать его на принтере. Изображение можно сделать больше или меньше, темнее или светлее, его можно повернуть, наклонить, растянуть. Мы говорим о том, что на компьютере обрабатывается изображение, но на самом деле компьютерные программы изменяют числа, которыми отдельные точки изображения представлены в памяти компьютера.

Хранение цифровой информации. Бит

Вы уже знаете, что компьютеры предпочитают работать с цифровой информацией, а не с аналоговой. Так происходит потому, что цифровую информацию очень удобно кодировать, а значит, ее удобно хранить и обрабатывать.

Спрашивается, а до каких же пор можно делить информацию? Буква — это самая маленькая часть информации? Оказывается, нет. Существует много различных букв, и, для того чтобы компьютер мог различать буквы, их тоже надо кодировать. В телеграфной азбуке, например, буквы кодирую г с помощью точек и тире:

Точки и тире — это действительно самая малая часть информации, но в информатике кодом телеграфной азбуки не пользуются. Вместо точек и тире применяют нули и единицы — такой код называется двоичным. По-английски двоичный знак звучит как binary digit Сокращенно получается bit (бит).

Бит — это наименьшая единица информации, которая выражает логическое значение. Да или Нет и обозначается двоичным числом 1 или 0.

Если какая-то информация представлена в цифровом виде, то компьютер легко превращает числа, которыми она закодирована, в последовательности нулей и единиц, а дальше уже работает с ними. Вы тоже можете преобразовать любое число в двоичную форму. Делается это следующим образом.

1. Берем, например, число 29. Поскольку это число нечетное, отнимаем от него единицу, записываем ее отдельно, а число делим пополам. Получилось 14.

3. Число 7 — опять нечетное. Отнимаем от него единицу, записываем ее отдельно и делим число пополам. Получается 3.

4. Число 3 — нечетное. Отнимаем единицу, записываем ее отдельно, и результат делим пополам — получаем 1.

5. Последнюю единицу уже не делим, а просто записываем слева от полученного результата.

6. Смотрим на результат. У нас получилось двоичное число 11101 — это и есть двоичный код числа 29.

Как видите, преобразовать число в двоичный код совсем не трудно. Отнять единичку и поделить число пополам может каждый, хотя приятной эту работу не назовешь. Для человека эта работа очень утомительна. Зато компьютер, который выполняет сотни миллионов операций в секунду, преобразовывает числа в двоичный код так быстро, что это совершенно не заметно со стороны.

Когда какая-то операция выполняется незаметно, говорят, что она выполняется прозрачно. Мы думаем, что компьютер работает с текстами, графикой, музыкой и видео, а на самом деле он работает с нулями и единицами, но для нас эта работа прозрачна, мы ее не замечаем и можем о ней не думать.

От битов к байтам

Бит — очень удобная единица для хранения информации в компьютере, но не очень удобная для обработки информации. Если мы покупаем в магазине хлеб, то продавец может выдать нам каждый батон отдельно, упаковав его в полиэтиленовый пакет. Но если мы покупаем орехи, разве он станет упаковывать отдельно каждый орех?

Бит — очень маленькая единица информации. Работать с каждым битом отдельно, конечно, можно, но это малопроизводительно. Обработкой информации в компьютере занимается специальная микросхема, которая называется процессор. Эта микросхема устроена так, что может обрабатывать группу битов одновременно (параллельно). В начале 70-х годов, еще до появления персональных компьютеров, были карманные электронные калькуляторы, в которых процессор мог одновременно работать с четырьмя битами. Такие процессоры называли четырехразрядными.

Один из первых персональных компьютеров (Altair, 1974 г.) имел восьмиразрядный процессор, то есть он мог параллельно обрабатывать восемь битов информации. Это в восемь раз быстрее, чем работать с каждым битом отдельно, поэтому в вычислительной технике появилась новая единица измерения информации — байт. Байт — это группа из восьми битов.

Мы знаем, что один бит может хранить в себе один двоичный знак — 0 или 1. Это наименьшая единица представления информации — простой ответ на вопрос Да или Нет. А что может хранить байт?

На первый взгляд кажется, что раз в байте восемь битов, то и информации он может хранить в восемь раз больше, чем один бит, но это не так. Дело в том, что в байте важно не только, включен бит или выключен, но и то, в каком месте стоят включенные биты. Байты 0000 0001, 0000 1000 и 1000 0000 — не одинаковые, а разные.

Это должно быть понятно, если вспомнить, что числа 723, 732, 273, 237, 372 327 различны, хоть и записываются одинаковыми цифрами. Значения чисел зависят не только от того, какие цифры в них входят, но и от того в каких позициях эти цифры стоят.

Если учесть что важны не только нули и единицы, но и позиции, в которых они стоят, то с помощью одного байта можно выразить 256 различных единиц информации (от 0 до 255).

0000 0001 = 1

Всегда ли байты состояли из восьми битов? Нет, не всегда. Еще в 60-е годы, когда не было персональных компьютеров и все вычисления проводились на больших электронно-вычислительных машинах (ЭВМ), байты могли быть какими угодно. Наиболее широко были распространены ЭВМ, у которых байт состоял из шести битов, но были и такие, у которых он состоял из четырех и даже из семи битов.

Восьмибитный байт появился достаточно поздно (в начале семидесятых годов), но быстро завоевал популярность. С тех пор понятие о байте, как о группе из восьми битов, является общепризнанным.

Кодирование текстовой информации байтами

Одним битом можно закодировать два значения: Да или Нет (1 или 0).

Двумя битами можно закодировать уже четыре значения: 00, 01, 10, 11.

Тремя битами кодируются 8 разных значений.

Добавление одного бита удваивает количество значений, которое можно закодировать. При восьми битах уже можно закодировать 256 разных значений. Нетрудно догадаться, что если бы в байте было 9 битов, то одним байтом можно было бы закодировать 512 разных значений, а если бы в нем было 10 битов, то 1024 и т. д.

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Понятие об информации

Несмотря на то, что человеку постоянно приходится иметь дело с информацией (он получает ее с помощью органов чувств), строгого научного определения, что же такое информация, не существует. В тех случаях, когда наука не может дать четкого определения какому-то предмету или явлению, люди пользуются понятиями. Итак , в разных научных дисциплинах и в разных областях техники существуют разные понятия об информации. Нам же, приступая к изучению информатики, надо найти что-то общее, что объединяет различные подходы. И такая общая черта есть. Все отрасли науки и техники, имеющие дело с информацией, сходятся в том, что информация обладает четырьмя свойствами. Информацию можно: создавать, передавать (и, соответственно, принимать), хранить и обрабатывать. Каждая наука, занимающаяся вопросами, связанными с информацией, вводит свою систему классификации. В информатике отдельно рассматривают аналоговую информацию и цифровую. Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном работает с цифровой информацией.

Разница между аналоговой информацией и цифровой прежде всего в том, что аналоговая информация непрерывна, а цифровая — дискретна . Преобразование информации из аналоговой формы в цифровую называют аналогово-цифровым преобразованием (АЦП).Чем мощнее компьютер, тем больше информации он может обработать в единицу времени. Чем быстрее компьютер обрабатывает информацию, тем выше качество изображения, лучше звук и точнее результаты расчетов, но тем дороже обходится людям прием, передача и обработка информации.

Понятие формата информации

Идея представить любую информацию в виде чисел и закодировать их байтами очень рациональна. Компьютеру удобно работать, когда тексты, звуки, рисунки и видеофильмы представлены в виде байтов со значениями от 0 до 255. Непонятно только, как он отличит, где и что записано.

Возьмем несколько байтов: 70, 79, 82, 77, 65, 84. Что здесь записано?

• Может быть, это две цветные точки: первая с цветом 70, 79, 82, а вторая: 77, 65, 84?

• Может быть, это шесть серых точек (одни чуть светлее, а другие чуть темнее).

• Может быть, этими байтами закодирована дата и время запуска очередного спутника Земли?

• Может быть, это начало какой-то музыкальной мелодии?

Это может быть вообще все, что угодно, в том числе и английское слово
FORMAT
, закодированное по стандарту
ASCII
(проверьте, не так ли это на самом деле).

Если компьютер не знает, что выражает каждая группа байтов, он не сможет ничего с ней сделать. Он должен различать, где байтами закодирован текст, а где музыка и рисунки. Тексты должны всегда оставаться текстами, числа — числами, даты — датами, рисунки — рисунками, музыка — музыкой, а деньги, хранящиеся в банковском компьютере в виде тех же самых байтов, должны оставаться деньгами и не превращаться в звук и музыку.

Решение этой проблемы опять-таки связано с заголовком. Если бы перед группой байтов стоял специальный заголовок, то компьютер точно знал бы, что эти байты обозначают. А чтобы компьютер знал, где кончаются байты заголовка и начинаются байты данных, заголовок и данные должны иметь строго определенный формат. Для разных видов информации используются разные форматы. Например, если это черно-белая картинка, то каждый байт2.

после заголовка определяет яркость точки, а если это цветная картинка, то цвет одной точки может определять не один байт, а несколько байтов.

Понятие о кодировании информации

А как же информация хранится? Для того чтобы информацию сохранить, ее надо закодировать. Любая информация всегда хранится в виде кодов. Когда мы что-то пишем в тетради, мы на самом деле кодируем информацию с помощью специальных символов. Эти символы всем знакомы — они называются буквами. И система такого кодирования тоже хорошо известна — это обыкновенная азбука. Жители других стран те же самые слова запишут по-другому (другими буквами) — у них своя азбука. Можно сказать, что у них другая система кодирования. В некоторых странах вместо букв используют иероглифы — это еще более сложный способ кодирования информации.

Хранить можно не только текстовую и звуковую информацию. В виде кодов хранятся и изображения. Если посмотреть на рисунок с помощью увеличительного стекла, то видно, что он состоит из точек — это так называемый растр. Координаты каждой точки можно 4.запомнить в виде чисел. Цвет каждой точки тоже можно запомнить в виде числа. Эти числа могут храниться в памяти компьютера и передаваться на любые расстояния. По ним компьютерные программы способны изобразить рисунок на экране или напечатать его на принтере. Изображение можно сделать больше или меньше, темнее или светлее, его можно повернуть, наклонить, растянуть. Мы говорим о том, что на компьютере обрабатывается изображение, но на самом деле компьютерные программы изменяют числа, которыми отдельные точки изображения представлены в памяти компьютера.

Бит
— это наименьшая единица информации, которая выражает логическое значение. Да или . Нет и обозначается двоичным числом 1 или 0.

Кодирование цветовой информации

С помощью одного байта можно закодировать 256 разных значений. Мы уже знаем, что этого вполне хватает и на русские, и на английские буквы и на знаки препинания. А давайте посмотрим, хватит ли этою для кодирования графической информации. И начнем с кодирования цвета.

Легко догадайся, что одним байтом можно закодировать 256 различных цветов. В принципе, этого достаточно для рисованных изображений типа тех, что мы видим в мультфильмах, но для полно-цветных изображении живой природы — недостаточно. Человеческий глаз — не самый совершенный инструмент, но и он может различать десятки миллионов цветовых оттенков.

Если для кодирования цвета одной точки использовать 3 байта (24 бита), то количество возможных цветов увеличится еще в 256 раз и достигнет 16,5 миллионов. Этот режим позволяет хранить, обрабатывать и передавать изображения, не уступающие по качеству наблюдаемым в живой природе.

5.Возможно, вы знаете, что любой цвет можно представить в виде комбинации трех основных цветов: красного, зеленого и синего (их называют цветовыми составляющими). Если мы кодируем цвет точки с помощью трех байтов, то первый байт выделяется красной составляющей, второй — зеленой, а третий — синей. Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем ярче этот цвет.

6.Кодирование графической информации

Итак, мы уже умеем с помощью чисел кодировать цвет одной точки. На это необходимы один, два или три байта, в зависимости от того, сколько цветов мы хотим передать. А как закодировать целый рисунок?

Решение происходит само собой — надо рисунок разбить на точки. Чем больше будет точек и чем мельче они будут, тем точнее будет передача рисунка. А когда рисунок разбит на точки, то можно начать с его левого верхнего угла и, двигаясь по строкам слева направо, кодировать цвет каждой точки.

Взгляните на рисунок справа. Книжка у нас черно-белая, и цветной рисунок в ней показать нельзя, поэтому мы не будем кодировать точки этого рисунка тремя байтами — нам достаточно и одного байта на каждую точку.

.Закодировать рисунок оказалось несложно, а вот как его раскодировать, чтобы опять получить то, что было? Если раскодировать байты по одному слева направо, то никогда не узнаешь, где кончается одна строка и начинается другая.

Это говорит о том, что нам чего-то не хватает. Значит, мы что-то важное упустили из виду. Если бы перед группой байтов приписать еще небольшой заголовок, из которого было бы ясно, как надо эти байты раскодировать, то все стало бы на свои места. Этот заголовок может быть, например таким: . По нему можно догадаться, что рисунок должен состоять из восьми строк по восемь точек в каждой строке.

Заголовок можно сделать еще подробнее, например так: — тогда можно догадаться, что это рисунок цветной, в котором на кодирование цвета каждой точки использовано три байта.

Код 0 обозначает черную точку, код 255 — белую. Коды 1-254 обозначают серые точки. Чем выше значение кода, тем светлее точка.

Когда все точки рисунка закодированы, получается следующая последовательность байтов:

176, 176, 176, 128, 64, 64, 64, 80, 64, 64, 80, 80, 80, 80, 80…

Если бы рисунок был цветным, то для каждой точки вместо одного байта стояло бы три байта и вся последовательность была бы втрое длиннее.

ИНФОРМАТИКА – техническая наука, систематизирующая приемы создания, хранения, обработки и передачи информации средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими.

В англоязычных странах применяют термин computer science – компьютерная наука.

Теоретической основой информатики является группа фундаментальных наук таких как: теория информации, теория алгоритмов, математическая логика, теория формальных языков и грамматик, комбинаторный анализ и т.д. Кроме них информатика включает такие разделы, как архитектура ЭВМ, операционные системы, теория баз данных, технология программирования и многие другие. Важным в определении информатики как науки является то, что с одной стороны, она занимается изучением устройств и принципов действия средств вычислительной техники, а с другой – систематизацией приемов и методов работы с программами, управляющими этой техникой.

Информационная технология – это совокупность конкретных технических и программных средств, с помощью которых выполняются разнообразные операции по обработке информации во всех сферах нашей жизни и деятельности. Иногда информационную технологию называют компьютерной технологией или прикладной информатикой.

Информация аналоговая и цифровая.

Информацию можно классифицировать разными способами, и разные науки это делают по-разному. Например, в философии различают информацию объективную и субъективную. Объективная информация отражает явления природы и человеческого общества. Субъективная информация создается людьми и отражает их взгляд на объективные явления.

В информатике отдельно рассматривается аналоговая информация и цифровая. Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном, работает с цифровой информацией.

Человек воспринимает информацию с помощью органов чувств. Свет, звук, тепло – это энергетические сигналы, а вкус и запах – это результат воздействия химических соединений, в основе которого тоже энергетическая природа. Человек испытывает энергетические воздействия непрерывно и может никогда не встретиться с одной и той же их комбинацией дважды. Нет двух одинаковых зеленых листьев на одном дереве и двух абсолютно одинаковых звуков – это информация аналоговая. Если же разным цветам дать номера, а разным звукам – ноты, то аналоговую информацию можно превратить в цифровую.

Музыка, когда ее слушают, несет аналоговую информацию, но если записать ее нотами, она становится цифровой.

Разница между аналоговой информацией и цифровой, прежде всего, в том, что аналоговая информация непрерывна, а цифровая дискретна.

К цифровым устройствам относятся персональные компьютеры – они работают с информацией, представленной в цифровой форме, цифровыми являются и музыкальные проигрыватели лазерных компакт дисков.

Кодирование информации.

Кодирование информации – это процесс формирования определенного представления информации.

Аналогично 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.

Единицы измерения информации. Бит. Байт.

Бит – наименьшая единица представления информации. Байт – наименьшая единица обработки и передачи информации.

Единица измерения информации называется бит (bit) – сокращение от английских слов binary digit, что означает двоичная цифра.

В компьютерной технике бит соответствует физическому состоянию носителя информации: намагничено – не намагничено, есть отверстие – нет отверстия. При этом одно состояние принято обозначать цифрой 0, а другое – цифрой 1. Выбор одного из двух возможных вариантов позволяет также различать логические истину и ложь. Последовательностью битов можно закодировать текст, изображение, звук или какую-либо другую информацию. Такой метод представления информации называется двоичным кодированием (binary encoding).

В информатике часто используется величина, называемая байтом (byte) и равная 8 битам. И если бит позволяет выбрать один вариант из двух возможных, то байт, соответственно, 1 из 256 (2 8 ). Наряду с байтами для измерения количества информации используются более крупные единицы:

1 Кбайт (один килобайт) = 2\up1210 байт = 1024 байта;

1 Мбайт (один мегабайт) = 2\up1210 Кбайт = 1024 Кбайта;

1 Гбайт (один гигабайт) = 2\up1210 Мбайт = 1024 Мбайта.

Например, книга содержит 100 страниц; на каждой странице – 35 строк, в каждой строке – 50 символов. Объем информации, содержащийся в книге, рассчитывается следующим образом:

1750 × 100 = 175 000 байт.

175 000 / 1024 = 170,8984 Кбайт.

170,8984 / 1024 = 0,166893 Мбайт.

Файл. Форматы файлов.

Файл – наименьшая единица хранения информации, содержащая последовательность байтов и имеющая уникальное имя.

Основное назначение файлов – хранить информацию. Они предназначены также для передачи данных от программы к программе и от системы к системе. Другими словами, файл – это хранилище стабильных и мобильных данных. Но, файл – это нечто большее, чем просто хранилище данных. Обычно файл имеет имя, атрибуты, время модификации и время создания.

Файловая структура представляет собой систему хранения файлов на запоминающем устройстве, например, на диске. Файлы организованы в каталоги (иногда называемые директориями или папками). Любой каталог может содержать произвольное число подкаталогов, в каждом из которых могут храниться файлы и другие каталоги.

Способ, которым данные организованы в байты, называется форматом файла.

Для того чтобы прочесть файл, например, электронной таблицы, нужно знать, каким образом байты представляют числа (формулы, текст) в каждой ячейке; чтобы прочесть файл текстового редактора, надо знать, какие байты представляют символы, а какие шрифты или поля, а также другую информацию.

Все файлы условно можно разделить на две части – текстовые и двоичные.

Такие языки, как китайский, содержат значительно больше 256 символов, поэтому для кодирования каждого из них используют несколько байтов. Для экономии места зачастую применяется следующий прием: некоторые символы кодируются с помощью одного байта, в то время как для других используются два или более байтов. Одной из попыток обобщения такого подхода является стандарт Unicode, в котором для кодирования символов используется диапазон чисел от нуля до 65 536. Такой широкий диапазон позволяет представлять в численном виде символы языка любого уголка планеты.

Но чисто текстовые файлы встречаются все реже. Документы часто содержат рисунки и диаграммы, используются различные шрифты. В результате появляются форматы, представляющие собой различные комбинации текстовых, графических и других форм данных.

Двоичные файлы, в отличие от текстовых, не так просто просмотреть, и в них, обычно, нет знакомых слов – лишь множество непонятных символов. Эти файлы не предназначены непосредственно для чтения человеком. Примерами двоичных файлов являются исполняемые программы и файлы с графическими изображениями.

Примеры двоичного кодирования информации.

Среди всего разнообразия информации, обрабатываемой на компьютере, значительную часть составляют числовая, текстовая, графическая и аудиоинформация. Познакомимся с некоторыми способами кодирования этих типов информации в ЭВМ.

Кодирование чисел.

Есть 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 2 k различных значений целых чисел.

Чтобы получить внутреннее представление целого положительного числа N, хранящегося в k-разрядном машинном слове, нужно:

1) перевести число N в двоичную систему счисления;

2) полученный результат дополнить слева незначащими нулями до k разрядов.

Например, для получения внутреннего представления целого числа 1607 в 2-х байтовой ячейке число переводится в двоичную систему: 1607₁₀ = 11001000111₂. Внутреннее представление этого числа в ячейке имеет вид: 0000 0110 0100 0111.

Для записи внутреннего представления целого отрицательного числа (–N) нужно:

1) получить внутреннее представление положительного числа N;

2) получить обратный код этого числа, заменяя 0 на 1 и 1 на 0;

3) полученному числу прибавить 1 к полученному числу.

Внутреннее представление целого отрицательного числа –1607. С использованием результата предыдущего примера и записывается внутреннее представление положительного числа 1607: 0000 0110 0100 0111. Обратный код получается инвертированием: 1111 1001 1011 1000. Добавляется единица: 1111 1001 1011 1001 – это и есть внутреннее двоичное представление числа –1607.

Формат с плавающей точкой использует представление вещественного числа R в виде произведения мантиссы m на основание системы счисления n в некоторой целой степени p, которую называют порядком: R = m * n p .

Представление числа в форме с плавающей точкой неоднозначно. Например, справедливы следующие равенства:

12,345 = 0,0012345 × 10 4 = 1234,5 × 10 -2 = 0,12345 × 10 2

Чаще всего в ЭВМ используют нормализованное представление числа в форме с плавающей точкой. Мантисса в таком представлении должна удовлетворять условию:

0,1_p Ј m 8 = 256. Но 8 бит составляют один байт, следовательно, двоичный код каждого символа занимает 1 байт памяти ЭВМ.

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.

Растровые 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, поэтому одного бита на пиксел недостаточно. Для кодирования 4-цветного изображения требуются два бита на пиксел, поскольку два бита могут принимать 4 различных состояния. Может использоваться, например, такой вариант кодировки цветов: 00 – черный, 10 – зеленый, 01 – красный, 11 – коричневый.

На RGB-мониторах все разнообразие цветов получается сочетанием базовых цветов – красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue), из которых можно получить 8 основных комбинаций:

R	R
G	G
B	B
цвет	цвет
0	1
0	0
0	0
черный	красный
0	1
0	0
1	1
синий	розовый
0	1
1	1
0	0
зеленый	коричневый
0	1
1	1
1	1
голубой	белый

Разумеется, если иметь возможность управлять интенсивностью (яркостью) свечения базовых цветов, то количество различных вариантов их сочетаний, порождающих разнообразные оттенки, увеличивается. Количество различных цветов – К и количество битов для их кодировки – N связаны между собой простой формулой: 2 N = К.

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 отличие от растровой графики, могут изменять свои размеры без потери качества (при увеличении растрового изображения увеличивается зернистость).

Кодирование звука.

Из физики известно, что звук – это колебания воздуха. Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), то видно плавно изменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такой – аналоговый – сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел.

Делается это, например, так – 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).

Чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно сделать обратное преобразование (для этого служит цифро-аналоговый преобразователь – ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.

Чем выше частота дискретизации 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.

Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.

Издавна используется довольно компактный способ представления музыки – нотная запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.

Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые 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.

Есть и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них – формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку, при этом вместо 18–20 музыкальных композиций на стандартном компакт-диске (CDROM) помещается около 200. Одна песня занимает, примерно, 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.

Компьютер – универсальная информационная машина.

Одно из основных назначений компьютера – обработка и хранение информации. С появлением ЭВМ стало возможным оперировать немыслимыми ранее объемами информации. В электронную форму переводят библиотеки, содержащие научную и художественную литературы. Старые фото- и кино-архивы обретают новую жизнь в цифровой форме.

Как звали математика, который в 19 лет решил задачу, не поддававшуюся усилиям лучших геометров со времен Евклида?

Цель занятия:Получить представление о понятии информации, отличия аналоговой от цифровой информации.

1. Изучить материал

3. Ответить на вопросы

Аналоговая и цифровая информация

Человеку постоянно приходится иметь дело с информацией (он получает ее с помощью органов чувств), строгого научного определения, что же такое информация, не существует. В разных научных дисциплинах и в разных областях техники существуют разные понятия об информации.

Но все отрасли науки и техники, имеющие дело с информацией, сходятся в том, что информация обладает четырьмя свойствами. Информацию можно: создавать, передавать (и, соответственно, принимать), хранить и обрабатывать.

Вся информация может быть представлена как аналоговая и цифровая. Человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, работает с цифровой информацией.

При аналоговом представлении физическая величина может принимать множество значений, причем эти значения меняются непрерывно.

Цифровая информация представленна в форме, допускающей обработку отдельных элементов ее содержания. Например, цифровой текстовый документ позволяет осуществлять его побуквенную обработку.

Примером аналогового представления графической информации может служить, например, живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно, а дискретного - изображение, напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета.

Свет, звук и тепло — это энергетические сигналы, а вкус и запах — это результат воздействия химических соединений, в основе которого тоже энергетическая природа. Человек испытывает энергетические воздействия непрерывно и может никогда не встретиться с одной и той же их комбинацией дважды. Мы не найдем двух одинаковых зеленых листьев на одном дереве и не услышим двух абсолютно одинаковых звуков — это информация аналоговая. Если же разным цветам дать номера, а разным звукам — ноты, то аналоговую информацию можно превратить в цифровую.

Музыка, когда мы ее слышим, несет аналоговую информацию, но стоит только записать ее нотами, как она становится цифровой.

Возьмем несколько байтов: 70, 79, 82, 77, 65, 84. Что здесь записано?

• Может быть, это две цветные точки: первая с цветом 70, 79, 82, а вторая: 77, 65, 84?

• Может быть, это шесть серых точек (одни чуть светлее, а другие чуть темнее).

• Может быть, этими байтами закодирована дата и время запуска очередного спутника Земли?

• Может быть, это начало какой-то музыкальной мелодии?

Это может быть вообще все, что угодно, в том числе и английское слово FORMAT, закодированное по стандарту ASCII (проверьте, не так ли это на самом деле).

Ответить на вопросы:

1. Объясните своими словами, чем отличается аналоговая информация от цифровой?

2. Приведите примеры аналоговой и цифровой информации.

Кодирование информации

Для того чтобы информацию сохранить, ее надо закодировать. Любая информация всегда хранится в виде кодов. Когда мы что-то пишем в тетради, мы на самом деле кодируем информацию с помощью специальных символов. Эти символы всем знакомы — они называются буквами. И система такого кодирования тоже хорошо известна — это обыкновенная азбука. Жители других стран те же самые слова запишут по-другому (другими буквами) — у них своя азбука. Можно сказать, что у них другая система кодирования. В некоторых странах вместо букв используют иероглифы — это еще более сложный способ кодирования информации.

Хранить можно не только текстовую и звуковую информацию. В виде кодов хранятся и изображения. Если посмотреть на рисунок с помощью увеличительного стекла, то видно, что он состоит из точек — это так называемый растр. Координаты каждой точки можно запомнить в виде чисел. Цвет каждой точки тоже можно запомнить в виде числа. Эти числа могут храниться в памяти компьютера и передаваться на любые расстояния. По ним компьютерные программы способны изобразить рисунок на экране или напечатать его на принтере. Изображение можно сделать больше или меньше, темнее или светлее, его можно повернуть, наклонить, растянуть. Мы говорим о том, что на компьютере обрабатывается изображение, но на самом деле компьютерные программы изменяют числа, которыми отдельные точки изображения представлены в памяти компьютера.

3. Передача аналоговой и цифровой информации

Примером аналоговой передачи сигнала является передача речевой информации по телефонным проводам.

Аналоговое сохранение информации является также довольно распространенным явлением, например, запись звукового сигнала на магнитофонную ленту.

До 70-х гг. ХХ в. технические устройства работали только с аналоговыми сигналами, каковыми являлись и способы их обработки. Это означало, что обработка сигнала проводилась на непрерывном интервале времени (в каждый малый промежуток времени). В результате получался также аналоговый сигнал (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Аналоговое преобразование сигнала

С появлением в 70-х гг. ХХ в. микропроцессора (основного элемента ЭВМ), а также микросхем с высокой степенью интеграции стали получать распространение дискретные и цифровые сигналы, а вместе с ними и соответствующие способы их обработки.

Дискретность сигнала означает возможность его измерения только на конечном отрезке, в строго определенные моменты времени. Следовательно, сам сигнал представляет собой уже не непрерывную функцию, а последовательность дискретных значений. На рисунке 1. 2 показаны дискретные значения функции, полученные в дискретные моменты времени, имеющие лишь только приближенные числовые значения. В зависимости от решаемой задачи эти значения могут быть зафиксированы только в данных временных точках, но могут сохранять свое значение в промежутке от данной до следующей точки измерения.

Рис. 1.2. Дискретный сигнал

В случае когда наличие приближенных значений не удовлетворяет поставленной задаче, производят округление имеющихся значений с заданной степенью точности. Вместо приближенных значений получаются определенные конечные числовые значения (рис. 1.3). Дискретный сигнал, значения которого выражены определенными конечными числами, называется цифровым.

Аналогично аналоговым устройствам обработки аналоговых сигналов существуют также специальные технические устройства для обработки, хранения, передачи цифровых сигналов. Бурное развитие вычислительной техники, средств телекоммуникации непосредственно связано с обработкой цифровых сигналов, поскольку цифровая cвязь имеет множество преимуществ по сравнению с аналоговой.

Рис. 1.3. Цифровой сигнал

Цифровой способ хранения информации нашел широкое применение при записи различного рода информации на аудио- и видео-компакт-дисках (CD-ROM).

Цифровая передача данных используется при обмене информацией между компьютерами с помощью модема или при работе с факсимильными средствами связи.

Довольно сложной оказывается цифровая обработка сигнала, например, цифровыми фильтрами, основанными на алгоритмах преобразования Фурье.

Несмотря на то что цифровая обработка информации приобретает в настоящее время все большее распространение, отказаться от аналоговой невозможно: еще остается достаточно много систем и устройств, в которых информация может передаваться только в виде аналогового сигнала. В связи с этим решаются различные вопросы, ищутся способы преобразования аналогового сигнала в цифровой и наоборот.

Очевидно, при преобразовании исходного аналогового сигнала в цифровой появляется определенная погрешность, что является недостатком. Но, увеличивая число дискретов по оси времени и функции сигнала, можно достичь уменьшения погрешности. Использование современных высокоскоростных технических средств обработки и хранения цифровых сигналов позволяет значительно упростить и удешевить процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой, а также устранить недостатки, присущие аналоговой передаче сигнала (например влияние шумов) и получить ряд важных преимуществ.

Таким образом, существующие виды информации: зрительная и звуковая, с помощью которых общаются люди, а также информация в виде сигналов, непосредственно связаны между собой. Преобразования информации из одного вида в другой показывают, насколько важен и непрерывен процесс обмена информацией. Применение технических устройств делает этот процесс неотъемлемой частью жизни человеческого общества.

Ответить на вопросы:

3. Объясните своими словами, чем отличается аналоговая информация от цифровой?

Читайте также: