Реферат на тему двоичное кодирование

Обновлено: 05.07.2024

Содержание

1. Введение.
2. История зарождения двоичного кода.
3. Основоположники двоичного кода.
4. Заключение.
5. Список источников.
6. Глоссарий.

Вложенные файлы: 1 файл

фи-31.История двоичного кода (реферат).doc

Введение.
История зарождения двоичного кода.
Основоположники двоичного кода.
Заключение.
Список источников.
Глоссарий.

То, что связь между человеком, высадившимся на Луне, и Землей, праздновавшей это событие, осуществлялась при помощи нулей и единиц, глубоко символично и закономерно, потому что эти знаки двоичной системы счисления сыграли в этом историческом достижении тысячи всевозможных ролей. С их помощью было закодировано все – от команд, отданных космическому кораблю при взлете, до инструкций, благодаря которым спускаемый аппарат экспедиции Армстронга при возвращении на Землю вошел в земную атмосферу под соответствующим углом. То же самое происходит повсюду в нашем компьютеризованном мире. В основе своей цифровой компьютер независимо от его размеров и назначения представляет систему передачи информации, выраженной в виде нулей и единиц.

Двоичное представление чисел – не единственная альтернатива десятичной системе счисления. Древняя вавилонская арифметика была основана на числе 60, а в привычках и языке англосаксов мы обнаруживаем следы двенадцатеричной системы счисления, которая когда-то господствовала на Британских островах: 12 месяцев в году, 12 дюймов в футе, два 12-часовых периода в сутках, различные системы мер, также основанные на числе 12. Вызванная к жизни не чем иным, как десятью пальцами пары человеческих рук, десятичная система в конце концов вытеснила все другие системы счета, по крайней мере в странах Запада. Однако некоторые европейские мыслители эпохи Просвещения, последовавшей за эпохой Возрождения, проявляли немалый интерес к простой и изящной двоичной системы счисления. Постепенно эта система проникала из одной научной дисциплины в другую, из логики и философии в математику, а затем и в технику, где она сыграла важную роль на заре компьютерной революции.

История зарождения двоичного кода.

Полный набор из 8 триграмм и 64 гексаграмм, аналог 3-битных и 6-битных цифр, был известен в древнем Китае в классических текстах книги Перемен.

Порядок гексаграмм в книге Перемен, расположенных в соответствии со значениями соответствующих двоичных цифр (от 0 до 63), и метод их получения был разработан китайским учёным и философом Шао Юн в XI веке. Однако нет доказательств, свидетельствующих о том, что Шао Юн понимал правила двоичной арифметики.

Индийский математик Пингала ра зработал математические основы для описания поэзии с использованием первого известного применения двоичной системы счисления.

По утверждению Эртона узелки на шнурках, завязанные инками, представляют собой 7-битный двоичный код и могут передавать до 1500 отдельных знаков.

Наборы, представляющие собой комбинации двоичных цифр, использовались африканцами в традиционных гаданиях (таких как Ифа) наряду со средневековой геомантией.

Основоположники двоичной системы.

Однако при всей своей гениальности Лейбниц так и не смог найти полезного применения полученным результатам.

Однако спустя более ста лет после смерти Лейбница (1716) английский математик-самоучка Джордж Буль энергично принялся за поиски такого универсального языка. Примечательно, что этой целью задался человек такого скромного происхождения, как Буль. Он был родом из бедной рабочей семьи, жившей в промышленном городе Линкольне в восточной Англии. В те времена мальчик, родители которого были простыми рабочими, вряд ли мог надеяться получить солидное образование, а тем более сделать карьеру ученого. Однако решимость и целеустремленность Буля не знали границ.

В Линкольне была школа для мальчиков. Возможно, Буль посещал ее, но если и так, то там он мог получить лишь самое элементарное образование. Однако его отец, самостоятельно овладевший кое-какими познаниями в математике, передал эти знания своему способному сыну. Уже к восьми годам мальчика всецело захватила жажда знаний. Предметом, который, по-видимому, сыграл важную роль в дальнейшей судьбе Буля, был латинский язык. Здесь отец ничем не мог ему помочь, но друг их семьи, занимавшийся книжной торговлей, в достаточной степени владел латинской грамматикой, чтобы дать Булю начальный толчок. Когда книготорговец обучил его всему, что знал сам, Буль продолжил учебу самостоятельно и в возрасте 12 лет уже переводил классическую латинскую поэзию. Еще через два года он овладел греческим языком, а затем добавил к своей коллекции языков французский, немецкий и итальянский.

В 1831 г. в возрасте 16 лет Буль был вынужден поступить на работу, чтобы помочь семье. Четыре года он проработал на малооплачиваемой должности помошника учителя, но затем, осмелев, решил открыть собственную школу. Поняв, что ему следует углубить свои познания в математике, чтобы превзойти учеников, он приступил к чтению математических журналов, которые имелись в библиотеке местного научного учреждения. И тут у Буля обнаружились поистине неординарные способности. Изучив горы научных публикаций, он овладел сложнейшими математическими теориями своего времени. У него возникли и собственные оригинальные идеи. Буль стал записывать их, не прекращая в то же время преподавательской работы в своей маленькой школе. В 1839 г. одна из его статей была принята к публикации научным журналом. На протяжении следующего десятилетия работы Буля регулярно печатались, и его имя приобрело известность в научных кругах. В конце концов деятельность Буля получила столь высокую оценку, что он, несмотря на отсутствие формального образования, был приглашен работать на математический факультет Королевского колледжа в Ирландии.

Буль изобрел своеобразную алгебру – систему обозначений и правил, применимую ко всевозможным объектам, от чисел и букв до предложений. Пользуясь этой системой, Буль мог закодировать высказывания – утверждения, истинность или ложность которых требовалось доказать, - с помощью символов своего языка, а затем манипулировать ими подобно тому, как в математике манипулируют обычными числами.

Большинство логиков того времени либо игнорировали, либо резко критиковали систему Буля, но ее возможности оказались настолько велики, что она не могла долго оставаться без внимания.

Тем не менее, внедрив булеву алгебру в курсы логики и философии в американских университетах, Пирс посеял семена, которые дали богатые всходы пол столетия спустя. В 1936 г. выпускник американского университета Клод Шеннон, которому было тогда всего 21 год, сумел ликвидировать разрыв между алгебраической теорией и ее практическим приложением.

p align="justify">Традиционно для кодирования одного символа используется 1 байт (8 двоичных разрядов). Это позволяет закодировать N = 28 = 256 различных символов, которых обычно бывает достаточно для представления текстовой информации (прописные и заглавные буквы русского и латинского алфавита, цифры, знаки, графические символы и т.д.).

Начиная с 60 годов, компьютеры все больше стали использоваться для обработки текстовой информации.

Традиционно для кодирования одного символа используется 1 байт (8 двоичных разрядов). Это позволяет закодировать N = 28 = 256 различных символов, которых обычно бывает достаточно для представления текстовой информации (прописные и заглавные буквы русского и латинского алфавита, цифры, знаки, графические символы и т.д.).

При двоичном кодировании текстовой информации каждому символу ставится в соответствие своя уникальная последовательность из восьми нулей и единиц, свой уникальный двоичный код от 00000000 до 11111111 (десятичный код от 0 до 255).

Присвоение символу конкретного двоичного кода - это вопрос соглашения, которое фиксируется в кодовой таблице. Первые 33 кода (с 0 по 32) соответствуют не символам, а операциям (перевод строки, ввод пробела и т.д.). Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и знакам препинания.

Коды с 128 по 255 являются национальными, т.е. в национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы. К сожалению, в настоящее время существуют пять различных кодовых таблиц для русских букв, поэтому тексты, созданные в одной кодировке, не будут правильно отображаться в другой.

Таблица 3.2. Кодировки символов

Фирма Apple разработала для компьютеров Macintosh свою собственную кодировку русских букв (Мае).

Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO) утвердила в качестве стандарта для русского языка еще одну кодировку под названием ISO 8859-5.

Как видно из таблицы, одному и тому же двоичному коду в различных кодировках поставлены в соответствие различные символы. Каждая кодировка задается своей собственной кодовой таблицей.

Например, последовательность числовых кодов 221, 194, 204 в кодировке СР1251 образует слово ЭВМ, тогда как в других кодировках это будет бессмысленный набор символов.

К счастью, в большинстве случаев пользователь не должен заботиться о перекодировках текстовых документов. При работе в приложениях Windows предусмотрена возможность автоматической перекодировки документов, созданных в приложениях MS-DOS. При работе в Интернет с использованием броузеров Internet Explorer и Netscape Communicator происходит автоматическая перекодировка Web-страниц.

В последнее время появился новый международный стандарт Unicode, который отводит на каждый символ не один байт, а два, и потому с его помощью можно закодировать не 256 символов, а N = 216 = 65536 различных символов. Эту кодировку поддерживает платформа Microsoft WindowsOffice 97.

Двоичное кодирование графической информации

Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета (бит на точку 4, 8, 16, 24). Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, и тогда по формуле N = 21 может быть вычислено количество цветов, отображаемых на экране монитора.

Таблица 3.3. Количество отображаемых цветов

Изображение может иметь различный размер, который определяется количеством точек по горизонтали и по вертикали В современных персональных компьютерах обычно используются четыре основных размера изображения или разрешающих способностей экрана: 640*480, 800*600, 1024*768 и 1280*1024 точки.

Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке (цвет точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для наиболее распространенного в настоящее время графического режима (800*600 точек, 16 бит на точку).

Всего точек на экране: 800 * 600 = 480000

Необходимый объем видеопамяти: 16 бит * 480000 = 7680000 бит = 960000 байт = 937,5 Кбайт.

Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопамяти для других графических режимов.

Таблица 3.4. Объем видеопамяти для различных графических режимов

Режим экрана	Глубина цвета (бит на точку)
4	8	16	24
640 на 480	150 Кбайт	300 Кбайт	600 Кбайт	900 Кбайт
800 на 600	234 Кбайт	469 Кбайт	938 Кбайт	1,4 Мбайт
1024 на 768	384 Кбайт	768 Кбайт	1,5 Мбайт	2,25 Мбайт
1280 на 1024	640 Кбайт	1,25 Мбайт	2,5 Мбайт	3,75 Мбайт

Двоичное кодирование звуковой информации

С начала 90-х годов персональные компьютеры получили возможность работать со звуковой информацией Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию С помощью специальных программных средств (редакторов аудиофайлов) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов Создаются программы распознавания речи и появляется возможность управления компьютером при помощи голоса

Звуковой сигнал - это непрерывная волна с изменяющейся амплитудой и частотой Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон Для того чтобы компьютер мог обрабатывать непрерывный звуковой сигнал, он должен быть дистретизирован, те превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц)

При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется серией его отдельных выборок- отсчетов

Каждая выборка фиксирует реальную амплитуду сигнала и присваивается ей определенное, наиболее близкое, дискретное значение Чем большее количество дискретных значений может обеспечить звуковая карта и чем большее количество выборок производится за 1 секунду, тем точнее процедура двоичного кодирования

Современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 различных уровней сигнала или состояний Для определения количества бит, необходимых для кодирования, решим показательное уравнение

65536 = 21, т к 65536 = 216 , то I = 16 бит

Таким образом, современные звуковые карты обеспечивают 16-битное кодирование звука При каждой выборке значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код

Количество выборок в секунду может быть в диапазоне от 8000 до 48000, т е частота дискретизации аналогового 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 Следует также учитывать, что возможны как моно-, так и стерео-режимы

Можно оценить информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 1 секунду при среднем качестве звука (16 бит, 24 Кгц) Для этого количество бит на одну выборку необходимо умножить на количество выборок в 1 секунду

С конца XX века, века компьютеризации, человечество пользуется двоичной системой ежедневно, так как вся информация, обрабатываемая современными ЭВМ, хранится в них в двоичном виде. Каким же образом осуществляется это хранение? Каждый регистр арифметического устройства ЭВМ, каждая ячейка памяти представляет собой физическую систему, состоящую из некоторого числа однородных элементов. Каждый такой элемент способен находиться в нескольких состояниях и служит для изображения одного из разрядов числа. Именно поэтому каждый элемент ячейки называют разрядом. Нумерацию разрядов в ячейке принято вести справа налево, самый правый разряд имеет порядковый номер 0.

Если при записи чисел в ЭВМ мы хотим использовать обычную десятичную систему счисления, то мы должны уметь получать 10 устойчивых состояний для каждого разряда (как на счетах при помощи костяшек). Такие машины существуют. Однако конструкции элементов такой машины чрезвычайно сложны, что сказывается на надежности и скорости работы ЭВМ.

Наиболее надежным и дешевым является устройство, каждый разряд которого может принимать два состояния: намагничено — не намагничено, высокое напряжение — низкое напряжение и т.д. В современной электронике развитие аппаратной базы ЭВМ идет именно в этом направлении. Следовательно, использование двоичной системы счисления в качестве внутренней системы представления информации вызвано конструктивными особенностями элементов вычислительных машин.

Информационные процессы.

Обмен, хранение и обработка информации присущи живой природе, человеку, обществу, техническим устройствам. В системах различной природы действия с информацией: обмен, хранение, обработка - одинаковы. Эти действия называют ИНФОРМАЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ.

Рассмотрим более подробно различные виды информационных процессов между автоматом и автоматом (техническими устройствами).

Обмен информацией

Передачу и прием информации называют обменом информации. Передача информации между автоматами выполняется с использованием технических средств связи. Ретрансляционная вышка передает информацию, которую воспринимает блок приема телевизора. Радиостанция передает информацию, которую воспринимает блок приема радиоприемника. Видеомагнитофон передает информацию с видеокассеты на экран.

Преобразование информации

Обработка информации – преобразование информации из одного вида в другой, осуществляемое по строгим формальным правилам.

Обработка информации по принципу “черного ящика” - процесс, в котором пользователю важна и необходима лишь входная и выходная информация, но правила, по которым происходит преобразование, его не интересуют и не принимаются во внимание.

Возможность автоматизированной обработки информатизации основывается на том, что обработка информации не подразумевает ее осмысления.

Хранение информации

Информация для магнитофона, видеомагнитофона, киноаппарата хранится на специальных устройствах: аудиокассетах, видеокассетах, кинолентах. Устройство, предназначенное для хранения информации называют НОСИТЕЛЕМ информации. Носитель информации может быть разной природы: механический, магнитный, электрический. Носители информации различаются по форме представления информации, по принципу считывания, по типам материала.

Информация запоминается в виде сигналов или знаков. С помощью микрофона и других устройств магнитофона звуковая информация записывается на магнитную ленту, т.е. на магнитной ленте хранится информация. С помощью магнитной головки магнитофона информация считывается с магнитной ленты. Информация записывается на носитель посредством изменения физических, химических или механических свойств окружающей среды. Запись и считывание информации осуществляется в результате физического воздействия с носителем информации записывающих и считывающих устройств.

Опасности нашей повседневной жизни: Опасность — возможность возникновения обстоятельств, при которых.

Основные этапы развития астрономии. Гипотеза Лапласа: С точки зрения гипотезы Лапласа, это совершенно непонятно.

Экономика как подсистема общества: Может ли общество развиваться без экономики? Как побороть бедность и добиться.

ГОСТ

Все базы данных в электронных вычислительных машинах сохраняются, анализируются и перерабатываются в формате специального кодирования, в состав которого входят всего две цифры. Название этого способа кодирования – двоичный или бинарный. По существу, он аналогичен общеизвестному коду Морзе, который, по сути, тоже состоит всего из двух знаков – это точка и тире (в электронном виде, короткий и длинный импульсы), посредством комбинирования которых и зашифровываются символы для последующей трансляции их по радио или проводной связи. Компьютерная технология продвинулась существенно далее. Там в двоичном формате сохраняются не только файлы, содержащие один лишь текст, но и программное обеспечение, музыкальные и видео файлы, включая видео в формате HD (High Definition, высокая чёткость). При выводе данных на монитор, воспроизведении аудио через динамики или выводе текста на печать, программное обеспечение компьютера транслирует эти данные в форму, понятную людям. Однако, в недрах электронных вычислительных машин информация сохраняется и анализируется только в формате двоичного кодирования.

Причины двоичного кодирования в электронных вычислительных машинах

Человек для рукописного и машинописного текста применяет буквенные символы. Например, в нашем русском алфавите тридцать три буквы. Для записи чисел, как известно, мы используем всего десять цифр, от нуля до десяти. Для обработки графических изображений может потребоваться уже набор из порядка миллиона цветовых параметров. Диапазон слышимых человеком звуков простирается от, примерно, 16 до 20000 герц. Плюс ко всему вышеперечисленному, необходимо добавить осязание, способность различать запахи (обоняние), вкусовые ощущения человека, что в итоге выливается в очень большое количество самых разных потоков информации. Всё это способен анализировать, сохранять и перерабатывать мозговой центр человека.

Пока что современная техника не может воспроизвести полный аналог устройства мозга. Человеку наиболее легко проектировать устройства, которые имеют два стабильных состояния. Например, лампа включена или выключена, электрический ток протекает или нет, и тому подобное. Гораздо труднее научить ту же лампу, к примеру, при различных событиях засветиться одним, заданным заранее цветом, из большого набора цветовой палитры. Тем более, если вспомнить о примерно десяти миллионах, различаемых людьми, цветовых оттенков. В технических устройствах гораздо проще использовать много несложных модулей, чем малое количество, но очень усложнённых элементов. Для хранения и обработки информационных данных различными техническими устройствами и был создан немецким математиком Готфридом Лейбницем очень простая и очень удобная двоичная система кодирования или бинарный код. Он создал арифметику двоичных чисел и даже спроектировал вычислительную машину, работающую в двоичном коде, но довести её реально действующего устройства так и не смог.

Готовые работы на аналогичную тему

С помощью различных комбинаций только нуля и единицы, в двоичном коде возможно сделать шифр любого числа, текста, звуков или графического изображения. Электронная вычислительная машина (компьютер), есть ни что иное, как прибор, служащий для сохранения и работы с информационными данными именно в таком формате.

Преобразование информации в бинарный код называют кодированием. Соответственно, обратное действие, при котором двоичный код снова преобразуется в понятный человеку формат, называют процессом декодирования.

Способы организации памяти

С точки зрения техники, бинарный код в электронной вычислительной машине задаётся наличием или отсутствием импульсных сигналов у элементов памяти, которые могут иметь различную физическую природу. Основные из них:

Оптические импульсы.
Магнитные импульсы.
Электрические импульсы.

На поверхности оптических (лазерных) дисков (CD, DVD или BluRay) есть набор спиралей, разделённых на маленькие части (отрезки). Каждый отрезок имеет тёмный или светлый цвет. При вращении диска на его спиральную дорожку наведён луч лазера, который отражается от диска и его отражённый луч фиксируется фотоэлементом-приёмником. Соответственно, отражения от тёмных участков практически нет, от светлых идёт отражение. В итоге, фотоприёмник считывает закодированную на лазерном диске информацию, где светлые участки, это единица, тёмные это ноль.

Примером электрических импульсов могут служить элементы оперативной памяти электронной вычислительной машины. Микросхема памяти состоит из большого количества мелких элементов, в основе которых заложен транзистор и конденсатор микронных размеров. Соответственно, конденсатор может быть или заряжен (единица), или не заряжен (ноль), что и представляет собой бинарный код в оперативной памяти. Примерно таким же образом данные сохраняются и во многих других элементах памяти (например, флешках и так далее). Компьютерный процессор анализирует и работает с информацией также представленной электрическими импульсами.

Часто бытует расхожее убеждение, что двоичное кодирование в чреве электронной вычислительной машины представлено набором обычных единиц и нулей. Но единиц и нулей в их привычном для человека обличье не существует в электронной вычислительной машине. Знаками бинарного кодирования в компьютере выступают элементы памяти, описанные выше.

То есть обозначение "единица" и "нол"ь при двоичном кодировании чисто условное. Точно также их можно было обозначить как точка и тире, крестик и нолик.

Читайте также: