Способи представлення інформації в ЕОМ

Навколишній світ заповнений інформацією. Щомиті через органи почуттів людина отримує сотні сигналів і повідомлень. Настільки значиму складову життя неможливо залишити без уваги, з’явилася навіть спеціальна галузь знань, що спеціалізується на інформаційних процесах і явищах, – інформатика. Її основна зброя – розумні електронно-обчислювальні машини, здатні швидко і точно аналізувати дані і маніпулювати ними. Способи представлення інформації в ЕОМ відрізняються від тих, до яких ми звикли, і забезпечують максимальну ефективність обчислювального процесу.

Інформація

Інформація – поняття глобальне, дати її всеохопне визначення важко. Досі не існує єдиного загальнонаукового терміна, кожна галузь знань оперує власним уявленням про інформацію. Для простоти можна визначити її як дані про стан навколишнього світу у всіх його проявах.

Інформація має сенс лише тоді, коли її хто-небудь сприймає або використовує. На відміну від енергії чи маси, які, як відомо, не зникають, а лише трансформуються, інформація цілком може зникнути.

Основне завдання інформатики – навчитися збирати, зберігати і передавати дані. Реалізація цього – справа непроста. Інформація буває різна, і кожен її вид вимагає до себе особливого підходу.

Види інформації

На сьогоднішній день люди навчилися працювати з величезною різноманітністю даних, що відрізняються природою походження та структурою.

Найбільш затребувані види інформації:

  • Графічна інформація – це найперший вид даних, яким людство навчилося маніпулювати. Вона доступна для сприйняття і не потребує особливих перетворень. Наскельні малюнки – найдавніше сховище інформації про навколишній світ. На зміну їм прийшли живопис, фотографія і технічні креслення.
  • Числова інформація дозволяє описати кількісні характеристики об’єктів. Важливість даних цього типу злетіла до небес при розвитку торгівлі і грошового обміну. Щоб успішно зберігати і передавати числову інформацію, довелося придумати спеціальні системи символів. Кожна культура вважала гроші по-своєму, так утворилися різні системи числення.
  • Текстова інформація – це закодована особливими символами людська мова. З винаходом писемності стало можливим передавати будь-які концепції на як завгодно велику відстань, а також передавати знання наступним поколінням. Для зручності маніпуляцій з текстовою інформацією людству довелося винайти папір і книгодрукування.
  • Звукова інформація довго не піддавалася людині. Лише в кінці XIX століття з’явилися перші звукозаписні пристрої, що дозволяють сприймати і зберігати дані.
  • Відеоінформація – жива графіка – підкорилася людині з винаходом кінематографічного апарату.
  • Всі ці дані можуть бути записані, оброблені електронно-обчислювальними машинами і передаватися від людини до людини. Вони можуть зберігатися без втрат на протязі довгого часу. Існують і інші різновиди інформації, з якими людство ще не навчилося працювати, наприклад, тактильна або смакова.

    Поділ даних на види має для інформатики велике значення. Форми представлення інформації в ЕОМ базуються на її особливостях, а кожний вид даних має специфічну структуру. Так, символьна і графічна інформація обробляються машиною по-різному.

    Робота з інформацією

    Головні зупинні пункти у життєвому циклі інформації такі:

    • сприйняття і збір;
    • зберігання;
    • передача;
    • відтворення або відображення.

    Під час тривалого зберігання або передачі дані можуть спотворюватися або втрачатися. Значні помилки порушують або повністю змінюють суть інформації, а отже, їх потрібно за всяку ціну уникнути.

    Для полегшення маніпуляцій з даними була придумана кодування. Суть процесу кодування в тому, що інформація за суворо визначеними правилами переводиться в іншу форму, над нею здійснюється якась операція, а потім відбувається зворотне перетворення.

    Одна з перших вдалих спроб кодування – світлові сигнали. Миготіння джерел світла – зручний спосіб передачі інформації на великі відстані. З розвитком техніки люди придумали безліч способів шифрувати дані: електричні сигнали, радіохвилі.

    Кодування забезпечує більшу цілісність і захищеність даних, що дозволяє збільшити швидкість передачі інформації і полегшити її обробку.

    Таким чином, інформаційний цикл набуває наступний вигляд:

    • збір;
    • кодування;
    • зберігання;
    • передача;
    • декодування;
    • відтворення.

    У процесі життєвого циклу дані можуть неодноразово піддаватися кодуванню та декодуванню з використанням різних кодових систем. Це необхідно для приведення інформації в більш зручне стан для здійснення конкретної операції.

    Матеріальна основа інформації

    Робити якісь реальні маніпуляції можна тільки над матеріальними об’єктами, що мають певні характеристики, які можна зафіксувати і виміряти. Представлення інформації в ЕОМ базується на електричних сигналах.

    Працюють з даними вузли машини представлені величезною кількістю крихітних елементів, які в будь-який момент часу перебувають в одному з двох станів: включеному або вимкненому. Конкретна технологія реалізації може відрізнятися для різних ЕОМ і навіть для різних блоків однієї машини. Вимкнений стан позначається нулем – відсутність сигналу, включене – одиницею.

    Кількість інформації, що отримується від одного структурного елемента, – один біт. Слово «біт» утворено від вираження binary digit (двійкова цифра). 1 біт – мінімальна одиниця інформації. Вся інформація в комп’ютерах представлена послідовністю бітів – нулів і одиниць. Вражаюче, яке величезне різноманіття даних може бути зашифрована таким простим способом!

    Представлення інформації в ЕОМ у вигляді окремих точкових значень називається дискретним. Порівняно з аналоговим, воно простіше реалізується і дозволяє легше оперувати великими обсягами даних.

    Двійковий код

    Послідовність бітів, що представляє деякі дані, називається двійковим кодом. З його допомогою може бути будь-яка закодована інформація: числова, символьна, графічна.

    Правила, за якими дані перетворюються в машинний код, специфічні для кожного типу. Окремі значення в них можуть збігатися, тому декодування завжди проводиться в залежності від контексту.

    Двійкове подання інформації в ЕОМ має ряд переваг:

    • зручність реалізації: двопозиційні елементи набагато простіше і надійніше трьох — і більше позиційних;
    • завадостійкість: сигнал, в якому присутні тільки два можливих стани набагато простіше для сприйняття;
    • простота обчислень: двійкова арифметика максимально проста.

    Математична основа подання інформації в ЕОМ – система числення з основою 2. Вона набагато простіше звичній нам десятковій системі, оперує лише двома цифрами – нулем і одиницею – і визначає правила всіх математичних операцій, вироблених над двійковим кодом.

    Числова інформація

    Існує три способи подання числової інформації в ЕОМ:

    • число з фіксованою крапкою;
    • число з плаваючою точкою;
    • двійково-десяткове подання.

    У чисел з фіксованою точкою, як випливає з назви, місце крапки (коми), що відокремлює дробову частину суворо визначено і зафіксовано.

  • Якщо точка знаходиться після останньої значущої цифри – число є цілим.
  • Розташування точки перед першою значущою цифрою відповідає правильної дробу (менше одиниці по модулю).
  • Для визначення знака виділений перший розряд. У позитивних чисел у ньому розташований 0, негативних – 1.

    Головна перевага такої форми подання – відсутність похибок округлення при обчисленнях. Головний недолік – обмежений діапазон значень, що залежить від розрядної сітки конкретної ЕОМ.

    Числа з плаваючою точкою представлені поєднанням значень мантиси і порядку. Така форма запису називається полулогарифмической.

    Точність обчислень для такого представлення залежить від довжини мантиси: при округленні можуть отсекаться зайві розряди.

    Числа з фіксованою точкою, і мантиса і порядок чисел з плаваючою точкою представлені в двійковій системі.

    Двійково-десяткове представлення чисел забезпечується спеціальними процесорами в складі ЕОМ. Число обробляється як десяткове, але кожна його цифра представляється двійковій тетрадой. Це дозволяє скоротити час обробки великих масивів десяткових чисел.

    Текстова інформація

    Для представлення текстової інформації в ЕОМ використовуються спеціальні таблиці, в яких кожному символу ставиться у відповідність унікальний двійковий код.

    У найбільш популярною кодуванні ASCII (Американський стандарт коду для міжнародного обміну) на один символ виділено 8 біт – 1 байт. Для кодової одиниці такого розміру існує 256 унікальних комбінацій, отже, можна закодувати 256 різних текстових символів. Крім букв різних алфавітів, в таблиці враховуються математичні оператори, знаки пунктуації та інші спеціальні елементи.

    Звичайно, 256 комбінацій – занадто мало для нашого мультикультурного світу. Деякі мови самі по собі містять більше букв. У таблиці Unicode збільшили розмір базової одиниці коду, виділивши під неї 2 байти (16 біт). Це дозволило збільшити межу кодування до 65536 елементів.

    Растрова графіка

    Представлення графічної інформації в ЕОМ називають матричним. Воно грунтується на розбитті зображення на ряди точок (пікселів). Для кожного пікселя інформація про стан, колір і яскравості зберігається окремо.

    У чорно-білих зображеннях для точки достатньо вказати «ступінь сірості» – одну з 256 градацій сірого кольору. Для цього виділяється 1 байт (8 біт).

    Кольорові ілюстрації вимагають більше даних. Щоб закодувати інформацію про колір точки, що його представляють у вигляді композиції трьох базових кольорів: червоного, зеленого і синього. Це модель Red-Green-Blue – RGB. Кодування однієї точки кольорового зображення вимагає 24 розрядів – по одному байту (8 біт) для кожної складової.

    Векторна графіка

    Зображення може бути описано і по-іншому. Для цього воно розбивається на елементарні фігури – відрізки, дуги, круги. Кожна частина може бути описана за допомогою математичних формул. Так, коло представляється сукупністю координати центру і радіусу кола. Такий спосіб опису графіки називається векторним.

    Звукова інформація

    Способи представлення в ЕОМ інформації про звуках значно складніше. Вони активно розвиваються, але ще далекі від стандартизації. Існує два основних напрямки обробки звукових сигналів:

  • Частотні модуляції (FM) – це спроба розкласти звук на послідовність простих правильних гармонійних сигналів, параметри яких можна описати. Основна складність в тому, що звук за своєю природою безперервний, а перетворення аналогового сигналу в дискретний завжди супроводжується втратами даних.
  • Таблично-хвильовий синтез передбачає використання семплів – зразків звуків. При цьому кодується тип музичного інструменту, висота тону, інтенсивність і тривалість сигналу. Якість отриманого звуку виходить вище, ніж в попередньому способі, так як використовуються реальні зразки.
  • Світ заповнений інформацією самих різних видів. Щоб з нею працювати, людина придумав кодування – переклад складних даних в просту форму для зручності зберігання, передачі і обробки. В ЕОМ подання інформації здійснюється у вигляді бінарного коду – послідовності окремих бітів. Будь-які дані можуть бути зашифровані таким методом. Всі операції над числами комп’ютер виробляє за правилами двійкової системи числення.