Представлення інформації в комп'ютері

Кодування - це перетворення інформації відповідно до деяких правил і методів.

Як відомо, інформація може бути представлена в різноманітних видах фізичної природи (візуальна, звукова, механічна й ін.). Незважаючи на стрімкий прогрес обчислювальної техніки, у комп'ютерах різних поколінь використовуються функціонально однакові активні елементи - електронні лампи, транзистори й мікросхеми. Ці елементи чітко й безпомилково розпізнають тільки два стани - включено або виключено. Так само, коли ми включаємо й виключаємо звичайну лампочку, вона горить або не горить, тобто в неї є тільки два стани.

Кожний регістр арифметичного пристрою ЕОМ, кожна комірка пам'яті являє собою фізичну систему, що складається з деякого числа однорідних елементів. Кожний такий елемент здатний перебувати в декількох станах і служить для зображення одного з розрядів числа. Якщо при записі чисел в ЕОМ ми хочемо використовувати звичайну десяткову систему числення, то ми повинні одержувати 10 стійких станів для кожного розряду. Такі машини існують. Однак конструкція елементів такої машини надзвичайно складна. Найбільш надійним і дешевим є пристрій, кожний розряд якого може приймати два стани: намагнічений - не намагнічений, висока напруга - низька напруга й т.д. У сучасній електроніці розвиток апаратної бази ЕОМ іде саме в цьому напрямку. Отже, використання двійкової системи числення як внутрішньої системи подання інформації викликано конструктивними особливостями елементів обчислювальних машин.

Переваги двійкової системи числення:

· простота операцій;

· можливість здійснювати автоматичну обробку інформації, реалізуючи тільки два стани елементів комп'ютера.

Представлення в комп'ютері текстової інформації

Історично так склалося, що в перші ЕОМ вводили для обробки тільки алфавітно-цифрову інформацію (букви, цифри, знаки пунктуації, деякі керуючі символи). У силу недостатньо високого рівня розвитку обчислювальної техніки ще не було й мови про те, щоб вводити в комп'ютер, наприклад, відео- або аудіосигнали. При кодуванні всіх цих алфавітно-цифрових символів двійковими цифрами (такий код буде називатися двійковим), кожний із символів одержує у відповідність (нумерується) визначене двійкове число (комбінацію нулів і одиниць).

Для роботи з ЕОМ необхідно закодувати близько 200 різних символів: 26 рядкових латинських літер + 26 прописних латинських літер + 10 цифр + рядкові й прописні літери якого-небудь вітчизняного алфавіту (наприклад, російського: 33+33) + знаки пунктуації й деякі спеціальні символи + керуючі символи. Підрахуємо тепер, яка повинна бути мінімальна кількість розрядів двійкового числа для кодування 200 символів.

За допомогою одного розряду можна закодувати 2 різних символи, наприклад:

А - 0

Б - 1

За допомогою двох розрядів - 4 символи, наприклад:

А - 00

Б - 01

В - 10

Г - 11

За допомогою трьох розрядів - 8 символів, наприклад:

А – 000 Д - 100

Б – 001 Е - 101

В - 010 Ж -110

Г – 011 З - 111

Таким чином, додавання нового двійкового розряду дозволяє вдвічі збільшити кількість кодованих символів (кодових комбінацій). Інакше кажучи, при використанні n розрядів можна закодувати 2ⁿ символів. Сім розрядів дозволяють закодувати 2⁷=128 символів, яких явно недостатньо. Вісьма розрядами можна закодувати 2⁸=256 символів, яких цілком достатньо (див. табл.№1). При двійковому кодуванні текстової інформації кожному символу ставиться у відповідність своя унікальна послідовність із восьми нулів і одиниць. По вісьмох дротам можуть передаватися різні комбінації сигналів. Це дуже зручно, оскільки між числами 00000000₂ і 11111111₂ усього 256₁₀ комбінацій, якими можна закодувати різні знаки й символи. Кожна літера, кожний знак має свою комбінацію нулів і одиниць, тобто свій код. При натисканні на клавіатурі клавіші із символом у запам’ятовуючий пристрій надходить сигнал з восьми розрядів, наприклад, код літери R - 82₁₀ (01010010₂), r - 114₁₀ (01110010₂).

Таблиця №1. Відповідність між кількістю двійкових розрядів і кодових комбінацій.

Біти									…	n
Кількість закодованих значень									…	2n N=2n

Таким чином, ми з'ясували, чому довжина комірки пам'яті для зберігання будь-якого символу в комп'ютері становить 8 розрядів, і встановили логічний взаємозв'язок одиниць виміру інформації - біта та Байта.

Присвоєння символу певного числового коду - це питання угоди. Як міжнародний стандарт прийнята кодова таблиця ASCII (American Standard Code for Information Interchange), що кодує першу половину символів із числовими кодами від 0 до 127 (див. табл.№2).

Таблиця №2. Перша половина кодової таблиці ASCII.

Перші 32 коди (від 0 до 31) називаються керуючими кодами й використовуються для керування комп'ютером. Коди з 32 до 127 - це літери латинського алфавіту, цифри, розділові знаки, дужки й деякі інші символи. Інші 128 кодів, починаючи з 128 (двійковий код 10000000) і закінчуючи 255 (11111111), використовуються для кодування літер національних алфавітів, символів псевдографіки й наукових символів (розширені ASCII-Коди).

У цей час існують кілька різних кодувань кирилиці (КОИ 8-Р, Windows, MS-DOS, Macintosh, ISO, Unicode), що викликає додаткові труднощі при роботі з російськомовними документами, тому що код одного й того ж символу не збігається в різних кодуваннях.

В інформатиці крім двійкових чисел широко використовуються шістнадцятирічні для скороченого запису двійкових чисел. Шістнадцятиричні числа досить легко перевести у двійкові і назад за допомогою простої таблиці, в якій всі цифри шістнадцятиричної системи від 0 до F(15) представлені у вигляді двійкових тетрад (четвірок).

Таблиця №3. Відповідність між десятинними, двійковими та шістнадцятирічними числами.

Десятичні числа	Двійкові числа	Шістнадцятиричні числа
		A
		B
		C
		D
		E
		F

Для переводу просто замінюємо цифру шістнадцятиричного числа на відповідну тетраду двійкових чисел.

Наприклад:

8AB₁₆ = 1000 1010 1011₂

Зворотний перевід з двійковой системи числення в шістнадцятиричну також простий. Для цього в двійковому записі числа потрібно виділити тетради (четвірки) і замінити кожну тетраду відповідною шістнадцятиричною цифрою. Відлічувати тетради потрібно справа наліво. У разі потреби неповні тетради доповнюються нулями.

Наприклад:

1110111101₂ = 0011 1011 1101₂ = 3BD₁₆

Доречі, не дуже складний перевід двійкових чисел у десятичні. Для цього потрібно кожну цифру двійкового числа (0 чи 1) помножити на відповідну ступінь числа 2 та знайти суму отриманих чисел. Причому множити треба справа наліво: першу справа двійкову цифру помножити на 2⁰ (тобто на 1), другу – на 2¹ (на 2), третю – на 2² (на 4), четверту – на 2³ (на 8), п’яту – на 2⁴ (на 16) і т.д.

Приклади:

10110110₂ = (1·2⁷)+(0·2⁶)+(1·2⁵)+(1·2⁴)+(0·2³)+(1·2²)+(1·2¹)+(0·2⁰) = 128+32+16+4+2 = 182₁₀

1101₂ = 1·2³+1·2²+0·2¹+1·2⁰ = 8+4+0+1 = 13₁₀ (порівняйте цей результат з таблицею №3).

Представлення в комп'ютері графічної інформації

З 80-х років інтенсивно розвивається технологія обробки на комп'ютері графічної інформації. Графічні зображення, що зберігаються в аналоговій (безперервної) формі на папері, фото- і кіноплівці, можуть бути перетворені (закодовані) у цифровий комп'ютерний формат шляхом просторової дискретизації. Це реалізується шляхом сканування, результатом якого є растрове зображення. Растрове зображення складається з окремих крапок (пікселів - англ. pixel утворено від словосполучення picture element, що означає елемент зображення).

Рис.1. Поділ растрового зображення на пікселі.

Кожній крапці привласнюється значення її кольору (код кольору).

Якість растрового зображення визначається його розподільною здатністю (кількістю крапок по вертикалі й по горизонталі) і використовуємою палітрою кольорів (глибиною кольору). Глибина кольору визначається кількістю біт, що виділяється для кодування кольорів палітри (див. табл.№4 і див. рис.2).

Таблиця №4. Відповідність між глибиною кольору й кількістю кольорів, що представляється.

Кількість біт	Кількість кольорів палітри

Рис.2. Графічні режими.

Визначити кількість біт інформації, необхідних для зберігання кольору однієї крапки-пікселя (глибину кольору I) для кожної палітри кольорів (N - кількість кольорів, що відображається), можна по формулі:

N=2^I.

Виходячи з вищесказаного, можна легко підрахувати обсяг необхідної відеопам'яті для зберігання зображення, якщо відомі розподільна здатність і глибина кольору. Для цього потрібно перемножити кількість крапок по горизонталі на кількість крапок по вертикалі й на глибину кольору (у Байтах).

Приклад.

Розподільна здатність - 800х600, глибина кольору - 24 біт (3 Байти). Необхідний обсяг відеопам'яті: 800х600х3=1440000 Байт або приблизно 1,37 МБ. Ще приклад. Розподільна здатність - 1600х1200, глибина кольору - 3 Байти. Отже, необхідний обсяг відеопам'яті: 1600х1200х3=5760000 Байт або приблизно 5,5 МБ.

Сучасні комп'ютери обробляють і виводять на екран "живе відео". Відеозображення формується з окремих кадрів (картинок), які міняють один одного з визначеною частотою. Якщо помножити розмір однієї картинки на частоту кадрів у секунду (наприклад, 25 Герц), то одержимо розмір незжатого відеофайлу тривалістю в 1 секунду. Для останнього приклада, ні багато, ні мало - 137,5 МБ. Якщо врахувати, що комп'ютери першого й другого покоління мали обсяги оперативної пам'яті всього в кілька десятків КілоБайт, стає зрозумілим, чому аж до 70-х років не було можливості обробляти графічну, а тим більше відеоінформацію.

При роботі з відеоданими, зокрема при конвертуванні відеофайлів (конвертування файлів – це перетворення файлів з одного формату в інший), буває необхідно управляти такими параметрами як бітрейт і фреймрейт.