Данные компьютерной информации

Данные компьютерной информации 

Знакомство с аппаратным обеспечением. Рассмотрим компоненты, обеспечивающие обработку и хранение информации, а далее - ее ввода и вывода.

Однако прежде чем перейти к рассмотрению конкретных устройств, обратим внимание на способы представления данных и программ в компьютере, ведь именно они определяют, какие технологии будут применяться для изготовления аппаратных компонентов.

Данные компьютерной информации

 

Представление данных и программ в компьютере

Воспринять и обработать данные и выполнить программу компьютер сможет только при условии, что они представлены в понятной для него форме.

Современные компьютеры - это устройства, способные обрабатывать сигналы, имеющие два состояния (их обозначены цифрами 0 и 1). Чтобы компьютер мог воспринять и обработать числовые значения, текст, изображения, звук или видео, их нужно представить в виде последовательностей 0 и 1. 

числовые данные

Для представления числовых данных используют различные системы счисления. Самой распространенной среди них считается десятичная система, в которой для представления чисел применяют 10 знаков (цифры от 0 до 9). Это позиционная система вычисления. 

Позиционная система вычисления - это система, в которой тот же числовой знак (цифра) в записи числа имеет различные значения в зависимости от того места (разряда), где он расположен.

Любая позиционная система характеризуется своей основой - количеством различных знаков или символов, используемых для представления чисел в этой системе. Поэтому десятичная система - это позиционная система с основою 10. Каждый разряд в этой системе имеет свой вес: первый (начиная справа) - 1 (10 °), второй - 10 (10 1 ), третий - 100 (10 2 ) , четвертый - 1000 (10 3 ) и т. д.

Например, число 128 образуется в этой системе так:

128 10 = 1 х 10 2 + 2 х 10 1 + 8 х 10 0 

 а число 7216 - так:

7216 10 = 7 х 10 4 + 2 х 10 3 + 1х 10 1 + 6 х 10 0 

Обратите внимание: в первом номере цифра 2 показывает количество десятков, а во втором - количество сотен. Зато в римской системе вычисления значение цифры не зависит от ее позиции. Например, в числе XXXIII цифры X обозначают 10, то есть эта система не является позиционной.

В компьютерах и других цифровых устройствах числовые данные подаются в двоичной системе. Это позиционная система с основанием 2, в которой для записи чисел используются только два знака (цифры 0 и 1). Каждый разряд в этой системе также вес: первый (начиная справа) - 1 (2 0 ), второй - 2 (2 1 ), третий - (2 2 ), четвертый - 8 (2 3 ) и др.

Например, число 1001 в двоичной системе образуется так:

1001 2 = 1 х 2 3 + 0 х 2 2 + 0 х 2 1 + 1 х 2 0 = 9 10 

Как видите, числу 9 десятичной системы соответствует двоичное число 1001.

Вот еще несколько примеров двоичных чисел:

11 2 = 1 х 2 1 + 1 х 2 0 = 3 10 
10 2 = 1 х 2 1 - 0 х 2 0 = 2 10 

Примеры преобразования чисел с десятичной системы вычисления в двоичную: 

текстовые данные

Для представления текстовых данных в компьютерах используют, так называемые, наборы символов . Это таблицы для кодирования определенного количества символов, где каждому из них соответствует двоичный код определенной длины. Наиболее распространенными сегодня являются наборы символов ASCII, Unicode (произносится как «юникод») и совместимы с ними.

В этом наборе символов для кодирования применяется 8 двоичных разрядов. Нетрудно догадаться, что фрагмент расширенного набора символов ASCII со значениями кодов.

Как видите, символ «0» кодируется двоичным значением 00110000 (4810), символ «1» - значением 00110001 (49 10 ) и чем больше длина кода, тем больше символов можно закодировать с его использованием. С помощью двоичного кода длиной n бит можно закодировать 2 n различных сообщений. Таким образом, набор символов ASCII может включать силы 2 8 = 256 символов. Этого достаточно, чтобы закодировать цифры, знаки препинания, латинские буквы (большие и малые) и буквы кириллицы (большие и малые).

В стандарте кодирования Unicode для представления символов используется 16 разрядов, то есть общее количество символов составляет 2 16 = 65 536. Этот набор включает в себя все имеющиеся алфавиты мира, много математических, музыкальных, химических символов. Для научных целей добавлены алфавиты исторических письменностей, в частности: древнегреческий и египетские иероглифы.

Графические данные

Для того чтобы сохранить в двоичной форме графические данные (фотографии, рисунки, чертежи), используют два способа - растровый и векторный. Фотографии, произведения живописи, рисунки хранят в виде растровых изображений, которые представляют собой массивы точек, расположенных рядами и столбцами. 

Пиксель - это неделимый элемент изображения, обычно квадратной формы, который имеет определенный цвет.

Цвет пикселя кодируется с помощью двоичного кода. Подобно таблице символов, чем большую длину имеет такой код, тем больше цветов пикселя можно закодировать с его помощью. В черно-белом изображении, не содержится оттенков серого, используются только два цвета, а следовательно, для кодирования цвета его пикселей достаточно одного двоичного разряда (0 - белый цвет, 1 - черный). В цветных изображениях, а также изображениях с оттенками серого, для кодирования цвета пикселя используют 4, 8 или 24 двоичных разряда, что соответствует 16 256 и 16777216 цветам (или оттенкам серого).

Контурные рисунки и чертежи сохраняют в другой форме. Такие изображения состоят из контурных объектов (кругов, дуг, прямоугольников, линий и т.д.). Можно их описать математически, а потому в компьютере сохраняют информацию о типе объекта и данные, необходимые для его построения. Например, для круга это будут координаты центра, а также радиус или диаметр, для квадрата - координаты четырех его вершин. Сохранены таким образом изображение называют векторными.

Аудиоданные

Голос и музыка представляют собой звуковые сигналы. Звуковой сигнал - это волна с переменными частотой и амплитудой колебаний. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, а чем больше частота, тем выше тон. 

Чтобы компьютер мог обработать сигнал, его нужно дискретизировать, превратить в последовательность электрических импульсов (двоичных 0 и 1). Для этого через определенные промежутки времени измеряют амплитуду сигнала и записывают ее числовую величину в двоичной форме.

Конечно, чем чаще делать замеры амплитуды и чем больше двоичных разрядов выделить для представления ее значений, тем ближе цифровая запись будет к оригиналу.

Видеоданные

Видеоданные представляют собой комбинацию изображения и звука. Сегодня распространение получили видеокамеры, которые записывают видео в цифровой форме. Аналоговое видео для хранения в компьютере превращают в цифровое.

Машинные языки

Подобно данным чисел, текста и других типов, программы также должны быть представлены в двоичной форме. Для того чтобы компьютер мог выполнить определенную команду, ее нужно превратить в двоичный код, записанный на машинном языке .

Команда на машинном языке выглядит примерно так:

01011100001000100000000100100010

Хотя эта последовательность цифр, которая состоит из 32 единиц и нулей, кажется бессмысленной, в ней закодирован тип операции и необходимое для ее выполнения информация.

Следует отметить, что в начале компьютерной эры программы писали именно на машинном языке. Сейчас, к счастью, этого делать не приходится. Программы пишут с использованием языков программирования высокого уровня, в которых команды записывают в удобном для человека виде. Затем эти программы автоматически превращают в последовательности машинных команд.

Данные и программы обрабатываются с помощью центрального процессора и внутренней памяти. Они, а также материнская плата, являются важнейшими компонентами компьютера, поскольку именно их характеристики определяют, с какой скоростью он будет работать.

 ***