Представлення інформації в комп'ютері: приклади використання

Якщо людина займається вивченням комп'ютерної техніки не поверхово, а досить серйозно, він неодмінно повинен знати про те, які існують форми подання інформації у комп'ютері. Це питання є одним з основних, оскільки не лише використання програм і операційних систем, але і сама програмування в принципі засновані саме на цих азах.

Урок «Подання інформації в комп'ютері»: основи

Взагалі, комп'ютерна техніка по тому, як вона сприймає інформацію або команди, перетворює їх у формати файлів і видає користувачеві вже готовий результат, дещо відрізняється від загальноприйнятих понять.


Справа в тому, що всі існуючі системи засновані лише на двох логічних операторів – «щоправда» і «брехня» (true, false). У більш простому розумінні це «так» або «ні». Зрозуміло, що слова обчислювальна техніка не розуміє, тому на зорі розвитку комп'ютерної техніки була створена спеціальна цифрова система з умовним кодом, в якому твердженням відповідає одиниця, а заперечення – нуль. Саме так і з'явилося так зване двійкове подання інформації в комп'ютері. Залежно від комбінацій нулів та одиниць визначається і розмір інформаційного об'єкта. Найменшою одиницею вимірювання розміру такого типу є біт – це двійковий розряд, який може мати значення або 0 або 1. Але сучасні системи з такими малими величинами не працюють, і практично всі способи представлення інформації у комп'ютері зводяться до використання відразу восьми бітів, які в сумі складають байт (2 у восьмому ступені). Таким чином, в одному байті можна провести кодування кожного символу з 256 можливих. І саме двійковий код є основою основ будь-якого інформаційного об'єкта. Далі буде зрозуміло, як це виглядає на практиці.

Інформатика: подання інформації в комп'ютері. Числа з фіксованою комою

Раз вже мова спочатку зайшла про числах, розглянемо, яким чином система їх сприймає. Представлення числової інформації у комп'ютері сьогодні умовно можна розділити на обробку чисел з фіксованою і плаваючою комою. До першого типу можна віднести звичайні цілі числа, у яких після коми стоїть нуль. Вважається, що числа цього типу можуть займати 1 2 або 4 байти. Так званий головний байт відповідає за знак числа, при цьому позитивному знаку відповідає нуль, а негативного – одиниця. Таким чином, наприклад, в 2-байтовому поданні діапазон значень для позитивних чисел знаходиться в межах від 0 до 2 16 -1 що складає 65535 а для негативних чисел – від -2 15 до 2 15 -1 що дорівнює числовому діапазону від -32768 до 32767.

Представлення чисел з плаваючою комою

Тепер розглянемо другий тип чисел. Справа в тому, що шкільна програма занять за темою «Представлення інформації в комп'ютері» (9 клас) з числа плаваючою комою не розглядає. Операції з ними є досить складними і використовуються, наприклад, при створенні комп'ютерних ігор. До речі, трохи відволікаючись від теми, варто сказати, що для сучасних графічних прискорювачів одним з головних показників продуктивності є швидкість проведення операцій саме з такими числами.
Тут використовується експоненціальна форма, в якої положення коми може змінюватися. В якості основної формули, що показує подання будь-якого числа A прийнята наступна: A = m A * q P , де m A – це мантиса, q P – це основа системи числення, а P – порядок числа. Мантиса повинна відповідати вимозі q -1 <=|m A | <1, то есть должна бить правильной двоичной дробью, содержащей после запятой цифру, которая отличается от нуля, а порядок – целим числом. И любое нормализованное десятичное число можно совершенно просто представить в експоненциальном виде. И числа етого типа имеют размер 4 или 8 байт. Наприклад, десяткове число 999999 згідно з формулою з нормалізованої мантиссой буде виглядати як 0999999 * 10 3 .

Відображення текстових даних: трохи історії

Більше всього користувачів комп'ютерних систем все-таки використовують тестову інформацію. І подання текстової інформації в комп'ютері відповідає тим же принципам двійкового коду. Однак у зв'язку з тим, що сьогодні в світі можна нарахувати досить багато мов, для представлення текстової інформації використовуються спеціальні системи кодувань або кодові таблиці. З появою MS-DOS основним стандартом вважалася кодування CP866 а комп'ютери Apple використовували власний стандарт Mac. В той час для російської мови була введена спеціальна кодування ISO-8859-5. Однак з розвитком комп'ютерних технологій довелося вводити нові стандарти.

Різновиди кодувань

Так, наприклад, наприкінці 90-х років минулого століття з'явилася універсальна кодування Unicode, яка могла працювати не тільки з текстовими даними, але і з аудіо і відео. Її особливістю стало те, що під один символ відводився вже не один біт, а два. Трохи пізніше з'явилися і інші різновиди. Для Windows-систем найбільш вживаною є кодування CP1251 але для того ж російської мови і досі використовується ВРЯДИ-8Р – кодування, з'явилася ще в кінці 70-х, а в 80-х активно використовувалася навіть у UNIX-системах.
Саме ж подання текстової інформації в комп'ютері засноване на таблиці ASCII, що включає в себе основну та розширену частини. Перша включає в себе коди від 0 до 127 друга - від 128 до 255. Однак перші коди діапазону 0-32 не відведені під символи, які присвоєні клавіші стандартної клавіатури, а функціональних кнопок (F1-F12).

Графічні зображення: основні типи

Що стосується графіки, яка активно використовується в сучасному цифровому світі, тут є свої нюанси. Якщо подивитися на представлення графічної інформації в комп'ютері, спочатку слід звернути увагу на основні типи зображень. Серед них виділяють дві основні різновиди – векторні і растрові. Векторна графіка заснована на використанні примітивних форм (ліній, кіл, кривих, багатокутників і т. д.), текстових вставок і заливок певним кольором. Растрові зображення засновані на застосуванні прямокутної матриці, кожен елемент якої називається пікселем. При цьому для кожного такого елемента можна задати яскравість і колір.

Векторні зображення

Сьогодні застосування векторних зображень має обмежену область. Вони гарні, наприклад, при створенні креслень і технічних схем або для двовимірних або тривимірних моделей об'єктів. Прикладами стаціонарних векторних форм можуть бути формати начебто PDF, WMF, PCL. Для рухомих форм в основному застосовується стандарт MacroMedia Flash. Але якщо говорити про якість або проведення більш складних операцій, ніж той же масштабування, краще використовувати растрові формати.

Растрові зображення

З растровими об'єктами справа йде набагато складніше. Справа в тому, що подання інформації в комп'ютері, заснованої на матриці, передбачає використання додаткових параметрів – глибини кольору (кількісним виразом числа кольорів палітри) в бітах, і розміру матриці (кількість пікселів на дюйм, позначуваного як DPI). Тобто палітра може складатися з 1625665536 або 16777216 кольорів, а матриці можуть різнитися, хоча найбільш поширеним роздільною здатністю називають 800х600 пікселів (480 тисяч точок). За цими показниками можна визначити кількість біт, необхідний для зберігання об'єкта. Для цього спочатку використовується формула N = 2 I , в якій N – це кількість кольорів, а I – це глибина кольору. Потім розраховується і обсяг інформації. Наприклад, обчислимо розмір файлу для зображення, що містить 65536 кольорів, і матрицею 1024х768 пікселів. Рішення виглядає наступним чином: I = log 2 65536 що становить 16 біт; кількість пікселів 1024 * 768 = 786432; об'єм пам'яті становить 16 біт * 786432=12582912 байт, що відповідає 12 Мб.

Різновиди аудіо: головні напрямки синтезу

Представлення інформації в комп'ютері, званої аудіо, підкоряється тим же основним принципам, які були описані вище. Але, як і для будь-якої іншої різновиди інформаційних об'єктів, для представлення звуку теж використовуються свої додаткові характеристики. На жаль, якісне звучання і відтворення з'явилися в комп'ютерній техніці в саму останню чергу. Проте якщо з відтворенням ще справи йшли ще так-сяк, то синтез реально звучного музичного інструменту був практично неможливий. Тому деякі звукозаписні компанії ввели власні стандарти. Сьогодні найбільш широко застосовується FM-синтез і таблично-хвильовий метод. У першому випадку мається на увазі, що будь-який природний звук, який є безперервним, можна розкласти на якусь послідовність (комбінацію) простих гармонік з допомогою методу дискретизації і зробити подання інформації в пам'яті комп'ютера на основі коду. Для відтворення використовується зворотний процес, однак у цьому випадку неминучі втрати деяких складових, що відображається на якості. При таблично-хвильовому синтезі передбачається, що є заздалегідь створена таблиця з прикладами звучання живих інструментів. Такі приклади називаються семплами. При цьому для відтворення достатньо часто використовуються команди MIDI (Musical Instrument Digital Interface), які сприймають із коду тип інструменту, висоту тону, тривалість звучання, інтенсивність та динаміку зміни, параметри середовища та інші характеристики. Завдяки цьому такий звук досить близько наближений до натурального.

Сучасні формати

Якщо раніше за основу був узятий стандарт WAV (власне, сам звук і представляє у вигляді хвилі), з часом він став дуже незручний, хоча б по причині того, що такі файли займали дуже багато місця на носії інформації. З часом з'явилися технології, що дозволяють стискати такий формат. Відповідно, змінилися і самі формати. Найбільш відомими сьогодні можна назвати MP3 OGG, WMA, FLAC і безліч інших. Проте до цих пір основними параметрами будь-якого звукового файлу залишаються частота дискретизації (стандартом є 441 кГц, хоча можна зустріти значення і вище, і нижче) і кількість рівнів сигналу (16 біт, 32 біта). В принципі, таку оцифровку можна трактувати як подання інформації в комп'ютері звукового типу на основі первинного аналогового сигналу (будь-який звук в природі спочатку є аналоговим).

Уявлення відео

Якщо зі звуком проблеми були вирішені досить швидко, то з відео все йшло не так гладко. Проблема полягала в тому, що кліп, фільм або навіть відеогра являють собою поєднання відеоряду і звуку. Здавалося б, чого простіше, ніж поєднати рухаються графічні об'єкти з звукорядом? Як виявилося, це стало справжньою проблемою. Тут справа в тому, що з технічної точки зору спочатку слід запам'ятати перший кадр кожної сцени, званий ключовим, а тільки потім зберігати відмінності (різницеві кадри). І, що найсумніше, оцифровані або створені відеоролики виходили такого розміру, що зберігати їх на комп'ютері або знімному носії було просто неможливо. Проблема була вирішена, коли з'явився формат AVI, який являє собою якийсь універсальний контейнер, що складається з набору блоків, в яких може зберігатися довільна інформація, при цьому навіть стисла різними способами. Таким чином, навіть файли однакового формату AVI між собою можуть істотно різнитися. І сьогодні можна зустріти досить багато інших популярних форматів відео, однак для всіх них також застосовуються власні показники і значення параметрів, головним з яких є кількість кадрів в секунду.

Кодеки і декодери

Представлення інформації в комп'ютері в плані відео неможливо уявити собі без застосування кодеків і декодерів, які застосовуються для стиснення початкового вмісту і розпакування при відтворенні. Сама їх назва говорить про те, що одні кодують (стискають) сигнал, другі – навпаки - розпаковують. Саме вони відповідають за вміст контейнерів будь-якого формату, а також визначають розмір кінцевого файлу. Крім того, важливу роль відіграє параметр дозволу, як це вказувалося для растрової графіки. А адже сьогодні можна зустріти навіть UltraHD (4k).

Висновок

Якщо підвести певний підсумок всього вищесказаного, можна відзначити тільки те, що сучасні комп'ютерні системи спочатку працюють виключно на сприйнятті двійкового коду (іншого вони просто не розуміють). І на його використанні засновано не тільки подання інформації, але і всі відомі сьогодні мови програмування. Таким чином, спочатку, щоб зрозуміти, як все це працює, потрібно вникнути саме в суть застосування послідовності одиниць і нулів.