Кодирование информации
Ежедневно человек сталкивается с кодированием информации. Огромное количество данных из окружающего мира поступает к нему в форме разнообразных сигналов, звуков, вкусовых и тактильных ощущений. Вместе оно составляет своеобразный код, совокупность условных обозначений. Кодирование информации – это преобразование исходных данных с помощью определенного алгоритма.
План урока:
Примеры кодирования информации:
- трансляция письменных сообщений с использованием русских букв (АБВГД…ЭЮЯ);
- запись чисел цифрами (0123456789);
- использование языка жестов при общении глухонемых людей
Другими словами, переход сообщения из одной формы ее в другую, согласно определенным правилам, и выражает в чем суть кодирования информации.
Информация проходит кодирование в целях:
- упрощения сбора исходных данных;
- сокращения объема занимаемой памяти информационными сообщениями;
- удобства хранения материалов;
- эффективной обработки и обмена информацией;
- сокрытия необходимых сведений.
История кодирования информации насчитывает сотни веков. Издавна люди использовали криптограммы (зашифрованные сообщения).
В 19 веке с изобретением телеграфа С. Морзе был придуман и принципиально новый способ шифрования. Телеграфное сообщение передавалось по проводам последовательностью коротких и долгих сигналов (точка и тире).
Вслед за ним Ж. Бодо создал основополагающий в истории современной информатики метод бинарного кодирования информации, который заключается в применении всего двух различающихся электрических сигналов. Кодирование информации в компьютере также подразумевает использование двух чисел.
Разработанная в 1948г. К. Шенноном «Теория информации и кодирования» стала основополагающей в современном кодировании данных.
Кодирование информации в информатике, одна из базовых тем. Понимание для чего нужна процедура кодирования передаваемой информации, каким образом она осуществляется, поможет в изучении принципов работы компьютера.
Трактовка понятий
Человеческие мысли выражаются в виде текста, который состоит из слов. Подобное представление информации называется алфавитным, так как основа языка — алфавит. Он считается конечным набором различных знаков любой природы. Их используют для составления сообщений.
Вам известно что для обозначения количества мы пользуемся цифрами, для обозначения звуков на письме буквами. Можно сказать что цифры и буквы это коды. Одна и тажа информация может быть закодирована по разному. Например китайские и японские иероглифы являются символами которыми кодируется буква или слово. Основу любого языка составляет алфавит — конечный набор различных знаков (символов) любой природы, из которых складывается сообщение на данном языке. То есть символизация информации – это описание объектов или явлений с помощью символов того или иного алфавита. Под мощностью алфавита понимают количество символов, составляющий данный алфавит, что в свою очередь определяет количество возможных комбинаций (слов) которые можно составить из символов данного алфавита в соответствии с определенными правилами.
Как правило представления сообщения, подбираются так что бы его передача была как можно быстрее и надежней, а его обработка была как можно более удобной для адресата. Одно и тоже сообщение можно кодировать по разному. Одной систем кодирования является азбука. Можно кодировать и звуки одна из таких систем кодирования — ноты. Хранить можно не только текстовую и звуковую информацию, в виде кодов хранятся и изображения. Если рассмотреть рисунок через увеличительное стекло то видно что он состоит из точек. Координаты каждой точки можно запомнить в виде чисел. Цвет каждой точки можно запомнить так же в виде чисел. Такие числа могут храниться в памяти компьютера и передаваться на расстояния.
Чтобы зашифровать данные, необходимо знать правила записи кодов (условные обозначения информации). Понятие кодирование связано с преобразованием сообщений в комбинацию символов с учётом кодов. При общении люди используют русский либо другой национальный язык. В процессе разговора код передаётся звуками, а при письменном общении с помощью букв. У водителей или у пилотов обработка информации также осуществляется световыми сигналами, специальнвми символами — знаками.
Количество и графическое отображение символов в алфавитах естественных языков сложилось исторически и характеризуется особенностями языка (произносимыми звуками). Например русский алфавит имеет 33 символа, латинский – 26, китайский несколько тысяч.
К основным способам кодирования информации в информатике относятся: числовой, символьный (текстовый), графический. В первом случае используются числа, во втором — символы того алфавита, что и первоначальный текст, в третьем — картинки, рисунки, значки.
Почему компьютеры используют двоичные файлы
Короткий ответ: аппаратное обеспечение и законы физики. Каждый символ в вашем компьютере является электрическим сигналом, и в первые дни вычислений измерять электрические сигналы было намного сложнее. Было более разумно различать только «включенное» состояние, представленное отрицательным зарядом, и «выключенное» состояние, представленное положительным зарядом.
Для тех, кто не знает, почему «выключено» представлено положительным зарядом, это связано с тем, что электроны имеют отрицательный заряд, а больше электронов – больше тока с отрицательным зарядом.
Таким образом, ранние компьютеры размером с комнату использовали двоичные файлы для создания своих систем, и хотя они использовали более старое, более громоздкое оборудование, они работали на тех же фундаментальных принципах. Современные компьютеры используют, так называемый, транзистор для выполнения расчетов с двоичным кодом.
Вот схема типичного транзистора:
По сути, он позволяет току течь от источника к стоку, если в воротах есть ток. Это формирует двоичный ключ. Производители могут создавать эти транзисторы невероятно малыми – вплоть до 5 нанометров или размером с две нити ДНК. Это то, как работают современные процессоры, и даже они могут страдать от проблем с различением включенного и выключенного состояния (хотя это связано с их нереальным молекулярным размером, подверженным странностям квантовой механики).
Полезные свойства
- Добавляя справа нулик, вы увеличиваете числовое значение в два раза. Выглядит это как-то так:
- Во всех компьютерах и другой цифровой технике мы применяем бинарное исчисление. Все дело в его простоте. 0 и 1 соответствует двум состояниям электрической цепи – включено и выключено. Простота реализации обеспечивает высокую скорость работы и высокую помехоустойчивость всей системы в целом.
- В шифровании сообщений. Вспомните азбуку Морзе, которая популярна среди радиолюбителей. В ней используется два сигнала:
1) Длинный гудок – называется тире;
2) Короткий гудок – точка. - Для кодирования изображений. Каждый пиксель картинки, которая сохранена в одном растровых форматах (png,jpg,gif и других), хранит информацию о своем цвете, используя три байта памяти ПК – двадцать четыре нуля и единицы (двоичное исчисление).
- Является основой «Дополнительного двузначного кода». Кодирование, которое используется в электронно-вычислительных машинах для представления отрицательных чисел. В результате операция вычитания заменяется операцией сложения, что значительно упрощает архитектуру конструирования ЭВМ.
- Лежит в основе работы таких устройств, как компараторы, которые применяются для преобразования аналогового сигнала в цифровой (широко используется в теле-радиовещании).
Так все-таки зачем такие сложности?
Конечно, для любого человека предпочтительнее использовать одну систему исчисления в различных сферах. Но увы, в цифровом мире это неприменимо: привычная десятичная система проста, но компьютер аппаратно ее не понимает, а двоичную систему читать невозможно. Шестнадцатеричная система делает код несколько более читаемым, но только для просвещенных, умеющих использовать HEX-редакторы.
Поэтому шестнадцатеричная система является неким переходным состоянием между машинным кодом и удобочитаемым кодом для человека.
Фотография Декодированный бинарный код
Текстовые форматы в некоторой степени человекочитаемы. Примеры распространенных форматов — JSON, CSV и XML. Текстовые форматы просты в использовании и понимании, но имеют определенные проблемы:
- Текстовые форматы могут быть очень неоднозначны. Например, в XML и CSV нельзя различать строки и числа. JSON может различать строки и числа, но не может различать целые и вещественные числа, а также не задает точности. Это становится проблемой при работе с большими числами. Так, проблема с числами, большими чем 2^53 встречается в Twitter, который использует 64-битное число для идентификации каждого твита. JSON, возвращаемый API Twitter, включает в себя ID твита дважды — в виде JSON-числа и в виде десятичной строки – все из-за того, что JavaScript-приложения не всегда верно распознают числа.
- CSV не имеет схемы данных, возлагая определение значения каждой строки и столбца на приложение.
- Текстовые форматы занимают больше места, чем двоичная кодировка. Например, одна из причин заключается в том, что JSON и XML не имеют схемы, а потому они должны содержать имена полей.
JSON-кодировка этого примера после удаления всех символов пробела занимает 82 байта.
Виды двоичных кодов
Представление в памяти компьютера целочисленных значений производится с помощью беззнакового двоичного кода, основанного на представлении двоичных разрядов степенями двойки.
При этом значение минимального числа в n-разрядном двоичном коде будет равно 0, а максимального вычисляться по формуле 2 n -1.
К примеру, для шестнадцатиразрядного кода допустимыми будут значения чисел от 0 до 65535.
На практике приходится решать задачи посложнее.
Фото 3. С помощью двоичного кода можно закодировать все что угодно
Машине или компьютеру достаточно трудно объяснить разницу между положительными и отрицательными числами. Отдельного представления требуют и числа с плавающей запятой, дробные или трансцендентные числа.
Инженеры придумали способ, как обходить эти проблемы, не выходя за пределы использования двоичного кода. Для решения озвученных проблем используется знаковый двоичный код.
В частности, для определения знака числа используется старший разряд в слове.
Если слово начинается с символа «0», значит число положительное (имеет знак «+»), если с символа «1», значит оно – отрицательное (имеет знак «-»).
При использовании шестнадцатиразрядного кода в таком случае мы сможем зашифровать числа в диапазоне от -32767 до +32767.
Недостаток знакового двоичного кода кроется в необходимости раздельной обработки цифрового и знакового разрядов, что заставляет разработчиков программного обеспечения прибегать к усложненным алгоритмам обработки данных.
Как следствие, программный код увеличивается в объеме, а скорость его работы замедляется.
Видео о двоичном коде:
Аризонский кратер
Умение приспосабливаться — главное условие выживания
Почему птицы Океании разучились летать?
Почему мухи так любят коровий помет?
Что такое биосфера?
