Кодирование данных двоичным кодом

Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления – для этого обычно используется прием кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа.

Своя система существует и в вычислительной технике – она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по-английски – binary digit или, сокращенно, bit (бит).

Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, черное или белое, истина или ложь и т. п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия: 00,01,10,11. Тремя битами можно закодировать восемь различных значений.

Целые числа кодируются двоичным кодом достаточно просто – достаточно взять целое число и делить его пополам до тех пор, пока в остатке не образуется ноль или единица. Совокупность остатков от каждого деления, записанная справа налево вместе с последним остатком, и образует двоичный аналог десятичного числа.

Для кодирования целых чисел от 0 до 255 достаточно иметь 8 разрядов двоичного кода (8 бит). Шестнадцать бит позволяют закодировать целые числа от 0 до 65535, а 24 бита – уже более 16,5 миллионов разных значений.

Для кодирования действительных чисел используют 80-разрядное кодирование. При этом число предварительно преобразуется в нормализованную форму: 3,1415926 = 0,31415926х10¹. Первая часть числа называется мантиссой, а вторая – порядком. Большую часть из 80 бит отводят для хранения мантиссы (вместе со знаком) и некоторое фиксированное количество разрядов отводят для хранения порядка (тоже со знаком).

Текст также кодируется двоичным кодом. Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского языков, как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые обще­принятые специальные символы, например символ «§».

Технически это выглядит очень просто, однако всегда существовали достаточно веские организационные сложности. В настоящее время они вызваны изобилием одновременно действующих и противоречивых стандар­тов. Для того чтобы весь мир одинаково кодировал текстовые данные, нужны единые таблицы кодирования, а это пока невозможно из-за противоречий между символами национальных алфавитов, а также противоречий корпоративного характера.

Если проанализировать организационные трудности, связанные с созданием единой системы кодирования текстовых данных, то можно прийти к выводу, что они вызваны ограниченным набором кодов (256). В то же время очевидно, что если, например, кодировать символы не восьмиразрядными двоичными числами, а числами с большим количеством разрядов, то и диапазон возможных значений кодов станет намного больше. Такая система, основанная на 16-разрядном кодировании символов, полу­чила название универсальной – UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют обес­печить уникальные коды для 65 536 различных символов – этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.

Лекция 2

Информатика

Информатика – это техническая наука, систематизирующая приемы создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислитель­ной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управ­ления ими.

В информатике особое внимание уделяется вопросам взаимодействия. Для этого даже есть специальное понятие – интерфейс. Методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами называют пользовательским интерфейсом. Соответственно, существуют аппаратные интерфейсы, программные интерфейсы и аппаратно-программные интерфейсы.

Основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. В составе основной задачи информатики сегодня можно выделить следующие направления для практических приложений: архитектура вычислительных систем (приемы и методы построения систем, предназначенных для автоматической обработки данных); интерфейсы вычислительных систем (приемы и методы управления аппаратным и программным обеспечением); программирование (приемы, методы и средства разработки компьютерных программ); преобразование данных; защита информации; автоматизация (функционирование программно-аппаратных средств без участия человека); стандартизация (обеспечение совместимости между аппаратными и программ­ными средствами, а также между форматами представления данных, относя­щихся к различным типам вычислительных систем).

На всех этапах технического обеспечения информационных процессов для инфор­матики ключевым понятием является эффективность.

Вычислительная техника

Понятие компьютера

Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных сис­тем является компьютер. Компьютер – это электронной прибор, предназначенный для автоматизации созда­ния, хранения, обработки и транспортировки данных.

Исторически компьютеры эволюционировали, увеличиваясь в мощности и уменьшаясь в размере. По размеру в настоящее время различают следующие виды ЭВМ:

Большие ЭВМ. Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и корпораций. За рубежом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами (mainframe). На базе таких компьютеров создают вычислительные центры, включающие в себя множество компьютеров подобного класса. Размер современного мейнфрейма сопостовим с размером шкафа.

К большим ЭВМ также относятся суперкомпьютеры, предназначенные для выполнения сверхсложных математических расчетов (например, для нужд астрономии или экологии). От мэйнфреймов суперкомпьютеры отличаются более высоким быстродействием и эксклюзивностью конструкции, а также очень высокой ценой.

Персональные компьютеры (ПК). Эта категория компьютеров получила особо бурное развитие в течение последних двадцати лет. Несмотря на свои небольшие размеры и относительно невысокую стоимость, современные персональные компьютеры обладают немалой про­изводительностью. Персональный компьютер (Personal Computer, PC) вполне способен удов­летворить большинство потребностей малых предприятий и отдельных лиц.

Мобильные устройства. Имеют малый размер и вес, за счет аккумуляторов способны автономно работать около суток. Мощность мобильных устройств последнего поколения сопоставима с мощностью персональных компьютеров.

Существует несколько способов классификации современных компьютеров.

По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать вычислительные системы произвольного состава (состав компьютерной системы называется конфигурацией).

Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры судов, самолетов, компьютерное оборудование станков, различные измерительные и диагностические стенды. Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с графикой, называют графическими станциями. Их используют при подготовке кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции.

Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но считается, что использование специализированных систем все-таки эффективнее. Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности оборудования к величине его стоимости.

Персональные компьютеры можно классифи­цировать по типоразмерам. Так, различают настольные, портативные и карманные модели. Популярные в прошлом десятилетии, в настоящее время наладонные компьютеры полностью вытеснены с рынка смартфонами.

Настольные модели распространены наиболее широко. Они являются стационарно установлены на рабочем месте. Эти модели отличаются простотой изменения конфигурации за счет несложного подключения дополнительных внешних приборов или установки дополнительных внутренних компонентов. Достаточные размеры корпуса в настольном исполнении позволяют выполнять большинство подобных работ без привлечения специалистов, а это позволяет настраивать компьютерную систему оптимально для решения именно тех задач, для которых она была приобретена.

В последнее время набирает популярность такой тип настольных компьютеров, как моноблок. В компьютерах этого типа все основные компоненты внесены в корпус монитора. Достоинства – хорошая компактность, уменьшение количества проводов, простота установки, высокая эстетичность. Недостатки – цена выше, чем у обычного персонального компьютера с такими же параметрами, нет возможности модернизации и быстрой замены вышедших из строя элементов.

Портативные модели удобны для транспортировки. Их используют бизнесмены, руководители предприятий и организаций, проводящие много времени в командировках и переездах, а также студенты. С портативным компьютером можно работать при отсутствии рабочего места. Для эксплуатации на рабочем месте портативные компьютеры не очень удобны, но их можно подключать к настольным компонентам, используемым стационарно. Портативные компьютеры представлены такими типами оборудования, как ноутбуки, нетбуки, ультрабуки и трансформеры.

Ноутбук оснащается открывающимся дисплеем, по размеру соизмеримым с дисплеем настольного компьютера. Ноутбуки некоторых производителей допускают быстрое и удобное добавление в их состав одного – двух новых устройств.

Нетбуки меньше обычных ноутбуков. Они оснащаются низкопроизводительными экономичными компонентами, предназначены для интенсивной работы с беспроводными сетями и Интернетом, имеют низкую цену. Вследствие малых размеров нетбуки обычно имеют малое количество внешних портов и не имеют привода для работы со сменными дисковыми носителями информации.

Ультрабук имеет дисплей такого же размера, как и у ноутбука, однако за счет миниатюризации всех основных компонентов получается сверхтонким и сверхлегким. Платой за удобство являются серьезно ограниченные возможности по подключению внешних устройств и высокая цена.

Планшетный компьютер представляет собой единый корпус, на верхней части которого находится сенсорный экран. Ввод данных осуществляется посредством экранной клавиатуры. На некоторых моделях для ввода также используется специальное перо – стилус. Планшетные компьютеры полностью аппаратно и персонально совместимы с настольными компьютерами. Стоят дороже ноутбуков соответствующего размера.

Трансформер представляет собой планшетный компьютер (единый корпус, на верхней части которого находится сенсорный экран), который можно подключить к идущей в комплекте док-станции, оснащенной полноценной клавиатурой. Креп­ление экрана часто позволяет развернуть его на 180 градусов и закрыть лицевой стороной вверх. В отличие от Интернет-планшетов, трансформеры программно совместимы с персональными компьютерами.

В последние годы популярность набирают Интернет-планшеты. Размер экрана таких планшетов соизмерим с экраном нетбуков. У интернет-планшетов аппаратная и программная платформа совместима со смартфонами и не совместима с настольными и портативными компьютерами.

В мире существует множество различных видов и типов компьютеров. Они выпускаются разными производителями, собираются из разных деталей, работают с разными программами. При этом очень важным вопросом становится совместимость различных компьютеров между собой. От совместимости зависит взаимозаменяемость узлов и приборов, предназначенных для разных компьютеров, возможность переноса программ с одного компьютера на другой и возможность совместной работы разных типов компьютеров с од­ними и теми же данными.

По аппаратной совместимости различают так называемые аппаратные платформы. В области персональных компьютеров сегодня наиболее широко распространены две аппаратные платформы – IBM PC и Apple Macintosh. Кроме них существуют и другие платформы, распространенность которых ограничивается отдельными регионами или отдельными отраслями. В области Интернет-планшетов и смартфонов на рынке представлены аппаратные платформы Apple iPhone, Microsoft Lumia и широкий спектр Android-устройств.

Кроме аппаратной совместимости существуют и другие виды совместимости: совместимость на уровне операционной системы, программная совместимость, совместимость на уровне данных.