Під архітектурою комп'ютера розуміється сукупність відомостей про основні пристроях комп'ютера і їх призначення, про способи представлення програм і даних в машині, про особливості її організації та функціонування.

Принципи ЕОМ полягають в наступному:

1. ЕОМ - це машина з збереженої (в пам'яті ЕОМ) програмою, представленою у вигляді послідовності команд.

2. Що Їх ЕОМ команди і операнди, тобто дані, над якими виконується задається командою операція, представлені в ЕОМ у вигляді двійкового коду з певною кількістю розрядів.

3. Пам'ять ЕОМ організована у вигляді послідовності запомінаю-

щих осередків, в кожній з яких може зберігатися (запам'ятовуватися)

деякий двійковий код - число або код символу алфавіту, що представляють оброблювані дані, код команди ЕОМ. У конкретний момент часу можна звернутися для запису або читання до будь-якої однієї з цих осередків незалежно від її розташування в пам'яті, вказавши адресу (порядковий номер цього осередку. Таким способом організована пам'ять називається пам'яттю з довільним доступом.

4. У ЕОМ використовується спільна пам'ять як для зберігання даних, так і

для зберігання команд. При цьому в кодах самих даних і команд відсутність про обхідних ознаки, що дозволяють явно відрізняти їх один від одного. Процесор розрізняє дані і команди тільки по контексту виконуваної програми.

5. Призначення даних, їх тип і спосіб використання також явно не вказуються. Вони визначаються і розрізняються за контекстом ви виконуваної програми.

Типова цифрова ЕОМ включає в себе три основних компоненти:

процесор, пам'ять і зовнішні пристрої. Її узагальнена блок-схема представлена ​​нижче.

Процесор або центральний процесор (ЦП) - це пристрій, призначений для виконання основних операцій з обробки даних, арифметичних і логічних операцій над числами, управління роботою інших частин ЕОМ.

Пам'ять або оперативний пристрій (ОЗУ) - призначе

Значить для зберігання кодів команд, складових виконувану ЕОМ програму, і даних або операндів, тобто двійкових чисел або кодів, над якими процесор ЕОМ виконує поставлені командами операції.

Через пристрої введення-виведення або зовнішні (периферійні) пристрої здійснюється взаємодія ЕОМ із зовнішнім світом.

Компоненти ЕОМ пов'язані один з одним за допомогою спеціальної шини або каналу ЕОМ, що представляють собою набір ліній зв'язку, призначених для передачі інформаційних і керуючих сигналів між компонентами ЕОМ.

При реалізації сучасних ЕОМ використовується модульний принцип. Суть цього принципу зводиться до того, що ЕОМ будується з набору пристроїв і блоків - модулів, що реалізують закінчені функції і не залежать від інших модулів.

У конструктивному відношенні модуль також являє собою закінчений елемент. Окремі модулі можуть бути з'єднані між собою в необхідну конфігурацію без зміни схем (функцій) окремих модулів.

Основні переваги модульного принципу:

Можливість вдосконалення ЕОМ без зміни її функціональної організації навіть в процесі експлуатації шляхом заміни окремих блоків на нові (більш швидкодіючі, менші за розмірами, які споживають менше енергії, більш дешеві) або за допомогою додавання нових модулів;

Можливість компонування з модулів великого числа різних за характеристиками ЕОМ, найкращим чином пристосованих для конкретного застосування;

Скорочення часу відновлення працездатності ЕОМ при відмовах спрощенням пошуку несправностей і ремонту.

Модулі між собою з'єднуються за допомогою шин. Фізично шина являє собою провідник електричного струму і складається з ліній зв'язку. Кожна така лінія в один момент часу дозволяє передати одну двійкову цифру (0 або 1), т. Е. Біт інформації. У загальному випадку по шинам інформація може передаватися в обох напрямках.

Зазвичай шина ЕОМ функціонально ділиться на три групи ліній зв'язку: адресну шину, шину даних і шину управління. Адресна шина переносить інформацію про те, де шукати інструкції (команди) або дані в пам'яті ЕОМ тобто адреси відповідних осередків пам'яті; шина даних переносить ці дані або інструкції для центрального процесора; шина управління забезпечує передачу сигналів управління між процесором і зовнішніми пристроями.

Сукупність шин, що зв'язують два модуля, і алгоритм, який визначає порядок обміну інформацією між ними, називаються інтерфейсом (сполученням).

Інтерфейс характеризується шириною (або розрядністю) складових його шин (в першу чергу інформаційних) і швидкістю обміну інформацією. У перших моделях ПК використовували 8- і 16-розрядні шини даних, розраховані на передачу та обробку відповідно байта і слова інформації (стандарт ISA). До недавнього часу в більшості моделей ПК застосовували стандарти EISA, VCA, VL-BUS, орієнтовані на 32- передачу даних. В останніх моделях ПК використовують 64-розрядні шини даних. Розрядність шини адреси визначає величину адресного простору внутрішньої пам'яті (число байт ОЗУ і ПЗУ), до якого може безпосередньо звертатися процесор комп'ютера.

Перші моделі ПК мали 16-розрядну адресну шину і за допомогою спеціального способу адресації забезпечували доступ ЦП до 1 Мбайту ОЗУ і ПЗУ. У сучасних моделей 32- і 64-розрядні шини адреси, і вони забезпечують доступ більш ніж до 4 Гбайтам внутрішньої пам'яті комп'ютера.

Найбільш простий і природний спосіб з'єднання пристроїв (модулів) між собою для утворення ЕОМ - використання єдиного інтерфейсу - інтерфейсу, до якого підключаються всі пристрої, що входять до складу ЕОМ. Такий спосіб організації реалізований в ПК (рис. 1).

Мал. 3 Модульний принцип реалізації ПК

Основу ПК складає електронна плата, яка називається системної, чи материнської, так як на ній розташовуються основні пристрої комп'ютера: мікропроцесор і мікросхеми внутрішньої пам'яті (ОЗУ і ПЗУ). Крім того, на системній платі розміщується ряд додаткових операційних і інших пристроїв, що забезпечують функціонування комп'ютера.

Всі пристрої, що знаходяться на системній платі, підключаються до шин єдиного інтерфейсу, який також розташований на платі, і утворюють єдину електронну схему ПК.

Як було зазначено раніше, основними функціями комп'ютера є зберігання, обробка, прийомі передачаданих. Для виконання цих функцій в комп'ютері оснащено різними пристосуваннями. Кожне з них виконує ту чи іншу конкретну функцію. До складу будь-якого сучасного комп'ютера входять:

· Пам'ять - група пристроїв, які забезпечують зберіганняпрограм і даних;

· Процесор - одне або кілька пристроїв, які забезпечують задається програмою обробкуданих;

· Пристрої введення-виведення - група пристроїв, які забезпечують обмін, тобто прийом і передачуданих між користувачем і машиною або між двома або більше машинами.

Різні пристрої комп'ютера під'єднують один до одного за допомогою стандартизованих і уніфікованих апаратних засобів - кабелів, роз'ємів і т. Д. При цьому пристрої обмінюються один з одним інформацією і керуючими сигналами, які також наводяться до деяких стандартних форм.

Сукупність цих стандартних засобів і форм утворює конкретний інтерфейстого чи іншого пристрою або комп'ютера в цілому. "Інтерфейсом називається сукупність уніфікованих стандартних угод, апаратних і програмних засобів, методів і правил взаємодії пристроїв або програм, а також пристроїв або програм з користувачем. Зауважимо, що для позначення сукупності пристроїв, які можуть бути включені до складу комп'ютера тієї чи іншої моделі, а також засобів їх з'єднання використовується термін апаратне забезпечення.

Основи зберігання інформації в комп'ютері

Як було зазначено раніше, інформація завжди має форму повідомлення, а повідомлення кодується тим чи іншим набором знаків, символів, цифр. Теоретично і експериментально було показано, що найбільш зручним і ефективним є використання в обчислювальній техніці двійкового коду,тобто набору символів, алфавіту, що складається з пари чисел (0,1). Оскільки двійковий код використовується для зберігання інформації в обчислювальних машинах, його ще називають машинним кодом.

Цифри 0 і 1, що утворюють набір (0, 1), зазвичай називають двійковими цифрами, тому що вони використовуються як алфавіт в так званій двійковій системі числення.Система числення являє собою сукупність правил і прийомів найменування і записи чисел, а також отримання значення чисел з зображують їх символів. Кількість знаків в алфавіті системи числення зазвичай відбивається в її назві: двійкова, троичная, восьмерична, десяткова, шістнадцяткова і т. Д. З точки зору технічної реалізації комп'ютера, набагато простіше працювати всього з двома цифрами двійковій системи (0, 1).

Елементарне пристрій пам'яті комп'ютера, яке застосовується для зберігання однієї двійкової цифри машинного коду програми або даних, називається двійковим розрядом або бітом.

Слово «біт» походить від англійського терміна bit, що представляє собою скорочення словосполучення Binary digit (двійкова цифра). Технічно біт може бути реалізований різними способами. Однак яким саме

конкретним способом це зроблено в комп'ютері - для нас абсолютно байдуже. Важливо лише розуміння призначення, властивостей і функцій біта.

· Біт може перебувати тільки в одному з двох можливих станів, одне з яких прийнято вважати зображенням цифри «О», а інше - зображенням цифри «1». Свій стан біт зберігає як завгодно довго, поки воно не буде змінено примусово, отже, біт може зберігатизаписану в ньому інформацію.

· У будь-який момент можна дізнатися, в якому з двох станів знаходиться біт - в стані «О» або в стані «1», при цьому поточний стан біта залишиться незмінним. Іншими словами, можна прочитатизаписану в біт інформацію (без її втрати).

· Завжди, коли в цьому виникне необхідність, і незалежно від поточного стану можна перевести біт з одного стану в інший. Інакше кажучи, в біт можна записатинову інформацію.

· Отже, біт забезпечує базу для зберігання інформації, однією з трьох найважливіших функцій комп'ютера.

Біт - це дуже маленька порція інформації. Тому так само як для зображення десяткових чисел використовується кілька десяткових розрядів - розряд одиниць розряд десятків, сотень і т. Д., Так і для зображення двійкових чисел і довічних машинних кодів використовується кілька двійкових розрядів, кілька біт.

Для зберігання двійкових чисел в комп'ютері служить пристрій, який прийнято називати осередком пам'яті.Осередки утворюються з кількох бітів, так само як двійкові числа утворюються з двійкових розрядів. А всю пам'ять комп'ютера можна образно уявити собі як автоматичну камеру зберігання, що складається з великої кількості окремих осередків, в кожну з яких можна покласти, записатидеякий двійкове число, двійковий машинний код.

У загальному випадку осередки різних комп'ютерів можуть складатися з різної кількості бітів. Однак це створює значні складності для організації обміну інформацією між різними моделями комп'ютерів. Тому, починаючи з машин третього покоління, стандартнимиє осередки, які складаються з восьми бітів.

Елемент пам'яті комп'ютера, що складається з 8 бітів, називається байтом.

При комп'ютерній обробці інформації доводиться мати справу з текстової, графічної, числової, звуковий та іншою інформацією. Для зберігання даних різної природи застосовуються різні способи кодування. Крім того, для однієї і тієї ж різновиди інформації також можуть використовуватися різні способи кодування, які відрізняються один від одного ефективністю, а також різними вимогами до ресурсів комп'ютера.

Чим більше рядків і точок, тим чіткіше і краще зображення. В даний час мінімально допустимим вважається дозвіл 800 х 600, тобто 800 точок на рядок і 600 рядків на екран.

Рядки, з яких складається зображення, можна переглядати зверху вниз один за одним, як би склавши з них одну суцільну лінію. Після повного перегляду першого рядка проглядається друга, за нею третя, потім четверта і т. Д. До останнього рядка екрану. Цей процес дуже схожий на прийнятий в більшості країн світу спосіб читання текстів, коли рядки проглядаються один за одним зліва направо і зверху вниз. Такий спосіб роботи з рядками називається рядкової розгортки, або скануванням.А так як кожна з рядків являє собою послідовність пікселів, то все зображення, витягнуте в лінію, також можна вважати лінійною послідовністю елементарних точок. В даному випадку ця послідовність складається з 800 600 = 480 000 пікселів. Спочатку розглянемо принципи кодування монохромногозображення, тобто зображення, що складається з будь-яких двох контрастних кольорів - чорного і білого, зеленого і білого, коричневого і білого і т. д. Для простоти обговорення вважатимемо, що один з кольорів - чорний, а другий - білий. Тоді кожен піксель зображення може мати або чорний, або білий колір. Поставивши у відповідність чорному кольору двійкового коду «0», а білому - код «1» (або навпаки), ми зможемо закодувати в одному бите стан одного пікселя монохромного зображення. А так як байт складається з 8 біт, то на сходинку, що складається з 800 точок, буде потрібно 100 байтів пам'яті, а на все зображення - 60 000 байтів. Однак отримане таким чином зображення буде надмірно контрастним. Реальне чорно-біле зображення складається не тільки з білого і чорного кольорів. У нього входять безліч різних проміжних відтінків - сірий, світло-сірий, темно-сірий і т. Д. Якщо крім білого і чорного кольорів використовувати тільки дві додаткові градації, скажімо світло-сірий і темно-сірий, то для того щоб закодувати колірне стан одного пікселя потрібно вже два біта. При цьому кодування може бути, наприклад, такий: чорний, колір - 00 2, темно-сірий - 01 2, світло-сірий - 10 2, білий - 11 2. Загальноприйнятим на сьогоднішній день, що дає досить реалістичні монохромнізображення вважається кодування стану одного пікселя за допомогою одного байта, яке дозволяє передавати 256 різних відтінків сірого кольору від повністю білого, до повністю чорного. В цьому випадку для передачі всього растра з 800 х 600 пікселів потрібно вже не 60 000, а всі 480 000 байтів.

кольоровезображення може формуватися різними способами. Один з них - метод RGB(Від слів Red, Green, Blue - червоний, зелений, синій), який спирається на те, що око людини сприймає всі кольори як суму трьох основних кольорів - червоного, зеленого і синього. Наприклад, бузковий колір - це сума червоного і синього, жовтого кольору - сума червоного і зеленого і т. Д. Для отримання кольорового пікселя в один і той же місце екрану спрямовується не один, а відразу три кольорових променя. Спрощуючи ситуацію, будемо вважати, що для кодування кожного з квітів досить одного біта. Нуль в бите означатиме, що в сумарному кольорі даний основний відсутня, а одиниця - присутній. Отже, для кодування одного кольорового пікселя потрібно 3 біта - по одному на кожен колір. Нехай перший біт відповідає червоному кольору, другий - зеленому і третій - синього. Тоді код 101 2 позначає бузковий колір - червоний є, зеленого немає, синій є, а код 110 2 - жовтий колір - червоний є, зелений є, синього немає. При такій схемі кодування кожен піксель може мати один з восьми можливих кольорів. Якщо ж кожен з квітів кодувати за допомогою одного байта, як це прийнято для реалістичного монохромного зображення, з'явиться можливість передавати по 256 відтінків кожного з основних кольорів. А всього в цьому випадку забезпечується передача 256 256 256 = 16 777 216 різних кольорів, що досить близько до реальної чутливості людського ока. Таким чином, при даній схемі кодування кольору на зображення одного пікселя потрібно 3 байта, або 24 біта пам'яті. Цей спосіб представлення кольорової графіки прийнято називати режимом True Color(True color - справжній колір) або повнокольоровимрежимом.

Повноколірний режим вимагає дуже багато пам'яті. Так, для обговорювався вище растра 800 х 600 при використанні методу RGB потрібно 1 440 000 байтів. З метою економії пам'яті розробляються різні режими і графічні формати, які трохи гірше передають колір, але вимагають набагато менше пам'яті. Зокрема, можна згадати режим High Color(High color - багатий колір), в якому для передачі кольору одного пікселя використовується 16 бітів і, отже, можна передати 65 535 колірних відтінків, а також індексний режим,який базується на заздалегідь створеної для даного малюнка таблиці використовуваних в ньому колірних відтінків. Потім потрібний колір пікселя вибирається з цієї таблиці за допомогою номера - індексу, який займає всього один байт пам'яті. При запису зображення в пам'ять комп'ютера крім кольору окремих точок необхідно фіксувати багато додаткової інформації - розміри малюнка, дозвіл, яскравість точок і т. Д. Конкретний спосіб кодування всієї необхідної при запису зображення в пам'ять комп'ютера інформації утворює графічний формат.Формати кодування графічної інформації, засновані на передачі кольору кожного окремого пікселя, з якого складається зображення, відносять до групи растровихабо BMP(Bit MaP - бітова карта) форматів.

Аудіо-та відеоінформація

Розвиток способів кодування звукової інформації, а також рухомих зображень - анімації 1 і відеозаписів - відбувалося з запізненням щодо розглянутих вище різновидів інформації. Прийнятні способи збереження і відтворення за допомогою комп'ютера звукових і відеозаписів.

Зауважимо, що під анімацією розуміється схоже на мультиплікацію «пожвавлення» зображень, але виконане за допомогою засобів комп'ютерної графіки. Анімація являє собою послідовність незначно відрізняються один від одного, отриманих за допомогою комп'ютера картинок, які фіксують близькі за часом стану руху будь-якого об'єкта.

з'явилися тільки: в 90-х рр. XX ст. Ці способи роботи зі звуком та відео отримали назву мультимедійних технологій.

Звук являє собою досить складне безперервне коливання повітря. Безперервні сигнали часто називають ще й аналоговими.Виявляється, що такі безперервні сигнали можна наближено, але з достатньою точністю представляти у вигляді суми деякого числа найпростіших синусоїдальних коливань. Причому кожний доданок, тобто кожна синусоїда, може бути точно задано деяким набором числових параметрів - амплітудою, фазою і частотою, які можна розглядати як код звуку в певний момент часу.Такий підхід до запису звуку називається перетворенням в цифрову форму, оцифровуванняабо дискретизацией,так як безперервний звуковий сигнал замінюється дискретним(Тобто, що складається з відокремлених, роздільних елементів) набором значень сигналу - відліківсигналу - в деякі послідовні моменти часу Кількість відліків сигналу в одиницю часу називається частотою дискретизації.В даний час при запису звуку в мультимедійних технологіях застосовуються частоти 8,11, 22, 44 кГц до 192 кГц.Ч астота дискретизації 44 кГц означає, що одна секунда безперервного звучання замінюється набором з 44 тисяч окремих відліків сигналу. Чим більша їх кількість, тим краще якість оцифрованого звуку.

Якість перетворення звуку в цифрову форму визначається не тільки частотою дискретизації, а й кількістю бітів пам'яті, що відводяться на запис коду одного відліку. Цей параметр прийнято називати розрядністю перетворення.В даний час зазвичай використовується розрядність 8,16 і 24 біт. На описаних вище принципах ґрунтується формат WAV(Від WAVeform-audio - хвильова форма аудіо) кодування звуку. Отримати запис звуку в цьому форматі можна від підключаються до комп'ютера мікрофона, програвача, магнітофона, телевізора і інших стандартно використовуваних пристроїв роботи зі звуком. Однак формат WAV займає великий обсяг пам'яті (при записі стерео за частотою дискретизації 44 кГц і розрядністю 16 біт на одну хвилину запису потрібно близько 10 мільйонів байтів пам'яті).

Крім хвильового формату WAV, для запису звуку широко застосовується формат MIDI(Musical Instruments Digital Interface - цифровий інтерфейс музичних інструментів). Фактично, цей формат є набором інструкцій, команд так званого музичного синтезатора- пристрою, який імітує звучання реальних музичних інструментів. Отримати запис звуку у форматі MIDI можна тільки від спеціальних заварних інструментів, які підтримують інтерфейс MIDI. Формат MIDI забезпечує високу якість звуку і вимагає значно менше пам'яті, ніж формат WAV. Кодування відеоінформації ще більш складна проблема, ніж кодування звукової інформації, так як потрібно подбати не тільки про дискретизації безперервних рухів, але і про синхронізацію зображення зі звуковим супроводом. В даний час для цього використовується формат, якій називається AVI(Audio-Video Interleaved - чергується аудіо і відео).

Основні мультимедійні формати AVI і WAV дуже вимогливі до пам'яті. Тому на практиці застосовуються різні способи компресії, тобто стиснення звукових і відеокодов. В даний час стандартними стали способи стиснення, запропоновані MPEG(Moving Pictures Experts Group - група експертів по рухомих зображень). Зокрема, стандартMPEG-1включає в себе кілька популярних в даний час форматівзапису звуку. Так, наприклад, під час запису в форматі МРЗпри практично тій же якості звуку потрібно в десять разів менше пам'яті, ніж при використанні формату WAV. Існують спеціальні програми, які перетворять запису звуку з формату WAV у формат МРЗ. стандарт MPEG-2описує методи стиснення відеозаписів, які забезпечують телевізійне якість зображення і стереозвуковий супровід і мають прийнятні вимоги до пам'яті. стандарт MPEG-4дозволяє записати повнометражний кольоровий фільм зі звуковим супроводом на компакт-диск.

Завдання накопичення (зберігання), обробки і передачі інформації стояли перед людством на всіх етапах його розвитку. Кожному етапу відповідав певний рівень розвитку засобів інформаційного праці, прогрес розвитку яких щоразу надавав людському суспільству нову якість. Раніше були виділені основні етапи роботи з інформацією, і вони є загальними для всіх наук при обробці інформації за допомогою ЕОМ. Науковим фундаментом для їх вирішення стала така наука, як інформатика.

Інформатика - комплексна науково-технічна дисципліна, що займається вивченням структури і загальних властивостей інформації, інформаційних процесів, розробкою на цій основі інформаційної техніки і технології, а також рішенням наукових і інженерних проблем створення, впровадження та ефективного використання комп'ютерної техніки і технології у всіх сферах суспільної практики .

Витоки інформатики можна шукати в глибині століть. Багато століть тому потреба висловити і запам'ятати інформацію привела до появи мови, писемності, рахунки. Люди намагалися винаходити, а потім удосконалювати способи зберігання, обробки і поширення інформації. До сих пір збереглися свідоцтва спроб наших далеких предків зберігати інформацію - примітивні наскельні малюнки, записи на берестяної корі і глиняних дощечках, потім рукописні книги.

Поява в ХVI столітті друкарського верстата дозволило значно збільшити можливості людини обробляти і зберігати потрібні відомості. Це стало важливим етапом розвитку людства. Інформація в друкованому вигляді була основним способом зберігання та обміну і продовжувала їм залишатися аж до середини ХХ століття. Тільки з появою ЕОМ виникли принципово нові, набагато більш ефективні способи збору, зберігання, обробки і передачі інформації (рис. 1.1).

Малюнок 1.1. Розвиток способів зберігання інформації

Розвивалися способи передачі інформації. Примітивний спосіб передачі послань від людини до людини змінився більш прогресивної поштовим зв'язком. Поштовий зв'язок давала досить надійний спосіб обміну інформацією. Однак не слід забувати, що таким чином могли передаватися тільки повідомлення, написані на папері. А головне - швидкість передачі повідомлення була порівнянна лише зі швидкістю пересування людини. Винахід телеграфу, телефону дало принципово нові можливості обробки і передачі інформації.

Поява електронно-обчислювальних машин дозволило обробляти, а згодом і передавати інформацію зі швидкістю, в кілька мільйонів разів перевищує швидкість обробки (рис. 1.2) і передачі інформації людиною (рис. 1.3).

Малюнок 1.2. Розвиток способів обробки інформації

Малюнок 1.3. Розвиток способів передачі інформації

Основу сучасної інформатики утворюють три складові частини, кожна з яких може розглядатися як відносно самостійна наукова дисципліна (рис. 1.4).

Теоретична інформатика - частина інформатики, що займається вивченням структури і загальних властивостей інформації та інформаційних процесів, розробкою загальних принципів побудови інформаційної техніки і технології. Вона заснована на використанні математичних методів і включає в себе такі основні математичні розділи, як теорія алгоритмів і автоматів, теорія інформації та теорія кодування, теорія формальних мов і граматик, дослідження операцій та ін.).

Засоби інформатизації (технічні та програмні) - розділ, що займається вивченням загальних принципів побудови обчислювальних пристроїв і систем обробки і передачі даних, а також питань, пов'язаних з розробкою систем програмного забезпечення.

Інформаційні системи і технології - розділ інформатики, пов'язаний з вирішенням питань аналізу потоків інформації, їх оптимізації, структурування в різних складних системах, з розробкою принципів реалізації в даних системах інформаційних процесів.

Інформатика знаходить широке застосування в різних областях сучасного життя: у виробництві, науці, освіті та інших сферах діяльності людини.

Розвиток сучасної науки передбачає проведення складних і дорогих експериментів, таких, як, наприклад, при розробці термоядерних реакторів. Інформатика дозволяє замінити реальні експерименти машинними. Це економить колосальні ресурси, дає змогу обробити отримані результати найсучаснішими методами. Крім того, такі експерименти займають набагато менше часу, ніж справжні. А в деяких областях науки, наприклад, в астрофізиці, проведення реального експерименту просто неможливо. Тут в основному всі дослідження проводяться за допомогою обчислювальних і модельних експериментів.

Малюнок 1.4. Структура інформатики як наукової дисципліни

Подальший розвиток інформатики, як і будь-який інший науки, тягне за собою нові досягнення, відкриття, а отже, і нові області застосування, які, може бути, важко сьогодні уявити.

Інформатика - дуже широка сфера наукових знань, що виникла на стику декількох фундаментальних і прикладних дисциплін.

Як комплексна наукова дисципліна інформатика пов'язана (рис. 1.5):

З філософією і психологією - через вчення про інформацію і теорію пізнання;

З математикою - через теорію математичного моделювання, дискретну математику, математичну логіку і теорію алгоритмів;

З лінгвістикою - через вчення про формальні мовами і про знакові системи;

З кібернетикою - через теорію інформації і теорію управління;

З фізикою і хімією, електронікою і радіотехнікою - через «матеріальну» частина комп'ютера та інформаційних систем.

Малюнок 1.5. Зв'язок інформатики з іншими науками

Роль інформатики в розвитку суспільства надзвичайно велика. Вона є науковим фундаментом процесу інформатизації суспільства. З нею пов'язані прогресивне збільшення можливостей комп'ютерної техніки, розвиток інформаційних мереж, створення нових інформаційних технологій, які призводять до значних змін у всіх сферах суспільства: у виробництві, науці, освіті, медицині і т. Д.

Головна функція інформатики полягає в розробці методів і засобів перетворення інформації з використанням комп'ютера і в застосуванні їх при організації технологічного процесу перетворення інформації.

Виконуючи свою функцію, інформатика вирішує наступні завдання:

Досліджує інформаційні процеси в соціальних системах;

Розробляє інформаційну техніку і створює новітні технології перетворення інформації на основі результатів, отриманих в ході дослідження інформаційних процесів;

Вирішує наукові та інженерні проблеми створення, впровадження та забезпечення ефективного використання комп'ютерної техніки і технології у всіх сферах людської діяльності.

1.2. Поняття інформації. Загальна характеристика процесів збору, передачі, обробки та накопичення інформації

Все життя людини так чи інакше пов'язана з накопиченням і обробкою інформації, яку він отримує з навколишнього світу, використовуючи п'ять органів почуттів - зір, слух, смак, нюх і дотик. Як наукова категорія «інформація» є предметом вивчення для самих різних дисциплін: інформатики, кібернетики, філософії, фізики, біології, теорії зв'язку і т. Д. Не дивлячись на це, суворого наукового визначення, що ж таке інформація, до теперішнього часу не існує, а замість нього зазвичай використовують поняття про інформацію. Поняття відрізняються від визначень тим, що різні дисципліни в різних областях науки і техніки вкладають в нього різний зміст, з тим щоб воно найбільшою мірою відповідало предмету і завданням конкретної дисципліни. Є безліч визначень поняття інформації - від найбільш загального філософського (інформація є відображенням реального світу) до найбільш приватного прикладного (інформація є відомості, що є об'єктом переробки).

Спочатку сенс слова «інформація» (від лат. Informatio - роз'яснення, виклад) трактувався як щось властиве тільки людській свідомості та спілкування: «знання, відомості, повідомлення, звістки, що передаються людьми усним, письмовим або іншим способом».

Інформація не є ні матерією, ні енергією. На відміну від них, вона може виникати і зникати.

Особливість інформації полягає в тому, що проявляється вона лише при взаємодії об'єктів, причому обмін інформацією може відбуватися не взагалі між будь-якими об'єктами, а тільки між тими з них, які представляють собою організовану структуру (систему). Елементами цієї системи можуть бути не тільки люди: обмін інформацією може відбуватися в тваринний і рослинний світ, між живою і неживою природою, людьми і пристроями.

Інформація - найбільш важливий ресурс сучасного виробництва: він знижує потребу в землі, праці, капіталу, зменшує витрату сировини і енергії, викликає до життя нові виробництва, є товаром, причому продавець інформації не втрачає її після продажу, може накопичуватися.

Поняття «інформація» зазвичай передбачає наявність двох об'єктів - «джерела» інформації і «приймача» (споживача, адресата) інформації.

Інформація передається від джерела до приймача в матеріально-енергетичній формі у вигляді сигналів (наприклад, електричних, світлових, звукових і т. Д.), Що розповсюджуються в певному середовищі.

Сигнал (від лат. Signum - знак) - фізичний процес (явище), що несе повідомлення (інформацію) про подію або стан об'єкта спостереження.

Інформація може надходити в аналоговому (безперервному) вигляді або дискретно (у вигляді послідовності окремих сигналів). Відповідно розрізняють аналогову і дискретну інформацію.

Поняття інформації можна розглядати з двох позицій: у широкому сенсі слова - це оточуючий нас світ, обмін інформацією між людьми, обмін сигналами між живою і неживою природою, людьми і пристроями; у вузькому сенсі слова інформація - це будь-які відомості, які можна зберегти, перетворити і передати.

Інформація - специфічний атрибут реального світу, що представляє собою його об'єктивне відображення в вигляді сукупності сигналів і виявляється при взаємодії з «приймачем» інформації, що дозволяє виділяти, реєструвати ці сигнали з навколишнього світу і з того чи іншого критерію їх ідентифікувати.

З цього визначення випливає, що:

Інформація об'єктивна, так як це властивість матерії - відображення;

Інформація проявляється у вигляді сигналів і лише при взаємодії об'єктів;

Одна і та ж інформація різними одержувачами може бути інтерпретована по-різному в залежності від «настройки» «приймача».

Людина сприймає сигнали за допомогою органів почуттів, які «ідентифікуються» мозком. Приймачі інформації в техніці сприймають сигнали за допомогою різної вимірювальної і реєструючої апаратури. При цьому приймач, що володіє більшою чутливістю при реєстрації сигналів і більш досконалими алгоритмами їх обробки, дозволяє отримати великі обсяги інформації.

Інформація має певні функції. Основними з них є:

Пізнавальна - отримання нової інформації. Функція реалізується в основному через такі етапи обігу інформації, як:

- її синтез (виробництво)

- уявлення

- зберігання (передача в часі)

- сприйняття (споживання)

Комунікативна - функція спілкування людей, що реалізується через такі етапи обігу інформації, як:

- передача (в просторі)

- розподіл

Управлінська - формування доцільної поведінки керованої системи, яка отримує інформацію. Ця функція інформації нерозривно пов'язана з пізнавальної та комунікативної і реалізується через всі основні етапи обігу, включаючи обробку.

Без інформації не може існувати життя в будь-якій формі і не можуть функціонувати будь-які інформаційні системи, створені людиною. Без неї біологічні і технічні системи представляють купу хімічних елементів. Спілкування, комунікації, обмін інформацією притаманні всім живим істотам, але в особливій мірі людині. Будучи акумульованої і обробленої з певних позицій, інформація дає нові відомості, призводить до нового знання. Отримання інформації з навколишнього світу, її аналіз і генерування складають одну з основних функцій людини, що відрізняє його від решти живого світу.

У загальному випадку роль інформації може обмежуватися емоційним впливом на людину, однак найбільш часто вона використовується для вироблення керуючих впливів в автоматичних (чисто технічних) і автоматизованих (людино-машинних) системах. У подібних системах можна виділити окремі етапи (фази) звернення інформації, кожен з яких характеризується певними діями.

Послідовність дій, виконуваних з інформацією, називають інформаційним процесом.

Основними інформаційними процесами є:

- збір (сприйняття) інформації;

- підготовка (перетворення) інформації;

- передача інформації;

- обробка (перетворення) інформації;

- зберігання інформації;

- відображення (відтворення) інформації.

Так як матеріальним носієм інформації є сигнал, то реально це будуть етапи обігу і перетворення сигналів (рис. 1.6).

Малюнок 1.6. Основні інформаційні процеси

На етапі сприйняття інформації здійснюється цілеспрямоване вилучення та аналіз інформації про будь-якому об'єкті (процесі), в результаті чого формується образ об'єкта, проводяться його впізнання і оцінка. Головне завдання на цьому етапі - відокремити корисну інформацію від заважає (шумів), що в ряді випадків пов'язане зі значними труднощами.

На етапі підготовки інформації здійснюється її первинне перетворення. На цьому етапі проводяться такі операції, як нормалізація, аналого-цифрове перетворення, шифрування. Іноді етап підготовки розглядається як допоміжний на етапі сприйняття. В результаті сприйняття і підготовки виходить сигнал у формі, зручній для передачі, зберігання або обробки.

На етапі передачі інформація пересилається з одного місця в інше (від відправника одержувачу - адресату). Передача здійснюється по каналах різної фізичної природи, найпоширенішими з яких є електричні, електромагнітні та оптичні. Витяг сигналу на виході каналу, схильного дії шумів, носить характер вторинного сприйняття.

На етапах обробки інформації виявляються її загальні і суттєві взаємозалежності, що представляють інтерес для системи. Перетворення інформації на етапі обробки (як і на інших етапах) здійснюється або засобами інформаційної техніки, або людиною.

Під обробкою інформації розуміється будь-яке її перетворення, що проводиться за законами логіки, математики, а також неформальним правилам, заснованим на «здоровий глузд», інтуїції, узагальненому досвіді, що склалися поглядах і нормах поведінки. Результатом обробки є теж інформація, але або представлена ​​в інших формах (наприклад, впорядкована по якихось ознаках), або яка містить відповіді на поставлені питання (наприклад, рішення деякої задачі). Якщо процес обробки формалізуємо, він може виконуватися технічними засобами. Кардинальні зрушення в цій області відбулися завдяки створенню ЕОМ як універсального перетворювача інформації, в зв'язку з чим з'явилися поняття даних та обробки даних.

Даними називають факти, відомості, представлені в формалізованому вигляді (закодовані), занесені на ті чи інші носії і допускають обробку за допомогою спеціальних технічних засобів (в першу чергу ЕОМ).

Обробка даних передбачає виробництво різних операцій над ними, в першу чергу арифметичних і логічних, для отримання нових даних, які об'єктивно необхідні (наприклад, при підготовці відповідальних рішень).

На етапі зберігання інформацію записують в пристрій для подальшого використання. Для зберігання інформації використовуються в основному напівпровідникові і магнітні носії.

Етап відображення інформації повинен передувати етапам, пов'язаних з участю людини. Мета цього етапу - надати людині потрібну йому інформацію за допомогою пристроїв, здатних впливати на його органи почуттів.

Будь-яка інформація має низку властивостей, які в сукупності визначають ступінь її відповідності потребам користувача (якість інформації). Можна навести чимало різноманітних властивостей інформації, так як кожна наукова дисципліна розглядає ті властивості, які їй найбільш важливі. З точки зору інформатики найбільш важливими представляються наступні:

Актуальність інформації - властивість інформації зберігати цінність для споживача протягом часу, т. Е. Не наражатися на «моральному» старіння.

Повнота інформації - властивість інформації, що характеризується мірою достатності для вирішення певних завдань. Повнота інформації означає, що вона забезпечує прийняття правильного (оптимального) рішення. Оцінюється щодо цілком певного завдання або групи завдань.

Адекватність інформації - властивість, яка полягає у відповідності змістовної інформації станом об'єкта. Порушення ідентичності пов'язано з технічним старінням інформації, при якому відбувається розбіжність реальних ознак об'єктів і тих же ознак, відображених в інформації.

Збереження інформації - властивість інформації, що характеризується ступенем готовності визначених інформаційних масивів до цільового застосування і визначається здатністю контролю і захисту інформації забезпечити постійну наявність і своєчасне надання інформаційного масиву, необхідних для автоматизованого вирішення цільових і функціональних завдань системи.

Достовірність інформації - властивість інформації, що характеризується ступенем відповідності реальних інформаційних одиниць їх істинного значення. Необхідний рівень достовірності інформації досягається шляхом впровадження методів контролю і захисту інформації на всіх стадіях її переробки, підвищення надійності комплексу технічних і програмних засобів інформаційної системи, а також адміністративно-організаційними заходами.

Інформаційне суспільство

Сучасне суспільство характеризується різким зростанням обсягів інформації, що циркулює в усіх сферах людської діяльності. Це призвело до інформатизації суспільства.

Під інформатизацією суспільства розуміють організований соціально-економічний і науково-технічний процес створення оптимальних умов для задоволення інформаційних потреб і реалізації прав фізичних та юридичних осіб на основі формування і використання інформаційних ресурсів - документів в різній формі подання.

Метою інформатизації є створення інформаційного суспільства, коли більшість людей зайнято виробництвом, зберіганням, переробкою, реалізацією та використанням інформації. Для вирішення цього завдання виникають нові напрямки в науковій і практичній діяльності членів суспільства. Так виникли інформатика та інформаційні технології.

Характерними рисами інформаційного суспільства є:

1) відсутність проблеми інформаційної кризи, усунення протиріччя між інформаційною лавиною і інформаційним голодом;

2) пріоритет інформації перед іншими ресурсами;

3) створення інформаційної економіки як головної форми розвитку суспільства;

4) формування автоматизованої генерації, зберігання, обробки і використання знань за допомогою новітньої інформаційної техніки і технології.

5) інформаційні технології, набуваючи глобального характеру, охоплюють всі сфери соціальної діяльності людини;

6) утворення інформаційного єдності всієї людської цивілізації;

7) реалізація вільного доступу кожної людини до інформаційних ресурсів всієї цивілізації;

8) рішення гуманістичних принципів управління суспільством і впливу на навколишнє середовище.

Крім перерахованих позитивних результатів процесу інформатизації суспільства, можливі й негативні тенденції, які супроводжують цей процес:

1) надмірний вплив засобів масової інформації;

2) вторгнення інформаційних технологій в приватне життя людини;

3) складність адаптації деяких людей до інформаційного суспільства;

4) проблема якісного відбору достовірної інформації.

На даний момент ближче всіх країн до інформаційного суспільства знаходяться США, Японія, Англія, країни Західної Європи.

1.3. системи числення

Система числення - це спосіб запису чисел за допомогою заданого набору спеціальних знаків (цифр).

Існують системи позиційні і непозиційної.

У непозиційних системах числення вага цифри не залежить від позиції, яку вона займає в числі. Так, наприклад, в римській системі числення в числі XXXII (тридцять два) вага цифри X в будь-якій позиції дорівнює просто десяти.

У позиційних системах числення вага кожної цифри змінюється в залежності від її позиції в послідовності цифр, що зображують число.

Будь-яка позиційна система характеризується своєю основою. Підстава позиційної системи числення - це кількість різних знаків або символів, які використовуються для зображення цифр в даній системі.

За основу можна взяти будь-яке натуральне число - два, три, чотири, шістнадцять і т. Д. Отже, можливо безліч позиційних систем.

Десяткова система числення

Прийшла в Європу з Індії, де вона з'явилася не пізніше VI століття н. е. У цій системі 10 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, проте інформацію несе не тільки цифра, але і місце, на якому цифра стоїть (тобто її позиція). У десятковій системі числення особливу роль відіграють число 10 і його ступеня: 10, 100, 1000 і т. Д. Сама права цифра числа показує число одиниць, друга праворуч - число десятків, наступна - число сотень і т. Д.

Двійкова система числення

У цій системі всього дві цифри - 0 і 1. Особливу роль тут відіграє число 2 і його ступеня: 2, 4, 8 і т. Д. Сама права цифра числа показує число одиниць, наступна цифра - число двійок, наступна - число четвірок і т. д. Двійкова система числення дозволяє закодувати будь-яке натуральне число - представити його у вигляді послідовності нулів та одиниць. У двійковому вигляді можна представляти не тільки числа, а й будь-яку іншу інформацію: тексти, картинки, фільми та аудіозаписи. Інженерів двійкове кодування приваблює тим, що легко реалізується технічно.

Вісімкова система числення

У цій системі числення 8 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Цифра 1, зазначена в самому молодшому розряді, означає, як і в десятковому числі, просто одиницю. Та ж цифра 1 в наступному розряді означає 8, у наступному - 64 і т. Д. Число 100 (вісімкове) є не що інше, як 64 (десяткове). Щоб перевести в двійкову систему, наприклад, число 611 (вісімкове), треба замінити кожну цифру еквівалентної їй двійковій тріадою (трійкою цифр). Легко здогадатися, що для перекладу багатозначного двійкового числа в вісімкову систему потрібно розбити його на тріади справа наліво і замінити кожну тріаду відповідної вісімковій цифрою.

Шістнадцяткова система числення

Запис числа в вісімковій системі числення досить компактна, але ще компактніше вона виходить в шістнадцятковій системі. Як перші 10 з 16 шістнадцяткових цифр взяті звичні цифри 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а ось в якості інших 6 цифр використовують перші букви латинського алфавіту: A, B, C, D, E, F. Цифра 1, записана в самому молодшому розряді, означає просто одиницю. Та ж цифра 1 в наступному - 16 (десяткове), в наступному - 256 (десяткове) і т. Д. Цифра F, зазначена в самому молодшому розряді, означає 15 (десяткове). Переклад з шістнадцятковій системи в двійкову і назад здійснюється аналогічно тому, як це робиться для вісімковій системи.

Таблиця 1. Відповідність між першими декількома натуральними числами всіх трьох систем числення

1.4. кодування інформації

В даний час у всіх обчислювальних машинах інформація може надаватися за допомогою електричних сигналів. При цьому можливі дві форми її подання - у вигляді безперервного сигналу (за допомогою схожої величини - аналога) і у вигляді декількох сигналів (за допомогою набору напруг, кожне з яких відповідає одній з цифр подається величини).

Перша форма подання інформації називається аналогової, або безперервною. Величини, представлені в такій формі, можуть приймати принципово будь-які значення в певному діапазоні. Кількість значень, які може приймати така величина, нескінченно велике. Звідси назви - безперервна величина і безперервна інформація. Слово безперервність чітко виділяє основна властивість таких величин - відсутність розривів, проміжків між значеннями, які може приймати ця аналогова величина. При використанні аналогової форми для створення обчислювальної машини потрібно менше число пристроїв (кожна величина репрезентується одним, а не декількома сигналами), але ці пристрої будуть складнішими (вони повинні розрізняти значно більше число станів сигналу). Безперервна форма подання використовується в аналогових обчислювальних машинах (АВМ). Ці машини призначені в основному для вирішення завдань, що описуються системами диференціальних рівнянь: дослідження поведінки рухомих об'єктів, моделювання процесів і систем, вирішення завдань параметричної оптимізації та оптимального управління. Пристрої для обробки безперервних сигналів мають вищу швидкодію, вони можуть інтегрувати сигнал, виконувати будь-яке його функціональне перетворення і т. П. Однак через складність технічної реалізації пристроїв виконання логічних операцій з безперервними сигналами, тривалого зберігання таких сигналів, їх точного вимірювання АВМ НЕ можуть ефективно вирішувати завдання, пов'язані зі зберіганням і обробкою великих обсягів інформації.

Друга форма подання інформації називається дискретної (цифрової). Такі величини, що приймають не всі можливі, а лише цілком певні значення, називаються дискретними (переривчастими). На відміну від безперервної величини, кількість значень дискретної величини завжди буде кінцевим. Дискретна форма подання використовується в цифрових електронно-обчислювальних машинах (ЕОМ), які легко вирішують завдання, пов'язані зі зберіганням, обробкою і передачею великих обсягів інформації.

Для автоматизації роботи ЕОМ з інформацією, що відноситься до різних типів, дуже важливо уніфікувати їх форму представлення - для цього зазвичай використовується прийом кодування.

Кодування - це представлення сигналу в певній формі, зручною або придатною для подальшого використання сигналу. Говорячи суворіше, це правило, яке описує відображення одного набору знаків в інший набір знаків. Тоді відображається набір знаків називається вихідним алфавітом, а набір знаків, який використовується для відображення, - кодовою алфавітом, або алфавітом для кодування. При цьому кодування підлягають як окремі символи вихідного алфавіту, так і їх комбінації. Аналогічно для побудови коду використовуються як окремі символи кодового алфавіту, так і їх комбінації.

Сукупність символів кодового алфавіту, що застосовуються для кодування одного символу (або однієї комбінації символів) вихідного алфавіту, називається кодовою комбінацією, або, коротше, кодом символу. При цьому кодова комбінація може містити один символ кодового алфавіту.

Символ (або комбінація символів) вихідного алфавіту, якому відповідав би кодова комбінація, називається вихідним символом.

Сукупність кодових комбінацій називається кодом.

Взаємозв'язок символів (або комбінацій символів, якщо кодуються не окремі символи вихідного алфавіту) початкового алфавіту з їх кодовими комбінаціями складає таблицю відповідності (або таблицю кодів).

Як приклад можна привести систему запису математичних виразів, азбуку Морзе, морську прапорцевим абетку, систему Брайля для сліпих і ін.

В обчислювальній техніці також існує своя система кодування - вона називається двійковим кодуванням і заснована на представленні даних послідовністю усього двох знаків: 0 та 1 (використовується двійкова система числення). Ці знаки називаються двійковими цифрами, або бітами (binary digital).

Якщо збільшувати на одиницю кількість розрядів в системі двійкового кодування, то збільшується в два рази кількість значень, яке може бути виражено в даній системі. Для розрахунку кількості значень використовується наступна формула:

де N - кількість незалежно кодованих значень,

а m - розрядність двійкового кодування, прийнята в даній системі.

Наприклад, яка кількість значень (N) можна закодувати 10-ю розрядами (m)?

Для цього будуємо 2 в 10 ступінь (m) і отримуємо N = 1024, т. Е. В двійковій системі кодування 10-ю розрядами можна закодувати 1024 незалежно кодованих значення.

Кодування текстової інформації

Для кодування текстових даних використовуються спеціально розроблені таблиці кодування, засновані на зіставленні кожного символу алфавіту з певним цілим числом. Восьми двійкових розрядів достатньо для кодування 256 різних символів. Цього вистачить, щоб висловити різними комбінаціями восьми бітів все символи англійської та російської мов, як малі, так і великі, а також знаки пунктуації, символи основних арифметичних дій і деякі загальноприйняті спеціальні символи. Але не все так просто, і існують певні складності. У перші роки розвитку обчислювальної техніки вони були пов'язані з відсутністю необхідних стандартів, а в даний час, навпаки, викликані достатком одночасно діючих і суперечливих стандартів. Практично для всіх поширених на земній кулі мов створені свої кодові таблиці. Для того щоб весь світ однаково кодували текстові дані, потрібні єдині таблиці кодування, що до сих пір поки ще не стало можливим.

Кодування графічної інформації

Кодування графічної інформації засноване на тому, що зображення складається з найдрібніших точок, що утворюють характерний візерунок, званий растром. Кожна точка має свої лінійні координати і властивості (яскравість), отже, їх можна виразити за допомогою цілих чисел - растрове кодування дозволяє використовувати двійковий код для представлення графічної інформації. Чорно-білі ілюстрації подаються в комп'ютері у вигляді комбінацій точок з 256 градаціями сірого кольору - для кодування яскравості будь-якої точки достатньо восьмирозрядного двійкового числа.

Для кодування кольорових графічних зображень застосовується принцип декомпозиції (розкладання) довільного кольору на основні складові. При цьому можуть використовуватися різні методи кодування кольорової графічної інформації. Наприклад, на практиці вважається, що будь-який колір, видимий людським оком, можна отримати шляхом механічного змішування основних кольорів. В якості таких складових використовують три основні кольори: червоний (Red, R), зелений (Green, G) і синій (Blue, B). Така система кодування називається системою RGB.

На кодування кольору однієї точки кольорового зображення треба затратити 24 розряду. При цьому система кодування забезпечує однозначне визначення 16,5 млн різних квітів, що насправді близько до чутливості людського ока. Режим подання кольорової графіки з використанням 24 двійкових розрядів називається повнокольоровим (True Color).

Кожному з основних кольорів можна поставити у відповідність додатковий колір, тобто колір, що доповнює основний колір до білого. Відповідно додатковими кольорами є: блакитний (Cyan, C), пурпурний (Magenta, M) і жовтий (Yellow, Y). Такий метод кодування прийнятий в поліграфії, але в поліграфії використовується ще і четверта фарба - чорна (Black, K). Дана система кодування позначається CMYK, і для подання кольорової графіки в цій системі треба мати 32 двійкових розряди. Такий режим називається повнокольоровим (True Color).

Якщо зменшувати кількість двійкових розрядів, використовуваних для кодування кольору кожної точки, то можна скоротити обсяг даних, але при цьому діапазон кодованих квітів помітно скорочується. Кодування кольорової графіки 16-розрядних двійковими числами називається режимом High Color.

Кодування звукової інформації

Прийоми і методи кодування звукової інформації прийшли в обчислювальну техніку найбільш пізно і до сих пір далекі від стандартизації. Безліч окремих компаній розробили свої корпоративні стандарти, хоча можна виділити два основних напрямки.

Метод FM (Frequency Modulation) заснований на тому, що теоретично будь-який складний звук можна розкласти на послідовність найпростіших гармонійних сигналів різної частоти, кожен з яких представляє правильну синусоїду, а отже, може бути описаний числовими параметрами, тобто кодом. У природі звукові сигнали мають неперервний спектр, тобто є аналоговими. Їх розкладання в гармонійні ряди і подання у вигляді дискретних цифрових сигналів виконують спеціальні пристрої - аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП). Зворотне перетворення для відтворення звуку, закодованого числовим кодом, виконують цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП). При таких перетвореннях частина інформації втрачається, тому якість звукозапису зазвичай виходить не цілком задовільним і відповідає якості звучання найпростіших заварних інструментів з «забарвленням», характерним для електронної музики.

Метод таблично-хвильового синтезу (Wave-Table) краще відповідає сучасному рівню розвитку техніки. Є заздалегідь підготовлені таблиці, в яких зберігаються зразки звуків для безлічі різних музичних інструментів. У техніці такі зразки називаються семплами. Числові коди висловлюють тип інструменту, номер його моделі, висоту тону, тривалість і інтенсивність звуку, динаміку його зміни. Оскільки в якості зразків використовуються «реальні» звуки, то якість звуку, отриманого в результаті синтезу, виходить дуже високим і наближається до якості звучання реальних музичних інструментів.

Одиниці виміру даних

Найменшою одиницею виміру інформації є байт, рівний восьми бітам. Одним байтом можна закодувати одне з 256 значень. Існують і більш великі одиниці, такі як кілобайт (Кбайт), мегабайт (Мбайт), гігабайт (Гбайт) і терабайт (Тбайт).

1 байт = 8 біт

1 Кбайт = 1024 байт

1 Мбайт = 1024 Кбайт = 2 20 байт

1 Гбайт = 1024 Мбайт = 2 30 байт

1 Тбайт = 1024 Гбайт = 2 40 байт

Контрольні питання

1. Що вивчає інформатика?

2. Як розвивалися способи збору, зберігання і передачі інформації?

3. Яка структура сучасної інформатики?

4. Що таке інформація?

5. Які функції виконує інформація?

6. Дайте характеристику основним інформаційним процесам.

7. У чому основна відмінність даних від інформації?

8. Якими властивостями володіє інформація?

9. Що розуміється під інформатизацією суспільства?

10. Якими характерними рисами володіє інформаційне суспільство?

11. Що таке системи числення і які вони бувають? Наведіть приклади.

12. Дайте характеристику основним позиційним системам числення.

13. У яких двох видах може бути представлена ​​інформація? Охарактеризуйте їх і наведіть приклади.

14. Що таке кодування? Наведіть приклади кодування з життя.

15. Що є основною одиницею подання інформації в ЕОМ?

16. Як кодуються різні види інформації в ЕОМ?

17. За допомогою яких одиниць вимірюють інформацію?

3.1.Представленіе даних в ЕОМ

При проведенні математичних розрахунків числа всередині ЕОМ можуть бути представлені за допомогою природної і нормальної форм записи.

Прикладом записи в природній формі може служити число 456,43. Для запису такого числа машинне слово (операнд) ділиться на два фіксованих поля (частини). Перше поле відводиться для запису цілої частини числа, а друге - для запису дробової частини числа. Старший розряд призначається для вказівки знака числа.

В обчислювальній техніці прийнято відокремлювати цілу частину числа від дробової частини точкою. Так як в цьому випадку положення точки між цілою і дробовою частиною чітко визначено, то таке подання чисел називають поданням з фіксованою точкою. Нижче на рис. 3.1 показано машинне слово довжиною 16 розрядів (2 байта).

машинне словоє структурною одиницею інформації ЕОМ. За допомогою машинних слів записують числа, символи та команди. У сучасних ЕОМ довжина машинних слів становить 32 ... 128 розрядів. Фізично кожен розряд машинного слова являє собою окремий елемент пам'яті (тригер або запам'ятовує конденсатор).

Мал. 3.2. Подання цілого числа

Нормальна форма запису числа має такий вигляд:

де m - мантисачисла; p - порядок; d - основасистеми числення.

Порядок вказує місце розташування в числі точки, яка відділяє цілу частину числа від дробової. Залежно від порядку точка пересувається (плаває) по мантисі. Така форма представлення чисел називається формою з плаваючою точкою. Мал. 3.3 ілюструє форму числа з плаваючою точкою на прикладі 32 розрядного машинного слова.

Наприклад, нехай m = 0.3, d = 10, а порядок буде різним:

0.3 · 10 -1 = 0.03; 0.3 · 10 -2 = 0.003; 0.3 × 10 2 = 30; 0.3 · 10 3 = 300.

З наведеного прикладу видно, що завдяки зміні порядку точка переміщається (плаває) по мантисі. При цьому, якщо порядок негативний, точка зміщується по мантисі вліво, а якщо позитивний, то вправо.

31

…

…

Мал. 3.3. Подання числа з плаваючою точкою

В цьому випадку машинне слово ділиться на два основних поля. В одному полі записується мантиса числа, у другому - вказується порядок числа. Діапазон представлення чисел з плаваючою точкою значно більше діапазону представлення чисел з фіксованою точкою. Однак швидкодія ЕОМ при обробці чисел з плаваючою точкою набагато нижче, ніж при обробці чисел з фіксованою точкою.

3.2.Представленіе команд в ЕОМ

Програма роботи ЕОМ складається з послідовності команд.

під командоюрозуміється інформація, що забезпечує вироблення керуючих сигналів, які формуються в пристрої управління процесора, для виконання машиною певної дії.

Поле команди складається з двох частин: операційноїі адресному. В операційній частини вказується код операції (КОП). Код визначає дію, яке має виконати ЕОМ (арифметичне - додавання, віднімання, логічне - інверсія і т.д.).

Адресна частина команди містить адреси операндів (чисел або символів), що беруть участь в операції. під адресоюрозуміється номер комірки ОЗУ або ПЗУ, де записана необхідна для виконання команди інформація.

Таким чином, ЕОМ (точніше, процесор) виконує дію, яке визначається кодом операції, над даними, місце розташування яких зазначено в адресній частині команди.

Кількість вказуються в команді адрес може бути різним. Залежно від числа адрес розрізняють наступні формати команд: одно-, дво- і трехадресние. Бувають і безадресні команди. На рис. 3.4 представлена ​​структура різних команд.

КОП	А1
КОП	А1	А2
КОП	А1	А2	А3

Операційна Адресна частина команди

частина команди

Мал. 3.4. структура команди

трьохадресних команда, Що виконує, наприклад, операцію складання, повинна містити код операції додавання і три адреси.

Дії, що виконуються цією командою, описуються наступною послідовністю операцій.

1. Взяти число, яке зберігається за першою адресою А1.

2. Взяти число, яке зберігається за другим адресою А2, і скласти з першим числом.

3. Результат додавання записати по третьому адресою А3.

У разі двоадресний команди третя адреса відсутня, і результат можна записати або по другому адресою (з втратою інформації, яка була там записана), або залишити в регістрі суматора, де проводилася операція додавання. Тоді для звільнення регістра суматора потрібна додаткова команда перезапису числа по необхідному адресою. При організації складання двох чисел, що зберігаються за адресами А1 і А2 з записом результату в А3 з використанням одноадресних команд, Потрібно вже три команди.

1. Виклик в суматор (АЛУ) числа, що зберігається за адресою А1.

2. Виклик числа, що зберігається за адресою А2 і складання його з першим числом.

3. Запис результату за адресою А3.

Таким чином, чим менше адрес містить команда, тим більше число команд потрібно для складання однієї і тієї ж програми роботи машини.

Збільшуючи число адрес в команді, доводиться збільшувати довжину машинного слова, щоб відвести в ньому необхідні поля для адресної частини команд. Зі збільшенням обсягу пам'яті ЕОМ збільшується довжина поля, необхідного для вказівки однієї адреси. У той же час не всі команди повністю використовують адресні поля. Наприклад, для команди записи числа по заданому адресою вимагається лише одне адресне поле. Невиправдане збільшення довжини машинного слова для використання багатоадресних команд призводить до зменшення швидкодії ЕОМ, тому що необхідно обробляти поля більшої довжини.

Існують безадресні команди, які містять тільки код операції, а необхідні дані заздалегідь вкладаються в певні регістри процесора.

Сучасні ЕОМ автоматично виконують кілька сотень різних команд. Всі машинні команди можна розділити на групи за видами виконуваних операцій:

· Операції пересилання даних;

· Арифметичні операції;

· Логічні операції;

· Операції звернення до зовнішніх пристроїв ЕОМ;

· Операції передачі управління;

· Обслуговуючі та допоміжні операції.

При проектуванні нових процесорів розробникам доводиться вирішувати складне завдання вибору довжини команди і визначення списку необхідних команд (системи команд). Суперечливі вимоги до конфігурації команд привели до створення процесорів з різними форматами команд (архітектури CISC і RISC).

3.3.Кодовая таблиця

кодова таблиця- це внутрішнє (закодоване) представлення в машині букв, цифр, символів і керуючих сигналів. Так, латинська буква А в кодової таблиці представлена ​​десятковим числом 65D (всередині ЕОМ це число буде представлено двійковим числом 01000001В), латинська буква С - числом 67D, латинська буква М - 77D і т.д. Таким чином, слово «САМАРА», написане великими латинськими літерами буде циркулювати всередині ЕОМ у вигляді цифр:

67D-65D-77D-65D-80D-65D.

Якщо говорити точніше, то всередині ЕОМ дане слово зберігається і використовується у вигляді двійкових чисел:

01000011В-01000001В-01001101В-01000001В-0101000В-01000001В

Аналогічно кодуються цифри (наприклад, 1 - 49D, 2 - 59D) і символи (наприклад,! - 33D, + - 43D).

Поряд з алфавітно-цифровими символами в кодової таблиці закодовані сигнали. Наприклад, код 13D змушує друкує головку принтера повернутися в початок поточного рядка, а код 10D переміщує папір, заправлену в принтер, на один рядок вперед.

Кодова таблиця може бути представлена ​​не тільки з по-міццю десяткової СС, а й за допомогою шістнадцятковій СС. Зауважимо ще раз, що всередині ЕОМ циркулюють сигнали, представлені в двійковій системі числення, а в кодової таблиці для більшої зручності читання користувачем - в десятковій або шістнадцятковій СС.

Кожна буква, цифра, знак пунктуації або керуючий сигнал кодуються восьмирозрядним двійковим числом. За допомогою восьмирозрядного числа (однобайтового числа) можна уявити (закодувати) 256 довільних символів - букв, цифр і будь-яких графічних образів.

У всьому світі в якості стандарту прийнята кодова таблиця ASCII (American Standard Code for Information Interchange - Американський стандарт кодів для обміну інформацією). Таблиця ASCII регламентує (строго визначає) рівно половину можливих символів (латинські літери, арабські цифри, розділові знаки, сигнали). Для їх кодування використовуються коди від 0D до 127D.

Друга половина кодової таблиці ASCII (з кодами від 128 до 255) не визначена американським стандартом і призначена для розміщення символів національних алфавітів інших країн (зокрема, кирилиці - російських букв), псевдографічні символів, деяких математичних знаків. У різних країнах, на різних моделях ЕОМ, в різних операційних системах можуть використовуватися і різні варіанти другої половини кодової таблиці (їх називають розширеннями ASCII). Наприклад, таблиця, яка використовується в операційній системі MS-DOS, називається СР-866. Використовуючи цю таблицю для кодування слова «САМАРА», записаного російськими буквами, отримаємо такі коди:

145D-128D-140D-128D-144D-128D.

При роботі в операційній системі Windows використовується таблиця кодів СР-1251, в якій кодування латинських букв збігається з кодуванням таблиць СР-866 і ASCII, а друга половина таблиці має власну розкладку (кодування) символів. Тому слово «САМАРА», написане великими російськими літерами, буде мати всередині ЕОМ інше уявлення:

209D-192D-204D-192D-208D-192D.

Таким чином, зовні однакове слово (наприклад, «САМАРА») всередині ЕОМ може бути представлено по-різному. Природно, це викликає певні незручності. При роботі в Інтернет національний текст часом стає нечитабельним. Найбільш імовірною причиною в цьому випадку є розбіжність кодувань другої половини кодових таблиць.

Загальним недоліком всіх однобайтових кодових таблиць (в них для кодування використовуються восьмирозрядних двійкові числа) є відсутність в коді символу будь-якої інформації, яка підказує машині, яка в даному випадку використовується кодова таблиця.

співтовариством фірм Unicodeзапропонована в якості стандарту інша система кодування символів. У цій системі для подання (кодування) одного символу використовуються два байти (16 бітів), і це дозволяє включити в код символу інформацію про те, якої мови належить символ і як його потрібно відтворювати на екрані монітора або на принтері. Два байти дозволяють закодувати 65 536 символів. Правда, обсяг інформації, яку займає одним і тим же текстом, збільшиться вдвічі. Зате тексти завжди будуть «читаються» незалежно від використаного національного мови та операційної системи.

3.4.Організація зберігання даних на магнітних дисках

3.4.1. диски

диски- пристрої для постійного зберігання інформації. Будь-який комп'ютер має накопичувач на жорсткому магнітному диску, призначений для читання і запису на незнімний жорсткий магнітний диск (вінчестер), і накопичувач (або дисковод) для гнучких магнітних дисків, який використовується для читання і запису на гнучкі магнітні диски (дискети). Крім цього можуть бути дисководи для роботи з компакт-дисками, магнитооптическими дисками і т.д.

Будь жорсткий диск або магнитооптический диск можна розділити на кілька частин, які для користувача будуть виглядати на екрані так само, як і фізично існуючі диски. Ці частини називаються логічними дисками. Кожен логічний диск має ім'я (букву), за яким до нього можна звертатися. Таким чином, логічний диск - це частина звичайного жорсткого диска, що має власне ім'я. Наприклад, жорсткий диск об'ємом 3 Гб може бути розділений на два логічних диска: диск С: об'ємом 2 Гб і диск D: об'ємом 1 Гбайт.

Диск, на якому записана операційна система, називається системним(або завантажувальним) Диском. В якості завантажувального диска найчастіше використовується жорсткий диск С :.

В операційних системах DOS і Windows кожному диску можна додатково давати імена (label - мітка), які відображають їх зміст, наприклад: Системний, Графіка, Тексти, Дистрибутиви і т.д.

3.4.2. файли

Інформація на дисках (жорстких дисках, дискетах, магнітооптичних дисках, компакт-дисках і т.д.) зберігається в файлах.

файл- це набір взаємопов'язаних даних, які сприймаються комп'ютером як єдине ціле, що мають загальне ім'я, що знаходяться на диску або іншому носії інформації. У файлах можуть зберігатися тексти програм, документи, готові до виконання програми, малюнки і т.д.

Щоб операційна система та інші програми могли звертатися до файлів, файли повинні мати позначення. Це позначення називають ім'ям файлу. Файл зазвичай складається з двох частин- власне імені (в DOS довжиною від 1 до 8 символів, в Windows - від 1 до 254 символів) і розширення довжиною до 3 символів. Ім'я та розширення відокремлюються один від одного крапкою. Часто ім'я і розширення разом також називають ім'ям. Приклади імен файлів:

vova.doc tetris.exe doc.arj config.sys

Ім'я та розширення можуть складатися з великих і малих латинських букв (можливі і російські літери), цифр і символів, крім керуючих символів і символів \ /: *?< >; , + =. Російські літери в іменах файлів слід вживати з обережністю - деякі програми не «розуміють» імен з російськими буквами. Імена файлів можуть включати символи "-" (дефіс), "_" (підкреслення), "$" (долар), "#" (решітка), "&" (амперсанд, друкарське "і" в країнах англійської мови), " @ "(" собака "),"! ","% ", дужки, лапки," ^ "(" кришка ")," ' "(апостроф)," ~ "(тильда або" хвиля ").

Розширення імені файлу є необов'язковим. Воно, як правило, описує зміст файла, тому використання розширення дуже зручно. Багато програм встановлюють певне розширення імені файлу, і по ньому можна дізнатися, яка програма створила файл. Крім того, багато програм (наприклад, програми-оболонки) дозволяють по розширенню імені файлу викликати відповідну програму і відразу завантажити в неї даний файл. Приклади типових розширень:

com, exe - виконані файли (готові до виконання програми); якщо виділити файл з таким розширенням і натиснути клавішу Enter, то програма негайно почне працювати;

bat - командні (Batch) файли;

txt, doc, wp, wri - текстові файли (документи). Розширення doc дає своїм документам програма MS Word, wp - WordPerfect, wri - MS Write. У файлах з розширенням txt зазвичай знаходиться текст без будь-якого оформлення (text-only, тільки текст);

bak - остання версія тексту (резервна копія);

tif, pcx, bmp, pic, gif, jpg, cdr - графічні файли різних форматів;

arj, zip, lzh, rar - по-особливому стислі (заархівовані) файли;

hlp - файли допомоги, підказок до різними програмами;

drv, ega, vga, sys, dll і ряд інших - службові програми і програми-драйвери, за допомогою яких комп'ютер навчається працювати з різними моніторами, клавіатурами, принтерами, пахвами, використовувати російську мову. Ці програми не запускаються як виконані файли;

ttf, fon, fnt, sfp, stl, xfr - шрифти для різних програм;

bas, c, pas, asm - містять текст програм на мовах Бейсік, Сі, Паскаль, Асемблер.

Можуть бути файли і з іншими розширеннями.

Найважливіша характеристика файлу - його розмір. Він вимірюється в байтах, Кбайтах, Мбайтах.

3.4.3. папки

Імена файлів реєструються на дисках в каталогах (або директоріях). У Windows каталоги називають папками.

папки- це спеціальне місце на диску, в якому зберігаються імена файлів, відомості про розмір файлів, часу їхнього останнього оновлення, атрибути (властивості) файлів і т.д. Якщо в папці зберігається ім'я файлу, то кажуть, що цей файл знаходиться в цій папці. На кожному диску може бути кілька папок.

Кожна папка має ім'я. Вимоги до імен папок ті ж, що і до імен файлів. Як правило, розширення імені для папок не використовується, хоча і не забороняється.

Повне ім'я файлумає такий вигляд (дужками [і] позначають необов'язкові елементи):

[Дисковод:] [шлях \] ім'я файлу

шлях- це послідовність з імен папок (каталогів) або символів "..", розділених символом "\". Шлях задає маршрут від поточної або кореневої папки диска до тій папці, в якій знаходиться файл. Якщо шлях починається з символу "\", то маршрут обчислюється від кореневої папки диска, інакше - від поточної папки. Кожне ім'я папки в шляху відповідає входу в папку з таким ім'ям, символ ".." відповідає входу в папку на рівень вище. наприклад:

A: \ text1.txt - файл text1.txt знаходиться в кореневій папці диска A:;

C: \ WORKS \ PASCAL \ prog1.pas - файл prog1.pas знаходиться в папці PASCAL, яка, в свою чергу, знаходиться в папці WORKS, що знаходиться в кореневій папці диска C:.

3.4.4. Файлова структура диска

Для того щоб на новий магнітний диск можна було записати інформацію, він повинен бути попередньо відформатований. форматування- це підготовка диска для запису інформації.

Під час форматування на диск записується службова інформація (робиться розмітка), яка потім використовується для запису і читання інформації. Розмітка проводиться за допомогою електромагнітного поля, створюваного записуючої головкою дисковода.

Запис інформації здійснюється за доріжках, Причому кожна доріжка розбивається на сектори, Наприклад, по 1024 байта (рис. 3.5). Дискета діаметром 3,5 дюйма об'ємом 1,44 Мбайт містить 80 доріжок і 18 секторів.

Мал. 3.6. циліндр вінчестера

На малюнку видно два циліндра (перший і другий), утворені рівновіддаленими доріжками на трьох дисках вінчестера. При роботі вінчестера кілька головок одночасно зчитують інформацію з доріжок одного циліндра.

Щоб звернутися до даних у файлі, треба знати адресу першого сектора з тих, в яких зберігаються дані файлу. Адреса сектора визначається трьома координатами: номер доріжки (циліндра), номер поверхні і номер сектора.

Операційна система (ОС) бере на себе зберігання цих відомостей для кожного файлу. Для реалізації доступу до файлу ОС використовують кореневої каталог, таблицю розміщення файлів FAT (File Allocation Table) і завантажувальний сектор диска. Ці елементи утворюють системну область диска(Або дискети) і створюються в процесі ініціалізації (форматування) диска.

Завантажувальний сектор, таблиця розміщення файлів, кореневий каталог і залишився вільним простір пам'яті диска, зване областю даних, є елементами файлової структури диска.

Жорсткий диск може бути розбитий на кілька розділів. Тому в початкових секторах жорсткого диска поміщається інформація про кількість розділів, їх місцезнаходження і розмірах. Розділи жорсткого диска в подальшому розглядаються як автономні диски, кожен з яких окремо инициализируется, має власне буквене позначення (C :, D :, E :, F: і т.д.) і свої елементи файлової структури.

завантажувальний сектор(Boot Record)- це візитна картка диска, в якій записані дані, необхідні для роботи з диском. Він розміщується на кожному диску в логічному секторі з номером 0. У завантажувальний сектор записуються такі характеристики:

ідентифікатор системи, якщо на диску записана операційна система;

розмір секторів диска в байтах;

кількість секторів в кластері;

кількість елементів в каталозі;

кількість секторів на диску і т.д.

Якщо диск підготовлений як системний (завантажувальний), то завантажувальний сектор містить програму завантаження операційної системи. В іншому випадку, він містить програму, яка при спробі завантаження з цього диска операційної системи виводить повідомлення про те, що даний диск не є системним.

За завантажувальним сектором на диску слід таблиця розміщення файлів.

Таблиця розміщення файлів(File Allocation Table - скорочено FAT)містить опис порядку розташування всіх файлів в секторах даного диска, а також інформацію про дефектних ділянках диска. За FAT-таблицею слід її точна копія, що підвищує надійність збереження цієї дуже важливої ​​таблиці.

В процесі роботи користувачів на комп'ютері вміст диска змінюється: додаються нові файли, видаляються непотрібні, деякі файли розширюються або зменшуються і т.д.

Виконання цих операцій вимагає наявності спеціального механізму розподілу запам'ятовує простору диска між файлами і забезпечення доступу до них. Цей механізм реалізований шляхом використання таблиці розміщення файлів.

При виконанні операцій читання-запису даних обмін інформацією між дисковим накопичувачем і пам'яттю комп'ютера здійснюється блоками. Мінімальний обсяг блоку дорівнює сектору. Для зменшення кількості звернень до диска за одне звернення може записуватися або зчитуватися інформація з кількох послідовно розташованих секторів, що утворюють своєрідний суперблок, званий кластером. Таким чином, кластер- кілька послідовно розташованих секторів, які зчитуються або записуються в файл за одне звернення до нього. Розмір кластера може бути різним.

Файлу, записуються на диск, виділяється ціле кількість кластерів, причому виділяються кластери можуть перебувати в різних місцях диска. На відміну від безперервних файлів, Що знаходяться в одній області пам'яті, файли, що займають на диску кілька областей, називаються фрагментованими. Призначення FAT - зберігати дані про місцезнаходження на диску фрагментів файлів.

Механізм доступу до файлів з використанням FAT реалізується в такий спосіб. Область даних диска розглядається як послідовність пронумерованих кластерів. Кожному кластеру ставиться у відповідність елемент FAT з тим же номером. Наприклад, елемент 2FAT відповідає кластеру 2 області даних диска, елемент 3FAT кластеру 3 і т.д. У каталозі, що містить відомості про файли на диску, для кожного файлу вказано номер першого кластера, займаного файлом. Цей номер називається точкою входу в FAT. Система, прочитавши в каталозі номер першого кластера файла, звертається до цього кластеру, наприклад записує в нього дані. У FAT перший кластер файлу містить номер другого кластера файлу або ознака кінця файлу і т.д. Приклад механізму доступу до файлів з використанням FAT представлений в табл. 3.1.

Таблиця 3.1

Механізм доступу до файлів з використанням FAT

Вхід в FAT

Номер елементів FAT

Значення елементів FAT

В основі функціонування будь-якого типу комп'ютера лежить пристрій, здатне зберігати інформацію, використовувати її для розрахунків і видавати на першу вимогу оператора.

визначення

Пристрій зберігання інформації є пристосування, пов'язане з іншими елементами комп'ютера і здатне сприймати зовнішній вплив. У сучасних ЕОМ застосовується відразу кілька типів подібних виробів, кожне з яких має власну функціональністю і особливостями роботи. Пристрої зберігання ключової інформації класифікуються за своїми принципами роботи, вимогам до енергозабезпечення та за багатьма іншими параметрами.

Дії з пам'яттю

Головне завдання будь-якого записуючого пристрою полягає в можливості роботи з ним оператора. Всі дії поділяються на три типи:

• зберігання. Вся інформація, що потрапила на записуючий пристрій, має бути присутня там до видалення оператором або комп'ютером. Бувають вироби, здатні зберігати дані довгий час навіть при вимкненому ЕОМ. Саме так функціонують стандартні жорсткі диски. Інші схожі вироби (оперативна пам'ять) містять тільки частину даних, щоб оператор отримав до них доступ максимально швидко.
• введення. Інформація повинна якимось чином потрапляти на записуючий пристрій. В даному випадку поділ може йти за цим принципом. Одні моделі працюють безпосередньо з оператором. Інші пов'язані з іншими пристроями, що запам'ятовують елементами, прискорюючи їх роботу.
• висновок. Отримані дані виводяться на інтерфейс взаємодії з користувачем або надаються для розрахунків іншим запам'ятовуючим пристроям.

Всі пристрої зберігання, введення і виведення інформації тим чи іншим чином пов'язані в єдину мережу в рамках одного комп'ютера. Всі разом вони забезпечують його працездатність.

форма

Класифікація пристроїв зберігання інформації за формою записи розділяє їх все на дві категорії: аналогові і цифрові. Перші в сучасному світі практично не використовуються. Найближчим прикладом аналогового записуючого пристрій є касета для магнітофона, яка вже давно застаріла. Проте деякі розробки ведуться і в цьому напрямку. На даний момент вже є декілька прототипів непоганих по ємності і швидкості роботи виробів такого типу, проте порівняно з цифровими пристроями вони значно програють за вартістю виробництва. Стандартний жорсткий диск для комп'ютера зберігає інформацію у вигляді одиниць і нулів. Це цифровий записуючий пристрій, як і переважна більшість сучасних виробів такого типу. В основі їх функціонування лежить принцип збереження фізичного стану носія в одній з двох можливих форм (для двійкової системи). Зараз застосовуються і більш сучасні варіанти, здатні використовувати трійчастий або навіть десятковий вигляд записи. Це стало можливо завдяки використанню унікальних властивостей різних матеріалів і появи нових технологій запису даних на накопичувачі. Людство поступово збільшує обсяг можливої ​​для збереження інформації з одночасним зменшенням розміру носія.

стійкість записи

Класифікація за цим показником розділяє всі пристрої зберігання і обробки інформації на чотири групи:

• оперативні записуючі(ОЗУ). Оператор отримує можливість вносити нову інформацію, зчитувати вже наявну і працювати з нею прямо в процесі функціонування. Приклад - оперативна пам'ять комп'ютера. У ній зберігається велика частина постійно запитуваних даних, завдяки чому не потрібно постійно звертатися до основного жорсткого диска. У більшості випадків вся інформація стирається з таких носіїв після відключення подачі енергії.
• перезаписувані(ПППЗУ). Такі вироби дозволяють записувати, стирати і знову вносити дані практично необмежену кількість разів. Приклад - CD-RW і стандартні жорсткі диски. У будь-якому комп'ютері такої пам'яті найбільше, і саме на ній зберігається практично вся інформація користувача.
• записуються(ППЗУ). На таких пристроях дані можна зберегти тільки один раз. Неможливо перезаписати або видалити інформацію, що і є найголовнішим мінусом подібних виробів. Приклад - диски CD-R. У сучасному світі використовується вкрай рідко.
• постійні(ПЗУ). Цей тип пристроїв зберігає раз записану інформацію і не дозволяє будь-яким чином її видаляти чи змінювати. Приклад - BIOS комп'ютера. У ньому всі дані залишаються без змін і використовувати отримує можливість вибрати тільки інші настройки з переліку існуючих. На відміну від ППЗУ, на такі носії все ж можна вносити нові дані, але, як правило, це вимагає повного видалення старих. Тобто BIOS можна перевстановити, але не доповнити або оновити.

енергонезалежність

Для роботи комп'ютера потрібна електроенергія, без якої виконання всіх дій було б неможливим. Однак якби кожен раз після вимкнення ПК дані про всю виконану роботу стиралися, то значення ЕОМ в нашому житті було б значно меншим. Так які пристрої зберігання інформації по потреби в харчуванні існують?

• енергозалежні. Ці вироби працюють тільки тоді, коли є до них подано електрику. До такого типу відносять стандартні модулі оперативної пам'яті DRAM або SRAM.
• енергонезалежні. Для збереження інформації записуючі пристрої не вимагають харчування. Приклад - жорсткий диск комп'ютера.

Тип доступу

Пристрої зберігання інформації поділяються також і за цим показником. За типом доступу пам'ять буває:

• асоціативної. Використовується рідко. До таких виробів можна віднести спеціальні пристрої, які використовуються з метою підвищення швидкості роботи великих масивів даних.
• прямий. Повний і необмежений доступ пропонується жорсткими дисками, які відносяться до цього типу доступу.
• послідовної. Зараз практично не використовується. Раніше застосовувався в магнітних стрічках.
• довільної. За таким принципом працює оперативна пам'ять, що надає користувачеві можливість в довільній формі отримати доступ до останньої інформації, з якою працювала система. Застосовується для прискорення роботи комп'ютера.

виконання

Пристрої, призначені для зберігання інформації, мають класифікацію за типом виконання.

• Друковані плати. До такого виду відносяться модулі оперативної пам'яті і картриджі для старих приставок. Працюють дуже швидко, однак потребують постійної подачі енергії, через що їх поточне застосування носить допоміжну роль.
• Дискові.Бувають магнітними і оптичними. Найпопулярнішим представником вважається жорсткий диск комп'ютера. Використовуються в якості основного носія інформації.
• Карткові. Варіантів виконання багато. З останніх можна відзначити флеш-карти. Раніше цей тип застосовувався для виготовлення перфокарт і їх магнітних аналогів.
• барабанні. Приклад - магнітний барабан. Практично не використовується.
• Стрічкові.Приклад - перфоровані або магнітні стрічки. У сучасному світі майже не зустрічається.

фізичний принцип

За фізичним принципом роботи пристрою введення, виведення, зберігання та обробки інформації поділяються на:

• магнітні. Виконуються у вигляді сердечників, дисків, стрічок або карт. Приклад - жорсткий диск. Це не найшвидший спосіб обробки інформації, проте він дозволяє довгий час зберігати дані без подачі енергії, що і забезпечує їх поточну популярність.
• перфораційні. Виготовляються як стрічки або карти. Приклад - старовинна перфокарта, використовувана для запису інформації в перших моделях ЕОМ. Через складність виготовлення і невеликої кількості збережених даних зараз такий принцип практично не використовується.
• Оптичні. CD-диски будь-якого виду. Всі вони працюють на принципі відображення світла від своєї поверхні. Лазер пропалює доріжки, утворюючи ділянки, що відрізняються від загальної маси, що дозволяє використовувати все ту ж систему двійкового коду, в якій один стан диска позначається одиницею, а інше - нулем.
• магнітооптичні. Диски типу MO. Використовуються рідко, але поєднують в собі переваги обох систем.
• Електростатичні.Працюють за принципом накопичення заряду електрики. Приклади - ЕПТ, конденсаторні пристрої, що запам'ятовують.
• напівпровідникові. Використовують особливості однойменних матеріалів для збору і зберігання даних. Так працює флеш-накопичувач.

Крім усього іншого, існують пристрої, що запам'ятовують, які працюють за іншим фізичним принципам. Наприклад, на надпровідності або звуці.

кількість станів

Останнім варіантом класифікації пристрої довготривалого зберігання інформації є те, скільки станів воно може підтримувати. Як вже було сказано вище, цифрові носії працюють за рахунок зміни своєї фізичної частини на основі поданої електроенергії. Найпростіший приклад: якщо магнітиться, значить, це одно цифрі 1, якщо ні, значить - 0. Це принцип робота довічних систем, які здатні підтримувати тільки два варіанти стану. Зараз також використовуються пристрої, що працюють в трьох і більше формах. Це відкриває дуже широкі перспективи використання носіїв даних, дозволяє зменшувати їх розмір, одночасно зі збільшенням загального об'єму інформації.

підсумки

Старі накопичувачі були дуже великими. Найперші комп'ютери вимагали приміщення, який можна порівняти з сучасними спортивними залами, та ще при цьому працювали дуже повільно. Прогрес не стоїть на місці і зараз пристрої зберігання інформації, навіть самі об'ємні, можна просто покласти в кишеню. Подальший розвиток може піти як по шляху пошуку нових матеріалів або способів взаємодії зі старими, так і за напрямом створення постійної і стабільної зв'язку по всьому світу. В такому випадку ємні накопичувачі будуть розташовані в спеціальних серверних, а всі дані користувач буде отримувати по «хмарної» технології.

Для подання інформації в пам'яті ЕОМ (як числовий так і не числовий) використовується двійковий спосіб кодування.

Елементарна комірка пам'яті ЕОМ має довжину 8 біт (1 байт). Кожен байт має свій номер (його називають адресою). Найбільшу послідовність біт, яку ЕОМ може обробляти як єдине ціле, називають машинним словом.Довжина машинного слова залежить від розрядності процесора і може бути рівною 16, 32 бітам і т.д.

Для кодування символів досить одного байта. При цьому можна уявити 256 символів (з десятковими кодами від 0 до 255). Набір символів персональних комп'ютерів найчастіше є розширенням коду ASCII (American Standart Code of Information Interchange - стандартний американський код для обміну інформацією).

У деяких випадках при поданні в пам'яті ЕОМ чисел використовується змішана двійковій-десяткова система числення, де для зберігання кожного десяткового знак потрібен напівбайт (4 біта) і десяткові цифри від 0 до 9 представляються відповідними двійковими числами від 0000 до 1001. Наприклад, упакований десятковий формат , призначений для зберігання цілих чисел з 18-ю значущими цифрами і займає в пам'яті 10 байт (старший з яких знаковий), використовує саме цей варіант.

Інший спосіб представлення цілих чисел - додатковий код. Діапазон значень величин залежить від кількості біт пам'яті відведених для їх зберігання. Наприклад, величини типу Integer лежать в діапазоні від
-32768 (-2 15) до 32677 (2 15 -1) і для їх зберігання відводиться 2 байти: типу LongInt - в діапазоні від -2 31 до 2 31 -1 і розміщуються в 4 байтах: типу Word - в діапазоні від 0 до 65535 (2 16 -1) використовується 2 байта і т.д.

Як видно з прикладів, дані можуть бути інтерпретовані як числа зі знаком, так і без знаків. У разі подання величини зі знаком найлівіший (старший) розряд вказує на позитивне число, якщо містить нуль, і на негативне, якщо - одиницю.

Взагалі, розряди нумеруються справа наліво, починаючи з нуля.

додатковий кодпозитивного числа збігається з його прямим кодом. Прямий код цілого числа може бути представлений таким чином: число переводитися в двійкову систему числення, а потім його двійкову запис зліва доповнюють такою кількістю незначних нулів, скільки вимагає тип даних, до якого належить число. Наприклад, якщо число 37 (10) = 100101 (2) оголошено величиною типу Integer, то його прямим кодом буде 0000000000100101, а якщо величиною типу LongInt, то його прямий код буде. Для більш компактного запису частіше використовують шістнадцятковий код. Отримані коди можна переписати відповідно як 0025 (16) і 00000025 (16).

Додатковий код цілого негативного числа може бути отриманий за наступним алгоритмом:

1. записати прямий код модуля числа;
2. інвертувати його (замінити одиниці нулями, нулі - одиницями);
3. додати до інверсійної коду одиницю.

Наприклад, запишемо додатковий код числа -37, інтерпретуючи його як величину типу LongInt:

1. прямий код числа 37 есть1
2. інверсний код
3. додатковий код або FFFFFFDB (16)

При отриманні по додатковому коду числа, перш за все, необхідно визначити його знак. Якщо число виявиться позитивним, то просто перевести його код в десяткову систему числення. У разі негативного числа необхідно виконати наступний алгоритм:

1. відняти від коду 1;
2. інвертувати код;
3. перевести в десяткову систему числення. Отримане число записати зі знаком мінус.

Приклади.Запишемо числа, відповідні додатковим кодам:

1. 0000000000010111.

   Оскільки в старшому розряді записаний нуль, то результат буде позитивним. Це код числа 23.

2. 1111111111000000.

   Тут записаний код негативного числа, виконуємо алгоритм:

   1. 1111111111000000 (2) - 1 (2) = 1111111110111111 (2) ;
   2. 0000000001000000;
   3. 1000000 (2) = 64 (10)

Дещо інший спосіб застосовується для подання в пам'яті персонального комп'ютера дійсних чисел. Розглянемо уявлення величин з плаваючою точкою.

Будь-яке дійсне число можна записати в стандартному вигляді M * 10 p, де 1 ≤ M< 10, р- целое число. Например, 120100000 = 1,201*10 8 . Поскольку каждая позиция десятичного числа отличается от соседней на степень числа 10, умножение на 10 эквивалентно сдвигу десятичной запятой на 1 позицию вправо. Аналогично деление на 10 сдвигает десятичную запятую на позицию влево. Поэтому приведенный выше пример можно продолжить: 120100000 = 1,201*10 8 = 0,1201*10 9 = 12,01*10 7 ... Десятичная запятая плавает в числе и больше не помечает абсолютное место между целой и дробной частями.

У наведеній вище записи М називають мантиссойчисла, а р - його порядком. Для того щоб зберегти максимальну точність, обчислювальні машини майже завжди зберігають мантиссу в нормалізованому вигляді, що означає, що мантиса в даному випадку є число, яке лежить між 1 (10) і 2 (10) (1 ≤ М< 2). Основные системы счисления здесь, как уже отмечалось выше,- 2. Способ хранения мантиссы с плавающей точкой подразумевает, что двоичная запятая находится на фиксированном месте. Фактически подразумевается, что двоичная запятая следует после первой двоичной цифры, т.е. нормализация мантиссы делает единичным первый бит, помещая тем самым значение между единицей и двойкой. Место, отводимое для числа с плавающей точкой, делится на два поля. Одно поле содержит знак и значение мантиссы, а другое содержит знак и значение порядка.

Персональний комп'ютер IBM PC з математичним співпроцесором 8087 дозволяє працювати з наступними дійсними типами (діапазон значень вказано за абсолютною величиною):

63

52

0

Можна помітити, що старший біт, відведений під мантиссу, має номер 51, тобто мантиса займає молодші 52 біта. Риса вказує тут на положення двійковій коми. Перед коми повинен стояти біт цілої частини мантиси, але оскільки вона завжди дорівнює одиниці, тут даний біт не потрібно і відповідний розряд відсутній в пам'яті (але він мається на увазі). Значення порядку зберігатися тут не як ціле число, представлене в додатковому коді. Для спрощення обчислень і порівняння дійсних чисел значення порядку в ЕОМ зберігається у вигляді зміщеного числа, Тобто до теперішнього значенням порядку, перед записом його в пам'ять, додається зсув. Зсув вибирається так, щоб мінімального значення порядку відповідав нуль. Наприклад, для типу Double порядок займає 11 біт і має діапазон від 2 -1023 до 2 1023, тому зсув дорівнює 1023 (10) = 1111111111 (2). Нарешті, біт з номером 63 вказує на знак числа.

Таким чином, з вищесказаного випливає наступний алгоритм для отримання уявлення дійсного числа в пам'яті ЕОМ:

1. перевести модуль даного числа в двійкову систему числення;
2. нормалізувати двійкове число, тобто записати у вигляді М * 2 p, де М - мантиса (її ціла частина дорівнює 1 (2)) і р- порядок, записаний в десятковій системі числення;
3. додати до порядку зміщення і перевести зміщений порядок в двійкову систему числення;
4. враховуючи знак заданого числа (0 - позитивне; 1 - негативне), виписати його подання до пам'яті ЕОМ.

Приклад.Запишемо код числа -312,3125.

1. Двійковий запис модуля цього числа має вигляд +100111000,0101.
2. Маємо 100111000,0101 = 1,001110000101 * 2 8.
3. Отримуємо зміщений порядок 8 + тисяча двадцять три = 1031. Далі маємо 1031 (10) = 10000000111 (2).
4. остаточно
   

   63

   52

   0

   1. Перш за все, помічаємо, що це код позитивного числа, оскільки в розряді з номером 63 записаний нуль, Отримаємо порядок цього числа. 01111111110 (2) = 1022 (10). 1022 - 1023 = -1.
   2. Число має вигляд 1,1100011 * 2 -1 або 0,11100011.
   3. Перекладом в десяткову систему числення отримуємо 0,88671875.

   Ми розглянули види представлення інформації в пам'яті ЕОМ, тепер можна приступити до перевірки знань.

   Якщо ж вам потрібні варіанти на папері то