Обзор Brainware и его применения в профессиональной деятельности

Социальную информатику мы рассмотрели выше. Теперь рассмотрим некоторые другие теории и понятия, также относящиеся к Brainware.

Теория кодирования

Современные компьютеры работают с числовой, текстовой, графической, звуковой информацией. Однако вся эта информация представлена в них в виде двоичных кодов - последовательностей, состоящих из двух цифр: 0 и 1. Теория кодирования дает методы представления информации различных видов в виде двоичных кодов.

Измерение объема двоичного кода. При измерении в битах (bit) длина двоичного кода - это количество цифр в нем. Есть и более крупные единицы измерения длины двоичного кода:

- байт (byte) равен 8 битам (bit);

- Килобит (Kbit) - 1024 битам;

- Килобайт (Kbyte) - 1024 байтам;

- Мегабит (Mbit) - 1024 Килобитам;

- Мегабайт (Mbyte) - 1024 Килобайтам;

- Гигабит (Gbit) - 1024 Мегабитам;

- Гигабайт (Gbyte) - 1024 Мегабайтам;

Сжатие двоичного кода. В настоящее время в связи с загруженностью каналов связи актуальна проблема сжатия кода. Проблема состоит в том, чтобы ту же самую информацию записать в виде возможно более короткого двоичного кода. Применяя специальные алгоритмы сжатия, можно из более длинного исходного кода получить более короткий результирующий код. Отношение длины исходного кода к длине результирующего кода называют коэффициентом сжатия.

Алгоритмы сжатия бывают обратимыми и необратимыми. Алгоритм сжатия называют обратимым, если для него существует обратный алгоритм, позволяющий по результирующему коду однозначно восстановить исходный.

В сети Internet, в цифровой фотографии и видеосъемке широко применяются необратимые алгоритмы сжатия: для графических файлов - JPEG и GIF; для звуковых файлов - MPEG3 и MID; для анимационных файлов - MPEG2 и MPEG4. При этом используют различные коэффициенты сжатия: для Internet и цифровой видеосъемки, как правило, самые большие (100-200); для цифровой фотографии меньшие (5-50). С увеличением коэффициента сжатия при использовании необратимых алгоритмов сжатия ухудшается качество графики, звука и анимации. В цифровой фотографии для получения фотографий самого высокого качества используют несжатую графику: файлы формата TIF, BMP. Текстовую и числовую информацию сжатию, как правило, не подвергают, поскольку она по сравнению с графической, звуковой, анимационной значительно более компактна и составляет по объему кода (но не по смыслу!) лишь 3-4% от всей информации в Internet.

Обратимые алгоритмы сжатия используют так называемые программы-архиваторы. Архиватор, используя в качестве исходного материала выделенные пользователем файлы и папки, в результате своей работы формирует значительно меньший по объему кода архивный файл (архив). Эта операция называется архивированием. Архиватор также может по архиву восстановить исходные файлы и папки. Эта операция называется разархивированием. Наиболее известные в настоящее время архиваторы - это WinZip, WinRar, WinArj. Для увеличения скорости и надежности электронной почты посылаемую информацию большого объема следует архивировать.

Обычная и экспоненциальная формы записи чисел.При работе с ЭВМ человек может использовать обычную и экспоненциальную десятичные формы записи чисел. При записи 145, -237, +529, 34.5, -45.1, +23.4 используется обычная десятичная форма записи чисел, она общеизвестна.

Записи 1.230456E2 и 123045.6E-3 используют десятичную экспоненциальную форму, их следует понимать как 1.230456x10² и 123045.6x10^-3 соответственно. При этом числа 1.230456 и 123045.6 называются десятичными мантиссами, а числа 2 и (-3) - десятичными порядками. Легко видеть, что обе записи представляют собой одно и то же число 123.0456. Таким образом, одно и то же число может иметь несколько представлений в экспоненциальной форме записи.

Запись этого же числа в виде 0.1230456E3 называется десятичной экспоненциальной с нормализованной мантиссой. Десятичная мантисса называется нормализованной, если у нее в целых разрядах стоят нули, а в разряде десятых не равная нулю цифра. Такая запись обладает свойством единственности.

Экспоненциальная форма записи удобна для представления очень больших по абсолютной величине или очень малых чисел. В качестве примеров приведем две известные из физики константы - число Авогадро N_A = 6.023E23 и гравитационную постоянную g = 6.67E-11.

Для внутреннего представления чисел в ЭВМ применяются обычная и экспоненциальная двоичные формы записи чисел. В данной книге эти формы мы не будем специально рассматривать. Интересующийся читатель самостоятельно может все приведенные выше рассуждения для десятичной системы счисления провести по аналогии также для двоичной.

Таблица 1.2. Характеристики кодов целых чисел

Таблица 1.3. Характеристики кодов действительных чисел

Кодирование чисел. Для кодирования чисел различных типов применяются различные правила. Так, например, если однобайтовый двоичный код 11111111 рассматривать как беззнаковое короткое целое число, то он будет означать число 255, а если как короткое целое с учетом знака, то число (-1). Таблица 1.2 содержит характеристики кодов различных типов целых чисел - длину кода и диапазон представления чисел.

Таблица 1.3 содержит характеристики кодов различных типов действительных чисел - длину кода, максимальное количество значащих цифр десятичной мантиссы представляемых чисел и диапазон их десятичного порядка. Так, например, число 0.987654321 при кодировании его с одинарной точностью будет округлено до 7 значащих цифр, т. е. до 0.9876543, а число 0.23412E-237 может быть закодировано лишь с двойной точностью из-за порядка (-237).

Кодирование даты и времени. Для кодирования даты и времени как правило используются действительные числа двойной точности, при этом отсчитывается количество суток от начала 1900 года до текущего момента времени. Так, момент 18 час. 00 мин. 00 сек. 5 января 1900 г. (18:00:00, 05.01.1900) представлен числом 4.75.

Кодирование символьной информации и текстов. При кодировании каждому символу сопоставляется беззнаковое целое число. Наиболее часто используемая в настоящее время система кодирования - это система ASCII. В ней символ кодируется коротким беззнаковым целым числом (байтом). Текст - это набор символов, следовательно, для его кодирования требуется столько байтов, сколько в нем символов. Коды 0 ... 127 постоянно используются для кодирования прописных и строчных букв английского алфавита (Aa Bb Cc ... Zz), цифр (0 1 2 ... 9), специальных символов (точка, запятая, минус, плюс и т. п.) и непечатаемых символов (пробел, табуляция, возврат каретки и т. п.) - эти символы называются постоянными символами ASCII. Коды 128 ... 255 используются для кодирования переменных символов ASCII. Набор этих символов зависит от страны, где находится данный компьютер. Таким образом, ASCII предполагает работу компьютера только на двух языках: на английском и русском - для России; на английском и греческом - для Греции и т. п.

Если по электронной почте отправить из России в Грецию написанное русскими буквами письмо: "Здравствуй Анна! Как твои дела?", то там получат безсвязный набор греческих букв и знаков: "Ηδπΰβρςβσι ΐννΐ! Κΰκ ςβξθ δελΰ?" (здесь нет слов греческого языка). Чтобы решить эту проблему, можно писать письмо по-английски: "Hello Ann! How do You do?" или пользоваться так называемой английской транслитрацией: "Zdravstvui Anna! Kak tvoi dela?"

Постепенно распространение получает система кодирования символов UNICODE - более современная по сравнению с ASCII. В системе UNICODE символ кодируется обычным беззнаковым целым числом (двумя байтами), т. е. кодами 0 ... 65535. Такая система включает практически все известные алфавиты, значит, ПК может поддерживать одновременно более двух языков. Однако UNICODE-кодирование одного и того же текста требует в 2 раза больше памяти, чем ASCII-кодирование.

Кодовые страницы. Таблица соответствия в системе ASCII кодов 128 ... 255 и символов, употребляемых в данной стране, называется кодовой страницей. В силу исторических причин для России имеется несколько кодовых страниц. Наиболее часто используемые русские кодовые страницы - это Windows-1256, MS-DOS-866 и КОИ-8. Это создает определенные неудобства, поскольку, например, код 152 соответствует в этих кодировках буквам "и", "ш" и "Х" соответственно. При работе с современными ПК переключение кодовых страниц осуществляется как правило программно, а не технически.

Кодирование графики и звука. Графика и звук также кодируются числами. Способов кодирования графики и звука очень много. Необходимый объем памяти определяется требуемым качеством записи графики или звука, поэтому невозможно однозначно ответить на вопросы: "Сколько Кбайт потребуется на 1 см² рисунка?" или "Сколько Кбайт потребуется на 1 мин. песни?". Однако можно однозначно сказать, что кодирование графики и звука требуют гораздо большего объема памяти, чем кодирование текстов.

Параметры качества видеоизображения характеризуется разрешением и цветовой палитрой (глубиной цвета). Разрешение характеризуется количеством точек (пикселов) изображения при делении его по вертикали и горизонтали соответственно. Дисплеи, видеокарты, цифровые фотоаппараты и видеокамеры поддерживают различные разрешения: 640х480; 800х600; 1024х768; 1280х960; 1600х1200; 1800x1350; 1920x1440; 2048x1536 и т. п. Например, при разрешении 800х600 количество пикселов равно 480000.

Цветовая палитра - это набор используемых оттенков цвета. Глубина цвета - это измеряемая в битах или байтах длина поля, используемого для записи двоичного кода оттенка цвета. Для дисплеев используются различные цветовые палитры, например, True Color (глубиной 24 bits). Следовательно, цвет кодируется в поле длиной 24 бита, т. е. мы имеем 2²⁴ » 16 млн. оттенков цвета, и на каждый пиксел тратится 24 бита (3 байта) видеопамяти, чтобы запомнить его цвет. Значит при разрешении 800х600 на изображение понадобится 480000 х 3 = 1440000 байтов или примерно 1.4 Мбайта видеопамяти. Бывают также другие цветовые палитры: B&W (глубиной 1 bit - черный и белый цвета); Gray (глубиной 8 bits - 256 градаций серого); Color (глубиной 8 bits - 256 оттенков цвета); High Color (глубиной 16 bits - 65536 оттенков цвета); True Color (глубиной 32 bits - около 4 млрд. оттенков цвета).

Растровая графика предполагает запоминание рисунка как совокупности пикселов, т. е. оттенков цвета в них. Именно этот принцип наиболее подходит для изображений реальных объектов, фотографий, видеофильмов. Растровая графика плохо масштабируется - это ее главный недостаток. Например, при преобразовании фотографии из разрешения 640х480 в 1920х1440 существующие пикселы как бы увеличатся в 3 раза и мы их увидим, в результате фотография станет зернистой и плавные границы объектов станут ступенчатыми. При рассмотренном преобразовании имеется некоторая однозначность: одному исходному пикселу соответствует 3х3=9 результирующих. При преобразовании же из 640х480 в 2048х1536 этой однозначности уже нет, здесь 5х5=25 исходным пикселам соответствуют 16х16=256 результирующих. При этом возможны искажения границ и цветности объектов.

Векторная графика предполагает запоминание рисунка как совокупности математических уравнений и неравенств, представляющих в соответствии с принципами аналитической геометрии линии и области, из которых состоит изображение. Векторная графика отлично масштабируется, но так могут быть представлены лишь схематичные картинки, реальные объекты, как правило, так представлены быть не могут. Такая графика частично используется в дизайне и в инженерной графике при разработке чертежей, схем и т. п.

Цветовая модель RGB предполагает получение различных оттенков цвета путем смешивания 3 компонентов: Red (красной), Green (зеленой) и Blue (синей) с различной интенсивностью. В этом случае каждый пиксел запоминается как тройка целых чисел без знака, означающих соответственно интенсивности красной, зеленой и синей составляющих. Если все три числа нулевые, то соответствующий пиксел - черный. Поэтому говорят, что в основе модели RGB лежит черный цвет.

Модель RGB используется в дисплеях, мультимедийных видеопроекторах, сканерах, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах, например, цветовая палитра True Color глубиной 24 bits.

Цветовая модель CMYK предполагает получение различных оттенков цвета путем смешивания 4 компонентов: Cyan (голубой цвет = белый - красный = зеленый + синий), Magenta (пурпурный цвет = белый - зеленый = красный + синий), Yellow (желтый цвет = белый - синий = красный + зеленый) и blacK (черный цвет) с различной интенсивностью. В этом случае каждый пиксел запоминается как четверка целых чисел без знака, означающих соответствующие интенсивности. Если все четыре числа нулевые, то соответствующий пиксел белый. Поэтому говорят, что в основе модели CMYK лежит белый цвет.

Модель CMYK используется главным образом в цветных принтерах, когда каждая точка на бумаге представляется в виде совокупности микроточек, представляющих соответствующие цветовые компоненты. Микроточки при этом должны быть так малы, чтобы глаз человека не видел их по отдельности. Изображение на бумаге, как правило, гораздо качественней изображения на экране дисплея.

Существует также не очень удачный опыт применения модели CMYK в дисплеях, например, цветовая палитра True Color глубиной 32 bits.

Адреса памяти ЭВМ. Каждый байт в памяти ЭВМ имеет свой уникальный номер, называемый адресом этого байта. Адреса памяти современных ПК обычно являются беззнаковыми обычными, длинными или сверхдлинными целыми числами, т. е. 16, 32 или 64-битными адресами.

Рисунок 1.5. Виды команд процессора и их структура:
КОП - код операции; А₁, А₂, А₃ - адреса 1-го, 2-го, 3-го операндов

Адресом состоящего из нескольких байтов поля называется адрес первого байта этого поля. Таким образом, говорят об адресах записанных в память обычных и длинных целых чисел (т. е. об адресах двух и четырех байтовых полей), об адресах действительных чисел одинарной и двойной точности (т. е. об адресах четырех и восьми байтовых полей), об адресах записанных в последовательные байты текстов и т. п.

Набор команд и программа для процессора. Набор команд процессора - это множество команд, которые способен выполнять данный процессор. Совершенствование процессоров обычно идет по пути расширения набора команд.

Программа для процессора - это последовательность команд из набора команд данного процессора, предназначенных для исполнения.

Структура команд процессора. Команда процессора - это двоичный код некоторой длины, причем различные команды могут иметь различную длину. Рисунок 1.5 показывает виды команд процессора (безадресные, 1-адресные, 2-адресные, 3-адресные и т. п.) и их структуру.

Операнды - это обрабатываемые командой данные. По коду операции процессор определяет, какую операцию должна произвести данная команда. Пусть, например, согласно КОП процессор должен выполнить 3-адресную команду сложения двух действительных чисел одинарной точности, записанных по адресам A₁, А₂ и записать результат по адресу А₃. В данном случае слагаемые и результат являются действительными числами одинарной точности, значит, каждое из них занимает в памяти ЭВМ поле длиной 4 байта. Следовательно, процессор берет 1-е слагаемое из 4-х последовательных байтов с адресами А₁, А₁+1, А₁+2, А₁+3, берет 2-е слагаемое из байтов с адресами А₂, А₂+1, А₂+2, А₂+3, складывает эти два числа, а результат записывает в последовательные байты с адресами А₃, А₃+1, А₃+2, А₃+3.

Поскольку любая информация (и тексты, и графика, и звук) внутри ЭВМ представляют собой числа, то, производя операции над числами, процессор фактически обеспечивает обработку любых видов информации.