Текст книги "Информационные технологии"

1.6. Представление информации в компьютере

Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы преобразовать таким образом музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять его интенсивность на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например наложить друг на друга звуки различных источников. После этого результат можно преобразовать обратно в звуковую форму.

Аналогичным образом на компьютере можно обработать и текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства для восприятия человеком по этим числам строится соответствующее изображение буквы.

Компьютер может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, звуковую, видеоинформацию только тогда, когда она представлена в нем в двоичном коде (двоичная форма представления информации), т. е. используется алфавит мощностью в два символа: логический 0 и логическая 1. Связано это с тем, что информацию удобно представлять в виде последовательности сигналов (электрических импульсов): сигнал отсутствует – (0), сигнал есть – (1). Такое кодирование принято называть двоичным, а сами логические последовательности нулей и единиц – машинным языком. Каждая цифра машинного двоичного кода несет количество информации, равное одному биту.

Бит – это единица информации, представляющая собой двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. При записи двоичной цифры можно реализовать выбор только одного из двух возможных состояний, а значит, она несет количество информации, равное одному биту. Следовательно, две цифры несут информацию 2 бита, четыре разряда – 4 бита и т. д. Чтобы определить количество информации в битах, достаточно определить количество цифр в двоичном машинном коде. Благодаря введению понятия единицы информации появилась возможность определения размера любой информации числом бит. Поэтому объем информации определяют в битах.

Для удобства информацию, представленную в компьютере, описывают многоразрядными последовательностями двоичных чисел. Эти последовательности объединяются в группы по 8 бит. Такая группа именуется байтом; например, число 11010011 – это информация величиной 1 байт. Байт – это восемь последовательных бит. В 1 байте можно кодировать значение одного символа из 256 (2⁸) возможных комбинаций.

Более крупными единицами информации являются: килобайт (Кбайт), мегабайт (Мбайт), гигабайт (Гбайт): 1 Кбайт = 1024 байт; 1 Мбайт = 1024 Кбайт; 1 Гбайт = – 1024 Мбайт. В этих единицах измеряется емкость запоминающих устройств.

Перед тем как кодировать любую информацию, нужно договориться о том, какие используются коды, в каком порядке они записываются, хранятся и передаются. Это называется языком представления информации.

Кодирование текстовой информации. В настоящее время большинство пользователей с помощью компьютера обрабатывают текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др. Чтобы закодировать один символ, традиционно используют количество информации, равное 1 байту, т. е. I = 1 байт = 8 бит. В 60-е годы XX века это было закреплено комитетом ASCII США в ASCII-стандарте.

Формула, которая связывает между собой количество возможных событий Km количество информации 7, позволяет вычислить, сколько различных символов можно закодировать (считая, что символы – это возможные события):

К = 2¹ = 2⁸ = 256.

Следовательно, для представления текстовой информации можно использовать алфавит мощностью 256 символов. Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255.

В середине 90-х годов XX века появилась новая кодировка – Unicode, поддерживающая 65 536 различных символов. В ней на каждый символ отводится по 2 байта:

К = 2¹ = 2¹⁶ = 65 536.

Следует отметить, что кодировка Unicode используется в случаях, когда к кодированию не предъявляются дополнительные требования (например, когда необходимо указать на возникшую ошибку, исправить ошибку, обеспечить секретность информации или использовать ее в различных операционных системах).

Кодирование графической информации. В середине 50-х годов для больших ЭВМ, которые применялись в научных и военных исследованиях, впервые было реализовано представление данных в графическом виде. В настоящее время широко используются технологии обработки графической информации с помощью персонального компьютера (ПК). Графический интерфейс пользователя стал стандартом де-факто для программного обеспечения разных классов, начиная с операционных систем. Это связано со свойством человеческой психики: наглядность способствует более быстрому пониманию. Широкое применение получила специальная область информатики – компьютерная графика, которая изучает методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов. Без нее трудно представить уже не только компьютерный, но и вполне материальный мир, так как визуализация данных применяется во многих сферах человеческой деятельности: в медицине, образовании, в опытно-конструкторских разработках, научных исследованиях и др.

Особенно интенсивно технология обработки графической информации с помощью компьютера стала развиваться в 80-х годах. Графическую информацию можно представлять в двух формах: аналоговой и дискретной. Живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно, – это пример аналогового представления, а изображение, напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета, – это дискретное представление. Для представления графической информации в двоичной форме используются растровый и векторный способы.

Растровый способ. Вертикальными и горизонтальными линиями изображение разбивается на отдельные точки; каждому элементу ставятся в соответствие коды его цвета и место, которое он занимает. При этом качество кодирования будет зависеть от размера точки и количества используемых цветов. Чем меньше размер точки (т. е. изображение составляется из большего количества точек), тем выше качество кодирования. Чем большее количество цветов используется (т. е. точка изображения может принимать больше возможных состояний), тем больше информации несет каждая точка, а значит, увеличивается качество кодирования. Поэтому информация о каждой клетке будет иметь довольно сложный вид: номер клетки, яркость, тон, насыщенность, цвет и др.

Векторный способ. Информация вычисляется по специальным формулам, описывающим какой-либо объект.

Трехмерная графика (3D). Способ представления графической информации, в котором сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. Теоретически 3D изучает методы и приемы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве, а на практике создает объемные модели на плоскости.

Кодирование звуковой информации. Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканьем часов и гулом моторов, завыванием ветра и шелестом листьев, пением птиц и голосами людей. О том, как рождаются звуки и что они собой представляют, люди начали догадываться очень давно. Еще древнегреческий философ и ученый-энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то разрежает, то уплотняет воздух, а из-за упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство – от слоя к слою, возникают упругие волны. Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущение звука.

На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту где-то в пределах от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц – одно колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. В учении о звуке важны такие понятия, как тон и тембр звука. Всякий реальный звук, будь то игра на музыкальных инструментах или голос человека, – это своеобразная смесь многих гармонических колебаний с определенным набором частот.

Колебание, которое имеет наиболее низкую частоту, называют основным тоном, другие колебания называют обертонами.

Тембр – это разное количество обертонов, присущих тому или иному звуку, которое придает ему особую окраску. Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона. Именно по тембру мы легко можем отличить звуки рояля и скрипки, гитары и флейты, узнать голос знакомого человека.

Музыкальный звук можно характеризовать тремя качествами:

– тембром, т. е. окраской звука, которая зависит от формы колебаний;

– высотой, определяющейся числом колебаний в секунду (частотой);

– громкостью, зависящей от интенсивности колебаний.

Звуковую информацию можно представить в дискретной и аналоговой формах. Их отличие в том, что при дискретном представлении информации физическая величина изменяется скачкообразно, принимая конечное множество значений. Если же информацию представить в аналоговой форме, то физическая величина может принимать бесконечное количество значений, непрерывно изменяющихся.

Семпл – это промежуток времени между двумя измерениями амплитуды аналогового сигнала. Дословно sample переводится с английского как «образец». В мультимедийной и профессиональной звуковой терминологии это слово имеет несколько значений. Семплом называют также любую последовательность цифровых данных, которые получили путем аналого-цифрового преобразования. Сам процесс преобразования называют семплированием или дискредитацией.

Важными параметрами семплирования являются частота и разрядность.

Частота – это количество измерений амплитуды аналогового сигнала в секунду. Если частота семплирования не будет более чем в два раза превышать частоту верхней границы звукового диапазона, то на высоких частотах будут происходить потери. Так как диапазон колебаний звуковых волн находится в пределах от 20 Гц до 20 кГц, то стандартной является частота 44,1 кГц – выбрана с таким расчетом, чтобы количество измерений сигнала в секунду было больше, чем количество колебаний за тот же промежуток времени. Если же частота дискредитации значительно ниже частоты звуковой волны, то амплитуда сигнала успевает несколько раз измениться за время между измерениями, а это приводит к тому, что цифровой отпечаток несет хаотичный набор данных. При цифро-аналоговом преобразовании такой семпл не передает основной сигнал, а только выдает шум. Для экономии вычислительных ресурсов ЭВМ в мультимедийных приложениях довольно часто применяют меньшие частоты: 11, 22, 32 кГц. Это приводит к уменьшению слышимого диапазона частот, и как следствие происходит искажение звука.

Разрядность указывает, с какой точностью происходят изменения амплитуды аналогового сигнала. Точность, с которой при оцифровке передается значение амплитуды сигнала в каждый из моментов времени, определяет качество сигнала после цифро-аналогового преобразования. Именно от разрядности зависит достоверность восстановления формы волны. Для кодирования значения амплитуды обычно используют 8-, 16– или 20-битовое представление значений амплитуды. Если использовать 8-битовое кодирование, то можно достичь точности изменения амплитуды аналогового сигнала до 1/256 от динамического диапазона цифрового устройства (2⁸ = 256). Если использовать 16-битовое кодирование для представления значений амплитуды звукового сигнала, то точность измерения возрастет в 256 раз. В современных преобразователях принято использовать 20-битовое кодирование сигнала, что позволяет получать высококачественную оцифровку звука.

Но эти данные истинны только для того сигнала, чей максимальный уровень – 0 дБ. Если нужно семплировать сигнал с уровнем 6 дБ и разрядностью 16 бит, то для кодирования его амплитуды будет оставаться на самом деле только 15 бит. Если нужно семплировать сигнал с уровнем 12 дБ, то для кодирования его амплитуды будет оставаться только 14 бит. С увеличением уровня сигнала увеличивается разрядность его оцифровки, а значит, уменьшается уровень нелинейных искажений, который принято называть шумом квантования. В свою очередь, каждые 6 дБ, уменьшающие уровень, будут «съедать» по 1 биту.

1.7. Средства обработки информации

Компьютер представляет собой средство передачи, обработки и хранения информации. Чтобы информация превратилась в данные, ее надо собрать, соответствующим образом подготовить и только после этого ввести в ЭВМ, представив в виде данных на машинных носителях (рис. 4).

Рис. 4. Процесс передачи, обработки и хранения информации

На этапах подготовки и ввода информации осуществляется процедура контроля – выявление и устранение ошибок. Обычно для контроля применяют совокупность ручных и машинных методов, направленных на обнаружение ошибок. Методы подразделяют на:

– визуальный – перед вводом в компьютер человек просматривает информацию на наличие возможных ошибок;

– логический – информация по мере ввода в компьютер сравнивается с эталоном, правилами или ранее имевшейся информацией;

– арифметический – проверка путем подсчета контрольных сумм, применяется в бухгалтерии.

Ввод информации осуществляется ручным способом с клавиатуры или с помощью технических устройств и соответствующего программного обеспечения, например сканера и программ распознавания введенной информации. Существуют программы оптического распознавания текстовой информации, распознающие печатный текст, и интеллектуального распознавания, распознающие рукописный текст.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте область деятельности, которой занимается наука информатика.

2. Назовите виды данных и информации.

3. Перечислите основные системы счисления и области их использования.

4. Назовите формы представления информации.

5. В каких единицах измеряется информация?

Глава 2
Информационные технологии[1]1
  Несколько лет назад появилось новое понятие – «инфокоммуникационные технологии», которое обозначает область знания, рассматривающую в комплексе все системы взаимодействия телекоммуникационных и информационных технологий.


[Закрыть]

2.1. Понятие «информационная технология»

Технология – это комплекс научных и инженерных знаний, реализованных в приемах труда, наборах материальных, технических, энергетических, трудовых факторов производства, способах их соединения для создания продукта или услуги, отвечающих определенным требованиям. Целью технологического процесса является обеспечение человеческих потребностей. Задача технологии как науки – выявление закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных процессов.

В наше время человечество переживает научно-техническую революцию, в качестве материальной основы которой служит электронно-вычислительная техника. На базе этой техники появился новый вид технологий – информационные. К ним относятся процессы, в которых «исходным материалом» (входом) и «продукцией» (выходом) является информация. Разумеется, перерабатываемая информация связана с определенными материальными носителями. Но это не имеет существенного значения для информационных технологий. Главную роль здесь играет информация, а не ее носитель.

Информация является одним из ценнейших ресурсов общества наряду с такими традиционными материальными ресурсами, как нефть, газ, полезные ископаемые, а следовательно, процесс переработки информации по аналогии с процессами переработки материальных ресурсов можно воспринимать как технологию.

Информационная технология (ИТ) – это совокупность методов, производственных и программно-технических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод и распространение информации для снижения трудоемкости процессов использования информационных ресурсов, повышения надежности и оперативности:

данные → информационная технология → информационный продукт

«Информационная технология» (IT – Information Technology) – термин, обозначающий любую технологию, с помощью которой создается, хранится, используется, обрабатывается и передается информация.

Согласно определению, принятому ЮНЕСКО, информационная технология – это комплекс взаимосвязанных научных, технологических, инженерных дисциплин, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации, вычислительную технику и методы организации и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их практические приложения, а также связанные со всем этим социальные, экономические и культурные проблемы.

Цель ИТ – производство информации для ее анализа человеком и принятия решения для выполнения какого-либо действия. Чем шире использование компьютеров, тем выше их интеллектуальный уровень, тем больше возникает видов ИТ, к которым относятся технологии планирования и управления, научных исследований и разработок, экспериментов, проектирования, денежно-кассовых операций, криминалистики, медицины, образования и др.

Три основных принципа современных ИТ:

– интерактивный (диалоговый) режим работы;

– интегрированность (стыковка, взаимосвязь) с различным программным обеспечением;

– гибкость процесса изменения как данных, так и постановок задач.

Сегодня на основе новейших достижений микроэлектроники и беспроводной связи происходят процессы миниатюризации ИТ. Их развитие сопровождается тенденцией к интеграции и взаимопроникновению с целью повышения потребительских свойств продукта. Интенсивно развиваются технологии класса мультимедиа, соединяющие базовые черты разных ИТ и позволяющие немедленно предоставлять интересующую информацию с различной степенью детализации.

2.2. Этапы развития информационных технологий

В истории развития человеческой цивилизации произошло несколько преобразований общественных отношений, обусловленных кардинальными изменениями в сфере обработки информации. Это были революционные открытия, но эффект от них (и на это стоит обратить внимание) всегда растянут по времени. На начальных этапах переход общества на новые ступени взаимоотношений занимал тысячи лет, на современном этапе – несколько десятилетий или лет.

Первый этап. Накопленный опыт, профессиональные навыки на этом этапе передавались в основном личным примером по принципу «делай, как я». Примеры этого можно наблюдать в природе у животных и птиц. В качестве форм передачи информации использовались танцы, песни, устные предания и т. д. Начала формироваться система хранения информации в руках представителей правящей верхушки и религиозных деятелей. По современным оценкам, этот этап продолжался около миллиона лет.

Продолжительность периода работы людей с информационными образами составляет 99 % всего времени существования человеческой цивилизации. В этот период сформировалась система получения основной информации с помощью зрения. Поэтому при решении информационных задач эффективность труда человека резко возрастает в случае представления информации в виде изображений материальных объектов, что нашло широкое применение в наши дни в различных графических интерфейсах.

Второй этап. Его начало связывают с открытием различных способов длительного хранения информации на материальном носителе. Среди них – пещерная живопись (благодаря которой сохранились наиболее характерные зрительные образы, связанные с охотой, ремеслами, религией, выполненные 25–50 тыс. лет назад), гравировка по кости (например, лунный календарь, числовые нарезки для измерения, выполненные 20–30 тыс. лет назад).

Третий этап. Характеризуется появлением технологии регистрации на материальном носителе символьной информации. Первые алфавиты и способы их закрепления на различных носителях появились около 6 тыс. лет назад, что знаменовало наступление эры письменности. Применение этой технологии позволило накапливать и длительно хранить знания. В качестве носителей информации выступали и до сих пор выступают камень, кость, дерево, глина, папирус, шелк, бумага. Сейчас этот ряд можно продолжить: магнитные покрытия (лента, диски, цилиндры и т. д.), жидкие кристаллы, оптические носители, полупроводники и пр.

Накопление знаний происходило довольно медленно из-за трудностей получения уже накопленной информации: знания, представленные в виде рукописных изданий, были сосредоточены, как правило, в храмах и монастырях, а потому доступом к ним владели только жрецы, которые выступали «посредниками» между накопленными знаниями и заинтересованными в них людьми.

На этом этапе возникает ряд информационных технологий (в частности, пиар-технологии), получивших развитие и активно использующихся в наши дни.

Четвертый этап. Начало этого этапа датируется 1445 годом, когда Иоганн Гутенберг изобрел печатный станок. Появление печатных книг открыло доступ к информации широкому кругу людей и резко ускорило темпы накопления знаний и систематизации их по отраслям. Прообразом печатного станка Гутенберга послужила технология печати отдельных листов к рукописным книгам (на деревянной подложке вырезались буквы), которая в усовершенствованном виде дошла до наших дней и широко применяется в высокой и глубокой печати. Принципиальное отличие изобретения Гутенберга заключалось в том, что в его станке буквы были наборными, а процесс печати – механизирован, что позволило ускорить и удешевить его. Период между первыми упоминаниями о технологиях и изобретением Гутенберга составляет около 300–400 лет (некоторые из технологий появились 3–3,5 тыс. лет назад).

На этом этапе роль религиозных служителей как основных хранителей информации неуклонно снижалась. Основными хранилищами знаний постепенно становились библиотеки и крупные учебные центры. Социальное значение поистине революционного изобретения Гутенберга трудно переоценить – оно дало толчок к развитию технологической цивилизации, смене общественного строя в целом.

Пятый этап. Его наступление связано с появлением в 1946 году машины для обработки информации. Это машина ЭВМ ENIAC, запущенная в эксплуатацию в университете Пенсильвании (США). Прообразами ее были компьютер Mark I (непосредственно предшествовал ее появлению), абак (древнегреческие счеты) и «машина Тьюринга» (основа всей современной теории механизации процессов хранения и обработки информации, теории алгоритмизации и искусственного интеллекта), практически нереализуемая современными техническими средствами.

Началу этого этапа способствовал ряд технологий, среди которых:

– изобретение электричества, благодаря которому появились телеграф, телефон, радио, позволяющие оперативно передавать и накапливать информацию в любом объеме;

– появление теории информации Шеннона, которая доказала основные законы хранения, обработки и передачи информации;

– развитие элементной базы, в частности появление электроламповых транзисторов, что позволило оперативно обрабатывать информацию.

Эти три основные технологии положили начало информатизации общества.

Появление компьютера позволило оперативно обрабатывать большие объемы информации, что послужило толчком к появлению наукоемких технологий, среди которых ракетостроение, электроника, современные средства связи. Получить более целостное представление об этом периоде поможет сопоставление этапов смены поколений электронно-вычислительных машин (ЭВМ) с достижениями в области обработки и передачи информации:

1-е поколение (начало 50-х годов). Элементная база – электронные лампы. ЭВМ отличались большими габаритами, большим потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах;

2-е поколение (с конца 50-х годов). Элементная база – полупроводниковые элементы. Улучшились, по сравнению с ЭВМ предыдущего поколения, все технические характеристики. Для программирования используются алгоритмические языки;

3-е поколение (начало 60-х годов). Элементная база – интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резко уменьшились габариты ЭВМ, повысилась их надежность, увеличилась производительность, стал возможным доступ с удаленных терминалов;

4-е поколение (с середины 70-х годов). Элементная база – микропроцессоры, большие интегральные схемы (БИС и СБИС). Улучшились технические характеристики. Начался массовый выпуск персональных компьютеров. Направления развития: мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью, создание дешевых микроЭВМ;

5-е поколение (с середины 80-х годов). Элементная база – элементы со сверхвысокой частотой и элементы, в которых вместо электронов используются фотоны (например, светодиоды). Началась разработка интеллектуальных компьютеров, пока не увенчавшаяся успехом. Осуществляется внедрение во все сферы компьютерных сетей, их объединение, использование распределенной обработки данных, повсеместное применение компьютерных информационных технологий.

Шестой этап. Его начало датируют 1982 годом – годом опубликования ISO (International Standards Organization) – Эталонной модели взаимодействия открытых систем ISO, которая базируется на ряде спецификаций, выпущенных ранее. Переход к этому этапу (его связывают также с появлением первого персонального компьютера, созданного фирмой IBM) осуществлен благодаря развитию элементной базы; так, разработка интегральных схем позволила создать микропроцессор (см. 3-е и 4-е поколения развития элементной базы). Шестой этап характеризуют три фундаментальные инновации:

– переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным;

– миниатюризация всех узлов, устройств, приборов, машин;

– создание программно-управляемых устройств и процессов.