При обработке информации с помощью технических средств удобно пользоваться распространенным в информатике подходом к понятию «информация» как мере уменьшения неопределенности.

Для количественного определения любой величины необходи­мо выбрать единицу измерения. Известно, что единицей измере­ния длины является метр, массы - килограмм. За единицу коли­чества информации бит принято такое ее количество, которое имеет место при уменьшении неопределенности в два раза.

В компьютере информация представлена в двоичном коде, т. е. на машинном языке, алфавит которого состоит из двух цифр (0 и 1). Эти цифры представляют собой по сути два равновероятных состояния. При записи одного двоичного разряда реализуется выбор одного из двух возможных состояний (одной из двух цифр), т.е. неопределенность уменьшается в два раза. Отсюда следует, что один двоичный разряд несет количество информации в 1 бит. При этом количество информации в битах равно количеству двоичных разрядов.

С другой стороны, число различных цифр N , которое можно записать с помощью I двоичных разрядов:

N=2 I

В Международной системе единиц СИ в качестве множителя кратных единиц используется коэффициент 10 n , например при n = 3, б, 9, соответственно в названиях этих единиц применяются десятичные приставки: кило, мега, гига. В информатике наиболее употребляемой единицей измерения количества информации яв­ляется байт, причем 1 байт = 8 бит.

Производные единицы измерения количества информации сле­дующие:

1 Кбайт = 210 байт = 1024 байт; 1 Мбайт = 210 Кбайт = 1024 Кбайт.

1.3. Двоичное кодирование информации

Современные технические средства информатизации выпол­няют функции обработки и хранения числовой, текстовой, гра­фической, звуковой и видеоинформации с помощью компьютера. Для работы с информацией, столь разной по физической сущно­сти, необходимо привести ее к единой форме. Все эти виды инфор­мации кодируются в последовательности электрических импульсов: есть импульс - 1, нет импульса - 0, т.е. в последовательности нулей и единиц. Такое кодирование информации в компьютере называется двоичным кодированием, а логические последова­тельности нулей и единиц - машинным языком.

Двоичное кодирование числовой информации заключается в том, что числа в компьютере представлены в виде последовательно­стей 0 и 1, или бит. В начале 1980-х гг. процессоры компьютеров были 8-разрядными, за один такт работы процессора компьютер мог обработать 8 бит, т.е. максимальное обрабатываемое целое десятичное число не могло превышать 11111111 в двоичной систе­ме. При дальнейшем повышении разрядности процессоров до 64-разрядных возросла и величина максимального числа, обрабаты­ваемого за один такт.

Двоичное кодирование текстовой информации используют для кодирования каждого символа 1 байт (8 двоичных разрядов), что позволяет закодировать N = 2 8 = 256 различных символов, которых обычно бывает достаточно для представления текстовой инфор­мации: прописные и заглавные буквы русского и латинского ал­фавита, цифры, знаки, графические символы. Присвоение сим­волу конкретного двоичного кода произведено в соответствии с принятым соглашением, зафиксированным в кодовой таблице.

В различных кодировках одному и тому же двоичному коду со­ответствуют различные символы. Каждая кодировка задается сво­ей собственной кодовой таблицей.

В задачу пользователя не входит решение проблемы перекоди­ровки текстовых документов. При работе в приложениях Windows предусмотрена возможность автоматической перекодировки до­кументов, созданных в приложениях MS-DOS. При работе в Internet с использованием броузеров Internet Explorer и Netscape Communication происходит автоматическая перекодировка Web-страниц.

При двоичном кодировании текстовой информации каждому символу соответствуют своя уникальная последовательность из восьми нулей и единиц, свой уникальный двоичный код от 00000000 до 11111111 (десятичный код от 0 до 255).

Первые 33 кода (с 0 по 32) соответствуют не символам, а опе­рациям (перевод строки, ввод пробела и т.д.). Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют символам латин­ского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и зна­кам препинания. Коды с 128 по 255 являются национальными, т.е. в национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы.

В настоящее время существуют пять различных кодовых таблиц для русских букв, поэтому тексты, созданные в одной кодировке, не будут аналогично отображаться в другой.

Одним из первых стандартов кодирования русских букв на ком­пьютерах был код КОИ-8 (код обмена информацией 8-битный), который применяется на компьютерах с операционной системой UNIX.

Наиболее распространенной является стандартная кирилличе­ская кодировка Microsoft Windows, обозначаемая СР1251 (СР - Code Page - кодовая страница), которую поддерживают все Windows-приложения, работающие с русским языком.

В среде операционной системы MS-DOS используется «альтер­нативная» кодировка, в терминологии фирмы Microsoft - коди­ровка СР866.

Для компьютеров Macintosh фирма Apple разработала свою собственную кодировку русских букв (Мае).

Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO) утвердила в качестве стандарта для русского языка кодировку, называемую ISO 8859-5.

Новый международный стандарт Unicode отводит на каждый символ не один байт, а два, и потому с его помощью можно закодировать не 256 символов, a N = 2 16 = 65 536 различных симво­лов. Эту кодировку поддерживает платформа Microsoft Windows @ Office 97,2000,XP.

Двоичное кодирование графической информации представляет со­бой достаточно сложный процесс, поскольку такая информация весьма разнообразна: от простых чертежей до видеофильмов. Од­нако любая графическая информация на экране монитора пред­ставляется в виде изображения, которое формируется из точек (пикселов). В случае обычного черно-белого изображения (без гра­даций серого цвета) каждая точка экрана может иметь лишь два состояния - «черная» или «белая», т. е. для хранения ее состояния необходим 1 бит.

Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, определяемую числом бит на точку: 4, 8, 16, 24. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, и тогда по формуле N = 2 I может быть вычислено количество цветов, отобра­жаемых на экране монитора.

Размер изображения определяется числом точек по горизонта­ли и по вертикали. В современных персональных компьютерах (ПК) обычно используются четыре основных размера изображения, или разрешающих способностей экрана: 640 х 480, 800 х 600, 1024 х 768 и 1280 х 1024 точки.

Графический режим вывода изображения на экран определяется разрешающей способностью экрана и глубиной цвета. Полная информация о всех точках изображения, хранящаяся в видеопа­мяти, называется битовой картой изображения.

Для формирования на экране монитора графического изобра­жения любого типа в видеопамяти компьютера должна храниться информация о каждой его точке, глубине ее цвета. Необходимый для этого объем видеопамяти рассчитывается следующим обра­зом:

объем видеопамяти = число точек х глубина цвета.

Например, для графического режима 800x600 точек и глубине цвета 16 бит на точку требуемый объем видеопамяти будет равен 800 х 600 х 16 бит = 7 680 000 бит = 960 000 байт = 937,5 Кбайт.

При компьютерной обработке так называемого «живого видео», т.е. видеоизображения естественных объектов, представляющих собой отдельные кадры, сменяющие друг друга с частотой 25 Гц, производится двоичное кодирование и запоминание в видеопа­мяти графической информации каждого кадра.

Двоичное кодирование звуковой информации по сути представля­ет собой двоичное кодирование непрерывного звукового сигнала после его дискретизации, т.е. преобразования в последовательность электрических импульсов - выборок. Все этапы преобразо­вания звукового сигнала в цифровой вид подробно рассмотрены в гл. 5. Точность процедуры двоичного кодирования определяется числом дискретных значений, которое может обеспечить звуко­вая система компьютера (звуковая карта), и числом дискретных выборок, выполненных за одну секунду.

Слово «информация» происходит от латинского слова informatio, что в переводе означает сведение, разъяснение, ознакомление. Понятие «информация» является базовым в курсе информатики, невозможно дать его определение через другие, более «простые» понятия. В геометрии, например, невозможно выразить содержание базовых понятий «точка», «луч», «плоскость» через более простые понятия. Содержание основных, базовых понятий в любой науке должно быть пояснено на примерах или выявлено путем их сопоставления с содержанием других понятий.

В случае с понятием «информация» проблема его определения еще более сложная, так как оно является общенаучным понятием. Данное понятие используется в различных науках (информатике, кибернетике, биологии, физике и др.), при этом в каждой науке понятие «информация» связано с различными системами понятий.

Информация в биологии. В биологии, которая изучает живую природу, понятие «информация» связывается с целесообразным поведением живых организмов. Такое поведение строится на основе получения и использования организмом информации об окружающей среде.

Понятие «информация» в биологии используется также в связи с исследованиями механизмов наследственности. Генетическая информация передается по наследству и хранится во всех клетках живых организмов. Гены представляют собой сложные молекулярные структуры, содержащие информацию о строении живых организмов. Последнее обстоятельство позволило проводить научные эксперименты по клонированию, то есть созданию точных копий организмов из одной клетки.

Информация в кибернетике. В кибернетике (науке об управлении) понятие «информация» связано с процессами управления в сложных системах (живых организмах или технических устройствах). Жизнедеятельность любого организма или нормальное функционирование технического устройства зависит от процессов управления, благодаря которым поддерживаются в необходимых пределах значения их параметров. Процессы управления включают в себя получение, хранение, преобразование и передачу информации.

Социально значимые свойства информации. Человек - существо социальное, для общения с другими людьми он должен обмениваться с ними информацией, причем обмен информацией всегда производится на определенном языке - русском, английском и так далее. Участники дискуссии должны владеть тем языком, на котором ведется общение, тогда информация будет понятной всем участникам обмена информацией. Информация должна быть полезной , тогда дискуссия приобретает практическую ценность. Бесполезная информация создает информационный шум, который затрудняет восприятие полезной информации. Примерами передачи и получения бесполезной информации могут служить некоторые конференции и чаты в Интернете. Широко известен термин «средства массовой информации» (газеты, радио, телевидение), которые доводят информацию до каждого члена общества. Такая информация должна быть достоверной и актуальной . Недостоверная информация вводит членов общества в заблуждение и может быть причиной возникновения социальных потрясений. Неактуальная информация бесполезна и поэтому никто, кроме историков, не читает прошлогодних газет.

Для того чтобы человек мог правильно ориентироваться в окружающем мире, информация должна быть полной и точной . Задача получения полной и точной информации стоит перед наукой. Овладение научными знаниями в процессе обучения позволяют человеку получить полную и точную информацию о природе, обществе и технике.

Единицы измерения количества информации.

Информация и знания. Человек получает информацию из окружающего мира с помощью органов чувств, анализирует ее и выявляет существенные закономерности с помощью мышления, хранит полученную информацию в памяти. Процесс систематического научного познания окружающего мира приводит к накоплению информации в форме знаний (фактов, научных теорий и так далее). Таким образом, с точки зрения процесса познания информация может рассматриваться как знания.

Информацию, которую получает человек, можно считать мерой уменьшения неопределенности знаний. Если некоторое сообщение приводит к уменьшению неопределенности наших знаний, то можно говорить, что такое сообщение содержит информацию.

Уменьшение неопределенности знаний. Подход к информации как мере уменьшения неопределенности знаний позволяет количественно измерять информацию, что чрезвычайно важно для информатики. Рассмотрим вопрос об определении количества информации более подробно на конкретных примерах.

Пусть у нас имеется монета, которую мы бросаем на ровную поверхность. С равной вероятностью произойдет одно из двух возможных событий - монета окажется в одном из двух положений: «орел» или «решка».

Можно говорить, что события равновероятны, если при возрастающем числе опытов количества выпадений «орла» и «решки» постепенно сближаются. Например, если мы бросим монету 10 раз, то «орел» может выпасть 7 раз, а решка - 3 раза, если бросим монету 100 раз, то «орел» может выпасть 60 раз, а «решка» - 40 раз, если бросим монету 1000 раз, то «орел» может выпасть 520 раз, а «решка» - 480 и так далее.

В итоге при очень большой серии опытов количества выпадений «орла» и «решки» практически сравняются. Перед броском существует неопределенность наших знаний (возможны два события), и, как упадет монета, предсказать невозможно. После броска наступает полная определенность, так как мы видим (получаем зрительное сообщение), что монета в данный момент находится в определенном положении (например, «орел»). Это сообщение приводит к уменьшению неопределенности наших знаний в два раза, так как до броска мы имели два вероятных события, а после броска - только одно, то есть в два раза меньше.

В окружающей действительности достаточно часто встречаются ситуации, когда может произойти некоторое количество равновероятных событий. Так, при бросании равносторонней четырехгранной пирамиды существуют 4 равновероятных события, а при бросании шестигранного игрального кубика - 6 равновероятных событий.

Чем больше количество возможных событий, тем больше начальная неопределенность и соответственно тем большее количество информации будет содержать сообщение о результатах опыта.

Единицы измерения количества информации. Для количественного выражения любой величины необходимо определить единицу измерения. Так, для измерения длины в качестве единицы выбран метр, для измерения массы - килограмм и так далее. Аналогично, для определения количества информации необходимо ввести единицу измерения.

За единицу количества информации принимается такое количество информации, которое содержит сообщение, уменьшающее неопределенность в два раза. Такая единица названа «бит».

Если вернуться к опыту с бросанием монеты, то здесь неопределенность как раз уменьшается в два раза и, следовательно, полученное количество информации равно 1 биту.

Минимальной единицей измерения количества информации является бит, а следующей по величине единицей является байт, причем 1 байт = 2 3 бит = 8 бит.

В информатике система образования кратных единиц измерения количества информации несколько отличается от принятых в большинстве наук. Традиционные метрические системы единиц, например Международная система единиц СИ, в качестве множителей кратных единиц используют коэффициент 10 n , где n = 3, 6, 9 и так далее, что соответствует десятичным приставкам Кило (10 3), Мега (10 6), Гига (10 9) и так далее.

Компьютер оперирует числами не в десятичной, а в двоичной системе счисления, поэтому в кратных единицах измерения количества информации используется коэффициент 2 n .

Так, кратные байту единицы измерения количества информации вводятся следующим образом:

1 Кбайт = 2 10 байт = 1024 байт;

1 Мбайт = 2 10 Кбайт = 1024 Кбайт;

1 Гбайт = 2 10 Мбайт = 1024 Мбайт.

1 Тбайт = 2 10 Гбайт = 1024 Гбайт

Похожие статьи