Чому двійкове кодування є універсальним? Методи програмування

Комп'ютер обробляє велику кількість інформації. Аудіофайли, картинки, тексти – все це необхідно відтворити або вивести на екран. Чому двійкове кодування є універсальним методом програмування інформації будь-якого технічного обладнання?

Чим відрізняється кодування від шифрування?

Найчастіше люди ототожнюють поняття "кодування" і "шифрування", коли насправді вони мають різний зміст. Так, шифруванням називають процес перетворення інформації з метою її приховування. Розшифрувати часто може сам чоловік, який змінив текст, або спеціально навчені люди. Кодування застосовується для обробки інформації і спрощення роботи з нею. Зазвичай використовується загальна таблиця кодування, знайома всім. Вона вбудована в комп'ютер.

Принцип двійкового кодування

Двійкове кодування грунтується на використанні всього лише двох символів - 0 і 1 - для обробки інформації, використовуваної різними пристроями. Ці знаки назвали двійковими цифрами, англійською – binary digit, або bit. Кожен з символів двійкового коду займає в пам'яті комп'ютера 1 біт. Чому двійкове кодування є універсальним методом обробки інформації? Справа в тому, що комп'ютер легше обробляти меншу кількість символів. Від цього безпосередньо залежить і продуктивність роботи ПК: чим менше функціональних завдань потрібно виконати пристрою, тим вище швидкість та якість роботи. Принцип двійкового кодування зустрічається не тільки в програмуванні. За допомогою чергування глухих і дзвінких ударів барабана жителі Полінезії передавали інформацію один одному. Подібний принцип застосовується і в абетці Морзе, де для передачі повідомлення використовуються довгі та короткі звуки. «Телеграфна азбука» використовується і сьогодні.

Де використовується двійкове кодування?

Двійкове кодування інформації в комп'ютері використовується повсюдно. Кожен файл, будь то музика або текст, повинен бути запрограмований, щоб у подальшому він міг бути легко обробляється і прочитаний. Система двійкового кодування корисна для роботи з символами і числами, аудіофайлами, графікою.

Двійкове кодування чисел

Зараз в комп'ютерах числа представлені в закодованому вигляді, незрозумілому для звичайної людини. Використання арабських цифр так, як ми собі уявляємо, для техніки нераціонально. Причиною тому є необхідність присвоювати кожному числу свою неповторний символ, що зробити деколи неможливо. Існують дві системи числення: позиційна і непозиционная. Непозиционная система заснована на використанні латинських букв і знайома нам у вигляді грецьких цифр. Такий спосіб запису досить складний для розуміння, тому від нього відмовилися. Позиційна система числення використовується і сьогодні. Сюди входить двійкове, десяткове, восьмеричне і навіть шістнадцяткове кодування інформації. Десятковою системою кодування ми користуємося у побуті. Це звичні для нас арабські цифри, які зрозумілі кожній людині. Двійкове кодування чисел відрізняється використанням тільки нуля і одиниці. Цілі числа переводяться в двійкову систему кодування шляхом поділу їх на 2. Отримані приватні також поетапно діляться на 2 поки не вийде в підсумку 0 або 1. Наприклад, число 123 10 у двійковій системі може бути представлено у вигляді 1111011 2 . А число 20 10 буде виглядати як 10100 2 .
Індекси 10 і 2 позначаються, відповідно, десяткову і двійкову систему кодування чисел. Символ двійкового кодування використовується для спрощення роботи зі значеннями, представленими в різних системах числення. Методи програмування десяткових чисел засновані на "плаваючою комою". Для того щоб правильно перевести з десяткової в двійкову систему кодування, використовують формулу N = M х qp. М – це мантиса (вираз числа без будь-якого порядку), p – це порядок значення N, q – основа системи кодування (в нашому випадку 2). Не всі числа є додатними. Для того щоб розрізнити позитивні і негативні числа, комп'ютер залишає місце в 1 біт для кодування знака. Тут нуль представляє знак плюс, а одиниця – мінус. Використання такої системи числення спрощує для комп'ютера роботу з числами. Ось чому двійкове кодування є універсальним при обчислювальних процесах.

Двійкове кодування текстової інформації

Кожен символ алфавіту кодується своїм набором нулів і одиниць. Текст складається з різних символів: літер (великих і малих), арифметичних знаків і інших різних значень. Кодування текстової інформації вимагає використання 8 послідовних двійкових значень від 00000000 до 11111111. Таким чином можна перетворити 256 різних символів. Щоб не було плутанини в кодуванні тексту, використовуються спеціальні таблиці значень для кожного символу. У них присутня латинський алфавіт, арифметичні знаки і знаки особливого призначення (наприклад, €, yen, © й інші). Символи проміжку 128-255 кодують національний алфавіт країни. Для кодування 1 символу потрібно 8 біт пам'яті. Для спрощення подстчетов 8 біт прирівнюються до 1 байту, тому загальне місце на диску для текстової інформації вимірюється в байтах. Більшість персональних комп'ютерів оснащені стандартною таблицею кодування ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Також використовуються інші таблиці, в яких система кодування текстової інформації відрізняється. Приміром, перша відома кодування символів називається КОІ-8 (код обміну інформацією 8-бітний), і працює вона на комп'ютерах з ОС UNIX. Також широко зустрічається таблиця кодів СР1251 яка була створена для операційної системи Windows.

Двійкове кодування звуків

Ще одна причина, чому двійкове кодування є універсальним методом програмування інформації, - це його простота при роботі з аудіофайлами. Будь-яка музика являє собою звукові хвилі різної амплітуди і частоти коливань. Від цих параметрів залежить гучність звуку та висота тону. Щоб запрограмувати звукову хвилю, комп'ютер умовно ділить її на кілька частин, або «вибірок». Число таких вибірок може бути великим, тому існує 65536 різних комбінацій нулів та одиниць. Відповідно, сучасні комп'ютери оснащені 16-бітними звуковими картами, що означає використання 16 двійкових цифр для кодування однієї вибірки звукової хвилі. Щоб відтворити аудіо файл, комп'ютер обробляє запрограмовані послідовності двійкового коду і сполучає їх в одну безперервну хвилю.

Кодування графіки

Графічна інформація може бути представлена у вигляді малюнків, схем, фотографій або слайдів у програмі PowerPoint. Кожна картинка складається з дрібних точок – пікселів, які можуть бути пофарбовані в різний колір. Колір кожного пікселя кодується і зберігається, і в результаті ми отримуємо повноцінне зображення. Якщо картинка чорно-біла, код кожного пікселя може бути або одиницею, або нулем. Якщо використовується 4 кольори, то код кожного з них складається з двох цифр: 000110 або 11. За цим принципом розрізняють якість обробки будь-якого зображення. Збільшення або зменшення яскравості також впливає на кількість використовуваних кольорів. У кращому випадку комп'ютер розрізняє близько 16777216 кольорів.

Висновок

Існують різні методи програмування інформації, серед яких двійкове кодування є найбільш ефективним. Всього лише за допомогою двох символів - 1 і 0 - комп'ютер легко прочитує більшість файлів. При цьому швидкість обробки набагато вище, ніж використовувалася б, наприклад, десяткова система програмування. Простота цього методу робить його незамінним для будь-якої техніки. Ось чому двійкове кодування є універсальним серед своїх аналогів.