Кодирование информации. 5

       Содержание:

Теоретические вопросы

11.      Кодирование информации…………………………………………3
34.      Роль зарубежных и отечественных ученых в развитии ЭВМ….11
60.      Базовое программное обеспечение………………………………22
100. Перемещение информации в ЭТ………………………………...29
141. Угрозы безопасности информации и их классификация………31

Термины …………………………………………………………………………37

Задача №41……………………………………………………………………… 38

Список литературы………………………………………………………………42 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

11. Кодирование информации

     Код – это набор условных обозначений (или сигналов) для записи (или передачи) некоторых заранее определенных понятий [1].

     Кодирование информации – процесс формирования определенного представления информации.  В более узком смысле под термином «кодирование» часто понимают переход от одной  формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки [7, c. 10].

     По С.В. Симонович, для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления – для этого обычно используется прием кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа [8, с. 19].

     Естественные  человеческие языки – это не что  иное, как системы кодирования  понятий для выражения мыслей посредством речи. К языкам близко примыкают азбуки (системы кодирования компонентов языка с помощью графических символов) [8, с. 19].

     История знает интересные, хотя и безуспешные  попытки создания «универсальных»  языков и азбук. По-видимому, безуспешность попыток их внедрения связана с тем, что национальные и социальные образования естественным образом понимают, что изменение системы кодирования общественных данных непременно приводит к изменению общественных методов (то есть норм права и морали), а это может быть связано с социальными потрясениями [8, с. 19].

     Та  же проблема универсального средства кодирования достаточно успешно  реализуется в отдельных отраслях техники, науки и культуры. В качестве примеров можно привести систему записи математических выражений, телеграфную азбуку, морскую флажковую азбуку, систему Брайля для слепых и многое другое [8, с. 19].

     Примеры различных систем кодирования проиллюстрированы  на     рис 1.1.

Рис. 1.1. Примеры различных систем кодирования

     На  рисунке изображены код Морзе, код Брайля, код морской сигнальный. 

     Способ  кодирования зависит от цели, ради которой оно осуществляется: сокращение записи, засекречивание (шифровка) информации, удобство обработки и т.п. [7, с. 10].

     Чаще  всего кодированию подвергаются тексты на естественных языках (русском, английском и пр.). Существуют три основных способа кодирования текста:

1. графический – с помощью специальных рисунков или значков;
2. числовой – с помощью чисел;
3. символьный – с помощью символов того же алфавита, что и исходный текст [7, с. 10].

     Своя  система существует и в вычислительной технике — она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами  (binary digit) или, сокращенно, bit (бит)[8, с. 19].

     Одним битом могут быть выражены два  понятия: 0 или 1 (да или нет, черное или белое, истина или ложь и т. п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия:

00 01 10 11

     Тремя битами можно закодировать восемь различных значений:

000 001 010 ОН 100 101 НО 111

     Увеличивая  на единицу количество разрядов в  системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе, то есть общая формула имеет вид:

N=2m, где:

N — количество независимых кодируемых значений;

т — разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе          [8, с. 20].

     Рассмотрим  различные виды кодирования:

1. Кодирование целых и действительных чисел. Целые числа кодируются двоичным кодом достаточно просто — достаточно взять целое число и делить его пополам до тех пор, пока в остатке не образуется ноль или

единица. Совокупность остатков от каждого деления, записанная справа налево вместе с последним остатком, и образует двоичный аналог десятичного числа. Например:

     19:2 = 9+1

     9:2=4+1

     4:2=2+0

     2:2=1

     Таким образом, 19₁₀= 1011_{2 -}

     Для кодирования целых чисел от 0 до 255 достаточно иметь 8 разрядов двоичного кода (8 бит). Шестнадцать бит позволяют закодировать целые числа от 0 до 65535, а 24 бита — уже более 16,5 миллионов разных значений.

     Для кодирования действительных чисел  используют 80-разрядное кодирование. При этом число предварительно преобразуется в нормализованную форму:

     3,1415926 = 0,31415926*10¹

     300 000 = 0,3*10⁶

     123 456 789 = 0,123456789 * 10¹⁰

     Первая  часть числа называется мантиссой, а вторая – характеристикой. Большую часть из 80 бит отводят для хранения мантиссы (вместе со знаком) и некоторое фиксированное количество разрядов отводят для хранения характеристики (тоже со знаком) [8, с. 20];

2. кодирование текста. Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского языков, как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые общепринятые специальные символы, например символ ≪§≫    [8, с. 21].

     Текстовая информация кодируется с помощью кодовой таблицы. Кодовая таблица – это внутреннее преставление символов в компьютере. Во всем мире в качестве стандарта принята таблица ASCII – Американский стандартный код для обмена информацией [1].

     В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования — базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255.

     Первые 32 кода базовой таблицы, начиная  с нулевого, отданы производителям аппаратных средств (в первую очередь  производителям компьютеров и печатающих устройств). В этой области размещаются  так называемые управляющие коды, которым не соответствуют никакие символы языков, и, соответственно, эти коды не выводятся ни на экран, ни на устройства печати, но ими можно управлять тем, как производится вывод прочих данных.

     Начиная с кода 32 по код 127 размещены коды символов английского алфавита, знаков препинания, цифр, арифметических действий и некоторых вспомогательных символов. Базовая таблица кодировки ASCII приведена в                         таблице 1.1.

Таблица 1.1. Базовая таблица кодировки  ASCII

     Кроме системы ASCII были изобретены и другие системы кодирования текстовых данных. Например, в СССР в этой области действовала система кодирования КОИ-7 (код обмена информацией, семизначный), другая распространенная кодировка носит название КОИ-8 (код обмена информацией, восьмизначный) — ее происхождение относится к временам действия Совета Экономической Взаимопомощи государств Восточной Европы. Сегодня кодировка КОИ-8 имеет широкое распространение в компьютерных сетях на территории России и в российском секторе Интернета. Международный стандарт, в котором предусмотрена кодировка символов русского алфавита, носит название кодировки ISO.  На компьютерах, работающих в операционных системах MS-DOS, могут действовать еще две кодировки (кодировка ГОСТ и кодировка ГОСТ-альтернативная). Первая из них считалась устаревшей даже в первые годы появления персональной вычислительной техники, но вторая используется  по сей день [8, с. 22].

     Изобретение универсальной системы кодировки  является одной из распространенных задач информатики. Таким образом, была создана универсальная система кодирования – UNICODE. UNICODE – система, основанная на 16-разрядном кодировании символов [8, с. 24].

     Шестнадцать разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65 536 различных символов —  этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты [8, с. 24];

3. кодирование графических данных. Для представления графической информации в двоичной форме используется так называемый поточечный способ. На первом этапе вертикальными и горизонтальными линиями делят изображение. Чем больше при этом получилось квадратов, тем точнее будет передана информация о картинке. [1].

     Если  рассмотреть с помощью увеличительного стекла черно-белое графическое изображение, напечатанное в газете или книге, то можно увидеть, что оно состоит из мельчайших точек, образующих характерный узор, называемый растром. Растр – это метод кодирования графической информации, издавна принятый в полиграфии [8, с. 24].

     Поскольку линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки (яркость) можно  выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что растровое  кодирование позволяет использовать двоичный код для представления  графических данных. Общепринятым на сегодняшний день считается представление черно-белых иллюстраций в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета, и, таким образом, для кодирования яркости любой точки обычно достаточно восьмиразрядного двоичного числа           [8, с. 24].

     Для кодирования цветных графических  изображений применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие. В качестве таких составляющих используют три основные цвета: красный (Red, R), зеленый (Green, G) и синий (Blue, В). На практике считается (хотя теоретически это не совсем так), что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путем механического смешения этих трех основных цветов. Такая система кодирования называется системой RGB по первым буквам названий основных цветов [8, с. 25].

     Если  для кодирования яркости каждой из основных составляющих использовать по 256 значений (восемь двоичных разрядов), как это принято для полутоновых черно-белых изображений, то на кодирование цвета одной точки надо затратить 24 разряда. При этом система кодирования обеспечивает однозначное определение 16,5 млн различных цветов, что на самом деле близко к чувствительности человеческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color) [8, с. 25].

4. кодирование звуковой информации. Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами, то есть кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, то есть являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства — аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной музыки. В то же время, данный метод кодирования обеспечивает весьма компактный код, и потому он нашел применение еще в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны [8, с. 26].

     Метод таблично-волнового (Wave-Table) синтеза лучше соответствует современному уровню развития техники. Если говорить упрощенно, то можно сказать, что где-то в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов (хотя не только для них). В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются ≪реальные≫ звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов [8, с. 26]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

34.   Роль зарубежных и отечественных ученых в развитии ЭВМ 

     Современным компьютерам предшествовали механические и электромеханические устройства.  В 1642 году французский математик и философ   Блез Паскаль в возрасте 18 лет сконструировал суммирующую машину. Машина Паскаля состояла из восьми движущихся дисков с прорезями и могла суммировать числа до восьми знаков. Для своей машины Паскаль использовал десятичную систему исчисления.

     Известны  и более ранние попытки создания механических суммирующих машин. Подобное устройство было также описано в 1623 году Вильгельмом Шикардом. До наших дней дошли только чертежи Шикарда, обнаруженные в 1956 году. В 1694 году немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц, используя чертежи и рисунки Паскаля, улучшил машину Паскаля, добавив возможность перемножать числа            [4, с. 32].

     Начало  эры компьютеров в том виде, в котором они существуют сейчас, связано с именем английского математика Чарльза Бэббиджа, который в 30-х годах XIX века предложил идею вычислительной машины, осуществленной лишь в середине XX века. В 1822 году Бэббидж предложил создание машины для решения дифференциальных уравнений. В 1834 году Бэббидж приступил к созданию «аналитической» машины. Его проект содержал более 2000 чертежей различных узлов. Машина Бэббиджа предполагалась как чисто механическое устройство с паровым приводом. Она состояла из хранилища для чисел («склад»), устройства для производства арифметических действий над числами (Бэббидж назвал его «фабрикой») и устройства, управляющего операциями машины в нужной последовательности, включая перенос чисел из одного места в другое; были предусмотрены средства для ввода и вывода чисел. Бэббидж работал над созданием своей машины до конца своей жизни (он умер в 1871 году), успев сделать лишь некоторые узлы своей машины, которая оказалась слишком сложной для того уровня развития техники [3].

     После Бэббиджа значительный вклад в развитие техники автоматизации счёта  внёс американский изобретатель Г. Холлерит, который в 1889 году сконструировал перфокарточное устройство для решения статистических задач [3].

     Холлерит  использовал перфокарты для хранения данных. Цифры на перфокарте изображались одинарными отверстиями, а буквы  алфавита – двойными. Вычислительная машина Холлерита оказалась по тем временам очень быстрым устройством обработки данных [4, с. 34].

     В 1896 году Холлерит основал всемирно известную фирму Computer Tabulating Recording, специализирующуюся на выпуске счетно-перфорационных машин и перфокарт. В дальнейшем фирма была преобразована в фирму International Business Machines (IBM), ставшую сейчас передовым разработчиком компьютеров [3].

     Кроме механических и электромеханических  вычислительных машин появились  также аналоговые вычислительные машины, в которых обработка информации происходила с помощью специально подобранного физического процесса, моделирующего вычисляемую закономерность. Простейшей аналоговой вычислительной машиной являются часы.  Первыми аналоговыми машинами были устройства, в которых главными элементами были интегрирующие и дифференцирующие устройства, позволяющие мгновенно вычислять интеграл и производную заданной функции, отслеживая её изменение во времени [4, с. 35].

     В 1940 году американцы Джон Атанасов и  Клиффорд Берри разработали модель полностью электронного компьютера (рис. 1.2), использующего единую систему представления чисел и связей между ними – булеву алгебру.  Их подход базировался на работах английского математика XIX века Джорджа Буля, посвященных аппарату символической логики. В основе булевой алгебры лежит интерпретация элементов булевой алгебры, как высказываний, принимающих значение «истина» или «ложь». Атанасов и Берри применили эту концепцию для электронных устройств. Истине соответствовали прохождение электрического тока, а лжи – его отсутствие. Для представления чисел Атанасов и Берри предложили использовать двоичную систему исчисления [4, с. 35].

                           Рис. 1.2 Вычислительная машина Атанасова-Берри

     В  1936 году английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу «О вычислимых числах», заложив теоретические основы теории алгоритмов. Работа Тьюринга стимулировала возникновение абстрактной теории автоматов и во многом определила её особенности [4, с. 36].

     В своей работе Тьюринг описал абстрактную  вычислительную машину, которая получила название машины Тьюринга. Машина Тьюринга состоит из бесконечной в обе стороны ленты, разделенной на ячейки, и автомата (головки), которая управляется программой. Программы для машин Тьюринга записываются в виде таблицы, где первые столбец и строка содержат буквы внешнего алфавита и возможные внутренние состояния автомата (внутренний алфавит). Содержимое таблицы представляет собой команды для машины Тьюринга. Буква, которую считывает головка в ячейке (над которой она находится в данный момент), и внутренне состояние головки определяют, какую команду нужно выполнить. Команда определяется пересечением символов внешнего и внутреннего алфавитов в таблице [5].

     Новый инструмент –  ЭВМ –  служит человеку пока лишь чуть больше полвека. ЭВМ – одно из величайших изобретений середины XX века, изменивших человеческую жизнь во многих ее проявлениях. Вычислительная техника превратилась в один из рычагов обеспечивающих развитие и достижения научно-технического прогресса. Первым создателем автоматической вычислительной машины считается немецкий учёный          К. Цузе [3].

     В 1938 году Цузе изготовил модель машины Z1 на 16 слов; в следующем году модель Z2, а еще через два года он построил первую в мире действующую вычислительную машину с программным управлением (модель Z3), которая демонстрировалась в Германском научно-исследовательском центре авиации. После войны Цузе изготовил модели Z4 и Z5. К. Цузе в 1945 году создал язык Plankalkul (от немецкого «исчисление планов»), который относится к ранним формам алгоритмических языков [3].

     В 1944 году американский инженер Говард Эйкен при поддержке фирмы  IBM сконструировал компьютер для выполнения баллистических расчетов. Этот компьютер, названный «Марк I», по площади занимал половину футбольного поля и включал более 600 километров кабеля. В компьютере «Марк I» использовался принцип электромеханического реле, заключающийся в том, что электромагнитные сигналы перемещали механические части [4, с.38].

     В 1946 году американские ученые Джон Мокли и Дж. Преспер Эккерт сконструировали электронный вычислительный интегратор и калькулятор (ЭНИАК) – компьютер, в котором электромеханические реле были заменены на электронные вакуумные лампы. ЭНИАК стал работающим прообразом современного компьютера, так как он был основан на полностью цифровом принципе обработки информации, а также стал действительно универсальной вычислительной машиной, он использовался для расчета баллистических таблиц, предсказания погоды, расчетов в области атомной энергетики, аэродинамики, изучения космоса [4, с. 38].

     Машина  на электронных лампах работала существенно  быстрее, но сами электронные лампы  часто выходили из строя. Для их замены в 1947 американцы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли предложили использовать изобретенные ими стабильные переключающие полупроводниковые элементы – транзисторы.

     Совершенствование первых образцов вычислительных машин  привело в 1951 к созданию компьютера UNIVAC, предназначенного для коммерческого  использования. UNIVAC стал первым серийно  выпускавшимся компьютером, а его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США [3].

     Работы  по созданию вычислительных машин велись и в СССР. Так, в 1950 году в Институте  электроники Академии наук Украины  под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева была разработана и введена в эксплуатацию МЭСМ (малая электронная счетная машина). МЭСМ стала первой отечественной универсальной ламповой вычислительной машиной в СССР. В 1952-1953 годах МЭСМ оставалась самой быстродействующей (50 операций в секунду) вычислительной машиной в Европе. Принципы построения МЭСМ были разработаны С. А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе [3].

     В компьютерах первого поколения (1945-1956) использовался машинный язык – способ записи программ, допускающий их непосредственное исполнение на компьютере. Программа на машинном языке представляет собой последовательность машинных команд, допустимых для данного компьютера. Процессор непосредственно воспринимает и выполняет команды, выраженные в виде двоичных кодов. Для каждого компьютера существовал свой собственный машинный язык. Это также ограничивало область применения компьютеров первого поколения [4, с. 41].

     В 1954 году компания Texas Instruments объявила о  начале серийного выпуска транзисторов, так в 1956 году началась эра компьютеров  второго поколения, в этом году ученые Массачусетского  технологического института создали первый полностью построенный на транзисторах компьютер TX-O [4, с. 41].

     В Англии транзисторная ЭВМ «Elliot-803»  была выпущена в 1958 году, в ФРГ —  «Simens-2002» и в Японии H-1 — в 1958 году, во Франции и Италии — в 1960 году. В СССР группа разработчиков во главе с Е. Л. Брусиловским в 1960 году в НИИ математических машин в Ереване завершила разработку полупроводниковой ЭВМ «Раздан-2», её серийный выпуск начат в 1961 году. В это же время появились компьютеры и не на полупроводниках. Так, в Японии была выпущена ЭВМ «Senac-1» на параметронах, в СССР — «Сетунь», а во Франции — CAB-500 на магнитных элементах. «Сетунь», разработанная в МГУ под руководством Н. П. Брусенцова, стала единственной серийной ЭВМ, работавшая в троичной системе счисления [3].

     В СССР после выпуска первой серийной ЭВМ второго поколения «Раздан-2»  было разработано ещё около 30 моделей  по такой же технологии. Минским  заводом вычислительной техники  им. Серго Орджоникидзе в 1963 году была выпущена первая транзисторная ЭВМ «Минск-2», а затем её модификации: «Минск-22», «Минск-22М», «Минск-23» и в 1968 году — «Минск-32», которые долгое время играли главную роль в автоматизации различных отраслей народного хозяйства [3].

     В Институте кибернетики АН УССР под  руководством В. М. Глушкова в 60-е гг. ХХ века разработан ряд различных  малых машин: «Проминь» (1962 г.), «Мир», «Мир-1» (1965 г.) и «Мир-2» (1969 г.) — впоследствии применяемых в вузах и научно-исследовательских организациях.

     В 1964 году в Ереване также были созданы  малые ЭВМ серии «Наири», отличающихся от ЭВМ «Мир» некоторыми структурными особенностями.

     В том же году в Пензе была разработана  и пущена в производство серия  машин «Урал» (главный конструктор  Б. И. Рамеев), позже в 1965 и 1967 гг. появились модификации — «Урал-11» и «Урал-16». ЭВМ серии «Урал» имели унифицированную систему связи с периферийными устройствами.

     В целом, данный период развития вычислительной техники характеризуется применением  для создания компьютеров транзисторов и памяти на ферритовых сердечниках, увеличением быстродействия компьютеров до нескольких сотен тысяч операций в секунду, возникновением новых технологий программирования, языков программирования высокого уровня (Фортан, Кобал), операционных    систем [4, с. 43].

     Следующим периодом развития компьютерных технологий был период третьего поколения компьютеров (1964-1979). В 1958 году инженер компании Texas Instruments Джек Килби предложил идею интегральной микросхемы – кремниевого кристалла, на который монтируется миниатюрные транзисторы и другие элементы. В этом же году Килби представил первый образец интегральной микросхемы, содержащий пять транзисторных элементов на кристалле германия. В следующем году Роберт Нойс создал интегральную микросхему на основе кристалла кремния. Впоследствии Роберт Нойс основал компанию «Intel» по производству интегральных микросхем [4, с. 43].

     В 1964 году компания IBM выпустила компьютер IBM System 360   (рис. 1.3), построенный на основе интегральный микросхем. Семейство компьютеров IBM System 360 – самое многочисленное семейство компьютеров третьего поколения и одно из самых удачных в истории вычислительной техники [4, с. 44].

         Рис. 1.3 Один из самых популярных компьютеров третьего поколения IBM System 360  

     При создании семейства «System-360» разработчики встретились с трудностями при  создании операционной системы, которая  должна была отвечать за эффективное  размещение и использование ресурсов ЭВМ. Первая из них, универсальная операционная система называлась DOS, предназначенная для малых и средних ЭВМ, позже была выпущена операционная система OS/360 — для больших [3]. Главными разработчиками фирмы IBM в то время являлись Д. Амдал и Г. Блау.

     IMB System 360 относится к классу так называемых мэйнфреймов. Компания DEC представила модель миникомпьютера PDP-8 (рис. 1.4). Мини-компьютеры характеризуются высокой надежностью и низкой стоимостью [4, с. 44].