Виды информации, обрабатываемые компьютером (числовая, символьная, графическая, звуковая).

Как мы хорошо знаем, вычислительная техника первоначально возникла как средство автоматизации вычислений, о чем совершенно недвусмысленно говорит название ЭВМ. Следующим видом обрабатываемой информации стала текстовая. Сначала тексты просто поясняли труднообозримые столбики цифр, но затем машины все более и более существенным образом стали преобразовывать текстовую информацию. Обязательной частью программного обеспечения стал текстовой редактор. Естественно, что оформление текстов достаточно быстро вызвали у людей стремление дополнить их графиками и рисунками. Делались попытки частично решить эти проблемы в рамках символьного подхода: вводились специальные символы для рисования таблиц и диаграммам.

Целые числа. Как мы уже знаем, этот тип информации является дискретным и преобразуется для хранения в компьютере довольно просто: достаточно перевести число в двоичную систему счисления.

Символы. Это еще одна дискретная величина, поскольку компьютер оперирует с определенным ограниченным набором символов. Такой набор вполне можно назвать алфавитом машины, а в алфавите все символы имеют свои фиксированные позиции. Отсюда основная идея хранения символов в памяти ЭВМ состоит в замене каждого из них номером в алфавите, т.е. числом.

Графика. Любое графическое изображение состоит из отдельных точек, называемых пикселями. Отсюда становится понятным, что сохранить изображение фактически означает сохранить цвета его пикселей. Если принять конечное (ограниченное) число цветов, то информация немедленно становится дискретной и решение задачи сохранения графики становится похожей на только что рассмотренную задачу сохранения текста. Нужно каким-либо образом пронумеровать все цвета (создать своеобразный "алфавит цветов"), после чего достаточно просто сохранять номера цветов.

Как и для символов, помимо описанного выше "поточечного" (растрового) хранения изображения, существует еще и векторный метод. Для него сохраняется не полная матрица пикселей, а программа его рисования

Звук. Звуковая информация также является величиной непрерывной, и, следовательно, для ввода в ЭВМ нуждается в дискретизации. Причем дискретизация должна производится как по времени, так и по величине интенсивности звука. Первый процесс означает, что замеры интенсивности должны производится не непрерывно, а через определенные промежутки времени, а второй - что интенсивность звука, которая в природе может принимать какие угодно значения, должна быть "подтянута" ("округлена") к ближайшему из стандартного набора фиксированных значений. При такой процедуре мы снова получаем последовательность целых чисел, которые и сохраняются в памяти ЭВМ. Таким образом, и в случае звука информацию удается описать определенным образом сформированной последовательностью чисел, что автоматически решает проблему кодирования.

Не нуждаются в дискретизации целые числа и символы, а вещественные числа, графическая и звуковая информация для ввода в компьютер требуют определенных процедурах ввода, которые преобразуют эти виды информации в дискретную форму.

Информация любого вида хранится в компьютере в двоичном виде.

Процесс кодирования любого вида информации фактически представляет собой его преобразование тем или иным способом в числовую форму.

В памяти машины не существует принципиального различия между закодированной информацией различных типов. Над всеми видами данных, включая дополнительно и саму программу, процессор способен производить арифметические, логические и прочие операции, которые содержатся в системе его команд.

Одним из важных объектов, изучаемых на уроках информатики, является компьютер, получивший своё название по основной функции - проведению вычислений (англ. «computer» - вычислитель).

Первый компьютер был создан в 1945 г. в США. Познакомиться с историей компьютеров вы можете, совершив виртуальное путешествие в музей вычислительной техники (например, в музей истории отечественных компьютеров, разработанный С. Тарховым). Обратите внимание, что для обозначения компьютерной техники 1940-1970-х годов часто используется аббревиатура ЭВМ (электронная вычислительная машина).

Универсальным устройством компьютер называется потому, что может применяться для многих целей - обрабатывать, хранить и передавать самую разнообразную информацию, использоваться человеком в разных видах деятельности.

Современные компьютеры могут обрабатывать разные виды информации: числа, текст, изображения, звуки. Информация любого вида представляется в компьютере в виде двоичного кода - последовательностей нулей и единиц. Некоторые способы двоичного кодирования представлены на рис. 2.1.

Рис. 2.1.
Примеры представления различных видов информации в виде двоичного кода

Информацию, предназначенную для обработки на компьютере и представленную в виде двоичного кода, принято называть двоичными данными или просто данными. Одним из основных достоинств двоичных данных является то, что их копируют, хранят и передают с использованием одних и тех же универсальных методов, независимо от вида исходной информации.

Способы двоичного кодирования текстов, звуков (голоса, музыки), изображений (фотографий, иллюстраций), последовательностей изображений (кино и видео), а также трёхмерных объектов были придуманы в 80-х годах прошлого века. Позже мы рассмотрим способы двоичного кодирования числовой, текстовой, графической и звуковой информации более подробно. Теперь же главное - знать, что последовательностям 1 и 0 в компьютерном представлении соответствуют электрические сигналы - «включено» и «выключено». Компьютер называется электронным устройством, потому что он состоит из множества электронных компонентов 1 , обрабатывающих эти сигналы.

1 Узнать об этом подробнее вы сможете в 10-11 классах.

Обработку данных компьютер проводит в соответствии с программой - последовательностью команд, которые необходимо выполнить над данными для решения поставленной задачи. Как и данные, программы представляются в компьютере в виде двоичного кода. Программно управляемым устройством компьютер называется потому, что его работа осуществляется под управлением установленных на нём программ. Это программный принцип работы компьютера.

Современные компьютеры бывают самыми разными: от мощных компьютерных систем, занимающих целый зал и обеспечивающих одновременную работу многих пользователей, до мини-компьютеров, помещающихся на ладони (рис. 2.2).

Рис. 2.2.
Многопользовательская компьютерная система и мини-компьютер

Сегодня самым распространённым видом компьютеров является персональный компьютер (ПК) - компьютер, предназначенный для работы одного человека.

2.1.2. Устройства компьютера и их функции

Любой компьютер состоит из процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации. Функции, выполняемые этими устройствами, в некотором смысле подобны функциям мыслящего человека (рис. 2.3). Но даже столь очевидное сходство не позволяет нам отождествлять человека с машиной хотя бы потому, что человек управляет своими действиями сам, а работа компьютера подчинена заложенной в него программе.

Рис. 2.3.
Аналогия между человеком и компьютером

Процессор

Центральным устройством компьютера является процессор. Он организует приём данных, считывание из памяти очередной команды, её анализ и выполнение, а также отправку результатов работы на требуемое устройство. Основными характеристиками процессора являются его тактовая частота и разрядность.

Процессор обрабатывает поступающие к нему электрические сигналы (импульсы). Промежуток времени между двумя последовательными электрическими импульсами называется тактом. На выполнение процессором каждой операции выделяется определённое количество тактов. Тактовая частота процессора равна количеству тактов обработки данных, которые процессор производит за 1 секунду. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (МГц) - миллионах тактов в секунду. Чем больше тактовая частота, тем быстрее работает компьютер. Тактовая частота современных процессоров уже превышает 1000 МГц = 1 ГГц (гигагерц). Промежуток времени между двумя последовательными электрическими импульсами называется тактом.

Разрядность процессора - это максимальная длина двоичного кода, который может обрабатываться или передаваться одновременно. Разрядность процессоров современных компьютеров достигает 64.

Память

Память компьютера предназначена для записи (приёма), хранения и выдачи данных. Представим её в виде листа в клетку. Тогда каждая клетка этого листа будет изображать бит памяти - наименьший элемент памяти компьютера. В каждой такой «клетке» может храниться одно из двух значений: нуль или единица. Один символ двухсимвольного алфавита, как известно, несёт один бит информации. Таким образом, в одном бите памяти содержится один бит информации.

Различают внутреннюю и внешнюю память.

Внутренней называется память, встроенная в компьютер и непосредственно управляемая процессором. Во внутренней памяти хранятся исполняемые в данный момент программы и оперативно необходимые для этого данные. Внутренняя память компьютера позволяет передавать процессору и принимать от него данные примерно с такой же скоростью, с какой процессор их обрабатывает. Поэтому внутренняя память иначе называется оперативной (быстрой). Объём оперативной памяти современных компьютеров достигает нескольких гигабайтов.

Электрические импульсы, в форме которых информация сохраняется в оперативной памяти, существуют только тогда, когда компьютер включён. После выключения компьютера вся информация, содержащаяся в оперативной памяти, теряется.

К внутренней памяти компьютера относится также ПЗУ - постоянное запоминающее устройтво. В нём хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. После выключения компьютера информация в ПЗУ сохраняется.

Для долговременного хранения программ и данных предназначена внешняя (долговременная) память. Внешняя память позволяет сохранять огромные объёмы информации. Информация во внешней памяти после выключения компьютера сохраняется. Различают носители информации - магнитные и оптические диски, энергонезависимые электронные диски (карты flash-памяти и flash-диски) и накопители (дисководы) - устройства, обеспечивающие запись данных на носители и считывание данных с носителей. Жёсткий диск - устройство, совмещающее в себе накопитель (дисковод) и носитель (непосредственно диск).

При запуске пользователем некоторой программы, хранящейся во внешней памяти, она загружается в оперативную память и после этого начинает выполняться.

На сайте http://school-collection.edu.ru размещён анимационный ролик «Внутренняя память ЭВМ: оперативная память», иллюстрирующий информационный обмен между внешней и внутренней памятью.

Устройства ввода и вывода информации

Приложив значительные усилия, человек может представить текстовую, графическую, звуковую информацию в двоичном коде.

Значительно труднее человеку понять двоичный код. И совсем уже невозможно человеку понять информацию, представленную последовательностью электрических импульсов. Входящие в состав компьютера устройства ввода «переводят» информацию с языка человека на язык компьютера; устройства вывода «переводят» электрические импульсы в форму, доступную для человеческого восприятия. Примеры устройств ввода: клавиатура, мышь, микрофон. Примеры устройств вывода: монитор, принтер.

Различные устройства компьютера связаны между собой каналами передачи информации (рис. 2.4).

Рис. 2.4.
Схема информационных потоков в компьютере

Самое главное

Современный компьютер - универсальное электронное программно управляемое устройство для работы с информацией.

Любой компьютер состоит из процессора, памяти, устройств ввода и вывода информации. Функции, выполняемые этими устройствами, в некотором смысле подобны функциям мыслящего человека.

Вопросы и задания

1. Почему современный компьютер называют универсальным электронным программно управляемым устройством?
2. В чём суть программного принципа работы компьютера?
3. Что такое двоичные данные? Что такое компьютерная программа?
4. Информация для человека - это знания (факты, правила), которыми он обладает. Что является информацией для компьютера?
5. Чем отличаются данные от программы? Что у них общего?
6. Какие возможности человека воспроизводит компьютер?
7. Перечислите основные виды устройств, входящих в состав компьютера.
8. Для чего предназначен процессор?
9. Какие два значения имеет слово «бит»? Как они связаны между собой?
10. Постройте граф, отражающий отношения между следующими объектами: «компьютер», «процессор», «память», «устройства ввода», «устройства вывода», «внутренняя память», «внешняя память», «оперативная память», «ПЗУ», «носитель информации», «накопитель».
11. Опишите с помощью схемы информационных потоков в компьютере (см. рис. 2.4) процесс обмена информацией между основными устройствами компьютера.
12. В сети Интернет найдите информацию о современных информационных носителях и заполните таблицу:

1. Уточните, каков объём оперативной памяти компьютера, к которому вы имеете доступ дома или в школе. Сколько страниц текста можно разместить в памяти этого компьютера (на странице размещается 40 строк по 60 символов в каждой строке, а для хранения одного символа требуется 8 битов)? Какой была бы высота такой стопки страниц, если высота стопки из 100 страниц равна 1 см?
2. На компакт-диске объёмом 600 Мбайт размещён фотоальбом, каждое фото в котором занимает 500 Кбайт. Сколько времени займёт просмотр всех фотографий, если на просмотр одной уходит 6 секунд?

Вот мы уже познакомились с устройством компьютера… Но так и не поняли главного – как именно он работает? На каком языке общается с человеком? Как удается ему понимать и обрабатывать столько разной информации – текст, картинки, звуки?

Человеку это удается просто – мы даже не задумываемся, как именно наш мозг справляется со всеми этими видами информации. Но ведь компьютер – не человек. Ни глаз, ни ушей у него нет, нет и мозга – в привычном нам значении этого слова. Думать, рассуждать компьютер не может. А значит, нужно как-то переводить все информацию, которую мы «скармливаем» нашему компьютеру, на понятный ему язык.

А понимает компьютер только один язык – цифровой! А в его азбуке нет букв – одни цифры – не зря же компьютерный язык называют еще и «цифровым». Да и цифр немного – всего две: 0 и 1.

Хорошая азбука, что и говорить! Такую даже первоклассник выучит за секунду… Да только мала - много ли слов составишь из ее «букв»?

Немного. Но для компьютера - вполне достаточно. «Слова» эти, в отличие от человеческого языка, одинаковы по длине, в каждом из них - ровно восемь знаков. И выглядят эти «слова» вот так:
10101000 10001111 10000110

Такая система счета называется «двоичной» - именно потому, что основана она всего на двух цифрах. Но благодаря ей можно описать все, что угодно: каждое двоичное «слово» может обозначать не только цифры, но и буквы…

Вот в бесконечный ряд этих «слов» и превращается вся информация, которая поступает в компьютер. И именно в таком виде она хранится и обрабатывается - а затем, когда это нужно человеку, снова превращается в привычные звуки, буквы, картинки…

Почему был выбран именно такой, не самый удобный и практичный «алфавит»? Причина проста: ведь вся информация в компьютере переносится электрическим током - точно так же, как кровь разносит кислород по всему нашему телу. А какой самый простой способ заставить ток передавать информацию? Либо дать ему доступ к какому-то важному участку, либо нет. Если сигнал есть - мы получаем единицу. Нет тока - понятное дело, перед нами ноль. Если бы мы захотели заложить в компьютерный алфавит большее количество сигналов, нам пришлось бы проделывать с электрическим током более сложные операции - например, постоянно менять напряжение. А так все удобно и просто - либо сигнал есть, либо его нет!

Конечно, двоичные числа иногда кажутся громоздкими – например, число 254 в двоичной системе выглядит так:
11111110

Но это только кажется. И вот тебе очень простой, но впечатляющий фокус для ваших знакомых. Как ты думаешь, сколько числе можно показывать с помощью пальцев рук? Тебе кажется – десять? А вот и не угадали: в двоичной системе с помощью десяти пальцев ты сможешь показать 1024 числа – любое число от 0 до 1023!
0 на двоичном языке – это 0000000000
1023 – 1111111111

Нетрудно догадаться, что двоичный «ноль» будет соответствовать согнутому пальцу, а единица-разогнутому!

Точно так же ты сможешь доказать, что число 4 и 100 – это одно и то же. И это правда – если число 4 принадлежит к нашей, десятичной системе, а 100 – к двоичной.

Изучая этот раздел, мы будем учиться:

• рассказывать о мире с точки зрения астронома, географа, историка, эколога;
• проводить несложные астрономические наблюдения;
• изготавливать модели планет и созвездий;
• использовать глобус и карту для получения информации о Земле;
• приводить примеры исторических источников, соотносить дату исторического события с веком, находить место события на «ленте времени», читать историческую карту;

• анализировать экологические проблемы и предлагать способы их решения;
• приводить примеры объектов Всемирного наследия и животных из международной Красной книги;
• использовать разные источники информации для подготовки сообщений.

Мир глазами астронома

Узнаем, что такое астрономия, Вселенная, Солнечная система. Будем учиться рассказывать о мире с точки зрения астронома, изготавливать модель Солнечной системы.

Вспомни, какие небесные тела ты знаешь.

Астрономия - это наука о небесных, или космических, телах. Слово «астрономия» происходит от двух греческих слов: «астрон» - звезда и «номос» - закон. Эта наука появилась в древности, но и сейчас она делает всё новые открытия.

• Попробуй рассказать о мире с точки зрения астронома. Используй для этого слова: небесные тела, звёзды, планеты, Солнце, Земля, Луна. Выслушай других ребят. Всем классом составьте наиболее полный рассказ.

Вселенная и солнечная система

С точки зрения астронома, мир - это Вселенная, или Космос. Так называют всё необъятное пространство со звёздами, планетами и другими небесными телами. Звёзды - огромные, раскалённые небесные тела, излучающие свет. Планеты - холодные небесные тела, не излучающие собственного света.

Во Вселенной бесчисленное множество звёзд. Одна из них - Солнце. Вокруг Солнца по своим орбитам обращаются восемь планет, среди которых наша планета Земля. Кроме планет, вокруг Солнца движутся другие небесные тела, например кометы. Солнце и движущиеся вокруг него небесные тела составляют Солнечную систему.

Рассмотрите схему. Найдите Солнце и планеты. Мысленно достройте схему так, чтобы представить себе Солнце полностью, а планеты обращающимися вокруг него. Учтите, что планеты движутся по немного вытянутым орбитам.

С помощью схемы перечислите планеты: а) в порядке их удаления от Солнца; б) в порядке их приближения к Солнцу. Используя схему как опору, постройте модель Солнечной системы.

Солнце

Есть такие загадки: «Что выше леса, краше света, без огня горит?», «Встану я рано, бело да румяно, да как распущу золотые волосы, да выйду за город - и человек, и зверь возрадуются...».

О чём эти загадки? Конечно, о Солнце.

Люди с давних пор относятся к Солнцу с любовью и особым уважением. Ведь уже в древности они поняли, что без Солнца не прожить ни человеку, ни зверю, ни растению.

Ты уже знаешь, что Солнце - ближайшая к Земле звезда. Как и другие звёзды, это огромное раскалённое космическое тело, которое постоянно излучает свет и тепло.

С Земли Солнце кажется небольшим. На самом же деле оно так велико, что наша планета по сравнению с ним совсем маленькая. Если представить себе Солнце размером с апельсин, то Земля будет с маковое зёрнышко. Учёные-астрономы установили, что диаметр Солнца в 109 раз больше диаметра нашей планеты. А масса Солнца примерно в 330 тысяч раз больше массы Земли!

Почему же оно кажется нам небольшим? Всё дело в огромном расстоянии между ним и нашей планетой. Это расстояние составляет около 150 миллионов километров!

А какова температура Солнца? Очень-очень высокая. Человеку даже трудно представить. Мы знаем: когда температура нашего тела поднимается выше 37°, у нас бывает жар. При 100° кипит вода, при 1500° плавится сталь. Температура на поверхности Солнца достигает 6 тысяч градусов, а в центре Солнца предположительно 15-20 миллионов градусов.

Внимание! Солнце светит очень ярко. Категорически запрещается смотреть на него в бинокль, подзорную трубу, школьный телескоп и просто невооружённым глазом. Это может нарушить зрение. Только через тёмные защитные очки можно смотреть на Солнце, да и то недолго - 1-2 минуты.

Обсудим

Часто говорят: «Земля - это наш космический дом, наш космический корабль». Почему о Земле можно так сказать?

Проверь себя

1. Что изучает астрономия?
2. Что такое Вселенная?
3. Что такое Солнечная система?
4. Как изобразить Солнечную систему с помощью модели?
5. Коротко расскажи о Солнце.
6. Как наблюдать за Солнцем, чтобы не испортить зрение?

Задания для домашней работы

1. Запиши в словарик: астрономия, астроном.
2. Поиграйте с друзьями: постройте живую модель Солнечной системы! Пусть каждый назовётся именем одной из планет, а кто-то будет Солнцем. Изготовьте таблички с названиями и возьмите их в руки. Встаньте вокруг Солнца так, чтобы правильно передать последовательность планет.

   А теперь - в путь вокруг солнышка! Постарайтесь двигаться так, чтобы не нарушалось расположение планет. Тот, кто «собьётся» с орбиты, выходит из игры. Выигрывает тот, кто дольше всех останется на орбите.

3. Найди в дополнительной литературе, Интернете новые научные сведения о Солнце или информацию об интересных небесных телах Солнечной системы - кометах, астероидах. Подготовь сообщение.

На следующем уроке

Узнаем подробнее о планетах Солнечной системы. Научимся объяснять причины смены дня и ночи и времён года.

Вспомни, что ты уже знаешь о движении Земли в космосе.