Как компьютер понимает буквы
Обновлено: 07.07.2024
Есть очень простое объяснение, с которого хорошо начинать.
0 и 1 - это "выкл"/""вкл", "тока нет" / "ток есть".
Все логические схемы основаны на этом принципе. Включено/выключено, открыто/закрыто, высокий/низкий, истина/ложь, да/нет, больше/меньше.
Отсюда и бинарная логика, см. алгебра Буля.
А технически это реализуется логическими схемами.
Ну типа жил был транзистор значит. И он был такой весь из себя крайне радикальный - не было у него по жизни других настроений, кроме двух - либо он говорил всем "да" и пропускал через себя всё, что в одно ухо (левая дырка) влетело, то из другого (правая дырка) сразу вылетало. Либо же настроение его могло поменяться, тогда он становился крайне негативным и переставал пропускать себя любую информацию - замыкался в себе, думал о главном.
А настроение его зависело от того, насколько хорошо он питался. Суёшь ты ему в рот (третья дырка) нормальное питание - он добрый, на всё согласен, информацию через себя пропускает. Чуть только начинаешь его кормить меньше, чем он хочет (есть у него определённый уровен неообходимого питания) - он тут же отключался от мира и ни на что не реагировал, пока снова не пихнёшь ему в рот достаточноого питания. Так и получилось, что аналоговый уровень питания, то есть количество еды, которое ты ему кладёшь в рот, в итоге превращается в бинарное значение - 0 или 1 на правом ухе.
И вот если найти нашему транзистору таких же друзей и объединить их - то можно получить цифровую схему. В которой в зависимости от поданного питания на разные рты и левые ухи мы будем получать разные комбинации питания на правых ухах. Чаще всего транзисторы соединяют довольно странным образом - правое ухо одного ко рту другого, чтобы первый контроллировал настроение второго. И т.д. Чем больше транзисторов - тем сложнее можно придумать алгоритм, который эта схема будет реализовывать.
И вот в современных процессорах миллионы этих транзисторов (если быть точнее, то на текущий момент около 1,400,000,000) спаяны вместе. чтобы распознавать входные команды и выдавать результат по заданной схеме.
Ты спросишь, мой маленький друг, как же розетка соединяется с процессором? Как эти 220В превращаются в 0 и 1 на моём мониторе?. А всё дело в том, что блок питания преобразует переменный ток в постоянный, который потом подаётся на процессор. Блок питания совсем не мудрёный - пара диодов и трансформатор, можешь даже собрать его сам дома из говна и палок. А интересное дальше.
Но если подать ток на схему из транзисторов - то они застынут в одном положении, заданном схемой, и ничего происходить не будет? Да, ты прав, чтобы компьютер считал, необходимо менять ток на его входных ножках, тем самым отдавая ему разные команды. Но тут возникает проблема синхронизации - поменять напряжение одномоментно невозможно (физика, типа, химия там, электроны бегают, заряд меняется, дырки должны образоваться успеть) - нужно определённое время. Поэтому придумали "частоту". Рядом с транзисторами сидит важный кристалик, который генерирует ток по синусоиде с равномерной частотой. Эта синусоида немного рихтуется, превращаясь в бесконечный поток "есть питание" и "нет питания" меняющийся с одинаковой частотой. На графике это выглядит как пила, примерно. И вот все договорились, что будут засекать момент, в котором "всё готово", все транзисторы заняли своё положение и всё устаканилось и наконец можно считать выходной результат, например, на верхушке зубчика пилы, то есть когда генератор частоты дал 1. И вот совремменные процессоры делают это с частотой 2 гигагерца, то есть 2 миллиарда раз в секунду все транзисторы в процессоре меняют своё состояние.
До сих пор мы вели речь только о том, чтобы записать в память некое число . Если у меня есть 5 книг, я записываю в память число 5, и считаю, что сохранил информацию о книгах. Но эта информация относится только к количеству. А что насчет качества? Что насчет синего или красного цвета, или названия книги? Название – это текст, написанный буквами, а как сохранить в памяти буквы?
Ответ везде один и тот же –
В компьютерной памяти хранятся только числа. Никаких букв, никаких красных или синих цветов. Только числа.
Легче не стало? Ничего, сейчас разберемся.
Если количество книг мы смогли представить числом 5, то ничто не мешает представить, например, латинскую букву "A" тоже каким-нибудь числом.
Латинская буква "A" будет обозначаться числом 65 . (Это действительно так, а почему – расскажу позже.)
Итак, чтобы записать в память букву "A", нужно записать число 65. Всё, проблема решена. Присвоены числа и другим буквам: B = 66, C = 67, D = 68 и так далее. Теперь мы можем записать в память любую букву в виде числа.
Если стоит задача сохранить синий цвет, его тоже можно перевести в число. Например, тоже 65 :) Это будет означать, что по шкале от 0 (самый тёмный) до 255 (самый яркий) яркость синего цвета составляет 65.
Таким образом, мы можем сохранить в памяти: 65 как количество чего-нибудь, 65 как букву "A", 65 как яркость синего цвета.
Три абсолютно разных сущности, которые в памяти хранятся как одно и то же число 65. Три абсолютно разных сущности, которые в памяти хранятся как одно и то же число 65.Если посмотреть на то, что получилось, то мы увидим в памяти просто три байта, и в каждом записано 65 (в двоичном виде 01000001). Но как компьютер понимает, где число, где буква, где цвет?
А это ещё легче. Компьютер ВООБЩЕ НИКАК не понимает, где что. Ему ПЛЕВАТЬ! Для него есть только три числа, записанные в три разных адреса. Кто из них число, кто буква, а кто цвет – известно только нам, и вся ответственность лежит на нас.
Из этого следует одна интересная вещь: в компьютерной памяти мы можем творить любой абсурд. Например, можем сложить букву A и синий цвет. Или сложить число 65 и букву A. Что получится в результате?
65 + A = 130 . Вот это и получится, потому что это всего лишь числа. Компьютеру плевать!
Такие операции с памятью могут быть очень полезны и даже незаменимы (особенно для хакеров), но в основном от программирования требуется обратный эффект – чтобы мы не могли случайно или нарочно сложить цифру с буквой. И языки программирования выступают посредниками между нами и компьютером.
Когда мы пишем на языке программирования, мы заранее объявляем, где у нас число, а где буква, и так далее, и правила языка начинают это всё отслеживать. Мы уже не помещаем свои данные в память напрямую, это делает за нас язык, он как бы ведет учет и знает, где что лежит и как со всем этим обращаться. В большинстве языков программирования существуют следующие типы данных, которые они различают:
- Число . Это просто число. Количество книг, температура воздуха и так далее.
- Символ . Это один символ вроде буквы "A", или специальный символ типа "%", "@", "$", и т.д. Пробел (" ") тоже считается символом.
- Строка . Это любое количество символов, расположенных в памяти подряд друг за другом.
Да-да, чтобы сохранить в памяти строку "Hello world", мы просто подряд, друг за другом, сохраняем символы H,e,l,l,o, ,w,o,r,l,d.
Для того чтобы понять основные принципы работы компьютера, не помешает ознакомиться с его устройством, хотя бы в общих чертах.
Основой компьютера является материнская плата , к которой подключаются все остальные устройства.
От архитектуры (конфигурации) материнской платы зависит и то, сколько дополнительных устройств может быть подключено к компьютеру. Также, материнская плата является распределителем питания для всех устройств.
BIOS — Basic Input/Output System — (Базовая Система Ввода/Вывода) — первичный программный код, который записан в постоянное запоминающее устройство, находящееся на материнской плате. По своей сути BIOS это первичный язык (азбука) компьютера, который позволяет ему обнаруживать все внутренние подключенные к материнской плате устройства, работать с ними, а также содержит первичные базовые команды, которые позволяют компьютеру осуществлять загрузку более серьезного программного обеспечения.
Если сравнить компьютер с новорожденным ребенком, то BIOS это набор первичных инстинктов, с которыми ребенок рождается на свет. Он ещё ничего не знает, но уже может смотреть, кричать, хаотично двигать ручками и ножками, слышать звуки, ощущать прикосновения, запоминать какую-то незначительную информацию. У новорожденного ребенка уже всё работает, но совершенно хаотично и несистематизировано. Возможности новорожденного ребенка сильно ограничены.
Процессор — мозг компьютера. Процессор совершает все вычислительные операции. Вычислительной операцией называется абсолютно всё. Пользователь может видеть на экране текст, либо цветные картинки, либо слышать музыку из динамиков, для компьютера это всё — вычислительные операции. Компьютер работает с цифровыми значениями. Для него существуют только цифры и сочетания цифр. Все исходные данные, а также результаты вычислений записываются в оперативную память.
Оперативная память сохраняет информацию только при поддержке питания. При обесточивании, вся информация из оперативной памяти безвозвратно исчезает. Оперативная память работает в паре с процессором и от её объема зависит продуктивность процессора. К примеру, если требуется обработать файл, который может быть целиком загружен в оперативную память, он будет обработан в ней процессором, а потом сохранен на жесткий диск.
В этом случае, недостаточный объем оперативной памяти может быть частично компенсирован её быстродействием. Если обмен данными происходит быстро, то пользователь не обнаружит задержки — когда часть обработанного файла была сохранена на жесткий диск, а на освободившееся в оперативной памяти место был загружен следующий фрагмент файла.
Жесткий диск в обиходе имеет несколько названий. Иногда его называют HDD — сокращение от Hard Disk Drive, а также можно услышать: Винчестер, Винт, Хард или Хард-диск . Жесткий диск является постоянным запоминающим устройством, которое способно хранить информацию даже при полном отключении электроэнергии.
Когда возникают сбои в работе компьютера или перепады напряжения в электросети, та информация, которая была сохранена на жестком диске, не утрачивается и не теряется.
Видеокарта служит для просчета изображения и вывода его на экран. По своей сути, видеокарта это мини-компьютер, который находится внутри большого компьютера. Видеокарта имеет свой собственный процессор и свою собственную оперативную память, в которой происходит просчет изображений и виртуальных сцен.
Видеокарта берёт на себя часть задач, связанных с просчетом изображения, чтобы этим не приходилось заниматься основному процессору компьютера.
Файл подкачки это зарезервированная область на жестком диске, которая используется для хранения виртуальных страниц и создаётся операционной системой автоматически. Обычно, система создаёт файл подкачки в полтора раза больше, чем имеется в наличии оперативной памяти, если пользователь не указал иные размеры. Файл подкачки позволяет расширить общий объем виртуальной памяти и обеспечивает быстрый доступ к уже просчитанным виртуальным страницам, чтобы избавить компьютер от необходимости просчитывать страницу каждый раз при обращении к ней.
Звуковая карта это аналог видеокарты, с той разницей, что звуковая карта занимается воспроизведением звука, дабы не отвлекать на эту задачу центральный процессор компьютера. Но поскольку воспроизведение звука не является столь сложной задачей, как воспроизведение видео, в большинстве случаев, звуковая карта интегрирована в материнскую плату и является её неотъемлемой частью.
Дополнительную звуковую карту устанавливают только в тех случаях, когда требуется высококачественный, студийный звук, который будет выводиться не на компьютерные колонки, а на профессиональную аудиоаппаратуру. В других случаях, использование отдельной звуковой карты не имеет смысла.
CD/DVD-ROM это устройство чтения компакт-дисков формата CD или DVD. Устройство используется для воспроизведения (чтения) аудио или видеофайлов, просмотра фотоальбомов, а также — установки операционной системы с загрузочного компакт диска на жесткий диск компьютера. Помимо чтения дисков, такое устройство может производить запись на CD или DVD диск.
Порты USB универсальные порты, которые были разработаны для подключения к компьютеру различных внешних устройств: смартфон, цифровая камера, флеш-накопители, мышь, клавиатура, съемные жесткие диски, устройства беспроводной связи и многое другое. При подключении устройства к порту USB, устройство сообщает компьютеру свою модель и другие исходные данные, которые позволяют компьютеру "найти общий язык" и работать с подключенным устройством.
Использование стандарта USB широко применяется в ноутбуках. Как правило, ноутбук может иметь два и более внешних порта USB, доступных пользователю. На самом же деле, таких портов гораздо больше, они находятся внутри ноутбука, не имеют стандартного внешнего разъема, поскольку, к ним постоянно подключены второстепенные внутренние устройства ноутбука: веб-камера, тачпад, встроенный микрофон, встроенные модули Wi-Fi и Bluetooth, а также устройства чтения карт памяти. Использование стандарта USB широко применяется в ноутбуках. Как правило, ноутбук может иметь два и более внешних порта USB, доступных пользователю. На самом же деле, таких портов гораздо больше, они находятся внутри ноутбука, не имеют стандартного внешнего разъема, поскольку, к ним постоянно подключены второстепенные внутренние устройства ноутбука: веб-камера, тачпад, встроенный микрофон, встроенные модули Wi-Fi и Bluetooth, а также устройства чтения карт памяти.Принцип работы
При включении питания компьютера, в первую очередь, блок питания подаёт напряжение на материнскую плату, а через неё уже на все прочие устройства компьютера. Следующим этапом происходит чтение информации из постоянного запоминающего устройства BIOS, что позволяет компьютеру обнаружить все внутренние устройства, которые к нему подключены. В соответствии с настройками BIOS производится загрузка с дискеты, компакт-диска, запоминающего устройства подключенного к USB-порту или HDD.
В классической настройке BIOS приоритеты были расставлены следующим образом: В первую очередь производится загрузка с диска "A" или "B" - эти буквы всегда отводились под дискету (флоппи-диск). Если указанные дисководы пусты, осуществить загрузку с диска "C" - Жесткий диск компьютера. Позже, когда дискеты практически вышли из обихода, настройку BIOS изменили. Приоритет загрузки отдали устройству чтения компакт-дисков CD-ROM. Если в этом устройстве нет диска, произвести загрузку, опять же, с диска "C". Подобная настройка BIOS позволяла без лишних хлопот установить операционную систему с загрузочного диска. Достаточно было вставить компакт-диск с установочными файлами операционной системы в дисковод, и компьютер начинал загружаться с компакт-диска, выходил в режим установки операционной системы. Позже, когда компьютеры стали продаваться с уже заранее установленной операционной системой, настройку BIOS поменяли и принудили компьютер в любом случае загружаться с диска "C", игнорируя другие устройства. Итак, загрузив BIOS, определив подключенные устройства, компьютер начинает загрузку операционной системы. В большинстве случаев это происходит с жесткого диска "C" или из раздела "C" находящегося на жестком диске. Помимо загрузки самой операционной системы, производится загрузка всех необходимых драйверов для обнаруженных устройств, подключенных в данный момент к компьютеру. В процессе работы, компьютер четко следует заданному алгоритму.
Говоря простым языком, компьютер четко выполняет инструкции, которые написаны для него человеком (программистом). Компьютер не может ошибаться, это было исключено ещё на заре развития кибернетики. Частично поврежденные элементы исключаются из работы. Либо, если повреждения значительны, компьютер отказывается работать совсем. Таким образом, все ошибки, возникающие в работе компьютера, полностью лежат на совести программиста. Если программа была написана с нарушением компьютерной грамматики, компьютер, обнаружив ошибку, откажется выполнять программу. Однако, чаще бывает, что программа написана безукоризненно, но содержит логическую ошибку, которую компьютер обнаружить не способен. Говоря простым языком, все команды написаны верно, но среди них отсутствует необходимая, либо присутствует команда, которая противоречит другой команде. Тогда компьютер берется выполнять программу, пока не дойдет до ошибки, где и происходит сбой в работе или зависание. Чаще всего, ошибки возникают по той причине, что программы были написаны разными программистами, которые не могли учесть всех тонкостей, не зная заранее — что написано другим.
Алгоритм это четкая, пошаговая инструкция, предусматривающая различные варианты развития событий. Без учета различных вариантов, работа компьютера с пользователем ограничивалась бы только запуском и выполнением программы, следующей одним, заранее написанным сценарием. Возможность менять ход сценария, делает компьютер уникальным и единственным устройством в своем роде.
Двоичный код
Двоичный код, как система сохранения данных, появился очень давно. Известно, что ещё во времена древних инков использовался данный принцип передачи информации. На верёвке завязывались узелки, которые означали единицу, а отсутствие узелка означало ноль. Позже система была забыта, но с появлением электроники, снова возродилась. Чтобы найти золотую середину, необходимо познать обе крайности. Это правило актуально и для электроники.
Учитывая несовершенство первых компьютеров, проще было обозначить само наличие сигнала или его отсутствие, чем пытаться опираться на прочие характеристики электрического тока, которые могли быть сильно искажены помехами, но которые пытались использовать — как альтернативный путь развития кодирования. Одно время, разрабатывались процессоры, которые также реагировали на частоту электрического тока. Каждая частота имела собственное значение.
Слабое место подобного метода заключается в том, что любые помехи могут искажать исходный сигнал, что приведет к искажению данных — ошибке. Защитить устройство от посторонних помех довольно сложно, да и генерация импульсов различной частоты тоже усложняет задачу. Поэтому подобный путь передачи и хранения данных не получил широкого распространения.
Инженеры пошли более простым и безошибочным путем. Наличие сигнала, в определенный промежуток времени, стали рассматривать — как единицу, отсутствие сигнала, за такой же промежуток времени, взяли за ноль. Таким образом, сформировалась основа двоичного кода, которой присвоили обобщенное название бит . Для этого случая вполне справедлива поговорка: Отсутствие результата — тоже результат . И действительно, в двоичном коде, единица это один бит информации. Ноль (отсутствие сигнала) также является одним битом информации.
Один бит (ноль или единица) занимает одну ячейку памяти. Правда, из одного бита информации, даже из двух — много пользы не выжмешь. Можно поиграть с их чередованием. Скажем, выражение 00 имеет одно значение, выражению 01 можно присвоить — другое, следовательно, появляется возможность записать ещё два значения: 10 и 11. Всего четыре комбинации из двух битов.
Этого явно недостаточно для передачи и сохранения сложной информации. Если же использовать не два, а три бита, то возможных вариантов становится уже не четыре, а восемь: 000, 001, 010, 100, 101, 110, 011, 111. Увеличение количества бит всего на один — увеличивает количество возможных вариантов вдвое. Использование восьми бит даёт уже 256 вариантов комбинаций и этого вполне достаточно для того, чтобы присвоить каждому варианту свой собственный символ или определенную команду. Получается, что восемь бит уже могут иметь определенное значение и смысл. По этой причине, запись, состоящая из восьми бит, получила название байт .
Подобная схема и легла в основу BIOS , благодаря чему компьютер способен понимать буквы латинского алфавита, цифровые значения от 0 до 9, а также — специальные символы, использующиеся в программировании.
Не являясь специалистом в обозначенной области я, тем не менее, прочитал много специализированной литературы для знакомства с предметом и прорываясь через тернии к звёздам набил, на начальных этапах, немало шишек. При всём изобилии информации мне не удалось найти простые статьи о кодировании как таковом, вне рамок специальной литературы (так сказать без формул и с картинками).
Статья, в первой части, является ликбезом по кодированию как таковому с примерами манипуляций с битовыми кодами, а во второй я бы хотел затронуть простейшие способы кодирования изображений.
0. Начало
Поскольку я обращаюсь к новичкам в этом вопросе, то не посчитаю зазорным обратиться к Википедии. А там, для обозначения кодирования информации, у нас есть такое определение - процесс преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки.
Чего мне не хватало в 70-80-е, так это в школе, пусть не на информатике, а, например, на уроках математики - базовой информации по кодированию. Дело в том, что кодированием информации каждый из нас занимается ежесекундно, постоянно и в целом - не концентрируясь на самом кодировании. То есть в быту мы это делаем постоянно. Так как это происходит?
Мимика, жесты, речь, сигналы разного уровня - табличка с надписью, знак на дороге, светофоры, и для современного мира - штрих- и бар-коды, URL, хэш-тэги.
Давайте рассмотрим некоторые более подробно.
1.1 Речь, мимика, жесты
Удивительно, но всё это - коды. С помощью них мы передаём информацию о своих действиях, ощущениях, эмоциях. Самое важное, чтобы коды были понятны всем. Например, родившись в густых лесах у Амазонки и не видя современного городского человека, можно столкнуться с проблемой непонимания кода - улыбка, как демонстрация зубов, будет воспринята как угроза, а не как выражение радости.
Следуя определению, что же происходит когда мы говорим? Мысль - как форма, удобная для непосредственного использования, преобразуется в речь - форму удобную для передачи. И, смотрите, так как у звука есть ограничение как на скорость, так и на дальность передачи, то, например, жест, в какой-то ситуации, может быть выбран для передачи той же информации, но на большее расстояние.
Но мы всё еще будем ограничены дальностью остроты нашего зрения, и тогда - человек начинает придумывать другие способы передачи и преобразования информации, например огонь или дым.
1.2 Чередующиеся сигналы
В примитивном виде кодирование чередующимися сигналами используется человечеством очень давно. В предыдущем разделе мы сказали про дым и огонь. Если между наблюдателем и источником огня ставить и убирать препятствие, то наблюдателю будет казаться, что он видит чередующиеся сигналы "включено/выключено". Меняя частоту таких включений мы можем выработать последовательность кодов, которая будет однозначно трактоваться принимающей стороной.
Наряду с сигнальными флажками на морских и речных судах, при появлении радио начали использовать код Морзе. И при всей кажущейся бинарности (представление кода двумя значениями), так как используются сигналы точка и тире, на самом деле это тернаный код, так как для разделения отдельных кодов-символов требуется пауза в передаче кода. То есть код Морзе кроме "точка-тире", что нам даёт букву "A" может звучать и так - "точка-пауза-тире" и тогда это уже две буквы "ET".
1.3 Контекст
Когда мы пользуемся компьютером, мы понимаем, что информация бывает разной - звук, видео, текст. Но в чем основные различия? И до того, как начать информацию кодировать, чтобы, например, передавать её по каналам связи, нужно понять, что из себя представляет информация в каждом конкретном случае, то есть обратить внимание на содержание. Звук - череда дискретных значений о звуковом сигнале, видео - череда кадров изображений, текст - череда символов текста. Если мы не будем учитывать контекст, а, например, будем использовать азбуку Морзе для передачи всех трёх видов информации, то если для текста такой способ может оказаться приемлемым, то для звука и видео время, затраченное на передачу например 1 секунды информации, может оказаться слишком долгим - час или даже пара недель.
2. Кодирование текста
От общего описания кодирования перейдём к практической части. Из условностей мы за константу примем то, что будем кодировать данные для персонального компьютера, где за единицу информации приняты - бит и байт. Бит, как атом информации, а байт - как условный блок размером в 8 бит.
Текст в компьютере является частью 256 символов, для каждого отводится один байт и в качестве кода могут быть использованы значения от 0 до 255. Так как данные в ПК представлены в двоичной системе счисления, то один байт (в значении ноль) равен записи 00000000, а 255 как 11111111. Чтение такого представления числа происходит справа налево, то есть один будет записано как 00000001.
Итак, символов английского алфавита 26 для верхнего и 26 для нижнего регистра, 10 цифр. Так же есть знаки препинания и другие символы, но для экспериментов мы будем использовать только прописные буквы (верхний регистр) и пробел.
Тестовая фраза "ЕХАЛ ГРЕКА ЧЕРЕЗ РЕКУ ВИДИТ ГРЕКА В РЕЧКЕ РАК СУНУЛ ГРЕКА РУКУ В РЕКУ РАК ЗА РУКУ ГРЕКУ ЦАП".
2.1 Блочное кодирование
Информация в ПК уже представлена в виде блоков по 8 бит, но мы, зная контекст, попробуем представить её в виде блоков меньшего размера. Для этого нам нужно собрать информацию о представленных символах и, на будущее, сразу подсчитаем частоту использования каждого символа:
Читайте также: