Почему двоичное кодирование является универсальным? Методы программирования

Компьютер обрабатывает большое количество информации. Аудиофайлы, картинки, тексты – все это необходимо воспроизвести или вывести на экран. Почему двоичное кодирование является универсальным методом программирования информации любого технического оборудования?

Чем отличается кодирование от шифрования?

Зачастую люди отождествляют понятия "кодирование" и "шифрование", когда на самом деле они имеют разный смысл. Так, шифрованием называют процесс преобразования информации с целью ее сокрытия. Расшифровать зачастую может сам человек, который изменил текст, или специально обученные люди. Кодирование же применяется для обработки информации и упрощения работы с ней. Обычно используется общая таблица кодировки, знакомая всем. Она же встроена в компьютер.

Принцип двоичного кодирования

Двоичное кодирование основывается на использовании всего лишь двух символов - 0 и 1 - для обработки информации, используемой различными устройствами. Эти знаки назвали двоичными цифрами, на английском – binary digit, или bit. Каждый из символов двоичного кода занимает память компьютера в 1 бит. Почему двоичное кодирование является универсальным методом обработки информации? Дело в том, что компьютеру легче обрабатывать меньшее количество символов. От этого напрямую зависит и продуктивность работы ПК: чем меньше функциональных задач нужно выполнить устройству, тем выше скорость и качество работы.

Принцип двоичного кодирования встречается не только в программировании. С помощью чередования глухих и звонких ударов барабана жители Полинезии передавали информацию друг другу. Сходный принцип применяется и в азбуке Морзе, где для передачи сообщения используются длинные и короткие звуки. «Телеграфная азбука» используется и сегодня.

Где используется двоичное кодирование?

Двоичное кодирование информации в компьютере используется повсеместно. Каждый файл, будь то музыка или текст, должен быть запрограммирован, чтобы в последующем он мог быть легко обработан и прочитан. Система двоичного кодирования полезна для работы с символами и числами, аудиофайлами, графикой.

Двоичное кодирование чисел

Сейчас в компьютерах числа представлены в закодированном виде, непонятном для обычного человека. Использование арабских цифр так, как мы себе представляем, для техники нерационально. Причиной тому является необходимость присваивать каждому числу свою неповторимый символ, что сделать порой невозможно.

Существуют две системы счисления: позиционная и непозиционная. Непозиционная система основана на использовании латинских букв и знакома нам в виде греческих цифр. Такой способ записи достаточно сложен для понимания, поэтому от него отказались.

Позиционная система счисления используется и сегодня. Сюда входит двоичное, десятичное, восьмеричное и даже шестнадцатеричное кодирование информации.

Десятичной системой кодирования мы пользуемся в быту. Это привычные для нас арабские цифры, которые понятны каждому человеку. Двоичное кодирование чисел отличается использованием только нуля и единицы.

Целые числа переводятся в двоичную систему кодирования путем деления их на 2. Полученные частные также поэтапно делятся на 2, пока не получится в итоге 0 или 1. Например, число 123₁₀ в двоичной системе может быть представлено в виде 1111011₂. А число 20₁₀ будет выглядеть как 10100₂.

Индексы 10 и 2 обозначаются, соответственно, десятичную и двоичную систему кодирования чисел. Символ двоичного кодирования используется для упрощения работы со значениями, представленными в разных системах счисления.

Методы программирования десятичных чисел основаны на “плавающей запятой”. Для того чтобы правильно перевести значение из десятичной в двоичную систему кодирования, используют формулу N = M х qp. М – это мантисса (выражение числа без какого-либо порядка), p – это порядок значения N, а q – основание системы кодирование (в нашем случае 2).

Не все числа являются положительными. Для того чтобы различить положительные и отрицательные числа, компьютер оставляет место в 1 бит для кодирования знака. Здесь ноль представляет знак плюс, а единица – минус.

Использование такой системы счисления упрощает для компьютера работу с числами. Вот почему двоичное кодирование является универсальным при вычислительных процессах.

Двоичное кодирование текстовой информации

Каждый символ алфавита кодируется своим набором нулей и единиц. Текст состоит из разных символов: букв (прописных и строчных), арифметических знаков и других различных значений. Кодирование текстовой информации требует использования 8 последовательных двоичных значений от 00000000 до 11111111. Таким образом можно преобразовать 256 различных символов.

Чтобы не было путаницы в кодировании текста, используются специальных таблицы значений для каждого символа. В них присутствует латинский алфавит, арифметические знаки и знаки особого назначения (например, €, ¥, © и другие). Символы промежутка 128-255 кодируют национальный алфавит страны.

Для кодирования 1 символа требуется 8 бит памяти. Для упрощения подстчетов 8 бит приравниваются к 1 байту, поэтому общее место на диске для текстовой информации измеряется в байтах.

Большинство персональных компьютеров оснащены стандартной таблицей кодировки ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Также используются другие таблицы, в которых система кодирования текстовой информации отличается. К примеру, первая известная кодировка символов называется КОИ-8 (код обмена информацией 8-битный), и работает она на компьютерах с ОС UNIX. Также широко встречается таблица кодов СР1251, которая была создана для операционной системы Windows.

Двоичное кодирование звуков

Еще одна причина, почему двоичное кодирование является универсальным методом программирования информации, - это его простота при работе с аудиофайлами. Любая музыка представляет собой звуковые волны разной амплитуды и частоты колебания. От этих параметров зависит громкость звука и его высота тона.

Чтобы запрограммировать звуковую волну, компьютер делит ее условно на несколько частей, или «выборок». Число таких выборок может быть большим, поэтому существует 65536 различных комбинаций нулей и единиц. Соответственно, современные компьютеры оснащены 16-битными звуковыми картами, что означает использование 16 двоичных цифр для кодирования одной выборки звуковой волны.

Чтобы воспроизвести аудиофайл, компьютер обрабатывает запрограммированные последовательности двоичного кода и соединяет их в одну непрерывную волну.

Кодирование графики

Графическая информация может быть представлена в виде рисунков, схем, картинок или слайдов в PowerPoint. Любая картинка состоит из мелких точек – пикселей, которые могут быть окрашены в разный цвет. Цвет каждого пикселя кодируется и сохраняется, и в итоге мы получаем полноценное изображение.

Если картинка черно-белая, код каждого пикселя может быть либо единицей, либо нулем. Если используется 4 цвета, то код каждого из них состоит из двух цифр: 00, 01, 10 или 11. По этому принципу различают качество обработки любого изображения. Увеличение или уменьшение яркости также влияет на количество используемых цветов. В лучшем случае компьютер различает около 16 777 216 оттенков.

Заключение

Существуют разные методы программирования информации, среди которых двоичное кодирование является наиболее эффективным. Всего лишь с помощью двух символов - 1 и 0 - компьютер легко прочитывает большинство файлов. При этом скорость обработки намного выше, нежели использовалась бы, например, десятичная система программирования. Простота этого метода делает его незаменимым для любой техники. Вот почему двоичное кодирование является универсальным среди своих аналогов.