Компьютер может работать только с информацией, которую люди могут превратить в сигналы
Обновлено: 05.07.2024
Компьютеры используют единицы и нули для представления всего. Посмотрите, как Кэтилин Мерри рассказывает об истории оцифровки.
Ваша жизнь полна данных. Пока вы едете на работу, вы можете слушать музыку, листать Твиттер, узнавать новости о погоде и делиться фотографиями кошек в Instagram. Вся эта цифровая информация, по сути, представляет собой последовательность нулей и единиц. Как этот [набор единиц и нулей] становится этим [изображением кота], или этим [твитом], или этой [звуковой волной]? Чтобы выяснить это, давайте изучим историю цифровых медиа и то, как далеко зашли компьютеры, используя только единицы и нули. Компьютеры получают, обрабатывают, представляют и хранят данные. Но как они это делают, просто используя электричество? В нашем онлайн-курсе «Как работают компьютеры» мы объясняем, что на базовом уровне компьютеры состоят из коммутаторов.
что соответствует числам в двоичном формате: единице и нулю. Каждое единичное или нулевое состояние в отдельном переключателе называется битом, который является наименьшим фрагментом данных, который может хранить компьютер. Поскольку на одной печатной плате можно разместить миллиарды переключателей, компьютеры могут использовать миллиарды битов для представления более сложных данных, таких как песни, текст и изображения. Но как информация преобразуется из физической формы в цифровые биты? За последние 25 лет аналоговые технологии музыки, игр и фильмов были оцифрованы. Эта старая электроника использует аналоговые сигналы, которые постоянно меняются, чтобы представить данные, которые они отправляли. В старых вещательных телевизорах для представления звука и изображения использовался сигнал с переменной высотой волны.
Но из-за вариаций этих волн небольшие помехи могут вызывать статические помехи. [STATIC BUZZING] Чтобы уменьшить помехи, компьютеры могут представлять мультимедиа в числовом формате, преобразовывая эти волны в биты данных. Это уменьшает помехи и приводит к лучшему качеству звука и изображения. Позже в этом курсе вы узнаете больше о вычислении мультимедиа и представлении данных. Вы будете участвовать в таких мероприятиях, как создание собственных фильтров изображений и расшифровка сообщений. Но сначала подумайте о том, как данные оживают для вас каждый день. Подумайте о телефонах, ноутбуках, телевизорах, радиоприемниках и других компьютерах, которые вас окружают, и поделитесь в комментариях одним или двумя примерами данных, которые вы видите в своей повседневной жизни.
Поделиться этой публикацией
В наши дни наша жизнь чрезвычайно насыщена данными: все, что мы видим и слышим с компьютера, состоит из данных. Например, сегодня по дороге на работу я слушал музыку, просматривая свою ленту в Twitter и фотографию кота моего друга в Instagram. Все эти вещи — музыка, текст и фотографии — по сути просто последовательность единиц и нулей. На самом базовом уровне это то, из чего состоит вся цифровая информация.
Как же единицы и нули становятся музыкой, сообщениями в социальных сетях или изображениями кошек? Чтобы начать отвечать на этот вопрос, я совершу краткий экскурс в историю и значение данных и цифровых медиа, чтобы дать вам представление о том, как далеко мы зашли с помощью простых единиц и нулей.
Работа компьютера
Компьютеры были созданы для обработки данных и превращения их в информацию. Информация тесно связана с данными; главное отличие состоит в том, что данные — это формализованное представление чего-то, что при заданном контексте или при анализе становится информацией. Таким образом, данные — более абстрактный термин, чем информация.
В этом курсе мы в основном занимаемся тем, как компьютеры представляют данные, а не тем, как компьютеры обрабатывают и создают информацию. Это важное различие, так как цель этого курса — помочь вам понять формализации и коды, которые компьютеры используют для воплощения данных в жизнь. По сути, вы научитесь понимать вещи с точки зрения компьютера — то, что вы видите, слышите и принимаете как должное в повседневной жизни. Эти знания очень важны для многих аспектов теории информатики.
Хотите продолжать
учиться?
Представление данных в вычислениях: оживление данных
Компьютер предназначен для выполнения ряда операций с данными: + получения данных + хранения данных + обработки данных + представления данных
Все это происходит внутри компьютера. Так как же компьютеры получают, хранят, обрабатывают и представляют данные, просто используя электричество? В нашем курсе Как работают компьютеры мы объясняем, что компьютеры состоят из ряда переключателей, которые могут быть включены или выключены, и эти состояния соответствуют двоичному представлению 1 (включено) и 0 (выключено). . Электрический ток протекает через переключатели, и если вы добавите больше переключателей, вы получите больше единиц и нулей. Вот пример того, как это работает:
Каждое состояние 1 (включено) или 0 (выключено) в отдельном переключателе называется битом. Это наименьший фрагмент данных, который может хранить компьютер.Если вы используете больше переключателей, вы получаете больше битов; с большим количеством битов вы можете представлять более сложные данные, такие как музыка, текст и изображение, о которых я говорил ранее. Миллиарды переключателей умещаются на одной печатной плате, и компьютеры оживляют данные, работая с этими битами.
В ходе этого курса мы рассмотрим процессы, которые компьютеры используют для преобразования этих битов в то, что вы можете видеть и слышать. Первый шаг — понять, как информация преобразуется из физического формата в цифровой, который может быть представлен битами. Этот процесс преобразования называется оцифровкой.
Оцифровка
Чтобы понять цифровизацию, давайте посмотрим, насколько технологии развились за последние 25 лет. Мультимедийные технологии и Интернет превратили нас в цифровую культуру. Например, вот технология, которая была популярна 25 лет назад, в 1993 году, по сравнению с современными технологиями:
Сегодня большинство видов средств массовой информации, телевидения, музыкальных записей и фильмов производятся и распространяются в цифровом формате, и теперь они сливаются с Интернетом и Всемирной паутиной, создавая цифровой медиапространство, с которым мы сталкиваемся каждый день. Вот несколько интересных фактов об оцифровке медиа:
- Почти вся музыка, когда-либо записанная людьми, теперь оцифрована.
- В 2011 году Amazon начала продавать больше цифровых книг, чем печатных.
- В 1986 году 99,2 % емкости хранения информации в мире были аналоговыми; 21 год спустя, в 2007 году, 94 % из них были цифровыми.
На рисунках выше примеры популярных технологий 1993 года представлены в аналоговом виде, а примеры 2018 года — в цифровом. Мы рассмотрим различия между аналоговым и цифровым более подробно позже. А пока, чтобы объяснить, как продвигалась оцифровка с 1993 года по сегодняшний день, я дам вам краткий обзор аналоговых и цифровых технологий.
Аналоговая электроника, как и примеры 1993 года, использует аналоговые сигналы. Вы можете представить аналоговые сигналы похожими на линию температуры на ртутном термометре: линия постоянно меняется, чтобы указать температуру.
Как и эта линия ртутного термометра, аналоговые сигналы могут принимать непрерывный диапазон значений для представления данных, и этот диапазон можно визуализировать. С другой стороны, цифровой термометр показывает значения прерывистыми шагами, например, десятыми долями градуса.
Другим примером служат старые вещательные телевизоры: в этих телевизорах для представления звуков и изображений используется сигнал с непрерывно изменяющейся волной.
Поскольку вариации этих волн очень малы, их форма может быть нарушена интерференцией, которая вызывает такие явления, как статический звук и визуальные эффекты снега. Чтобы уменьшить помехи, компьютеры могут преобразовывать волны в единицы и нули (или биты) как отдельные фрагменты данных. Использование битов вместо форм волны снижает влияние помех и приводит к лучшему качеству звука и изображения. Таким образом, компьютеры представляют мультимедиа в числовом формате, и это оказывает большое и растущее влияние на то, что мы видим и слышим в повседневной жизни.
На этой неделе мы углубимся в математику и основные вычислительные процессы, лежащие в основе вычислений мультимедиа и представления данных.
Активность: ежедневные данные
Теперь, когда вы увидели несколько примеров того, как представляются данные, подумайте о данных, которые каждый день оживают для вас с помощью вашего телефона, ноутбука или настольного компьютера, а также всех других компьютеров вокруг вас, например цифровых дисплеев на вашем компьютере. ежедневная поездка на поезде, умный телевизор дома или цифровое радио в машине.
Выберите один или два примера данных, которые вы видите в своей повседневной жизни, и поделитесь ими в комментариях.
двоичные сигналы, цифровая связь, информационные технологии
Автомобиль выезжает из туннеля Сион-Маунт-Кармель в Национальном парке Сион, штат Юта. Предоставлено: Викисклад.
Наконец-то лето! Вы и ваша семья находитесь в путешествии по пересеченной местности. У вас включено радио, и вы все подпеваете своей любимой песне. Вы проезжаете тоннель, и музыка останавливается. Если вы слушаете местную радиостанцию, музыка станет статической, но если вы слушаете спутниковое радио, музыка полностью замолкнет. Радио, будь то спутник или эфир, передается в виде сигнала, который интерпретируется вашим устройством.Если вы слушаете спутниковое радио, сигнал будет цифровым, а если вы слушаете вещание или «эфирное» радио, то сигнал будет аналоговым. В следующих упражнениях мы больше узнаем об особенностях цифровых и аналоговых сигналов, моделируя, как эти два типа сигналов передаются и используются для хранения информации.
Аналоговый или обычный Цифровые сигналы
Цифровые и аналоговые сигналы передаются посредством электромагнитных волн. Изменения частоты и амплитуды создают музыку, которую вы слушаете, или изображения, которые вы видите на экране. Аналоговые сигналы состоят из непрерывных волн, которые могут иметь любые значения частоты и амплитуды. Эти волны бывают гладкими и изогнутыми. С другой стороны, цифровые сигналы состоят из точных значений единиц и нулей. Цифровые волны имеют ступенчатый вид.
Аналоговые сигналы подвержены искажениям, поскольку даже небольшие ошибки в амплитуде или частоте волны изменят исходный сигнал. Цифровые сигналы являются более надежной формой передачи информации, поскольку ошибка в значении амплитуды или частоты должна быть очень большой, чтобы вызвать переход к другому значению.
| Аналоговый | цифровой |
|---|---|
| Сигналы состоят из бесконечного числа возможных значений. | Сигналы состоят только из двух возможных значений: 0 или 1. |
| Звуковые сигналы могут плавно изменяться по громкости и высоте. | Сигнал переходит от одного значения к другому. |
Эти два типа сигналов используются для связи и отправки информации в различных формах, таких как радиопередача, текстовые сообщения, телефонные звонки, потоковое видео и видеоигры. Они также могут использоваться для хранения информации и данных. Хранилище данных используется крупными компаниями, такими как банки, для хранения записей. Частные лица также используют хранилище данных в личных целях, например для хранения файлов, фотографий, результатов игр и многого другого.
Узнайте больше о возможностях хранения данных в серии статей Science Friday, File Not Found .
Призраки в барабанах
Интерьер ленточной библиотеки StorageTek в NERSC. Предоставлено: Викисклад.
Упражнение 1: Моделирование сигнала связи
В этом упражнении учащиеся будут моделировать отправку аналоговых и цифровых сигналов, как в детской игре «телефон», но в форме копирования серии рисунков. Это упражнение моделирует ключевые различия между цифровыми и аналоговыми сигналами в их разрешении и точности сигнала. Учащиеся выполнят две симуляции: одну, имитирующую многократную передачу аналогового сигнала, и одну, имитирующую многократную передачу цифрового сигнала.
Аналоговые изображения состоят из закругленных линий, чтобы показать, что аналоговые волны могут иметь бесконечные значения.
Цифровые изображения состоят из прямых линий, которые следуют сеткам на раздаточном материале, показывая, как цифровые сигналы состоят из квантованных значений.
Материалы
— Черная ручка или маркер с тонким наконечником (учащимся не разрешается несколько попыток воссоздать изображение)
— Одна копия каждого из 5 цифровых и 5 аналоговых пришельцев на таблицу (по одному типу пришельцев на человека) со страниц чертежей моделирования сигналов связи
Настройка учителя
- Разбейтесь на группы по пять человек вокруг стола. (Пять – это количество инопланетян, представленное в наборе, а также предоставляет учащимся оптимальные возможности для рисования заданных инопланетян.)
Моделирование сигнала связи Указания для учащихся
Мы собираемся смоделировать обмен сообщениями во времени и на расстоянии. Это задание требует передачи бумаги от человека к человеку, чтобы каждый человек воспроизвел на ней рисунок, а затем передал его следующему человеку за вашим столом. Передача бумаги и воспроизведение рисунка имитируют время и пространство, по которым распространяются сигналы. В первой части задания мы будем моделировать аналоговые сигналы. Во второй части мы будем моделировать цифровые технологии.
- Разрежьте бумагу по пунктирной линии и склейте две половинки встык.
- В сетке справа от инопланетянина используйте ручку или маркер, чтобы максимально перерисовать изображение инопланетянина. Вам не разрешается стирать или исправлять свой рисунок. Вам будет дано две минуты, чтобы завершить рисунок.
Вопросы об активности
(Заполнить после аналогового и цифрового раундов)
Разверните свои рисунки инопланетян и посмотрите на изображения, нарисованные во время игры.
– Сравните исходное изображение с окончательным рисунком. Определите и опишите сходства и различия между двумя изображениями.
– Наблюдайте за развитием рисунков во время занятия. Определите и опишите, что изменилось во время каждого рисунка.
Примечание для учителя. В ходе аналогового моделирования учащиеся увидят, как крошечные изменения (искажения/шумы) в каждой копии изображения (сигнала) приводят к значительным искажениям конечного изображения после многократной передачи.
Сравнение аналогового и цифрового раундов
Сравните изображения из заданий 1-го и 2-го раундов.
– Какой раунд привел к более точному финальному жеребьевке? Подтвердите свой выбор доказательствами из упражнения.
Примечание для учителя. В моделировании цифрового раунда изображения инопланетян состоят из прямых линий, которые следуют сеткам на раздаточном материале, показывая, как цифровые сигналы состоят из квантованных или ограниченного числа значений. Когда учащиеся сравнивают изображения, переданные ими с помощью аналоговых и цифровых «сигналов», они заметят, что в изображении, переданном в цифровом виде, даже после многократной передачи мало искажений, в отличие от того, что они наблюдали, когда передавали изображение с помощью аналогового сигнала.
Предотвращение «цифрового темного века»
Задание 2. Сортировка цифровых и аналоговых сигналов
В этом упражнении учащиеся познакомятся с характеристиками цифровых и аналоговых сигналов и применят свои характеристики для выбора цифрового или аналогового хранилища для конкретного примера.
Материалы
Настройка учителя
- Разбейте учащихся на группы по три человека.
- Подготовьте и перемешайте набор карточек для каждой группы.
- Поделитесь критерием CER со студентами.
Указания для учащихся
- Рассортируйте изображения и утверждения по двум категориям: цифровые сигналы и аналоговые сигналы.
- Используйте отсортированные изображения и утверждения, чтобы направлять свои мысли при заполнении письменной подсказки.
Подсказка о написании
Какой тип сигнала вы бы предложили для записи очень подробной песни исчезающей птицы? Подтвердите свой выбор доказательствами из вашей карты. Используйте критерий «утверждения-доказательства-обоснование» (CER), чтобы помочь вам в написании.
Совместная программа преподавателей Science Friday 2019
Действие 3: Двоичное преобразование
В этом упражнении мы будем использовать двоичное кодирование для представления путей через ряд «высоких» и «низких» вариантов выбора, которые представляют, какой путь выбрать на логической карте. Учащиеся будут действовать как цифро-аналоговые преобразователи для декодирования двоичных импульсов и создания изображения путем преобразования импульсов в цветные пиксели.
Музыка, передаваемая в ваш автомобиль по спутниковому радио, и информация, хранящаяся в библиотеках данных, представляют собой цифровые сигналы, использующие двоичную систему. В двоичной системе есть только две цифры, 1 и 0. Значение или значение этих цифр может варьироваться. Например, они могут обозначать «истина» и «ложь», «включено» и «выключено» или «высокое» и «низкое».
На этом рисунке показано, как можно использовать двоичное кодирование для представления путей с помощью ряда «высоких» и «низких» вариантов. Следование двоичному коду укажет путь к логической карте и поможет найти нужные цвета.
«1» указывает на «высокий» путь, а «0» — на «низкий» путь. С помощью этой карты, называемой «картой логических ворот», двоичная последовательность 0 и 1 может указывать, когда «идти вверх» или «идти вниз», передавая путь на карте для «кодирования» для цвета. Например, используя приведенную выше логическую карту, 010 будет означать, что «0» идет вниз, «1» идет вверх, «0» идет вниз. Это будет кодировать зеленый цвет.
Теперь вы попробуете
Используйте эту таблицу, чтобы определить, какой цвет будет кодироваться числом 111?
Если вы закончили черным цветом, вы его получили!
Цифровые сигналы передаются на компьютеры в виде электронных сигналов, посылаемых в виде импульсов. Цифровое устройство интерпретирует напряжение каждого импульса как 0 или 1. На изображении ниже показан пример оцифрованной волны.
Используя этот график, где красные линии в верхней части представляют собой «1», а красные линии в нижней части представляют «0», вы можете видеть, что вся красная линия представляет собой последовательность единиц и нулей. вверху графика: 11001110111011.
Если бы нам нужно было использовать каждую группу из трех чисел, чтобы найти соответствующий цвет в таблице выше, мы бы использовали:
110 — розовый
011 — синий
101 — красный
Пояснения к пикселям
Большинство электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры и телевизоры, используют технологию жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев). Экран состоит из миллионов крошечных кусочков, называемых пикселями. Электронное устройство получает закодированную информацию в виде цифровых сигналов и использует электричество для управления цветом пикселей. Каждый крошечный пиксель просто меняет один цвет на другой в зависимости от электрического сигнала, но, поскольку пиксели настолько малы, что ваш глаз улавливает движение на общем изображении. Удивительным примером этого в природе являются чешуйки или «пиксели» на изображении крыла бабочки ниже и в этом классном видео.
Сложные узоры на крыльях мотылька состоят из отдельных клеток, которые выражают разные цвета. Предоставлено: Викисклад.
Как работает задание?
Каждому учащемуся назначается цифровой волновой график, как показано на рисунке ниже. Используя карту логических элементов, учащиеся будут декодировать сигнал в цвета пикселей для части мозаики.
Чтобы создать собственный мозаичный шедевр в классе, четыре класса дополняют панель большой фрески Post-it.
Фреска, созданная четырьмя классами, представляет собой сцену океана. Фото: Андреа ЛаРоса
Материалы
— Бумага формата Legal, разрезанная пополам по длине для этикеток с сеткой
— Восемь досок для плакатов размером 22×28 дюймов (рекомендуется использовать по две на класс):
— 2 стикера Post-it размером 2 дюйма:
— Примечание для преподавателей: из приведенных выше наборов получится полная мозаика с правильными цветами (154 стикера Post-it на плакат). Если стикеры Post-it недоступны, учащиеся могут раскрасить сетку маркерами.
Подготовка
Распечатайте бинарные последовательности учащихся и таблицы назначения сетки. Разрежьте эти листы по пунктирным линиям и дайте каждому учащемуся заданную последовательность и соответствующую таблицу сетки. Ваша установка должна выглядеть так:
Процедура для учащихся
Расшифровка: вы расшифруете 10-12 квадратов на сетке. Ниже приведен пример графа двоичной последовательности. Красная линия представляет собой цифровое представление сигнала. Используйте назначенный вам график сигнала и логическую карту, чтобы декодировать двоичную последовательность и цвет в таблице сетки. Прежде чем переходить к построению мозаики, уточните свои ответы у учителя.
Конструкция: получите количество и цвета стикеров для вашего участка мозаики.Поместите свои стикеры на соответствующие квадраты в сетке плакатной доски.
Совет учителю: создайте заранее размеченную доску для плакатов, чтобы помочь учащимся создать мозаику. Фото: Андреа ЛаРоса
Добавьте стикеры на сетку плаката в правильном порядке. При этом думайте о каждом квадрате на сетке как о пикселе, а о выборе цвета — как о результате обработки двоичного кода для получения правильного цвета!
— Что сделал ваш класс?
— Как вы думаете, можно ли создать руководство по двоичному коду для создания росписи?
Занятие 4: Моделирование сигнала и отражение двоичного преобразования
Материалы
Настройка учителя
- Поделитесь с учащимися раздаточным материалом «Имитация сигнала и отражение двоичного преобразования» и критерием CER.
Подсказка о написании
— Используйте следующие таблицы, чтобы определить, какой тип сигнала, цифровой или аналоговый, является более надежным способом кодирования и передачи информации. Предоставьте три доказательства, подтверждающие ваше утверждение, основанные на ваших выводах, полученных в ходе обучения по моделированию сигналов и бинарному преобразованию.
На протяжении всей истории люди сравнивали мозг с различными изобретениями. Раньше говорили, что мозг подобен водяным часам и телефонному коммутатору. В наши дни любимое изобретение, с которым сравнивают мозг, — это компьютер. Некоторые используют это сравнение, чтобы сказать, что компьютер лучше мозга; некоторые говорят, что сравнение показывает, что мозг лучше компьютера. Возможно, правильнее будет сказать, что мозг лучше справляется с одной работой, а компьютер — с другой.
Давайте посмотрим, чем мозг и компьютер похожи и чем отличаются.
Мозг и компьютер: сходства и различия
| Сходство | Различие |
| Оба использовать электрические сигналы для отправки сообщений. | Мозг использует химические вещества для передачи информации; компьютер использует электричество. Хотя в нервной системе электрические сигналы распространяются с высокой скоростью, по проводам в компьютере они распространяются еще быстрее. |
| Оба передают информацию. | Компьютер использует переключатели, которые либо включены, либо выключены («бинарные»). В некотором смысле, нейроны в мозге либо включаются, либо выключаются, запуская потенциал действия или не запуская потенциал действия. Однако нейроны не просто включены или выключены, потому что «возбудимость» нейрона постоянно меняется. Это связано с тем, что нейрон постоянно получает информацию от других клеток через синаптические контакты. Информация, проходящая через синапс, НЕ всегда приводит к возникновению потенциала действия. Скорее, эта информация изменяет вероятность того, что потенциал действия будет произведен путем повышения или понижения порога нейрона. |
| Оба имеют память, которая может расти. | Компьютерная память увеличивается за счет добавления компьютерных микросхем. Воспоминания в мозгу растут за счет более сильных синаптических связей. |
| Оба могут адаптироваться и учиться. | Мозгу это намного проще и быстрее узнавать новое. Тем не менее, компьютер может выполнять множество сложных задач одновременно («многозадачность»), которые сложны для мозга. Например, попробуйте считать в обратном порядке и умножить 2 числа одновременно. Однако мозг также выполняет некоторые многозадачные функции, используя вегетативную нервную систему. Например, мозг контролирует дыхание, частоту сердечных сокращений и артериальное давление, одновременно выполняя умственную задачу. |
| И то, и другое со временем эволюционировало. | За последние 100 000 лет человеческий мозг весил около 3 фунтов. Компьютеры развивались намного быстрее, чем человеческий мозг. Компьютеры существуют всего несколько десятилетий, но быстрый технологический прогресс сделал компьютеры быстрее, меньше и мощнее. |
| И тем, и другим требуется энергия. | Мозг нуждается в питательных веществах, таких как кислород и сахар, для питания; компьютеру для работы требуется электричество. |
| И то, и другое может быть повреждено. | Легче починить компьютер - просто купите новые детали . Для мозга нет новых или бывших в употреблении деталей. Тем не менее, проводится определенная работа по трансплантации нервных клеток при некоторых неврологических расстройствах, таких как болезнь Паркинсона. И компьютер, и мозг могут «заболеть» — компьютер может заразиться «вирусом», и есть много болезней, поражающих мозг. В некоторых случаях мозг имеет «встроенные резервные системы». Если один путь в мозге поврежден, часто есть другой путь, который возьмет на себя эту функцию поврежденного пути. |
| И то, и другое можно изменить и модифицировать. | Мозг постоянно меняется и модифицируется. Для мозга нет «выключения» — даже когда животное спит, его мозг все еще активен и работает. Компьютер меняется только тогда, когда добавляется новое оборудование или программное обеспечение или что-то сохраняется в памяти. ЕСТЬ "выкл" для компьютера. Когда питание компьютера отключено, сигналы не передаются. |
| Оба могут выполнять математические и другие логические задачи. | компьютер быстрее делает логические вещи и вычисления. Однако мозг лучше интерпретирует внешний мир и выдвигает новые идеи. Мозг способен к воображению. |
| И мозг, и компьютеры изучаются учеными. | Ученые понимают, как работают компьютеры. Тысячи нейробиологов изучают мозг. Тем не менее, о мозге еще многое предстоит узнать. "Мы НЕ знаем о мозге больше, чем то, что знаем о мозге" |
В этом списке описаны лишь некоторые сходства и различия между компьютером и мозгом. Можете ли вы придумать что-нибудь еще? Попробуйте страницу «Метафора мозга».
Для дальнейшего обсуждения метафоры мозг/компьютер прочитайте сборник статей по этой теме.
Здесь есть несколько вопросов, которые обычно указывают на непонимание того, как компьютеры хранят и используют данные. Краткие ответы на вопросы находятся здесь вверху, а остальная часть ответа содержит более подробную информацию.
Компьютерные изображения (и все другие данные) хранятся в виде последовательности битов; в цифровом компьютере нет «преобразования в биты», потому что компьютеры могут понимать только дискретные (/квантованные, битовые) данные; все входные и выходные данные представляют собой порции информации, а размер наименьшей порции равен 1 биту.
Для изображений не существует определенного типа данных, хотя существует множество различных типов данных, которые можно использовать для сохранения значений пикселей. Какой из них использовать, зависит от того, что еще пользователь хочет делать с информацией. Существуют различные типы файлов изображений, которые имеют некоторые отличия, которые я не буду описывать. Независимо от типа файла, все они в конечном итоге сохраняются как двоичные последовательности в битах.
ЦП НЕ преобразует данные в биты. Процессоры могут понимать только цифру, а отдельный аналого-цифровой преобразователь выполняет работу по преобразованию сигналов датчиков в цифровой/битовый формат. Как обсуждалось в этом ответе и в другом ответе ScienceLine, существуют различные устройства ввода и вывода, которые взаимодействуют с компьютерами и могут принимать нецифровые (аналоговые) сигналы и выполнять цифровые входы для компьютера или принимать цифровые сигналы от компьютера и генерировать аналоговые сигналы. . Учитывая это, оставшийся вопрос о наилучшем типе данных для ЦП для изменения входных данных бессмысленен, как написано.
Во-первых, бит – это просто наименьшая единица информации, подобно метру – единице измерения расстояния. Биты не являются частью компьютера, это термин для обозначения количества информации (хотя в некомпьютерных контекстах может использоваться единица измерения). Один бит - это количество информации, представленное устройством, которое имеет два возможных значения (состояния) и в любой момент времени находится точно в одном из этих состояний, и бит имени происходит от этих характеристик, объединяя слова двоичный (для 2 состояний) и цифра (в дискретных единицах).
Современные компьютеры являются цифровыми, то есть они используют сигналы, представленные конечным числом дискретных значений, и, в частности, они используют двоичные сигналы, которые могут принимать только состояния типа "включено/выключено" (обоснование двоичных значений см. ниже). Это означает, что все внутри компьютера всегда находится «в битах» и компьютер никогда не хранит это в другой форме. Вопрос предполагает, что изображения хранятся в какой-то другой форме, кроме битов (что, как только что установлено, не так), и что задающий вопрос называет типом данных. В программировании действительно существует множество различных типов данных, таких как целые числа, числа с плавающей запятой, логические значения (true/false) и строки (последовательности символов, часто используемые для текста), но все они кодируются так же, как последовательности двоичных состояний. транзисторов (т. е. «как биты»). Термин «тип данных» относится к атрибуту, который сообщает компьютеру, как будет использоваться последовательность. Компьютер интерпретирует последовательность, скажем, как целое число, а не как букву, только потому, что существует другая последовательность, которая сообщает компьютеру, какую интерпретацию использовать.
Например, последовательность "01000111", прочитанная как целое число, будет равна "71", но той же последовательностью, что и символ ASCII, будет буква "G". Интерпретация устанавливается как часть программирования компьютера. Если тип данных не указан, компьютер по-прежнему может выполнять операции с данными (т. е. может изменять двоичные состояния и тем самым изменять хранимую информацию), но операции могут не давать осмысленного результата в зависимости от типа введенных данных.(Например, побуквенное добавление двух слов дает новую двоичную последовательность, но, вероятно, не такую, которая имеет какое-либо значение по отношению к исходным словам.)
Чтобы сохранить эти непрерывные сигналы в дискретной форме, понятной компьютеру, цифро-аналоговый преобразователь производит выборку сигнала в конечном числе точек. «Выборка» означает измерение амплитуды аналогового сигнала в определенной точке и запись этого значения. Качество цифрового сигнала определяется количеством отсчетов (или отсчетов в единицу времени — также частотой дискретизации) и количеством битов, используемых для хранения значения (битовая глубина или уровень квантования (разрешение звука, изображение)) . При более высокой частоте дискретизации непрерывный сигнал измеряется в большем количестве точек, а это означает, что сохраняется больше исходного сигнала, и, следовательно, цифровой сигнал является более точным описанием исходного аналогового сигнала (см. первый рисунок здесь для наглядного пояснения).< /p>
Битовая глубина важна, потому что амплитуда непрерывного сигнала не может быть точно представлена конечным числом цифр (двоичных или иных). Сохраненное значение максимально близко к измеренному значению, но неизбежно будет округление в зависимости от количества битов, доступных для хранения значения. Представьте, что аналоговый сигнал находится в диапазоне от 0 до 100 (шкала здесь не имеет значения). Если компьютер может использовать 2 бита для каждой выборки, то доступно 2 2 = 4 значения. Все сэмплы с амплитудами 0-24 могут стать 0 в цифровой записи, 25-49 будут 1 и так далее. Это означает, что большая часть вариаций звуков будет потеряна, потому что широкий диапазон звуков сгруппирован вместе. Теперь представьте, что компьютер может использовать 8 бит. Это позволяет использовать 2 8 =256 значений. Сэмплы можно записывать с шагом амплитуды 0,004. Потребуется гораздо меньше округлений, и звук, воспроизведенный с цифровой записи, будет намного больше похож на оригинал.
Примечание. Вышеприведенное описывает изображения, хранящиеся попиксельно, включая все фотографии. Такие изображения называются растровыми. Существует еще один тип изображения, называемый векторным изображением. Векторные изображения сохраняются в виде серии текстовых инструкций, описывающих, как рисовать линии, формы и т. д. (включая их цвета) для создания изображения. Несмотря на то, что изображение сохраняется «как текст», этот текст в конечном итоге сохраняется с использованием некоторого количества битов информации.
До сих пор мы говорили, что компьютеры хранят информацию небольшими порциями, называемыми битами, но не говорили, как и почему. Как указано выше, бит — это количество информации, содержащейся в устройстве с двумя состояниями. Можно предположить, что компьютер мог бы использовать более крупные единицы информации с устройствами с тремя, четырьмя или даже десятью состояниями, которые соответствовали бы нашей десятичной системе счета. Но чтобы пользоваться любым устройством, нужно уметь надежно различать состояния. С бинарным устройством это относительно просто - свет "включен" (течет ток) или "выключен" (нет тока) ясно. Чем больше состояний, тем различия более неоднозначны. В неидеальных условиях одно состояние может быть легко (относительно двоичного) неверно истолковано как состояние по обе стороны от него. Особенно в первые дни цифровых компьютеров не хватало возможности проводить это различие. В конечном счете, повышение эффективности за счет использования большего количества состояний не стоило увеличения количества ошибок и шума.
Существует множество возможных физических проявлений устройства с двумя состояниями. В современных полупроводниках устройства представляют собой транзисторы, которые являются своего рода электрическими переключателями. Два состояния транзистора: «включен» (т. е. через него может проходить электрический ток) и «выключен» (ток заблокирован) (подробнее о транзисторах и их работе читайте здесь).
Перфкарты широко использовались на протяжении 1900-х годов, когда данные представлялись наличием или отсутствием отверстия. Поскольку каждый переключатель, место вставки и т. д. представляют собой 1 бит информации, эти элементы иногда сами называются битами.
На этот вопрос нет простого ответа.
Существует множество различных типов файлов изображений. Вы, наверное, видели некоторые расширения файлов .jpg, .jpg, .tiff, .tga. Они указывают на разные методы архивации данных, из которых создаются изображения, биты в разном порядке и т. д.
Разные материнские платы и чипы также работают по-разному. Драйверы для этих аппаратных средств, которые жестко закодированы в них, позволяют операционной системе знать, как получать доступ, хранить и извлекать данные с дисков и т. д.
Короче говоря, вариантов много, и все они разные.
Мой хорошо разбирающийся в компьютерах родственник дал вам эту замечательную ссылку и следующий за ней комментарий:
Ваш вопрос, Какой тип данных используется для компьютерных изображений?, дает следующий результат в Google, который является результатом для неясных вопросов:
Вопрос должен быть только одним вопросом. Второй и третий вопросы лишь отдаленно связаны с первым.
От модератора ScienceLine:
Я рекомендую вам прочитать следующие ссылки, которые могут содержать ответы на ваши вопросы:
Как работает экран компьютера?
На стене в крыле информатики висит серебряная табличка. Вот его изображение:
Так что же со всеми 1 и 0? Это просто для галочки, или это действительно что-то значит?
Я не говорю о "что-то значит" в философском смысле. Действительно ли эти 1 и 0 превращаются в действия и цели с нашей стороны, это тема для другого поста. Вместо этого в этой статье я имею в виду нечто гораздо более прозаичное, гораздо более запутанное. Что означают 1 и 0 в нашем повседневном языке и почему компьютеры вообще разговаривают на этом странно ограниченном языке?
Давайте сначала рассмотрим второй вопрос. Почему компьютеры говорят единицами и нулями? Этот язык единиц и нулей называется двоичным. Компьютеры говорят в двоичном формате из-за того, как они построены. Компьютер — это не что иное, как огромный набор переключателей. На этих странно выгравированных платах внутри компьютера есть миллионы наноскопически маленьких электронных переключателей. Выключатель, если он не сломан, может быть включен или выключен, замкнут или разомкнут. Переключатель в положении «включено» или «замкнут» пропускает через себя электрический сигнал, в то время как переключатель в положении «выключено» или «разомкнут» блокирует этот сигнал. Ученые-компьютерщики обозначают переключатель «вкл.» цифрой 1 и переключатель «выкл.» цифрой 0.
Выражая данные с помощью единиц и нулей, мы упаковываем их таким образом, который имитирует организацию вещей внутри компьютера. Последствия этого решения являются глубокими и вдохновляющими, и на самом деле неясно, знали ли первые ученые-компьютерщики, насколько случайным окажется их решение выражать данные в виде единиц и нулей. Создавая данные точно так же, как устроен компьютер, который их обрабатывает, они позволили компьютерам обрабатывать как данные, так и инструкции, используя одни и те же компоненты и инструменты. Позже это породило ныне повсеместную архитектуру фон Неймана, которой следует практически каждый современный компьютер. Невероятная вычислительная производительность и объем памяти, которыми мы сейчас наслаждаемся, были бы невозможны без такого способа организации компьютера и данных, которые он обрабатывает.
Давайте вернемся к обсуждаемому вопросу: что на самом деле означают эти 1 и 0? Компьютеры не работают напрямую с текстом. Вместо этого они получают значение только из чисел. Для построения одного числа требуется 8 таких единиц и нулей (другими словами, 8 битов). Например, рассмотрим этот набор из 8 битов:
0 1 0 0 1 0 0 1
Вы заметите, что это первая коллекция из 8 битов на нашей табличке, показанная на картинке. Этот набор из 8 битов называется байтом. В байте каждый бит имеет связанное с ним значение. Это ничем не отличается от того, с чем вы привыкли работать в своей повседневной работе с числами. Например, если я скажу, что должен вам 1234 доллара, во-первых, будьте уверены, что я никогда вам не заплачу, а во-вторых, подумайте, что это значит. Каждая из этих цифр представляет собой степень числа 10. Крайняя правая цифра является наименее значимой, и это количество единиц. Вторая цифра справа представляет количество десятков. Третья справа цифра обозначает количество сотен. Наконец, крайняя левая цифра представляет число тысяч.
В нашем примере на месте единиц стоит 4, на месте десятков — 3, на месте сотен — 2, а на месте тысяч — 1. Таким образом, общее значение этого числа равно
1 * 1000 + 2 * 100 + 3 * 10 4 * 1 = 1234
Это точно такая же интерпретация, которую мы применяем к битам в байте, чтобы определить значение, которое он представляет. Единственная разница состоит в том, что вместо того, чтобы каждая цифра представляла, сколько у нас имеется чисел определенной степени 10, каждый бит в байте представляет, сколько у нас имеется чисел определенной степени 2. Крайний правый бит представляет, сколько у нас есть возведенных в степень 0 (т. е. сколько единиц). Второй бит справа представляет, сколько двойок в степени 1 (т. е. сколько двойок) у нас есть. Бит, третий справа, показывает, сколько степеней двойки в степени 2 (т. е. сколько четверок) у нас есть. Четвертый-к…
Эй, заткнись, ботаник. Я умираю здесь.
Хорошо. Спасибо, что вытащил меня из этого. Вернемся к нашему примеру. Рассмотрим 0 1 0 0 1 0 0 1 и работаем с каждым битом, начиная с крайнего правого.
У нас есть 1 на месте 1.
У нас есть 0 вместо 2.
У нас есть 0 вместо 4.
У нас есть 1 вместо 8.
У нас есть 0 вместо 16.
У нас есть 0 вместо 32
У нас есть 1 вместо 64.
У нас есть 0 вместо 128.
Откуда взялись числа 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и 128?Каждое из этих чисел является степенью двойки, что, как мы сказали, представляет каждый бит в байте. Каждый бит представляет одну из этих степеней двойки, и либо эта степень двойки есть в общем числе, которое представляет байт, либо ее нет. Другими словами, либо переключатель, соответствующий этому биту, замкнут, либо разомкнут. Заметили идеальное соответствие между данными и структурой? Это значительно упрощает интерпретацию и представление данных.
Итак, сложим, что имеем: 1 + 0 + 0 + 8 + 0 + 0 + 64 + 0 = 73.
Эврика, первый байт таблички миссии нашего отдела — 73! 73? Я думал, что ответ на все вопросы космического значения — 42. Что не так с 73?
На этом все. Каждый набор из 8 бит представляет собой число, которое, в свою очередь, представляет символ.
Проверь себя. Попробуйте перевести остальную часть сообщения и посмотрите, сможете ли вы понять оставшуюся часть. Вот подсказка. В нем не говорится: «Футбол Иллинойса в этом году не проиграет». Я оптимист, но от галлюциногенов давно отказался.
Читайте также: