Компьютеры могут хранить и обрабатывать только аналоговые или дискретные данные

Обновлено: 21.11.2024

Новые доказательства в пользу дискретной формы хранения данных могут изменить наши представления о мозге и устройствах, которые мы создаем для взаимодействия с ним.

Для инженеров вопрос о том, следует ли хранить информацию в аналоговой или дискретной форме, легко ответить. Дискретное хранилище данных имеет явные преимущества, не последним из которых является то, что оно гораздо более устойчиво к деградации.

Инженеры использовали это свойство. При условии, что шум ниже некоторого порогового уровня, цифровую музыку можно копировать бесконечно. Напротив, музыку, хранящуюся в аналоговой форме, например на кассетах или виниловых пластинках, можно скопировать лишь несколько раз, прежде чем шум испортит запись до неузнаваемости.

Процесс эволюции также использовал это преимущество. ДНК хранит информацию в дискретной форме в виде последовательности нуклеотидов, что позволяет с высокой точностью передавать схему жизни из поколения в поколение.

Поэтому легко представить, что на вопрос о том, как мозг хранит информацию, легко ответить. Не так. Нейробиологи давно размышляли над этим вопросом, и многие считают, что он, вероятно, использует некую форму хранения аналоговых данных. Но доказательства в пользу дискретного или аналогового хранения данных никогда не были решающими.

Сегодня это изменилось, по крайней мере частично, благодаря работе Джеймса Ти и Десмонда Тейлора из Кентерберийского университета в Новой Зеландии. Эти ребята измерили, как люди принимают определенные типы решений, и говорят, что их статистический анализ результатов убедительно свидетельствует о том, что мозг должен хранить информацию в дискретной форме. Их вывод имеет большое значение для нейробиологов и других исследователей, создающих устройства для подключения к мозгу.

Во-первых, немного предыстории. Одна из причин, по которой нейробиологи не могут решить этот вопрос, заключается в том, что нейронные сигналы явно аналоговые по своему характеру. Они генерируют аналоговые электрические импульсы, в которых потенциал напряжения варьируется от -40 мВ до -70 мВ на клеточной мембране. Так что на первый взгляд легко представить, что данные, которые они несут, тоже аналоговые.

Это не обязательно так. Электромагнитные сигналы всегда являются аналоговыми на каком-то уровне, поскольку для переключения любой схемы из одного состояния в другое требуется время. Однако информацию, закодированную в этих сигналах, можно рассматривать как дискретную, игнорируя эти переходы.

Таким образом, информация, передаваемая по нейронам, также может быть дискретной. Действительно, есть веские теоретические основания полагать, что это должно быть так.

Еще в 1948 году математик и инженер Клод Шеннон опубликовал Математическая теория коммуникации, в которой показал, как информация, хранящаяся в дискретной форме, может быть скопирована с произвольно малой ошибкой при условии, что уровень шума ниже некоторого пороговый уровень.

Напротив, для аналоговой информации не существует эквивалентной теории, и попытки аппроксимировать ее путем увеличения квантования аналогового сигнала на все более мелкие части предполагают, что она далеко не так надежна. Действительно, Ти и Тейлор говорят, что их теоретический анализ предполагает, что мозг не может работать таким образом. «Невозможно надежно общаться между нейронами при повторяющихся передачах, используя непрерывное представление», — говорят они.

Но экспериментальных доказательств того, что мозг хранит данные дискретно, не было. До настоящего времени. Далее Ти и Тейлор говорят, что если мозг хранит информацию в дискретной форме, он должен обрабатывать ее иначе, чем аналоговую информацию. И это должно привести к измеримым различиям в поведении людей в определенных процессах принятия решений.

В частности, Ти и Тейлор сосредоточились на проблемах, в которых люди должны принимать решения, основываясь на своей оценке вероятностей. Если мозг способен оценивать вероятности непрерывным образом, это должно привести к тому, что диапазон человеческого поведения будет плавно меняться по мере изменения вероятностей.

Однако, если человеческий мозг работает на дискретной основе, он должен относиться к некоторым вероятностям одинаково. Например, человек может оценить вероятность как низкую, среднюю или высокую. Другими словами, вероятности должны быть округлены до определенных категорий: например, вероятности 0,23 и 0,27 можно рассматривать как низкие, 0,45 и 0,55 — как средние, а 0,85 и 0,95 — как высокие.

В этом случае диапазон человеческого поведения будет иметь ступенчатую структуру, отражающую скачок от низкого к среднему и к высокому риску.

Итак, Ти и Тейлор изучали процесс принятия решений человеком по мере изменения вероятностей. Они сделали это, проверив, как более 80 человек оценивали и добавляли вероятности, связанные с колесами рулетки, в более чем 2000 экспериментальных испытаний.

В экспериментах использовался аналогичный подход.Например, участникам показывали колесо рулетки с обозначенным определенным сектором и просили оценить вероятность попадания шарика в этот сектор. Затем им показывали два колеса с нанесенными на них разными секторами. Им предстояло оценить вероятность попадания мяча в оба сектора. Наконец, их попросили оценить, была ли вероятность выше в случае примера с одним колесом рулетки или с двойным колесом рулетки.

Затем исследователи изменили размер секторов в экспериментах, чтобы охватить широкий диапазон вероятностей, в общей сложности проведя 2000 испытаний. Участники выполняли тесты в случайном порядке на сенсорном экране компьютера и получали символическую сумму за участие (хотя у них также был шанс выиграть бонус в зависимости от их результатов).

Результаты интересны для чтения. Ти и Тейлор говорят, что в отличие от плавного распределения поведения, ожидаемого при хранении мозгом информации в аналоговой форме, результаты легче интерпретировать с использованием дискретной модели хранения информации.

Важным фактором является степень, в которой мозг квантует вероятности. Например, разделяет ли он их на три, четыре или более категорий? И как это квантование меняется в зависимости от поставленной задачи? В связи с этим Ти и Тейлор говорят, что 4-битное квантование лучше всего соответствует данным.

"В целом результаты подтверждают друг друга, подтверждая нашу дискретную гипотезу представления информации в мозгу", — заключают Ти и Тейлор.

Это интересный результат, который имеет важные последствия для будущих исследований в этой области. «Двигаясь вперед, мы твердо верим, что правильный исследовательский вопрос для изучения больше не состоит в том, чтобы сравнивать непрерывность и дискретность, а скорее в том, насколько мелкозернистой является дискретность (сколько битов точности)», — говорят Ти и Тейлор. «Вполне вероятно, что разные части мозга работают на разных уровнях дискретности в зависимости от количества уровней квантования».

Действительно, инженеры нашли это, разрабатывая продукты для реального мира. Изображения обычно кодируются с помощью 24-битного квантования, тогда как музыка обычно квантуется с использованием 16-битной системы. Это отражает максимальное разрешение наших зрительных и слуховых ощущений.

Эта работа имеет значение и для других областей. Растет интерес к устройствам, напрямую связанным с мозгом. Очевидно, что такие интерфейсы «машина-мозг» выиграют от лучшего понимания того, как мозг обрабатывает и хранит информацию, что является долгосрочной целью нейробиологов. Таким образом, подобные исследования помогут проложить путь к этой цели.

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

  1. 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.

  1. Разрежьте бумагу по пунктирной линии и склейте две половинки встык.
  2. 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

  1. Разбейте учащихся на группы по три человека.
  2. Подготовьте и перемешайте набор карточек для каждой группы.
  3. Поделитесь критерием CER со студентами.

Указания для учащихся

  1. Рассортируйте изображения и утверждения по двум категориям: цифровые сигналы и аналоговые сигналы.
  2. 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

  1. 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.

Компьютерная обработка сигналов может осуществляться в аналоговом, цифровом и гибридном форматах. Сигнал преобразуется в электрический импульс, радиоволну или свет с помощью процесса, известного как модуляция.

Хотя концепция обработки сигналов может быть такой же простой, как включение и выключение постоянного тока, она также сложна, как переменный или электромагнитный ток.

Основной функцией компьютера является преобразование необработанных данных в информацию, задача, которую выполняет микропроцессор. Для того, чтобы это произошло, данные должны пройти через какой-то путь. Этот путь называется сигналом.

Компьютеры используют аналоговые и цифровые сигналы для преобразования необработанных данных в полезную информацию. В то время как первый быстро обрабатывает результаты, второй дает наиболее точную информацию. Где-то посередине находится гибридная обработка, которая призвана объединить преимущества вышеупомянутых технологий.

Ранние системы и приспособления, созданные в начале 20 века, были аналоговыми; те, что производились с конца 20 века до начала 21 века, в основном были цифровыми.

С тех пор аналоговые сигналы были вытеснены цифровыми инновациями.

Переход стал возможен из-за необходимости выполнять задачи быстрее и эффективнее с меньшим количеством беспорядка.

Отрасль связи — это одна из областей, где технологии должны были развиваться быстро. Хотя в прошлом аналоговая телефония была проста в использовании, она была затруднена из-за цены и ограниченной масштабируемости.

Однако цифровая телефония обеспечивает более низкие тарифы на звонки, более высокое качество передачи вызовов и улучшенную масштабируемость.

1. Аналоговая обработка сигналов

Люди воспринимают мир в аналоговой форме, что объясняет, почему все, что мы видим, говорим и слышим, передается в виде непрерывного и бесконечного потока информации. В некотором смысле человеческий мозг — это своего рода очень мощный суперкомпьютер.

Аналоговые компьютеры используются для моделирования механических, электрических и гидравлических величин природы для моделирования проблем или моделей, которые необходимо решить. Текущий вычислительный процесс является самоцелью.

На примере аналоговых часов минутный и часовой циферблаты постоянно движутся, показывая время. Мы можем визуально измерять прошедшее или грядущее время, не переключаясь между цифрами от 0 до 9, как в цифровых часах.

В отличие от современных компьютеров, которые можно использовать для общих целей дома и в офисе, аналоговые устройства использовались и используются для конкретных промышленных задач для измерения постоянно меняющихся параметров.

Они использовались и могут использоваться для управления следующими физическими величинами:

8 лучших альтернатив Evernote, которые должен использовать каждый

250+ цитат о собаках и идей подписей для Instagram

Обзор устройства языкового переводчика Timekettle M2

  • напряжение
  • температура
  • давление
  • расстояние
  • ускорение
  • скорость
  • моделирование
  • заставить

Аналоговый компьютер MiniAC использовался Университетом Флориды для моделирования модели

Реализация

Аналоговые компьютеры ориентированы на решение дифференциальных уравнений, где время является наиболее важной переменной. Поскольку они производят только непрерывные сигналы, выходные данные не используют длину слова в качестве критерия для окончательного вычисления. Обычно вычисления и вывод происходят одновременно.

Первые крупные аналоговые сигнальные компьютеры использовались для моделирования и испытаний различных типов самолетов, межконтинентальных баллистических ракет и многочисленных промышленных установок. В первые годы ученые обращались к этим системам, чтобы воплотить свои идеи в жизнь.

Например, при попытке усовершенствовать систему подвески в конструкции автомобиля эти системы можно использовать для моделирования и тем самым предоставить инженерам более совершенные конструкции устойчивых к давлению подвесок.

Поскольку экспериментальную среду можно было объяснить с помощью математических формул, ее также можно было смоделировать с помощью аналоговых приспособлений.

Задачи были смоделированы в реальном мире путем запуска определенных формул, а выходные данные можно было прочитать в электрических напряжениях и различных видах механических движений.

Традиционным компьютерам не обязательно требовались ресурсы хранения в качестве выходных данных, поскольку вычисления можно было считывать и использовать в режиме реального времени.

В аналоговую эру электрический ток измеряли с помощью амперметров

Примеры аналоговых устройств и компьютеров

  • логарифмическая линейка
  • Спидометр
  • Предсказатель приливов
  • Термометр
  • Аналоговые часы
  • Номограмма: графическое вычислительное устройство.
  • Операционный усилитель
  • Механический интегратор
  • Электрические интеграторы, решающие уравнения в частных производных
  • Бомбоприцел Norden
  • Осциллограф: используется для измерения напряжения электронного прибора в зависимости от времени.
  • Вольтметр
  • MONIAC ​​(аналоговый компьютер денежного национального дохода): построен в Новой Зеландии в 1949 году для моделирования национального экономического процесса в Великобритании.
  • Компьютер Water Integrator: создан в России в 1936 году для решения дифференциальных уравнений.

Судьба аналоговых компьютеров

Аналоговые компьютеры исчезли из обычных учреждений, их можно найти только в некоторых исследовательских университетах и ​​на промышленных предприятиях, а также в качестве экспериментальных моделей для компьютерных любителей.

Электронные энтузиасты все еще возятся с моделированием проблем электроники, потому что они измеряют данные в реальном времени для информации, а не алгоритмически данные обработка в современных системах.

Их также помнят как экспериментальные приспособления, и они далеки от того, чего достигли цифровые системы. Несмотря на то, что они лучше защищали параллельную обработку, они отставали, когда дело касалось удобства использования для обычных пользователей.

Наоборот, цифровые устройства оказались простыми в использовании, а полученные данные легко обрабатывать и хранить.

Это никоим образом не означает, что аналоговые устройства и памятные вещи исчезли навсегда. Очевидно, что они играли важную роль, пока не появилась лучшая методология вычислений и повальное увлечение персональными компьютерами.

2. Цифровая обработка сигналов

Как видно из слов, представление данных осуществляется с помощью двоичных цифр, которые представлены цифрами, а также нечисловыми буквами и символами.

В отличие от аналоговых компьютеров, которые преобразуют данные в информацию в бесконечной форме, цифровая обработка сигналов работает путем оценки входных и выходных данных с использованием двоичного режима 0 и 1 или дискретной электрической передачи ВКЛ и ВЫКЛ.

Цифровые компьютеры способны предоставлять более точные данные, поскольку они выполняют логические и арифметические операции, такие как умножение, сложение, вычитание и деление.

На языке непрофессионала цифровая система предназначена для автоматической обработки арифметических или логических вычислений с использованием двоичных цифр в двух основных состояниях: 0 (ноль) и 1 (единица).

Другие преимущества включают универсальность и точность, а также то, что их легко перепрограммировать. Кроме того, сегодня большая часть информации хранится в цифровом виде на компьютере и вне его.

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) также используются для передачи аудиовизуальных аналоговых записей в компьютер для хранения и редактирования.

В ноутбуках используется цифровая обработка сигналов

Различия между аналоговой и цифровой обработкой сигналов

Основное различие между цифровыми и аналоговыми компьютерами заключается в том, как они обрабатывают данные.В то время как цифровые компьютеры используют двоичный язык для точного выполнения вычислений, аналоговые компьютеры обрабатывают непрерывные данные, такие как изменения напряжения и колебания температуры, для вывода вычислений.

Работа с непрерывными значениями

Работайте над скрытыми значениями

Измерение таких величин, как скорость и температура

Решайте математические задачи, такие как сложение и вычитание

Предпочтительнее в инженерных и научных областях

Используется всеми и во всех слоях общества

Компьютеры специального назначения

ПК — это компьютеры общего назначения

Возможно, нет памяти

Для работы требуется память

Используйте тщательно составленные списки инструкций

Можно электрически соединить различные подсистемы с помощью патч-кабелей

Выводить числа

Выдает сигналы напряжения и имеет наборы аналоговых измерителей и осциллографов для отображения напряжения

Варьируются по размеру: от крошечных приспособлений, размера рабочего стола до многостоечного оборудования

От крошечных встроенных систем до серверных систем размером с комнату

Хранение затруднено, потому что они используют непрерывные сигналы

Числовая и дискретная природа упрощает хранение данных

3. Гибридная обработка сигналов

Это сочетание популярных функций аналоговой и цифровой обработки сигналов. Гибридная система способна вводить аналоговые данные и выводить цифровую информацию или наоборот.

С точки зрения перспективы гибридные компьютеры обладают как скоростью аналоговых систем, так и точностью и памятью цифровых устройств.

Например, аналоговое устройство можно использовать для измерения артериального давления и температуры пациента в медицинском учреждении, а полученные данные преобразовывать в значимые цифровые данные.

В большинстве случаев гибриды предназначены для специализированных задач на секретных военных объектах и ​​важных зданиях для наблюдения за особыми действиями и функциями радаров.

Этот компьютер следует выбирать, если пользователю необходимо обрабатывать как непрерывные, так и дискретные данные.

Области, в которых можно использовать гибридные компьютеры:

  • Для предоставления данных о катетеризации сердца в больницах.
  • Измерение пульса, артериального давления и температуры
  • В бензоколонках

Эта статья является точной и достоверной, насколько известно автору. Контент предназначен только для информационных или развлекательных целей и не заменяет личного совета или профессиональной консультации по деловым, финансовым, юридическим или техническим вопросам.

© 2015 Альфред Амуно

Комментарии

бабити, 11 мая 2019 г.:

не могли бы вы прислать мне, например, список гибридных компьютеров, используемых в больнице

Виктор, 24 марта 2019 г.:

Используют ли аналоговые компьютеры процессор?

Лаксман Хадка, 17 марта 2018 г.:

какой из следующих компьютеров является гибридным? 1-ноутбук. 2 основная рама. 3. микро. 4. Аппарат ЭКГ.

Сабахат Малик, 16 октября 2016 г.:

Мне было удобно подготовиться к заданию ❤

Альфред Амуно (автор) из Кампалы, 23 мая 2015 г.:

Спасибо, Луис, за ваше понимание большой интриги вычислений. Я согласен с вами, что многие вчерашние технологии, вероятно, отправятся в архивы, а может и нет!

Показательным примером последнего является эволюция измерительных датчиков в современных вычислительных устройствах, таких как iPhone и сопутствующие аксессуары.

Сопроцессор M7/M8 и другие аппаратные концепции в новых iPhone, вероятно, должны пролить свет и привести нас к пониманию того, что на самом деле может выполнять аппаратное обеспечение метрик.

Например, iPhone оснащен барометром, гироскопом и акселерометром для фитнеса, и все они следуют аналоговому подходу старой школы к измерению вещей!

Новые датчики в iPhone могут отслеживать (читать, измерять) действия, связанные с движением, такие как атмосферное давление, ускорение и состояние инерции, и эти данные можно преобразовывать в цифровые формы.

Помимо сенсоров iPhone, Nike, Mio, Lapka и другие производители придумали всевозможные аксессуары и приспособления для фитнеса, которые позволят вашему смартфону выполнять гораздо больше «аналоговых» симуляций, чем ваш настольный компьютер когда-либо сможет!< /p>

Конечно, iPhone — это не аналоговый компьютер, но все же цифровой компьютер, который может делать все то же, что и ваш настольный компьютер.

Наконец, старый аналоговый подход к измерениям основывался на специализированных функциях, и у вас возникло бы искушение поставить под сомнение вклад отдельных устройств в вычисления в целом.

Опять же, любой персональный компьютер или даже «устройство» с часами является вычислительным устройством в своем собственном качестве, потому что оно фактически вводит, обрабатывает и выводит данные для удобства пользователя.

Луис из Сан-Диего, 23 мая 2015 г.

Хорошее замечание. Технологии вообще остались незамеченными. К какой категории, по вашему мнению, относится Iphone? Цифровой, аналоговый или гибридный компьютер?Очевидно, что они не могут быть компьютерами, потому что если бы они были, вы могли бы размещать папки внутри папок, чтобы лучше организовать приложения. Пример - контакты. Я бы поместил текстовые сообщения и телефон в контакты. Внутри нужна дополнительная папка, чтобы отделить Facebook от других, потому что это другой тип связи. У заметок есть собственная папка, потому что вы можете размещать неограниченное количество тем в центральной теме. ты понимаешь мою точку зрения? Я уверен, что в компьютерах сочетаются аналоговые и цифровые технологии, но не верьте мне на слово; проведите собственное исследование. Гибрид представляет собой комбинацию двух штаммов. Так будет ли гибридный компьютер комбинацией цифрового и аналогового компьютеров? Кстати, что с часами? Я не вижу никакого сходства с выбранной вами темой. Может быть, если бы вы разместили что-то о механике и источнике питания часов. Марка аккумулятора имеет значение? Часы потребляют меньше энергии из-за механики? Тип батареи, это фактор? В чем разница между батарейками в часах и фонарике? Держите голову выше.

Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Если у вас есть какие-либо вопросы, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам.

Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, нужно ли пересматривать статью.

Компьютер — это машина, которая может хранить и обрабатывать информацию. Большинство компьютеров полагаются на двоичную систему, в которой используются две переменные, 0 и 1, для выполнения таких задач, как хранение данных, расчет алгоритмов и отображение информации. Компьютеры бывают разных форм и размеров: от карманных смартфонов до суперкомпьютеров весом более 300 тонн.

Многим людям на протяжении всей истории приписывают разработку ранних прототипов, которые привели к созданию современного компьютера. Во время Второй мировой войны физик Джон Мочли, инженер Дж. Преспер Эккерт-младший и их коллеги из Пенсильванского университета разработали первый программируемый электронный цифровой компьютер общего назначения — электронный числовой интегратор и компьютер (ENIAC).

По состоянию на ноябрь 2021 года самым мощным компьютером в мире является японский суперкомпьютер Fugaku, разработанный компаниями RIKEN и Fujitsu. Он использовался для моделирования симуляций COVID-19.

Популярные современные языки программирования, такие как JavaScript и Python, работают с несколькими формами парадигм программирования. Функциональное программирование, использующее математические функции для получения выходных данных на основе введенных данных, является одним из наиболее распространенных способов использования кода для предоставления инструкций для компьютера.

Самые мощные компьютеры могут выполнять чрезвычайно сложные задачи, такие как моделирование экспериментов с ядерным оружием и прогнозирование изменения климата. Разработка квантовых компьютеров, машин, способных выполнять большое количество вычислений посредством квантового параллелизма (полученного из суперпозиции), позволит выполнять еще более сложные задачи.

Способность компьютера обретать сознание — широко обсуждаемая тема. Некоторые утверждают, что сознание зависит от самосознания и способности мыслить, а это означает, что компьютеры обладают сознанием, потому что они распознают свое окружение и могут обрабатывать данные. Другие считают, что человеческое сознание никогда не может быть воспроизведено физическими процессами. Прочитайте точку зрения одного исследователя.

компьютер, устройство для обработки, хранения и отображения информации.

Компьютер когда-то означал человека, выполняющего вычисления, но теперь этот термин почти повсеместно относится к автоматизированному электронному оборудованию. Первый раздел этой статьи посвящен современным цифровым электронным компьютерам, их конструкции, составным частям и приложениям. Второй раздел посвящен истории вычислительной техники. Подробную информацию об архитектуре компьютера, программном обеспечении и теории см. в см. информатике.

Основы вычислений

Первые компьютеры использовались в основном для численных расчетов. Однако, поскольку любая информация может быть закодирована в числовом виде, люди вскоре поняли, что компьютеры способны обрабатывать информацию общего назначения. Их способность обрабатывать большие объемы данных расширила диапазон и точность прогнозов погоды. Их скорость позволяет им принимать решения о маршрутизации телефонных соединений через сеть и управлять механическими системами, такими как автомобили, ядерные реакторы и роботизированные хирургические инструменты. Они также достаточно дешевы, чтобы их можно было встроить в бытовые приборы и сделать сушилки для белья и рисоварки «умными». Компьютеры позволили нам ставить вопросы и отвечать на них, на которые раньше нельзя было ответить. Эти вопросы могут касаться последовательностей ДНК в генах, моделей поведения на потребительском рынке или всех случаев употребления слова в текстах, хранящихся в базе данных. Все чаще компьютеры также могут обучаться и адаптироваться во время работы.

Компьютеры также имеют ограничения, некоторые из которых носят теоретический характер. Например, существуют неразрешимые утверждения, истинность которых не может быть определена в рамках заданного набора правил, таких как логическая структура компьютера. Поскольку не может существовать универсального алгоритмического метода для идентификации таких утверждений, компьютер, которому нужно получить истинность такого утверждения, будет (если его принудительно не прервать) продолжать работу бесконечно — состояние, известное как «проблема остановки». (См. Машина Тьюринга.) Другие ограничения отражают современные технологии. Человеческий разум способен распознавать пространственные структуры — например, легко различать человеческие лица, — но это сложная задача для компьютеров, которые должны обрабатывать информацию последовательно, а не схватывать детали в целом с первого взгляда. Еще одна проблемная область для компьютеров связана с взаимодействием на естественном языке. Поскольку в обычном человеческом общении предполагается так много общих знаний и контекстуальной информации, исследователям еще предстоит решить проблему предоставления релевантной информации универсальным программам на естественном языке.

Аналоговые компьютеры

Аналоговые компьютеры используют непрерывные физические величины для представления количественной информации. Сначала они представляли величины с помощью механических компонентов (см. дифференциальный анализатор и интегратор), но после Второй мировой войны стали использоваться напряжения; к 1960-м годам цифровые компьютеры в значительной степени заменили их. Тем не менее аналоговые компьютеры и некоторые гибридные цифро-аналоговые системы продолжали использоваться в течение 1960-х годов для решения таких задач, как моделирование самолетов и космических полетов.

Одним из преимуществ аналоговых вычислений является то, что спроектировать и построить аналоговый компьютер для решения одной задачи может быть относительно просто. Другое преимущество заключается в том, что аналоговые компьютеры часто могут представлять и решать проблему в «реальном времени»; то есть вычисления выполняются с той же скоростью, что и моделируемая им система. Их основные недостатки заключаются в том, что аналоговые представления имеют ограниченную точность — обычно несколько знаков после запятой, но меньше в сложных механизмах, — а устройства общего назначения дороги и их нелегко запрограммировать.

Цифровые компьютеры

В отличие от аналоговых компьютеров, цифровые компьютеры представляют информацию в дискретной форме, как правило, в виде последовательностей нулей и единиц (двоичных цифр или битов). Современная эра цифровых компьютеров началась в конце 1930-х — начале 1940-х годов в США, Великобритании и Германии. В первых устройствах использовались переключатели, управляемые электромагнитами (реле). Их программы хранились на перфоленте или картах, и у них было ограниченное внутреннее хранилище данных. Исторические события см. см. в разделе Изобретение современного компьютера.

Мейнфрейм

В 1950-х и 60-х годах Unisys (производитель компьютера UNIVAC), International Business Machines Corporation (IBM) и другие компании производили большие и дорогие компьютеры все большей мощности. Они использовались крупными корпорациями и государственными исследовательскими лабораториями, как правило, в качестве единственного компьютера в организации. В 1959 году компьютер IBM 1401 сдавался в аренду за 8000 долларов в месяц (ранние машины IBM почти всегда сдавались в аренду, а не продавались), а в 1964 году самый большой компьютер IBM S/360 стоил несколько миллионов долларов.

Эти компьютеры стали называться мейнфреймами, хотя этот термин не стал общепринятым, пока не были построены компьютеры меньшего размера. Мэйнфреймы характеризовались наличием (для своего времени) больших объемов памяти, быстрых компонентов и мощных вычислительных возможностей. Они были очень надежны, и, поскольку они часто обслуживали жизненно важные потребности в организации, они иногда разрабатывались с избыточными компонентами, которые позволяли им выдерживать частичные отказы. Поскольку это были сложные системы, ими управлял штат системных программистов, которые одни имели доступ к компьютеру. Другие пользователи отправили «пакетные задания» для запуска на мэйнфрейме по одному.

Такие системы остаются важными и сегодня, хотя они больше не являются единственным или даже основным центральным вычислительным ресурсом организации, которая обычно имеет сотни или тысячи персональных компьютеров (ПК). В настоящее время мейнфреймы обеспечивают хранение данных большой емкости для серверов Интернета или, благодаря методам разделения времени, они позволяют сотням или тысячам пользователей одновременно запускать программы. Из-за их текущих ролей эти компьютеры теперь называются серверами, а не мейнфреймами.

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?

Читайте также: