Кодирование информации. Двоичное кодирование

Всем известно, что компьютеры могут выполнять вычисления с большими группами данных на огромной скорости. Но не все знают, что эти действия зависят всего от двух условий: есть или нет ток и какое напряжение.

Каким же образом компьютер умудряется обрабатывать такую разнообразную информацию?
Секрет заключается в двоичной системе исчисления. Все данные поступают в компьютер, представленные в виде единиц и нулей, каждому из которых соответствует одно состояние электропровода: единицам - высокое напряжение, нулям - низкое или же единицам - наличие напряжения, нулям - его отсутствие. Преобразование данных в нули и единицы называется двоичной конверсией, а окончательное их обозначение - двоичным кодом.
В десятичном обозначении, основанном на десятичной системе исчисления, которая используется в повседневной жизни, числовое значение представлено десятью цифрами от 0 до 9, и каждое место в числе имеет ценность в десять раз выше, чем место справа от него. Чтобы представить число больше девяти в десятичной системе исчисления, на его место ставится ноль, а на следующее, более ценное место слева - единица. Точно так же в двоичной системе, где используются только две цифры - 0 и 1, каждое место в два раза ценнее, чем место справа от него. Таким образом, в двоичном коде только ноль и единица могут быть изображены как одноместные числа, и любое число, больше единицы, требует уже два места. После ноля и единицы следующие три двоичных числа это 10 (читается один-ноль) и 11 (читается один-один) и 100 (читается один-ноль-ноль). 100 двоичной системы эквивалентно 4 десятичной. На верхней таблице справа показаны другие двоично-десятичные эквиваленты.
Любое число может быть выражено в двоичном коде, просто оно займет больше места, чем в десятичном обозначении. В двоичной системе можно записать и алфавит, если за каждой буквой закрепить определенное двоичное число.

Две цифры на четыре места
16 комбинаций можно составить, используя темные и светлые шары, комбинируя их в наборах из четырех штук Если темные шары принять за нули, а светлые за единицы, то и 16 наборов окажутся 16-единичным двоичным кодом, числовая ценность которого составляет от нуля до пяти (см. верхнюю таблицу на стр. 27). Даже с двумя видами шаров в двоичной системе можно построить бесконечное количество комбинаций, просто увеличивая число шариков в каждой группе - или число мест в числах.

Биты и байты

Самая маленькая единица в компьютерной обработке, бит - это единица данных, которая может обладать одним из двух возможных условий. К примеру, каждая из единиц и нулей (справа) означает 1 бит. Бит можно представить и другими способами: наличием или отсутствием электрического тока, дырочкой и ее отсутствием, направлением намагничивания вправо или влево. Восемь битов составляют байт. 256 возможных байтов могут представить 256 знаков и символов. Многие компьютеры обрабатывают байт данных одновременно.

Двоичная конверсия. Четырехцифровой двоичный код может представить десятичные числа от 0 до 15.

Кодовые таблицы

Когда двоичный код используется для обозначения букв алфавита или пунктуационных знаков, требуются кодовые таблицы, в которых указано, какой код какому символу соответствует. Составлено несколько таких кодов. Большинство ПК приспособлено под семицифровой код, называемый ASCII, или американский стандартный код для информационного обмена. На таблице справа показаны коды ASCII для английского алфавита. Другие коды предназначаются для тысяч символов и алфавитов других языков мира.

Часть таблицы кода ASCII

Если вам интересно узнать, как читать двоичные числа, важно понять, как работают двоичные числа. Двоичная система известна как система нумерации «base 2», что означает наличие двух возможных чисел для каждой цифры; один или ноль. Большие числа записываются путем добавления дополнительных двоичных единиц или нулей.

Понимание двоичных чисел

Знание того, как читать двоичные файлы, не является критичным для использования компьютеров. Но хорошо понять концепцию, чтобы лучше понять, как компьютеры хранят числа в памяти. Он также позволяет понимать такие термины, как 16-битные, 32-битные, 64-битные и измерения памяти, такие как байты (8 бит).

«Чтение» двоичного кода обычно означает перевод двоичного числа в базовое 10 (десятичное) число, с которым люди знакомы. Это преобразование достаточно просто выполнить в своей голове, когда вы поймете, как работает бинарный язык.

Каждая цифра в двоичном числе имеет определенное значение, если цифра не является нулем. После того как вы определили все эти значения, вы просто складываете их вместе, чтобы получить 10-значное десятичное значение двоичного числа. Чтобы увидеть, как это работает, возьмите двоичное число 11001010.

1. Лучший способ прочитать двоичное число - начать с самой правой цифры и двигаться влево. Сила этого первого местоположения равна нулю, то есть значение для этой цифры, если это не ноль, равно двум степеням нуля или единице. В этом случае, поскольку цифра является нулем, значение для этого места будет равно нулю.

2. Затем перейдите к следующей цифре. Если это один, то рассчитайте два в степени одного. Запишите это значение. В этом примере значение равно степени два, равной двум.

3. Продолжайте повторять этот процесс, пока не дойдете до самой левой цифры.

4. Чтобы закончить, все, что вам нужно сделать, это сложить все эти числа вместе, чтобы получить общее десятичное значение двоичного числа: 128 + 64 + 0 + 0 + 8 + 0 + 2 + 0 = 202 .

Заметка : Другой способ увидеть весь этот процесс в форме уравнения заключается в следующем: 1 x 2 7 + 1 x 2 6 + 0 x 2 5 + 0 x 2 4 + 1 x 2 3 + 0 x 2 2 + 1 x 2 1 + 0 х 2 0 = 20 .

Двоичные числа с подписью

Приведенный выше метод работает для базовых двоичных чисел без знака. Однако компьютерам нужен способ представления отрицательных чисел также с помощью двоичного кода.

Из-за этого компьютеры используют двоичные числа со знаком. В системе этого типа самая левая цифра известна как знаковый бит, а остальные цифры известны как биты амплитуды.

Чтение двоичного числа со знаком почти такое же, как и без знака, с одним небольшим отличием.

1. Выполните ту же процедуру, как описано выше для двоичного числа без знака, но остановитесь, как только вы достигнете самого левого бита.

2. Чтобы определить знак, осмотрите крайний левый бит. Если это единица, то число отрицательное. Если это ноль, то число положительное.

3. Теперь выполните те же вычисления, что и раньше, но примените соответствующий знак к числу, указанному крайним левым битом: 64 + 0 + 0 + 8 + 0 + 2 + 0 = -74 .

4. Бинарный метод со знаком позволяет компьютерам представлять числа, которые являются положительными или отрицательными. Однако он потребляет начальный бит, а это означает, что для больших чисел требуется немного больше памяти, чем для двоичных чисел без знака.

Компьютеры не понимают слов и цифр так, как это делают люди. Современное программное обеспечение позволяет конечному пользователю игнорировать это, но на самых низких уровнях ваш компьютер оперирует двоичным электрическим сигналом, который имеет только два состояния : есть ток или нет тока. Чтобы «понять» сложные данные, ваш компьютер должен закодировать их в двоичном формате.

Двоичная система основывается на двух цифрах – 1 и 0, соответствующим состояниям включения и выключения, которые ваш компьютер может понять. Вероятно, вы знакомы с десятичной системой. Она использует десять цифр – от 0 до 9, а затем переходит к следующему порядку, чтобы сформировать двузначные числа, причем цифра из каждого следующего порядка в десять раз больше, чем предыдущая. Двоичная система аналогична, причем каждая цифра в два раза больше, чем предыдущая.

Подсчет в двоичном формате

В двоичном выражении первая цифра равноценна 1 из десятичной системы. Вторая цифра равна 2, третья – 4, четвертая – 8, и так далее – удваивается каждый раз. Добавление всех этих значений даст вам число в десятичном формате.

1111 (в двоичном формате) = 8 + 4 + 2 + 1 = 15 (в десятичной системе)

Учет 0 даёт нам 16 возможных значений для четырех двоичных битов. Переместитесь на 8 бит, и вы получите 256 возможных значений. Это занимает намного больше места для представления, поскольку четыре цифры в десятичной форме дают нам 10000 возможных значений. Конечно, бинарный код занимает больше места, но компьютеры понимают двоичные файлы намного лучше, чем десятичную систему. И для некоторых вещей, таких как логическая обработка, двоичный код лучше десятичного.

Следует сказать, что существует ещё одна базовая система, которая используется в программировании: шестнадцатеричная . Хотя компьютеры не работают в шестнадцатеричном формате, программисты используют её для представления двоичных адресов в удобочитаемом формате при написании кода. Это связано с тем, что две цифры шестнадцатеричного числа могут представлять собой целый байт, то есть заменяют восемь цифр в двоичном формате. Шестнадцатеричная система использует цифры 0-9, а также буквы от A до F, чтобы получить дополнительные шесть цифр.

Почему компьютеры используют двоичные файлы

Короткий ответ: аппаратное обеспечение и законы физики. Каждый символ в вашем компьютере является электрическим сигналом, и в первые дни вычислений измерять электрические сигналы было намного сложнее. Было более разумно различать только «включенное» состояние, представленное отрицательным зарядом, и «выключенное» состояние, представленное положительным зарядом.

Для тех, кто не знает, почему «выключено» представлено положительным зарядом, это связано с тем, что электроны имеют отрицательный заряд, а больше электронов – больше тока с отрицательным зарядом.

Таким образом, ранние компьютеры размером с комнату использовали двоичные файлы для создания своих систем, и хотя они использовали более старое, более громоздкое оборудование, они работали на тех же фундаментальных принципах. Современные компьютеры используют, так называемый, транзистор для выполнения расчетов с двоичным кодом.

Вот схема типичного транзистора:

По сути, он позволяет току течь от источника к стоку, если в воротах есть ток. Это формирует двоичный ключ. Производители могут создавать эти транзисторы невероятно малыми – вплоть до 5 нанометров или размером с две нити ДНК. Это то, как работают современные процессоры, и даже они могут страдать от проблем с различением включенного и выключенного состояния (хотя это связано с их нереальным молекулярным размером, подверженным странностям квантовой механики ).

Почему только двоичная система

Поэтому вы можете подумать: «Почему только 0 и 1? Почему бы не добавить ещё одну цифру?». Хотя отчасти это связано с традициями создания компьютеров, вместе с тем, добавление ещё одной цифры означало бы необходимость выделять ещё одно состояние тока, а не только «выключен» или «включен».

Проблема здесь в том, что если вы хотите использовать несколько уровней напряжения, вам нужен способ легко выполнять вычисления с ними, а современное аппаратное обеспечение, способное на это, не жизнеспособно как замена двоичных вычислений. Например, существует, так называемый, тройной компьютер , разработанный в 1950-х годах, но разработка на том и прекратилась. Тернарная логика более эффективна, чем двоичная, но пока ещё нет эффективной замены бинарного транзистора или, по крайней мере, нет транзистора столь же крошечных масштабов, что и двоичные.

Причина, по которой мы не можем использовать тройную логику, сводится к тому, как транзисторы соединяются в компьютере и как они используются для математических вычислений. Транзистор получает информацию на два входа, выполняет операцию и возвращает результат на один выход.

Таким образом, бинарная математика проще для компьютера, чем что-либо ещё. Двоичная логика легко преобразуется в двоичные системы, причем True и False соответствуют состояниям Вкл и Выкл .

Бинарная таблица истинности, работающая на двоичной логике, будет иметь четыре возможных выхода для каждой фундаментальной операции. Но, поскольку тройные ворота используют три входа, тройная таблица истинности имела бы 9 или более. В то время как бинарная система имеет 16 возможных операторов (2^2^2), троичная система имела бы 19683 (3^3^3). Масштабирование становится проблемой, поскольку, хотя троичность более эффективна, она также экспоненциально более сложна.

Кто знает? В будущем мы вполне возможно увидим тройничные компьютеры, поскольку бинарная логика столкнулась с проблемами миниатюризации. Пока же мир будет продолжать работать в двоичном режиме.

Решил сделать такой ниструмент как преобразование текста в двоичный код и обратно, такие сервисы есть, но они как правило работают с латиницей, мой же транслятор работает с кодировкой unicode формата UTF-8 , который кодирует кириллические символы двумя байтами.На данный момент возможности транслятора ограничены двухбайтными кодировками т.е. китайские иероглифы транслировать не получиться, но я собираюсь исправить это досадное недоразумение.

Для преобразования текста в бинарное представление введите текст в левое окошко и нажмите TEXT->BIN в правом окошке появится его двоичное представление.

Для преобразования бинарного кода в текст введите кода в правое окошко и нажмите BIN->TEXT в левом окошке появится его символьное представление.

В случае, если перевод бинарного кода в текст или наоборот не получился - проверьте корректность ваших данных!

Обновление!

Теперь доступно обратное преобразование текста вида:

в нормальный вид. Для этого нужно поставить галочку: "Заменить 0 пробелами, а 1 заполнителем █". Затем вставьте текст в правое окошко: "Текст в бинарном представлении" и нажмите кнопку под ним "BIN->TEXT".

При копировании таких текстов нужно быть осторожным т.к. можно запросто потерять пробелы в начале или в конце. Например строка сверху имеет вид:

██ █ █ ███████ █ ██ ██ █ █ ███ ██ █ █ ██ █ ██ █ █ ██ █ ███ █ ██ █ █ ██ █ █ ███ ██ █ █ ███ ██ █ ██

а на красном фоне:

██ █ █ ███████ █ ██ ██ █ █ ███ ██ █ █ ██ █ ██ █ █ ██ █ ███ █ ██ █ █ ██ █ █ ███ ██ █ █ ███ ██ █ ██

видите сколько пробелов в конце можно потерять?

Бинарный код представляет собой текст, инструкции процессора компьютера или другие данные с использованием любой двухсимвольной системы. Чаще всего это система 0 и 1. назначает шаблон бинарных цифр (бит) каждому символу и инструкции. Например, бинарная строка из восьми бит может представлять любое из 256 возможных значений и поэтому может генерировать множество различных элементов. Отзывы о бинарном коде мирового профессионального сообщества программистов свидетельствуют о том, что это основа профессии и главный закон функционирования вычислительных систем и электронных устройств.

Расшифровка бинарного кода

В вычислениях и телекоммуникациях бинарные коды используются для различных методов кодирования символов данных в битовые строки. Эти методы могут использовать строки фиксированной или переменной ширины. Для перевода в бинарный код существует множество наборов символов и кодировок. В коде с фиксированной шириной каждая буква, цифра или другой символ представляется битовой строкой той же длины. Эта битовая строка, интерпретируемая как бинарное число, обычно отображается в кодовых таблицах в восьмеричной, десятичной или шестнадцатеричной нотации.

Расшифровка бинарного кода: битовая строка, интерпретируемая как бинарное число, может быть переведена в десятичное число. Например, нижний регистр буквы a, если он представлен битовой строкой 01100001 (как и в стандартном коде ASCII), также может быть представлен как десятичное число 97. Перевод бинарного кода в текст представляет собой ту же процедуру, только в обратном порядке.

Как это работает

Из чего состоит бинарный код? Код, используемый в цифровых компьютерах, основан на в которой есть только два возможных состояния: вкл. и выкл., обычно обозначаемые нулем и единицей. Если в десятичной системе, которая использует 10 цифр, каждая позиция кратна 10 (100, 1000 и т. д.), то в двоичной системе каждое цифровое положение кратно 2 (4, 8, 16 и т. д.). Сигнал двоичного кода представляет собой серию электрических импульсов, которые представляют числа, символы и операции, которые необходимо выполнить.

Устройство, называемое часами, посылает регулярные импульсы, а такие компоненты, как транзисторы, включаются (1) или выключаются (0), чтобы передавать или блокировать импульсы. В двоичном коде каждое десятичное число (0-9) представлено набором из четырех двоичных цифр или битов. Четыре основных арифметических операции (сложение, вычитание, умножение и деление) могут быть сведены к комбинациям фундаментальных булевых алгебраических операций над двоичными числами.

Бит в теории связи и информации представляет собой единицу данных, эквивалентную результату выбора между двумя возможными альтернативами в системе двоичных номеров, обычно используемой в цифровых компьютерах.

Отзывы о бинарном коде

Характер кода и данных является базовой частью фундаментального мира ИТ. C этим инструментом работают специалисты мирового ИТ-«закулисья» — программисты, чья специализация скрыта от внимания рядового пользователя. Отзывы о бинарном коде от разработчиков свидетельствуют о том, что эта область требует глубокого изучения математических основ и большой практики в сфере матанализа и программирования.

Бинарный код — это простейшая форма компьютерного кода или данных программирования. Он полностью представлен двоичной системой цифр. Согласно отзывам о бинарном коде, его часто ассоциируется с машинным кодом, так как двоичные наборы могут быть объединены для формирования исходного кода, который интерпретируется компьютером или другим аппаратным обеспечением. Отчасти это верно. использует наборы двоичных цифр для формирования инструкций.

Наряду с самой базовой формой кода двоичный файл также представляет собой наименьший объем данных, который протекает через все сложные комплексные аппаратные и программные системы, обрабатывающие сегодняшние ресурсы и активы данных. Наименьший объем данных называется битом. Текущие строки битов становятся кодом или данными, которые интерпретируются компьютером.

Двоичное число

В математике и цифровой электронике двоичное число — это число, выраженное в системе счисления base-2 или двоичной цифровой системе, которая использует только два символа: 0 (ноль) и 1 (один).

Система чисел base-2 представляет собой позиционную нотацию с радиусом 2. Каждая цифра упоминается как бит. Благодаря своей простой реализации в цифровых электронных схемах с использованием логических правил, двоичная система используется почти всеми современными компьютерами и электронными устройствами.

История

Современная бинарная система чисел как основа для двоичного кода была изобретена Готтфридом Лейбницем в 1679 году и представлена ​​в его статье «Объяснение бинарной арифметики». Бинарные цифры были центральными для теологии Лейбница. Он считал, что двоичные числа символизируют христианскую идею творчества ex nihilo, или творение из ничего. Лейбниц пытался найти систему, которая преобразует вербальные высказывания логики в чисто математические данные.

Бинарные системы, предшествующие Лейбницу, также существовали в древнем мире. Примером может служить китайская бинарная система И Цзин, где текст для предсказания основан на двойственности инь и ян. В Азии и в Африке использовались щелевые барабаны с бинарными тонами для кодирования сообщений. Индийский ученый Пингала (около 5-го века до н.э.) разработал бинарную систему для описания просодии в своем произведении «Чандашутрема».

Жители острова Мангарева во Французской Полинезии использовали гибридную бинарно-десятичную систему до 1450 года. В XI веке ученый и философ Шао Юн разработал метод организации гексаграмм, который соответствует последовательности от 0 до 63, как представлено в бинарном формате, причем инь равен 0, янь — 1. Порядок также является лексикографическим порядком в блоках элементов, выбранных из двухэлементного набора.

Новое время

В 1605 году обсудил систему, в которой буквы алфавита могут быть сведены к последовательностям бинарных цифр, которые затем могут быть закодированы как едва заметные вариации шрифта в любом случайном тексте. Важно отметить, что именно Фрэнсис Бэкон дополнил общую теории бинарного кодирования наблюдением, что этот метод может использован с любыми объектами.

Другой математик и философ по имени Джордж Бул опубликовал в 1847 году статью под названием «Математический анализ логики», в которой описывается алгебраическая система логики, известная сегодня как булева алгебра. Система была основана на бинарном подходе, который состоял из трех основных операций: AND, OR и NOT. Эта система не была введена в эксплуатацию, пока аспирант из Массачусетского технологического института по имени Клод Шеннон не заметил, что булева алгебра, которую он изучил, была похожа на электрическую цепь.

Шеннон написал диссертацию в 1937 году, в которой были сделаны важные выводы. Тезис Шеннона стал отправной точкой для использования бинарного кода в практических приложениях, таких как компьютеры и электрические схемы.

Другие формы двоичного кода

Битовая строка не является единственным типом двоичного кода. Двоичная система в целом — это любая система, которая допускает только два варианта, таких как переключатель в электронной системе или простой истинный или ложный тест.

Брайль — это тип двоичного кода, который широко используется слепыми людьми для чтения и записи на ощупь, названный по имени его создателя Луи Брайля. Эта система состоит из сеток по шесть точек в каждой, по три на столбец, в котором каждая точка имеет два состояния: приподнятые или углубленные. Различные комбинации точек способны представлять все буквы, цифры и знаки пунктуации.

Американский стандартный код для обмена информацией (ASCII) использует 7-битный двоичный код для представления текста и других символов в компьютерах, оборудовании связи и других устройствах. Каждой букве или символу присваивается номер от 0 до 127.

Двоично-кодированное десятичное значение или BCD — это двоичное кодированное представление целочисленных значений, которое использует 4-битный граф для кодирования десятичных цифр. Четыре двоичных бита могут кодировать до 16 различных значений.

В номерах с кодировкой BCD только первые десять значений в каждом полубайте являются корректными и кодируют десятичные цифры с нулем, через девять. Остальные шесть значений являются некорректными и могут вызвать либо машинное исключение, либо неуказанное поведение, в зависимости от компьютерной реализации арифметики BCD.

Арифметика BCD иногда предпочтительнее числовых форматов с плавающей запятой в коммерческих и финансовых приложениях, где сложное поведение округления чисел является нежелательным.

Применение

Большинство современных компьютеров используют программу бинарного кода для инструкций и данных. Компакт-диски, DVD-диски и диски Blu-ray представляют звук и видео в двоичной форме. Телефонные звонки переносятся в цифровом виде в сетях междугородной и мобильной телефонной связи с использованием импульсно-кодовой модуляции и в сетях передачи голоса по IP.