Компьютеры были созданы на основе устройств, которые могли пребывать только в одном из двух состояний, т.е. можно сказать, что эти устройства служат для записи и выполнения различных операций над битами – единицы информации, которые могут принимать только одно из двух значений (их мы условно обозначим как 0 и 1). Биты обычно объединяются в такие немного большие единицы, как байты, которые представляют собой упорядоченные последовательности из 8 битов, или слова, длина которых зависит от конкретной модели компьютера, но чаще всего бывает, равна 4 байтам, или 32 бит. Условившись, что бит представляет собой либо 0, либо 1, можно соответственно этому интерпретировать и большие группы: их можно читать как числа в двоичной системе счисления, цифрами которых являются составляющие их биты. Таким образом, байт, состоящий из 8 битов, 0,1,1,0,0,0,0 и 1, можно прочесть как двоичное число 01100001, которое в десятеричной системе счисления равно 97. Мы можем не только интерпретировать байты и слова т.о., но и конструировать электронные устройства, способные выполнять над ними такие основные арифметические действия, как сложение, вычитание, умножение и деление, и выдавать результат в таком же формате.
Однако в самих битах и байтах нет ничего, что было бы собственно цифровым. Только способ, который мы избрали для их интерпретации, а также операции, выполняемые компьютерами, превращают эти биты и байты в цифры. Можно выбрать другой способ интерпретации комбинации битов, и это также будет одним из видов цифрового представления данных, принадлежащих к различным средствам передачи информации. Формула 01100001 может означать и шкалу яркости изображения, если написать программы и сконструировать оборудование для ее визуализации с такой интерпретацией.
Легче всего понять, что происходит, если описывать интерпретацию комбинаций битов через интерпретацию чисел, поскольку мы знаем, как соотносятся числа и комбинации битов; кроме того, проще всего записывать, и нам известны их свойства. Поэтому символы, из которых состоит текст, описывается путем сопоставления каждой букве, цифре или др. знаку отдельного числа – кода. Широко распространенный набор символов ASCII, например, выражает взаимосвязь между знаками и числами; значение 97 (01100001) присваивается букве а, 98 – букве b, и так далее для 96 печатных символов.
Ада Августа (Ada Augusta (http://futurologie.czweb.org/ada.htm)), графиня Лавлейс, кажется, поняла природу цифрового представления данных, когда в 1844 написала: «[В аналитической машине Бэббиджа] числовые значения могут располагаться и объединяться точно таким же образом, как если бы они были буквами или какими-то другими общеизвестными символами; фактически выдаваемый ею результат мог бы, при соответствующем оснащении, иметь вид математического выражения».
Биты объединяются в байты, а байты в памяти компьютера образуют линейные последовательности, так что каждый байт можно идентифицировать по его положению в этой последовательности, которое мы, как правило, называем адресом. Адреса ведут себя так же, как и числа, поэтому их можно представлять в виде комбинаций битов, а затем записывать и выполнять над ними различные операции, как и над другими величинами. Это позволяет образовывать из наборов байтов структуру данных. Например, черно-белое изображение (рис. 2.1) часто описывается с помощью значений соответствующих значениям яркости в каждой точке мелкой прямоугольной сетки. Эти значения можно записывать в виде последовательностей байтов, а затем использовать адрес первого байта для доступа к информации изображении. Путем несложных вычислений можно найти адрес байта, соответствующего любой точке сетки, и получить доступ к записанному в нем значению. Если нам нужна последовательность изображений, представляющая собой, следующие один за другим кадры анимационного фильма, то для каждого изображения можно записать адреса следующего и предыдущего кадра, чтобы эту последовательность можно было легко воспроизвести в любом направлении.
Рис. 2.1 Растровое изображение (растр) напоминает сетку или таблицу пикселов, которая в простейшем черно-белом варианте состоит их двух типов клеточек: белые или черные, которые могут быть закодированы соответственно нулем или единицей.
Самая важная интерпретация комбинации битов в компьютере лишь косвенно связана с мультимедиа: комбинации битов могут представлять собой команды, которые заставляют процессор выполнить определенные действия над значениями, записанными в памяти. Поскольку команда представляет собой комбинацию битов, последовательности команд (программы) могут записываться в память и выполняться. Это и есть характерный признак компьютера: это машина для записи программ. Именно данный факт позволяет использовать один и тот же компьютер для выполнения множества различных заданий, от вычисления налоговых льгот до «ювелирного» редактирования отснятых видеоматериалов.
В настоящее время существуют установленные способы представления текста, рисунков, звуков, видео и анимации с помощью битов.
Ада Августа (Ada Augusta (http://futurologie.czweb.org/ada.htm)), графиня Лавлейс, кажется, поняла природу цифрового представления данных, когда в 1844 написала: «[В аналитической машине Бэббиджа] числовые значения могут располагаться и объединяться точно таким же образом, как если бы они были буквами или какими-то другими общеизвестными символами; фактически выдаваемый ею результат мог бы, при соответствующем оснащении, иметь вид математического выражения».