Prezentowane materiały są przeznaczone dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek |
©2014 mgr
Jerzy Wałaszek
|
Piramidy egipskie i komputery
Jeśli zapytamy absolwenta gimnazjum o to, czym zajmuje się
informatyka, to najczęściej otrzymamy odpowiedź:
"Jest to nauka o komputerze"
lub
"Jest to nauka o obsłudze komputera"
Pomyślmy przez chwilę. Gdyby komputery odkryto w piramidach egipskich i wcześniej nic o nich nie wiedziano, to zapewne musiałaby powstać jakaś archeologia komputerowa, której celem byłoby badanie tego artefaktu. Tymczasem rzeczywistość jest inna. Komputery nie pojawiły się wśród nas nagle. Są produktem rozwoju cywilizacyjnego, jak samochody, samoloty, satelity. Powstały, ponieważ była taka potrzeba oraz pojawiły się odpowiednie możliwości techniczne ich realizacji. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Zmorą dawnych naukowców było wykonywanie rachunków. Dlatego pojawiły się pierwsze mechaniczne maszyny liczące. Np. znany fizyk Błażej Pascal wymyślił arytmometr mechaniczny, który potrafił dodawać i odejmować (właściwie potrafił tylko dodawać, odejmowanie realizowane było przez dodanie tzw. uzupełnienia do podstawy 10), tzw. pascalinę:
Mechaniczny arytmometr Pascala – Pascalina
Pascal zbudował tę maszynę dla swojego ojca, który musiał wykonywać mnóstwo rachunków przy zbieraniu podatków. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Wraz z rozwojem techniki maszyny liczące stawały się coraz bardziej zaawansowane. Majstersztykiem mechanicznym jest bez wątpienia maszyna analityczna, zaprojektowana przez Charlesa Babbage'a w 1834 roku.
Fragment maszyny analitycznej Charlesa Babbage'a
Niestety, Babbage'owi nie udało się jej zbudować w całości z braku funduszy, lecz pozostawił po sobie plany, które pozytywnie zweryfikowano i okazało się, że gdyby maszyna analityczna rzeczywiście powstała w 1834, to w erę komputerów ludzkość weszłaby o 100 lat wcześniej. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pierwszy komputer mechaniczny, który działał na tej samej zasadzie co dzisiejsze komputery, zbudował w 1936 roku niemiecki inżynier Konrad Zuse, który jest współcześnie uznawany za ojca komputerów. Komputer nosił nazwę Z1 i pracował w systemie binarnym jak współczesne komputery.
Rekonstrukcja komputera Z1 wykonana przez Konrada Zuse przy współpracy z firmą Siemens AG
Przeznaczeniem komputera Z1 było odciążenie inżynierów od wykonywania żmudnych rachunków przy projektowaniu różnych konstrukcji. Więcej na ten temat znajdziesz w naszym serwisie w dwóch artykułach: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Wybucha II Wojna Światowa. Nazistowskie Niemcy używają do szyfrowania komunikatów specjalnych maszyn szyfrujących Enigma oraz Ultra. Do łamania ich szyfrów w Anglii w tajnym ośrodku w Bletchley Park zostają zbudowane komputery elektroniczne na lampach elektronowych. Noszą nazwę Colossus i są tak tajne, że świat dowiedział się o nich dopiero w latach 80-tych ubiegłego wieku. Komputery zostały całkowicie zniszczone po zakończeniu działań wojennych.
Replika komputera Colossus w Bletchley Park w Anglii
Więcej na ten temat znajdziesz w artykule: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Historia komputerów przyspiesza. W Ameryce w 1943 roku zostaje zbudowany komputer elektronowy ENIAC (od angielskiej nazwy Electronic Numerical Integrator And Computer – Elektroniczny, Numeryczny Integrator i Komputer).
ENIAC (1945)
Oficjalnym celem budowy komputera ENIAC były obliczenia artyleryjskie, jednak wiadomo, że wykorzystywano go również do obliczeń przy projekcie bomby wodorowej. ENIAC niesłusznie jest uznawany za pierwszy komputer elektronowy, ponieważ przed nim były komputery Colossus. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kolejne komputery zbliżają się do tego, co znamy.
UNIVAC (1950)
IBM 360 (1970)
IBM XT (1980)
LAPTOP (2013)
Więcej na ten temat znajdziesz w artykule: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Co z tego wynika? Ludzie wiedzą, jak działają komputery. Przecież to oni je zbudowali. Dziedzina naukowa nie jest potrzebna do badania ich działania lub budowy – możemy jej potrzebować do określenia idealnej budowy komputera, który miałby rozwiązywać jakieś problemy. Jednakże, gdy komputer taki już powstanie, to wszystkie jego parametry możemy sobie przeczytać ze specyfikacji technicznej. Nie musimy tego badać osobną dziedziną nauki. Czym zatem jest informatyka? Spójrzmy na nazwę tej dziedziny. Z czym się wam ta nazwa kojarzy? Oczywiście z informacją!
Informatyka zajmuje się zagadnieniami zbierania, przechowywania, przetwarzania, przesyłania i prezentacji informacji za pomocą komputerów oraz współpracujących z nimi urządzeń.
Komputer jest tu niezbędnym narzędziem, ale nie celem. Tak jak w malarstwie płótno, pędzel i farby są niezbędne, lecz nie stanowią celu malarstwa, to tylko narzędzia artysty malarza. Co do obsługi komputera, to wszelkie informacje możemy znaleźć w instrukcjach obsługi. Również nie potrzebujemy do tego nauki – możemy jej potrzebować do określenia, jak powinien być zbudowany komputer oraz jego składniki, aby człowiek mógł go wygodnie i efektywnie obsługiwać. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Duch informacjiWiemy już, że informatyka zajmuje się informacją. Ale czym jest ta informacja? Okazuje się, że bardzo trudno ją zdefiniować – a tak naprawdę nie istnieje jednolita definicja informacji. Dlaczego? Otóż definicja sama w sobie jest informacją, a nie możemy definiować nowego obiektu nim samym. Czy informacja może być czymś materialnym? Jeśli tak, to jaki ma kolor, ile waży, jaka jest w dotyku. Tego typu pytania nie mają większego sensu (a może czasem mają?). Jedna z koncepcji informacji mówi, że jest ona wytworem umysłu. Aby dostrzec informację, musi istnieć pewien umysł, który ją dostrzeże. Czyli przypomina ona bardziej ducha, rzecz niematerialną, pojęcie abstrakcyjne niż coś ze świata materialnego. Jeśli jednak chcemy informację przetwarzać przy pomocy komputerów, to musimy jej nadać rzeczywistą, materialną postać. Na co dzień posługujemy się informacją. Jak to robimy? Wykorzystujemy różne środki pośrednie: mowę, pismo, znaki, gesty, wyraz twarzy. A czym są te środki? To są symbole, którym przypisujemy odpowiednie znaczenie. Weźmy przykładowo mowę. Mowa to zbiór określonych dźwięków, które wydajemy za pomocą ust. Z dźwięków tych budujemy słowa, zdania, opowiadania, wiersze. Słowom nadajemy odpowiednie znaczenia. Słowa są używane w określony przez gramatykę sposób. Dzięki temu możemy przekazać informację. Zwróć uwagę, że bez odpowiedniej umowy słowa same w sobie nie stanowią bezpośredniej informacji. Należy wiedzieć, jak zawartą w słowach informację odczytać, czyli należy znać język, do którego te słowa należą. Podobnie jest z pismem. Pismo to zbiór znaków, liter, za pomocą których zapisujemy dźwięki mowy (są alfabety, gdzie zapisywane jest od razu całe słowo – np. w językach azjatyckich). Aby odczytać pismo znów musimy znać sposób interpretacji znaków. Zauważmy pewną prawidłowość: do wymiany informacji stosuje się różne symbole, lecz informacja nie jest w nich dana z góry, należy ją interpretować. Ta sama informacja może być reprezentowana przez różne symbole, np. słowa oznaczające przyjaciel w kilku językach:
friend (angielski)
Również ten sam symbol może reprezentować różną informację:
blok (blok mieszkalny)
Jaka jest procedura tworzenia systemu kodowania informacji? Wygląda ona tak:
Co z tego wynika? Symbole są uniwersalnym środkiem reprezentowania informacji, pod warunkiem, że nadamy im odpowiednie znaczenia. Symbole mogą przyjmować najprzeróżniejsze formy, tutaj inwencja ludzka nie z na granic. Mogą to być dźwięki mowy, znaki pisma, gesty (istnieje język migowy dla głuchoniemych), sygnały elektryczne, radiowe, laserowe, pola magnetyczne, wgłębienia na dyskach optycznych, tajne znaki dla wtajemniczonych (np. stosowane w czasie wojny), itp. Jeśli chcemy przetwarzać informację za pomocą maszyn, to musimy dla niej wybrać wygodne symbole. Nie mogą być skomplikowane (jak mowa czy pismo), ponieważ skomplikowany symbol wymaga równie skomplikowanej maszyny do jego przetwarzania, a skomplikowane maszyny są drogie i bardziej zawodne Początkowo maszyny wykorzystywano tylko do obliczeń, dlatego przetwarzanymi symbolami były cyfry liczb. Komputer ENIAC pracował na liczbach w systemie dziesiętnym. Oczywiście cyfry musiały być przetworzone na sygnały elektryczne o różnym napięciu. Ten sposób przetwarzania danych się nie przyjął, ponieważ układy dziesiętne są zbyt skomplikowane i zawodne (w sygnale, który posiada 10 różnych poziomów napięcia, zakłócenie łatwiej może zmienić wartość cyfry). Przyjętym powszechnie do przetwarzania informacji stał się najprostszy sygnał dwustanowy, czyli bit. Prosty sygnał może być przetwarzany przez proste układy, a to przekłada się bezpośrednio na mniejsze koszty konstrukcji i użytkowania takich układów. W informatyce stany bitów oznaczamy zwyczajowo cyframi 0 i 1. W elektronice często stosuje się oznaczenia H (stan wysoki – ang. high) i L (stan niski – ang. low). Dlaczego tak? Otóż w układach elektronicznych bity są przedstawiane za pomocą napięć lub prądów elektrycznych. Niska wartość napięcia (L) oznacza bit 0, wysoka wartość napięcia (H) oznacza bit 1. Wykorzystuje się tutaj fakt, że informacja może być reprezentowana przez różne symbole.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Zastosowania bitówBit jest najprostszym symbolem, który może występować tylko w dwóch różnych postaciach. Pokażemy teraz, jak ten prosty symbol można wykorzystać w praktyce do kodowania różnych informacji. Jeden bit daje nam dwa symbole: 0 i 1. Są to jakby słowa pewnego języka. Mając słowa, można nadawać im różne znaczenia w zależności od potrzeb.
Czujka ruchu
Idąc korytarzem naszej szkoły, na pewno zauważyłeś pod sufitem tzw. czujniki ruchu (ang. motion sensors). Zadaniem tych urządzeń jest ochrona obiektu przed nocnym włamaniem. Czujnik ruchu oświetla korytarz wiązkami światła podczerwonego, którego nasze oczy nie widzą (sowy podobno to potrafią). Wiązki te padają na ściany oraz inne elementy korytarza i, odbijając się od nich, wracają z powrotem do czujki. Jeśli odbierane przez czujkę światło ulegnie jakiemuś zaburzeniu (np. gdy ktoś przetnie drogę jednemu z promieni), to czujka wysyła odpowiedni sygnał do układu alarmowego, który albo wszczyna alarm akustyczny, albo dzwoni do ochrony. Język czujki jest językiem bitowym:
0 – stan nieaktywny lub brak ruchu
Język ten tworzą sygnały bitowe, które czujka przekazuje do swojego układu zabezpieczającego budynek. Bity są przekazywane w postaci prądu przewodami elektrycznymi. To jedno z tysięcy zastosowań pojedynczego bitu. Jeden bit nie daje nam zbyt dużych możliwości kodowania informacji. Aby zakodować więcej różnych danych, łączymy bity w grupy (tak samo litery łączymy w grupy, otrzymując wyrazy). Dwa bity dają nam już 4 różne słowa:
00 – słowo pierwsze
Za pomocą dwóch bitów można zatem przesyłać cztery różne informacje. Zwróć uwagę na to, jak utworzyliśmy te cztery słówka binarne. Otóż do stanów 0 i 1 ostatniego bitu dodaliśmy nowy bit o stanie 0, a następnie znów do stanów 0 i 1 ostatniego bitu dodaliśmy nowy bit o stanie 1:
0 + 0 = 00 1 + 0 = 10
Jeśli powtórzymy ten schemat, dodając do dwóch bitów trzeci, to otrzymamy osiem słówek bitowych:
0 + 00 = 000 – słowo pierwsze 1 + 00 = 100 – słowo piąte
Dodając każdy kolejny bit, zwiększamy dwukrotnie liczbę słówek: wszystkie poprzednie słówka z nowym bitem o stanie 0 i wszystkie poprzednie słówka z nowym bitem o stanie 1. Otrzymujemy następujący ciąg geometryczny:
Co z tego wynika? Dla każdej skończonej liczby informacji zawsze możemy utworzyć wystarczającą dla nich liczbę słówek bitowych. Czyli, pomimo swej prostoty, bity pozwalają kodować dowolną, skończoną liczbę informacji. I tutaj właśnie tkwi ich potęga. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kodowanie grafiki i filmówObraz cyfrowy jest zbudowany z siatki punktów, które nazywamy pikselami (ang. pixel = picture element). Są to niepodzielne fragmenty obrazu o jednolitym kolorze. Wyobraźmy sobie, że mamy następujący obrazek:
Aby zobaczyć strukturę tworzących go pikseli, powiększmy go:
Tabela kodów kolorów:
Piksele przyjmują tutaj tylko dwa kolory: czarny i biały. Dwa kolory możemy zakodować przy pomocy jednego bitu (patrz: tabelka w poprzednim podrozdziale). Umawiamy się, że bit 0 będzie oznaczał kolor tła, czyli kolor biały, a bit 1 będzie oznaczał kolor tuszu, czyli czarny – w ten sposób określamy znaczenie słów 0 i 1 w języku grafiki tego obrazka. Jeśli każdy piksel obrazka zastąpimy kodującym go bitem, to otrzymamy następujący wynik:
Obrazek stał się mało czytelny dla człowieka, lecz bity są znakomicie czytelne dla komputerów. Te 0 i 1 zostaną przekształcone na odpowiednie sygnały elektryczne i układy komputera będą mogły je przechować, przetworzyć lub przesłać przez sieć informatyczną nawet na drugi koniec świata. Jeśli odbiorca będzie znał znaczenie poszczególnych bitów (będzie rozumiał język grafiki tego obrazka), to bez problemów odtworzy sobie treść. Oczywiście piksele mogą przybierać więcej niż 2 kolory. W takim przypadku rośnie liczba informacji i należy zwiększyć ilość bitów kodujących kolor piksela. Oto ten sam obrazek z 4 kolorami pikseli:
Tabela kodów kolorów:
Po zakodowaniu otrzymujemy (każde dwa bity to jeden piksel):
Zwiększając liczbę bitów na piksel, otrzymujemy możliwość kodowania coraz większej liczby kolorów. Jeśli przeznaczymy na piksele po 8 bitów, to nasze obrazki będą mogły posiadać do 256 różnych kolorów – popularny w sieci format GIF (ang. Graphics Interchange Format) stosuje właśnie takie rozwiązanie. Grafika GIF najlepiej nadaje się do rysunków, zdjęcia nie wychodzą w niej najlepiej.
Obrazek GIF
Format JPG/JPEG (ang. Joint Photographic Experts Group) pozwala kodować piksele 24 bitami. Daje to gamę 16 milionów kolorów, więcej niż potrafi rozróżnić ludzkie oko. Tryb ten nosi nazwę True Color (prawdziwy kolor) i doskonale nadaje się do cyfrowej fotografii.
Obrazek JPG
Film to nic innego jak seria szybko po sobie wyświetlanych obrazków, co daje wrażenie ruchu. Każdy z tych obrazków jest kodowany w opisany powyżej sposób.
Animowany GIF
Wniosek: bity doskonale nadają się do reprezentowania grafiki oraz filmów. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kodowanie tekstuTekst jest wciąż bardzo ważny dla ludzi i stosujemy go powszechnie. Tekst zbudowany jest ze znaków. Każdy znak potraktujemy jak osobną informację. Najpierw określamy zbiór znaków, które będziemy chcieli kodować za pomocą bitów. Na przykład tak:
A Ą B C Ć
D E Ę F G H I J K L Ł M N Ń O Ó P Q R S Ś T U V W X Y Z Ż Ź
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 . , : ; + - * / ( ) spacja
Teraz liczymy, ile mamy znaków do zakodowania. Wychodzi 56 znaki. Ile potrzebujemy bitów na każdy znak? Oczywiście 6, ponieważ 26 = 64. Zatem słówka 6 bitowe pokrywają zapotrzebowanie, a nawet mamy mały zapas na przyszłe rozszerzenia. W następnym kroku musimy każdej z liter przypisać unikalne słówko bitowe. Będziemy je nazywali kodem binarnym znaku (ang. binary character code). Możemy to zrobić tak:
Gdy kody binarne wszystkich znaków będą gotowe, możemy przystąpić do kodowania tekstu. Każdą literkę tekstu zastępujemy odpowiadającym jej kodem binarnym. Na przykład:
001100000000010101010011010001001011000000110111001100000110011000011010110111010101001011000111001101010001011111010000110111001101010111000000001100000110010000101101
Otrzymany ciąg bitów możemy dowolnie przetwarzać na komputerach. Działanie odwrotne jest również proste. Załóżmy, że otrzymaliśmy ciąg bitów:
000010000111000101000111110111001100011011011010010111010011101101
Ponieważ wiemy, że w naszym systemie każdy znak jest reprezentowany przez 6 bitów, to otrzymany ciąg dzielimy na grupy 6 bitowe:
000010 000111 000101 000111 110111 001100 011011 011010 010111 010011
101101
Dostaliśmy kody bitowe poszczególnych znaków. Zamieniamy je na litery zgodnie z tabelą kodu:
BĘDĘ JUTRO.
Powyższy kod znakowy jest tylko przykładem szkolnym. W praktyce stosuje się nieco bardziej zaawansowane rozwiązania, np. kod ASCII (ang. American Standard Code for Information Interchange), w którym kod każdego znaku jest 8-mio bitowy. Kod ASCII pozwala kodować 256 różnych znaków. Oczywiście jest to zbyt mało dla kodowania wszystkich używanych przez ludzi liter. Z tego powodu utworzono kod Unicode, gdzie znaki mogą mieć do 32 bitów długości. Kod Unicode powszechnie jest stosowany w Internecie oraz w systemie Windows. Dzięki temu obecne przeglądarki sieciowe potrafią poprawnie wyświetlać tekst praktycznie w każdym języku (pod warunkiem, że masz zainstalowaną odpowiednią czcionkę).
正體字/繁體字
Wniosek: bity nadają się do kodowania znaków.
Na następnych lekcjach poznamy sposoby kodowania liczb za pomocą bitów. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
PodsumowanieInformatyka jest dziedziną nauki, która zajmuje się
pozyskiwaniem informacji, jej przetwarzaniem za pomocą komputerów,
przesyłaniem oraz prezentacją użytkownikowi.
Komputer jest narzędziem do przetwarzania danych. Informacja jest kodowana za pomocą symboli, którym nadajemy odpowiednie znaczenia. Najprostszym symbolem jest bit. Bit występuje tylko w dwóch różnych stanach. W informatyce bity oznaczamy cyframi 0 i 1. Jeden bit pozwala zakodować dwie informacje. n bitów koduje 2n informacji. Bity są bardzo dobrym środkiem kodowania wszelkich informacji. Bity są łatwo przetwarzane przez komputery.
|
I Liceum Ogólnokształcące |
Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl
W artykułach serwisu są używane cookies. Jeśli nie chcesz ich otrzymywać,
zablokuj je w swojej przeglądarce.
Informacje dodatkowe