Добавлен: 19.06.2023
Просмотров: 27
Скачиваний: 2
Введение
Одна и та же информация может быть представлена разными кодами, иначе говоря, в разных формах.
Люди выработали множество форм представления информации. К ним относятся: разговорные языки (русский, английский, немецкий — всего более 2000 языков), язык мимики и жестов, язык рисунков и чертежей, научные языки (например, язык математики), языки искусства (музыка, живопись, скульптура), специальные языки (азбука Брайля, азбука Морзе, флажковая азбука).
Способ кодирования (форма представления) информации зависит от цели, ради которой осуществляется кодирование. Такими целями могут быть сокращение записи, засекречивание (шифровка) информации, удобство обработки и т. п.
Чаще всего применяют следующие способы кодирования информации:
- графический — с помощью рисунков или значков;
- числовой — с помощью чисел:
- символьный с помощью символов того же алфавита, что и исходный текст.
Переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки, также называют кодированием.
Действия по восстановлению первоначальной формы представления информации принято называть декодированием. Для декодирования надо знать код.
Цель – рассмотреть методы кодирования информации.
Задачи:
- рассмотреть кодирование информации
- рассмотреть методы кодирования информации.
В основу работы легли исследования таких авторов, как Жиляков Е.Г. Белов С.П., Черноморец А.А. и др.
Глава 1. Понятие кодирование информации
1.1.Физические ресурсы информационных процессов
Проблема снижения ресурсоемкости различных видов производств уже давно стоит перед всем миром. Для многих государств, регионов, отраслей промышленности и отдельных предприятий экономия ресурсов становится приоритетной задачей. [Иванов М.А., Чугунков И.В. Теория, применение и оценка качества генераторов псевдослучайных последовательностей // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Вып. 1, 2003. – 240 с.].
Решение этой задачи в соответствии с Федеральным законом № 261-ФЗ об энергосбережении является обязанностью не только промышленности, но и муниципальных учреждений, государственных органов. Не является исключением и отрасль информационных технологий, где задача снижения ресурсоемкости стала приоритетной.
Многие исследователи, изучая ин- формацию, отмечали, что любые ее преобразования основаны на физических законах. Например, А.А. Ляпунов указывал на ограничения пространства, времени и энергии при выполнении информационных технологий, поскольку невозможны концентрация слишком большой массы знаков в ограниченном объеме пространства, получение новых знаков и их передача в новый носитель за слишком маленькое время и регистрация новых знаков слишком маленькой энергией. [Жиляков Е.Г., Пашинцев В.П., Белов С.П., Лихолоб П.Г. Серия «Информатика». Вып. 23/1, №13 (132), 2012. – С. 222-227.]
Н.Н. Моисеев считал, что за исключением потребности изучения целенаправленных действий в живой природе и обществе можно обойтись без термина «информация» и протекающие процессы описывать с помощью законов физики и химии [Иванов М.А., Чугунков И.В. Теория, применение и оценка качества генераторов псевдослучайных последовательностей // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Вып. 1, 2003. – 240 с.].
Р. Ландауэр ставит знак равенства между информационными и физическими процессами, поскольку «информация физична».
Определение понятия информации, которое следует из работ Н. Винера [4], явно связывает информацию с ее физическими свойствами: «Информация – это обозначение содержания, полученное нами из внешнего мира в процессе приспосабливания к нему нас и наших чувств». Несмотря на такое понимание, физические свойства информации все же находились на втором плане исследований информатиков всю вторую половину XX века. Этому есть объяснение. Согласно закону Г. Мура, объемные характеристики информационных систем росли экспоненциально [Иванов М.А., Чугунков И.В. Теория, применение и оценка качества генераторов псевдослучайных последовательностей // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Вып. 1, 2003. – 240 с.].
Все возрастающие вычислительные возможности полупроводниковых технологий давали возможность рассматривать поведение кибернетических систем исключительно как нематериальное, а информацию как нематериальную субстанцию, которая, тем не менее, переводит системы из одного состояния в другое и самым существенным образом влияет на принятие решений. Методология кибернетики основывается на трех базовых составляющих: системном подходе, прикладной математике и цифровых информационных технологиях. [Жиляков Е.Г., Пашинцев В.П., Белов С.П., Лихолоб П.Г. Серия «Информатика». Вып. 23/1, №13 (132), 2012. – С. 222-227.]
Такие прикладные математические теории, как теория информации, теория принятия решений, теория массового обслуживания, теория управ- ления, моделирование систем, математическая и формальная логики, теории алгоритмов и автоматов, теории формальных языков и грамматик, социальная информатика, исследование операций и другие и сегодня составляют основу «информационного» образования.
Общее у этих теорий – это «переборный» или «цифровой» метод:
1. сначала интеллектуал должен сформулировать цель исследования;
2. затем для достижения этой цели необходимо или выбрать некоторые состояния системы, или перебрать состояния, или упорядочить состояния, или исключить некоторые состояния, или синтезировать новые состояния, и т.п. Весь смысл исследования прячется в цели, а вся «физика» – в умении сократить перебор, который для сложных систем является достаточно большим. Цифровая информационная технология при таком подходе призвана методами прикладной математики реализовать алгоритмы перебора состояний системы, описанных цифровыми массивами данных. [Жиляков Е.Г., Пашинцев В.П., Белов С.П., Лихолоб П.Г. Серия «Информатика». Вып. 23/1, №13 (132), 2012. – С. 222-227.]
Кибернетика учитывает смысловую составляющую информации только через цель, которая формулируется вне системы, а материальную оставляющую рассматривает как изменение состояний объектов, не связанное с их физической природой. [Иванов М.А., Чугунков И.В. Теория, применение и оценка качества генераторов псевдослучайных последовательностей // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Вып. 1, 2003. – 240 с.].
В последние годы стало очевидным существование некоторого предела возможностей полупроводниковых технологий, и это обстоятельство заставляет вернуться к физическим основаниям информационных преобразований. Главным системным ограничением для суперхранителей, суперпереносчиков и суперобработчиков данных нашего времени является энергопотребление.
Уже сегодня крупные центры обработки данных, системы коммутации и маршрутизации, суперкомпьютеры в процессе своей работы потребляют десятки мегаватт электроэнергии. [Жиляков Е.Г., Пашинцев В.П., Белов С.П., Лихолоб П.Г. Серия «Информатика». Вып. 23/1, №13 (132), 2012. – С. 222-227.]
Один маршрутизатор операторского класса, например, каждый год потребляет столько энергии, сколько выделяется при сжигании десятков тонн угля. Особенностью современных информационных технологий [Жиляков Е.Г., Пашинцев В.П., Белов С.П., Лихолоб П.Г. Серия «Информатика». Вып. 23/1, №13 (132), 2012. – С. 222-227.], использующих принцип фон Неймана, является необходимость многократного сохранения, распространения и обработки данных. Это означает, что объемы энергии, потребляемые каждым информационным битом за время его жизненного цикла, увеличиваются многократно. У многих информационных технологий можно проследить взаимную зависимость уровня энергопотребления с другими физическими ресурсами, описывающими пространственные и временные параметры систем [Жиляков Е.Г., Пашинцев В.П., Белов С.П., Лихолоб П.Г. Серия «Информатика». Вып. 23/1, №13 (132), 2012. – С. 222-227.]
Возможности преобразования информационных битов при их сохранении, распространении и обработке зависит сегодня не только и не столько от существования того или иного программного обеспечения, перебирающего состояния систем. Первостепенное значение приобретает наличие физических ресурсов, поскольку именно использование физических ресурсов обеспечивает перемещение данных как материальных объектов во времени, в пространстве и изменение формы представления данных [10, 11]. Рассмотрим с общих позиций те физические ресурсы, которые необходимы для выполнения функций базовыми информационными технологиями сохранения, распространения и обработки данных [Иванов М.А., Чугунков И.В. Теория, применение и оценка качества генераторов псевдослучайных последовательностей // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Вып. 1, 2003. – 240 с.].
Очевидно, что физические ресурсы самым существенным образом влияют на технологические возможности реализации базовых информационных процессов [Жиляков Е.Г., Пашинцев В.П., Белов С.П., Лихолоб П.Г. Серия «Информатика». Вып. 23/1, №13 (132), 2012. – С. 222-227.]
Любая информационная технология требует пространства. Пространственные ресурсы измеряются в единицах длины и расстояния, описывают способы размещения информационных объектов и должны эффективно использоваться при реализации информационных процессов. К числу основных пространственных ресурсов информационных технологий можно отнести следующие:
для технологий сохранения – размер запоминающих устройств для записи и плотность записи данных;
для технологий распространения – территория, в пределах которой организуется информационное взаимодействие пользователей (зона охвата) и распределение (плотность) пользователей на этой территории;
для технологий обработки – размер техпроцесса и количество транзисторов, размещаемых в одном чипе. [Иванов М.А., Чугунков И.В. Теория, применение и оценка качества генераторов псевдослучайных последовательностей // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Вып. 1, 2003. – 240 с.].
Кроме того, любая технология характеризуется объемом технологических помещений и допустимой плотностью размещения в них оборудования. Плотность записи данных – это количество бит, которое размещается на единице площади (или объема) запоминающего устройства (ЗУ). Очевидно, что плотность обратно пропорционально зависит от размера физического элемента, сохраняющего бит. [Жиляков Е.Г., Пашинцев В.П., Белов С.П., Лихолоб П.Г. Серия «Информатика». Вып. 23/1, №13 (132), 2012. – С. 222-227.]
Размер техпроцесса определяет плотность транзисторов на одном кристалле. В соответствии с законом Г. Мура производительность кремниевых интегральных микросхем и количество транзисторов на одном кремниевом кристалле удваивается каждые 18 месяцев, а их стоимость при этом уменьшается на 50%. Рост количества транзисторов в одном чипе означает уменьшение и размеров единичного транзистора, и ширины контактных дорожек. Уровень техпроцесса 2011–2012 г.г. – это 22 нм, что соответствует размещению около 1,5 млрд транзисторов на 160 мм2 . Уменьшение размера техпроцесса позволяет не только увеличивать плотность хранения данных на полупроводниках, но и создавать более сложные и эффективные архитектуры процессоров, в частности, имеющие несколько вычислительных ядер и уровней кэш-памяти. [Жиляков Е.Г., Пашинцев В.П., Белов С.П., Лихолоб П.Г. Серия «Информатика». Вып. 23/1, №13 (132), 2012. – С. 222-227.]
Кроме того уменьшение техпроцесса позволяет сократить энергопотребление за счет перехода на новые типы транзисторов, уменьшения напряжение питания, отключения в режиме бездействия отдельных ядер, кэш-памяти или участков интегрированного графического ядра и др. Плотность размещения оборудования оценивается при помощи целой группы параметров. Это и количество вычислительных операций (вычислительная плотность), и объем потребляемой энергии (энергетическая плотность), и скорость информационных каналов (сетевая плотность) на единицу площади оборудования и др. Рекорд вычислительной плотности 2013 г. – это 1 Пфлоп/с на одну стойку площадью 1 м2 .
Стойка состоит из 1024 вычислительных узлов, имеет совокупную емкость локального файлового хранилища узлов 0,5 ПБ и обеспечивает отвод более 0,4 МВт тепловой мощности за счет использования прямого жидкостного охлаждения [[Иванов М.А., Чугунков И.В. Теория, применение и оценка качества генераторов псевдослучайных последовательностей // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Вып. 1, 2003. – 240 с.].
Новой технологией, позволяющей сократить издержки на создание ИТ-инфраструктуры, являются модульные центры обработки данных. Производственное помещение строится из сэндвич-панелей, снабжается необходимым количеством серверов и прочего инфраструктурного оборудования и может располагаться в любом месте пространства при наличии доступа к сетевым и энергетическим мощностям [Иванов М.А., Чугунков И.В. Теория, применение и оценка качества генераторов псевдослучайных последовательностей // Вопросы радиоэлектроники. Серия ЭВТ. Вып. 1, 2003. – 240 с.].