Файл: Технологии программирования (Сбор и передача данных).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Информация является основой современного общества. Все больше возрастает значимость информации на предприятиях и в различных компаниях, увеличивается документооборот. В связи с тем, что основной деятельностью человека становиться обработка информации, для современного общество характерно определение «информационное общество».

Наиболее распространённой формой информации стал электронный формат, так как это позволяет передать информация на большое расстояние и оставаться «в курсе событий», даже находясь далеко от них. Такие устройства как: компьютеры, планшеты, смартфоны, подключенные к сети «интернет», позволяют оперировать информацией, будучи не привязанным к месту.

Любая информация, представленная в электронном виде, состоит из данных. Над данными производится множество операций, благодаря которым осуществляется обработка, хранение и передача информации.

Целью курсовой работы является изучение и определение основных операций над данными.

Для достижения цели необходимо рассмотреть:

- основные форматы данных;

- средства и способы передачи данных;

- основные способы обработки данных;

- хранение данных;

- защиту данных.

При написании работы использовались: учебник для студентов ВУЗов «Теоретические основы информатики» Стариченко Б.Е. для направления «Информационные системы и технологии», книга «Компьютерные сети нисходящий подход» Джеймс Куроуз и Кит Росс, а также информационно-образовательные порталы, сайт «ЦП Автоматизированные системы управления и промышленная безопасность», содержащий множество полезной информации по программированию и технологиям, сайты некоторых компаний, публикующих информацию по своей сфере деятельности и др.

1 Сбор и передача данных

1.1 Основные форматы данных

Перед тем как рассматривать основные операции над данными и информацией необходимо рассмотреть эти понятия.

Информация – это содержание сообщения, понижающего неопределенность некоторого опыта с неоднозначными исходами.[2]

С понятием «информация» тесно связано понятие «данные».

Данные — это «сырьё» для получения информации. [9]

Структурные единицы памяти компьютера — бит, байт и машинное слово. Причем понятия бита и байта универсальны и не зависят от модели компьютера, а размер машинного слова зависит от типа процессора ЭВМ (1 байт – 8-битная система, 2 байта – 16-битная и т.д.).

Числа в памяти ЭВМ хранятся в двух форматах: в формате с фиксированной точкой и в формате с плавающей точкой.

Формат с фиксированной точкой используется для хранения в памяти целых чисел. В этом случае число занимает одно машинное слово памяти. [19]

Диапазон представления целых чисел в 16-разрядном машинном слове:

-32768 ≤ -N≤ 32767.

В общем случае для k-разрядного машинного слова этот диапазон следующий:

-2 k-1≤ N ≤ 2 k-1 - 1. [19]

Формат представления вещественных чисел в компьютере называется форматом с плавающей точкой. Вещественное число R представляется в виде произведения мантиссы (m) на основание системы счисления (n) в некоторой целой степени (р), которую называют порядком: R = m х n^р.

Если при вычислениях с вещественными числами результат выходит за пределы допустимого диапазона, то выполнение программы прерывается. Вещественные числа, разрядность мантиссы которых превышает число разрядов, выделенных под мантиссу в ячейке памяти, представляются в компьютере приближенно (с «обрезанной» мантиссой). [8]

В памяти компьютера мантисса представляется как целое число, содержащее только значащие цифры (0 целых и запятая не хранятся). Следовательно, внутреннее представление вещественного числа сводится к представлению пары целых чисел: мантиссы и порядка. [19]

Было решено отводить под вещественные числа 4 байта (32 бита). Три младших байта отводилось под запись мантиссы, а старший байт включал в себя:

• Один (старший) бит — знак числа: 0 — положительное, 1 — отрицательное.
• Один бит — знак порядка: 0-положительный, 1-отрицательный.
• Младшие 6 битов — порядок числа.

Рассмотрим один из вариантов внутреннего представления вещественного числа в четырехбайтовой ячейке памяти.

В ячейке должна содержаться следующая информация о числе: знак числа, порядок и значащие цифры мантиссы.

В старшем бите 1-го байта хранится знак числа: 0 обозначает плюс, 1 — минус. Оставшиеся 7 бит первого байта содержат машинный порядок. В следующих трех байтах хранятся значащие цифры мантиссы (24 разряда).

В семи двоичных разрядах помещаются двоичные числа в диапазоне от 0000000 до 1111111. Значит, машинный порядок изменяется в диапазоне от 0 до 127 (в десятичной системе счисления). Всего 128 значений. Порядок, очевидно, может быть как положительным, так и отрицательным. Разумно эти 128 значений разделить поровну между положительными и отрицательными значениями порядка: от —64 до 63. [8]

Для компьютера любой текст - это линейная последовательность символов. Причем это не только обычные символы, но и пробелы между словами, а также другие специальные символы: переход на следующую строчку, переход на следующую страницу и т.п. Каждому символу из этой последовательности соответствует конкретный двоичный код.

Для перевода информации из машинного представления в человеческий необходимы таблицы кодировки символов - таблицы соответствия между символами определенного языка и кодами символов.

ASCII - американский стандартный код для обмена информацией. Первоначально он был разработан для передачи текстов по телеграфу, причем в то время он был 7-битовым, то есть для кодирования символов английского языка, служебных и управляющих символов использовались только 128 семибитовых комбинаций.

Альтернативная кодировка (CP-1251 на Windows) — основанная на CP437 кодовая страница, где все специфические европейские символы во второй половине заменены на кириллицу, оставляя псевдографические символы нетронутыми. [18]

Юникод (UNICODE), содержащая символы, применяемые в языках всех народов мира, а также различные служебные и вспомогательные символы (знаки препинания, математические и технические символы, стрелки, диакритические знаки и т.д.). В Юникоде используются 16-битовые (2-байтовые) коды, что позволяет представить 65 536 символов. [18]

Существуют два подхода к решению проблемы представления изображения на компьютере: растровый и векторный.

Растровый подход предполагает разбиение изображения на маленькие одноцветные элементы — видеопиксели, которые, сливаясь, дают общую картину. В таком случае видеоинформация представляет собой перечисление в определенном порядке цветов этих элементов.

Векторный подход разбивает всякое изображение на геометрические элементы: отрезки прямой, эллиптические дуги, фрагменты прямоугольников, окружностей, области однородной закраски и пр. При таком подходе видеоинформация — это математическое описание перечисленных элементов в системе координат, связанной с экраном дисплея.

Информация в видеопамяти (видеоинформация) представляет собой совокупность кодов цвета каждого пикселя экрана. [19]

Модель RGB (от слов Red, Green, Blue — красный, зеленый, синий) наиболее точно подходит к принципам вывода изображения на экран монитора – три числа задают яркость свечения зерен красного, зеленого и синего люминофора в заданной точке экрана. Если каждый из цветов кодировать с помощью одного байта (яркость каждого компонента задается числами от 0 до 255), появится возможность передавать по 256 оттенков каждого из основных цветов. А всего в этом случае обеспечивается передача 256 х 256 х 256 = 16 777 216 различных цветов, что достаточно близко к реальной чувствительности человеческого глаза. [11]

Звуковой сигнал – это непрерывная волна с изменяющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон.

Метод FM (Frequency Modulation). В процессе кодирования фонограммы, непрерывная звуковая волна разбивается по времени на отдельные маленькие временные участки (элементарные звуки). Аудиоадаптер с определенным периодом измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код полученной величины. Затем полученный код из регистра переписывается в оперативную память компьютера. [12]

Технические средства транспортировки данных

Средства связи — совокупность устройств, обеспечивающих преобразование первичного сообщения от источника информации в сигналы заданной физической природы, их передачу, прием и представление в форме удобной потребителю.

Рисунок 1 – Общая схема передачи данных.

ИИ — источник информации; К — кодер; ПрдС —передатчик сообщения; ПрмС — приемник сообщения; ДК — декодер; ПрИ — приемник информации. [2]

Источник информации — это объект, порождающий информацию и представляющий её в виде сообщения.

Приемник информации — это объект, принимающий сообщение и способный правильно его интерпретировать. [9]

Канал связи — материальная среда, а также физический или иной процесс, посредством которого осуществляется передача сообщения, т. е. распространение сигналов в пространстве с течением времени.

Линия связи — это совокупность средств связи и канала связи, посредством которых осуществляется передача инфорамации от источника к приемнику. [2]

Линии связи могут быть проводными и беспроводными.

Виды беспроводной передачи данных

Радиопередача. В радиоканалах сигналы передаются посредством электромагнитных волн радиодиапазона. Такая среда передачи очень привлекательна тем, что она не требует физического носителя, может обеспечивать соединение с мобильными пользователями, передачу сигнала на достаточно дальние расстояния, при этом сигнал способен проникать сквозь стены и другие препятствия. [3]

Спутниковая навигация. Глобальная система позиционирования(GPS – Global Positioning System) появилась в 50-е благодаря запуску спутника. Когда первый советский спутник вышел на орбиту, американцы обратили внимание: при отдалении он равномерно меняет частоту сигнала. Ученые проанализировали данные и поняли, что спутниковый сигнал позволяет точно определить координаты объектов на земле, а также скорость их передвижения. В основе технологии – простой навигационный принцип маркерных объектов. Маркерный объект – это ориентир, координаты которого точно известны. Для определения координат объекта нужно знать также расстояние от него до маркерного объекта, тогда можно провести на карте линии в сторону маркеров от возможного местоположения: точка пересечения этих линий и будет координатами.

Спутники на околоземной орбите играют в GPS роль маркерных объектов. Они быстро вращаются, но их местоположение постоянно отслеживается, а в каждом навигаторе есть приемник, настроенный на нужную частоту. Спутники посылают сигналы, в которых закодирован большой объем информации, включая точное время. Данные точного времени – одни из самых важных для определения географических координат: ориентируясь на разницу между отдачей и приемом радиосигнала, спутники вычисляют расстояние между собой и навигатором.[22]

Сотовая связь. В момент, когда человек пытается совершить вызов со своего мобильного телефона, или когда начинают звонить ему, телефон посредством радиоволн подключается к одной из базовых станций (наиболее доступной), к одной из ее антенн. Антенны здесь работают как на прием, так и на передачу, и принадлежат они оператору сотовой связи. Антенны базовой станции направлены во всевозможные стороны (сектора), чтобы обеспечить «покрытие сетью» абонентам со всех сторон на расстоянии до 35 километров.

Антенна одного сектора в состоянии обслуживать одновременно до 72 звонков. Каждая антенна соединена кабелем с управляющим блоком базовой станции. А уже блоки нескольких базовых станций (каждая станция обслуживает свою часть территории) присоединяются к контроллеру. Контроллеров, конечно, в населенном пункте или районе, может быть несколько, поэтому контроллеры, в свою очередь, присоединяются кабелями к коммутатору. Задача коммутатора — связать сети операторов мобильной связи друг с другом и с городскими линиями обычной телефонной связи, междугородной связи и международной связи. [17]

Звонок поступает на коммутатор, что расположен на стороне принимающего звонок (вызываемого) абонента. В «приемном» коммутаторе уже есть данные о том, где находится вызываемый абонент, в какой зоне действия сети: какой контроллер, какая базовая станция. И вот, с базовой станции начинается опрос сети, находится адресат, и на его телефон «поступает вызов».

В процессе перемещения человека, разговаривающего по мобильнику, по улице его телефон не должен ни на мгновение потерять сеть, нельзя оборвать разговор. Непрерывность связи получается благодаря способности сети базовых станций очень оперативно переключать абонента с одной антенны на другую в процессе его перемещения от зоны действия одной антенны — в зону действия другой (от соты к соте). [17]

Средства проводной передачи данных.

Медная витая пара. Наиболее дешевым и распространённым средством передачи является витая пара. На практике более 99% кабелей, соединяющих различные устройства передачи данных, представляют собой именно ее. Витая пара состоит из двух изолированных медных проводов, каждый из которых имеет толщину около 1 мм, заключенных в обычную спиральную оболочку. Провода переплетены друг с другом для уменьшения электрических помех, идущих от находящихся рядом проводов. Скорость передачи данных по витой паре варьируется в пределах от 10 Мбит/с до 10 Гбит/с. Скорость зависит от толщены провода, а также от расстояния между источником и приемником.