ВходЗашифровать слово в двоичной системе. Бинарный код в текст
Все символы и буквы могут быть закодированы при помощи восьми двоичных бит. Наиболее распространенными таблицами представления букв в двоичном коде являются ASCII и ANSI, их можно использовать для записи текстов в микропроцессорах. В таблицах ASCII и ANSI первые 128 символов совпадают. В этой части таблицы содержатся коды цифр, знаков препинания, латинские буквы верхнего и нижнего регистров и управляющие символы. Национальные расширения символьных таблиц и символы псевдографики содержатся в последних 128 кодах этих таблиц, поэтому русские тексты в операционных системах DOS и WINDOWS не совпадают.
При первом знакомстве с компьютерами и микропроцессорами может возникнуть вопрос — "как преобразовать текст в двоичный код?" Однако это преобразование является наиболее простым действием! Для этого нужно воспользоваться любым текстовым редактором. В том числе подойдет и простейшая программа notepad, входящая в состав операционной системы Windows. Подобные же редакторы присутствуют во всех средах программирования для языков, таких как СИ, Паскаль или Ява. Следует отметить, что наиболее распространенный текстовый редактор Word для простого преобразования текста в двоичный код не подходит. Этот тестовый редактор вводит огромное количество дополнительной информации, такой как цвет букв, наклон, подчеркивание, язык, на котором написана конкретная фраза, шрифт.
Следует отметить, что на самом деле комбинация нулей и единиц, при помощи которых кодируется текстовая информация двоичным кодом не является, т.к. биты в этом коде не подчиняются законам . Однако в Интернете поисковая фраза "представление букв в двоичном коде" является самой распространенной. В таблице 1 приведено соответствие двоичных кодов буквам латинского алфавита. Для краткости записи в этой таблице последовательность нулей и единиц представлена в десятичном и шестнадцатеричном кодах.
Таблица 1 Таблица представления латинских букв в двоичном коде (ASCII)
| Десятичный код | Шестнадцатеричный код | Отображаемый символ | Значение |
|---|---|---|---|
| 0 | 00 | NUL | |
| 1 | 01 | ☺ | (слово управления дисплеем) |
| 2 | 02 | ☻ | (Первое передаваемое слово) |
| 3 | 03 | ETX (Последнее слово передачи) | |
| 4 | 04 | ♦ | EOT (конец передачи) |
| 5 | 05 | ♣ | ENQ (инициализация) |
| 6 | 06 | ♠ | ACK (подтверждение приема) |
| 7 | 07 | BEL | |
| 8 | 08 | ◘ | BS |
| 9 | 09 | ○ | HT (горизонтальная табуляция |
| 10 | 0A | ◙ | LF (перевод строки) |
| 11 | 0B | ♂ | VT (вертикальная табуляция) |
| 12 | 0С | ♀ | FF (следующая страница) |
| 13 | 0D | ♪ | CR (возврат каретки) |
| 14 | 0E | ♫ | SO (двойная ширина) |
| 15 | 0F | ☼ | SI (уплотненная печать) |
| 16 | 10 | DLE | |
| 17 | 11 | ◄ | DC1 |
| 18 | 12 | ↕ | DC2 (отмена уплотненной печати) |
| 19 | 13 | ‼ | DC3 (готовность) |
| 20 | 14 | ¶ | DC4 (отмена двойной ширины) |
| 21 | 15 | § | NAC (неподтверждение приема) |
| 22 | 16 | ▬ | SYN |
| 23 | 17 | ↨ | ETB |
| 24 | 18 | CAN | |
| 25 | 19 | ↓ | EM |
| 26 | 1A | → | SUB |
| 27 | 1B | ← | ESC (начало управл. послед.) |
| 28 | 1C | ∟ | FS |
| 29 | 1D | ↔ | GS |
| 30 | 1E | ▲ | RS |
| 31 | 1F | ▼ | US |
| 32 | 20 | Пробел | |
| 33 | 21 | ! | Восклицательный знак |
| 34 | 22 | « | Угловая скобка |
| 35 | 23 | # | Знак номера |
| 36 | 24 | $ | Знак денежной единицы (доллар) |
| 37 | 25 | % | Знак процента |
| 38 | 26 | & | Амперсанд |
| 39 | 27 | " | Апостроф |
| 40 | 28 | ( | Открывающая скобка |
| 41 | 29 | ) | Закрывающая скобка |
| 42 | 2A | * | Звездочка |
| 43 | 2B | + | Знак плюс |
| 44 | 2C | , | Запятая |
| 45 | 2D | - | Знак минус |
| 46 | 2E | . | Точка |
| 47 | 2F | / | Дробная черта |
| 48 | 30 | 0 | Цифра ноль |
| 49 | 31 | 1 | Цифра один |
| 50 | 32 | 2 | Цифра два |
| 51 | 33 | 3 | Цифра три |
| 52 | 34 | 4 | Цифра четыре |
| 53 | 35 | 5 | Цифра пять |
| 54 | 36 | 6 | Цифра шесть |
| 55 | 37 | 7 | Цифра семь |
| 56 | 38 | 8 | Цифра восемь |
| 57 | 39 | 9 | Цифра девять |
| 58 | 3A | : | Двоеточие |
| 59 | 3B | ; | Точка с запятой |
| 60 | 3C | < | Знак меньше |
| 61 | 3D | = | Знак равно |
| 62 | 3E | > | Знак больше |
| 63 | 3F | ? | Знак вопрос |
| 64 | 40 | @ | Коммерческое эт |
| 65 | 41 | A | Прописная латинская буква А |
| 66 | 42 | B | Прописная латинская буква B |
| 67 | 43 | C | Прописная латинская буква C |
| 68 | 44 | D | Прописная латинская буква D |
| 69 | 45 | E | Прописная латинская буква E |
| 70 | 46 | F | Прописная латинская буква F |
| 71 | 47 | G | Прописная латинская буква G |
| 72 | 48 | H | Прописная латинская буква H |
| 73 | 49 | I | Прописная латинская буква I |
| 74 | 4A | J | Прописная латинская буква J |
| 75 | 4B | K | Прописная латинская буква K |
| 76 | 4C | L | Прописная латинская буква L |
| 77 | 4D | M | Прописная латинская буква |
| 78 | 4E | N | Прописная латинская буква N |
| 79 | 4F | O | Прописная латинская буква O |
| 80 | 50 | P | Прописная латинская буква P |
| 81 | 51 | Q | Прописная латинская буква |
| 82 | 52 | R | Прописная латинская буква R |
| 83 | 53 | S | Прописная латинская буква S |
| 84 | 54 | T | Прописная латинская буква T |
| 85 | 55 | U | Прописная латинская буква U |
| 86 | 56 | V | Прописная латинская буква V |
| 87 | 57 | W | Прописная латинская буква W |
| 88 | 58 | X | Прописная латинская буква X |
| 89 | 59 | Y | Прописная латинская буква Y |
| 90 | 5A | Z | Прописная латинская буква Z |
| 91 | 5B | [ | Открывающая квадратная скобка |
| 92 | 5C | \ | Обратная черта |
| 93 | 5D | ] | Закрывающая квадратная скобка |
| 94 | 5E | ^ | "Крышечка" |
| 95 | 5 | _ | Символ подчеркивания |
| 96 | 60 | ` | Апостроф |
| 97 | 61 | a | Строчная латинская буква a |
| 98 | 62 | b | Строчная латинская буква b |
| 99 | 63 | c | Строчная латинская буква c |
| 100 | 64 | d | Строчная латинская буква d |
| 101 | 65 | e | Строчная латинская буква e |
| 102 | 66 | f | Строчная латинская буква f |
| 103 | 67 | g | Строчная латинская буква g |
| 104 | 68 | h | Строчная латинская буква h |
| 105 | 69 | i | Строчная латинская буква i |
| 106 | 6A | j | Строчная латинская буква j |
| 107 | 6B | k | Строчная латинская буква k |
| 108 | 6C | l | Строчная латинская буква l |
| 109 | 6D | m | Строчная латинская буква m |
| 110 | 6E | n | Строчная латинская буква n |
| 111 | 6F | o | Строчная латинская буква o |
| 112 | 70 | p | Строчная латинская буква p |
| 113 | 71 | q | Строчная латинская буква q |
| 114 | 72 | r | Строчная латинская буква r |
| 115 | 73 | s | Строчная латинская буква s |
| 116 | 74 | t | Строчная латинская буква t |
| 117 | 75 | u | Строчная латинская буква u |
| 118 | 76 | v | Строчная латинская буква v |
| 119 | 77 | w | Строчная латинская буква w |
| 120 | 78 | x | Строчная латинская буква x |
| 121 | 79 | y | Строчная латинская буква y |
| 122 | 7A | z | Строчная латинская буква z |
| 123 | 7B | { | Открывающая фигурная скобка |
| 124 | 7С | | | Вертикальная черта |
| 125 | 7D | } | Закрывающая фигурная скобка |
| 126 | 7E | ~ | Тильда |
| 127 | 7F | ⌂ |
В классическом варианте таблицы символов ASCII нет русских букв и она состоит из 7 бит. Однако в дальнейшем эта таблица была расширена до 8 бит и в старших 128 строках появились русские буквы в двоичном коде и символы псевдографики. В общем случае во второй части размещены национальные алфавиты разных стран и русские буквы там просто один из возможных наборов (855) там может быть французская (863), немецкая (1141) или греческая (737) таблица. В таблице 2 приведен пример представления русских букв в двоичном коде.
Таблица 2. Таблица представления русских букв в двоичном коде (ASCII)
| Десятичный код | Шестнадцатеричный код | Отображаемый символ | Значение |
|---|---|---|---|
| 128 | 80 | А | Прописная русская буква А |
| 129 | 81 | Б | Прописная русская буква Б |
| 130 | 82 | В | Прописная русская буква В |
| 131 | 83 | Г | Прописная русская буква Г |
| 132 | 84 | Д | Прописная русская буква Д |
| 133 | 85 | Е | Прописная русская буква Е |
| 134 | 86 | Ж | Прописная русская буква Ж |
| 135 | 87 | З | Прописная русская буква З |
| 136 | 88 | И | Прописная русская буква И |
| 137 | 89 | Й | Прописная русская буква Й |
| 138 | 8A | К | Прописная русская буква К |
| 139 | 8B | Л | Прописная русская буква Л |
| 140 | 8C | М | Прописная русская буква М |
| 141 | 8D | Н | Прописная русская буква Н |
| 142 | 8E | О | Прописная русская буква О |
| 143 | 8F | П | Прописная русская буква П |
| 144 | 90 | Р | Прописная русская буква Р |
| 145 | 91 | С | Прописная русская буква С |
| 146 | 92 | Т | Прописная русская буква Т |
| 147 | 93 | У | Прописная русская буква У |
| 148 | 94 | Ф | Прописная русская буква Ф |
| 149 | 95 | Х | Прописная русская буква Х |
| 150 | 96 | Ц | Прописная русская буква Ц |
| 151 | 97 | Ч | Прописная русская буква Ч |
| 152 | 98 | Ш | Прописная русская буква Ш |
| 153 | 99 | Щ | Прописная русская буква Щ |
| 154 | 9A | Ъ | Прописная русская буква Ъ |
| 155 | 9B | Ы | Прописная русская буква Ы |
| 156 | 9C | Ь | Прописная русская буква Ь |
| 157 | 9D | Э | Прописная русская буква Э |
| 158 | 9E | Ю | Прописная русская буква Ю |
| 159 | 9F | Я | Прописная русская буква Я |
| 160 | A0 | а | Строчная русская буква а |
| 161 | A1 | б | Строчная русская буква б |
| 162 | A2 | в | Строчная русская буква в |
| 163 | A3 | г | Строчная русская буква г |
| 164 | A4 | д | Строчная русская буква д |
| 165 | A5 | е | Строчная русская буква е |
| 166 | A6 | ж | Строчная русская буква ж |
| 167 | A7 | з | Строчная русская буква з |
| 168 | A8 | и | Строчная русская буква и |
| 169 | A9 | й | Строчная русская буква й |
| 170 | AA | к | Строчная русская буква к |
| 171 | AB | л | Строчная русская буква л |
| 172 | AC | м | Строчная русская буква м |
| 173 | AD | н | Строчная русская буква н |
| 174 | AE | о | Строчная русская буква о |
| 175 | AF | п | Строчная русская буква п |
| 176 | B0 | ░ | |
| 177 | B1 | ▒ | |
| 178 | B2 | ▓ | |
| 179 | B3 | │ | Символ псевдографики |
| 180 | B4 | ┤ | Символ псевдографики |
| 181 | B5 | ╡ | Символ псевдографики |
| 182 | B6 | ╢ | Символ псевдографики |
| 183 | B7 | ╖ | Символ псевдографики |
| 184 | B8 | ╕ | Символ псевдографики |
| 185 | B9 | ╣ | Символ псевдографики |
| 186 | BA | ║ | Символ псевдографики |
| 187 | BB | ╗ | Символ псевдографики |
| 188 | BC | ╝ | Символ псевдографики |
| 189 | BD | ╜ | Символ псевдографики |
| 190 | BE | ╛ | Символ псевдографики |
| 191 | BF | ┐ | Символ псевдографики |
| 192 | C0 | └ | Символ псевдографики |
| 193 | C1 | ┴ | Символ псевдографики |
| 194 | C2 | ┬ | Символ псевдографики |
| 195 | C3 | ├ | Символ псевдографики |
| 196 | C4 | ─ | Символ псевдографики |
| 197 | C5 | ┼ | Символ псевдографики |
| 198 | C6 | ╞ | Символ псевдографики |
| 199 | C7 | ╟ | Символ псевдографики |
| 200 | C8 | ╚ | Символ псевдографики |
| 201 | C9 | ╔ | Символ псевдографики |
| 202 | CA | ╩ | Символ псевдографики |
| 203 | CB | ╦ | Символ псевдографики |
| 204 | CC | ╠ | Символ псевдографики |
| 205 | CD | ═ | Символ псевдографики |
| 206 | CE | ╬ | Символ псевдографики |
| 207 | CF | ╧ | Символ псевдографики |
| 208 | D0 | ╨ | Символ псевдографики |
| 209 | D1 | ╤ | Символ псевдографики |
| 210 | D2 | ╥ | Символ псевдографики |
| 211 | D3 | ╙ | Символ псевдографики |
| 212 | D4 | ╘ | Символ псевдографики |
| 213 | D5 | ╒ | Символ псевдографики |
| 214 | D6 | ╓ | Символ псевдографики |
| 215 | D7 | ╫ | Символ псевдографики |
| 216 | D8 | ╪ | Символ псевдографики |
| 217 | D9 | ┘ | Символ псевдографики |
| 218 | DA | ┌ | Символ псевдографики |
| 219 | DB | █ | |
| 220 | DC | ▄ | |
| 221 | DD | ▌ | |
| 222 | DE | ▐ | |
| 223 | DF | ▀ | |
| 224 | E0 | р | Строчная русская буква р |
| 225 | E1 | с | Строчная русская буква с |
| 226 | E2 | т | Строчная русская буква т |
| 227 | E3 | у | Строчная русская буква у |
| 228 | E4 | ф | Строчная русская буква ф |
| 229 | E5 | х | Строчная русская буква х |
| 230 | E6 | ц | Строчная русская буква ц |
| 231 | E7 | ч | Строчная русская буква ч |
| 232 | E8 | ш | Строчная русская буква ш |
| 233 | E9 | щ | Строчная русская буква щ |
| 234 | EA | ъ | Строчная русская буква ъ |
| 235 | EB | ы | Строчная русская буква ы |
| 236 | EC | ь | Строчная русская буква ь |
| 237 | ED | э | Строчная русская буква э |
| 238 | EE | ю | Строчная русская буква ю |
| 239 | EF | я | Строчная русская буква я |
| 240 | F0 | Ё | Прописная русская буква Ё |
| 241 | F1 | ё | Строчная русская буква ё |
| 242 | F2 | Є | |
| 243 | F3 | є | |
| 244 | F4 | Ї | |
| 245 | F5 | Ї | |
| 246 | F6 | Ў | |
| 247 | F7 | ў | |
| 248 | F8 | ° | Знак градуса |
| 249 | F9 | ∙ | Знак умножения (точка) |
| 250 | FA | · | |
| 251 | FB | √ | Радикал (взятие корня) |
| 252 | FC | № | Знак номера |
| 253 | FD | ¤ | Знак денежной единицы (рубль) |
| 254 | FE | ■ | |
| 255 | FF |
При записи текстов кроме двоичных кодов, непосредственно отображающих буквы, применяются коды, обозначающие переход на новую строку и возврат курсора (возврат каретки) на нулевую позицию строки. Эти символы обычно применяются вместе. Их двоичные коды соответствуют десятичным числам — 10 (0A) и 13 (0D). В качестве примера ниже приведен участок текста данной страницы (дамп памяти). На этом участке записан ее первый абзац. Для отображения информации в дампе памяти применен следующий формат:
- в первой колонке записан двоичный адрес первого байта строки
- в следующи шестнадцати колонках записаны байты, содержащиеся в текстовом файле. Для более удобного определения номера байта после восьмой колонки проведена вертикальная линия. Байты, для краткости записи, представлены в шестнадцатеричном коде.
- в последней колонке эти же байты представлены в виде отображаемых буквенных символов
В приведенном примере видно, что первая строка текста занимает 80 байт. Первый байт 82 соответствует букве "В". Второй байт E1 соответствует букве "с". Третий байт A5 соответствует букве "е". Следующий байт 20 отображает пустой промежуток между словами (пробел) " ". 81 и 82 байты содержат символы возврата каретки и перевода строки 0D 0A. Эти символы мы находим по двоичному адресу 00000050: Следующая строка исходного текста не кратна 16 (ее длина равна 76 буквам), поэтому для того, чтобы найти ее конец потребуется сначала найти строку 000000E0: и от нее отсчитать девять колонок. Там снова записаны байты возврата каретки и перевода строки 0D 0A. Остальной текст анализируется точно таким же образом.
Дата последнего обновления файла 04.12.2018
Литература:
Вместе со статьей "Запись текстов двоичным кодом" читают:
Представление двоичных чисел в памяти компьютера или
микроконтроллера
http://сайт/proc/IntCod.php
Иногда бывает удобно хранить числа в памяти процессора в десятичном
виде
http://сайт/proc/DecCod.php
Стандартные форматы чисел
с плавающей запятой для компьютеров и микроконтроллеров
http://сайт/proc/float/
В настоящее время и в технике и в быту широко используются как
позиционные, так и непозиционные системы счисления.
.php
Давайте разберемся как же все таки переводить тексты в цифровой код ? Кстати, на нашем сайте вы можете перевести любой текст в десятичный, шестнадцатеричный, двоичный код воспользовавшись Калькулятором кодов онлайн .
Кодирование текста.
По теории ЭВМ любой текст состоит из отдельных символов. К этим символам относятся: буквы, цифры, строчные знаки препинания, специальные символы («»,№, (), и т.д.), к ним, так же, относятся пробелы между словами.
Необходимый багаж знаний. Множество символов, при помощи которых записываю текст, называется АЛФАВИТОМ.
Число взятых в алфавите символов, представляет его мощность.
Количество информации можно определить по формуле: N = 2b
- N - та самая мощность (множество символов),
- b - Бит (вес взятого символа).
Алфавит, в котором будет 256 может вместить в себя практически все нужные символы. Такие алфавиты называют ДОСТАТОЧНЫМИ.
Если взять алфавит мощностью 256, и иметь в виду что 256 = 28
- 8 бит всегда называют 1 байт:
- 1 байт = 8 бит.
Если перевести каждый символ в двоичный код, то этот код компьютерного текста будет занимать 1 байт.
Как текстовая информация может выглядеть в памяти компьютера?
Любой текст набирают на клавиатуре, на клавишах клавиатуры, мы видим привычные для нас знаки (цифры, буквы и т.д.). В оперативную память компьютера они попадают только в виде двоичного кода. Двоичный код каждого символа, выглядит восьмизначным числом, например 00111111.
Поскольку, байт - это самая маленькая адресуемая частица памяти, и память обращена к каждому символу отдельно - удобство такого кодирование очевидно. Однако, 256 символов - это очень удобное количество для любой символьной информации.
Естественно, встал вопрос: Какой конкретно восьми разрядный код принадлежит каждому символу? И как осуществить перевод текста в цифровой код?
Этот процесс условный, и мы вправе придумать различные способы для кодировки символов . Каждый символ алфавита имеет свой номер от 0 до 255. И каждому номеру присвоен код от 00000000 до 11111111.
Таблица для кодировки - это «шпаргалка», в которой указаны символы алфавита в соответствии порядковому номеру. Для различных типов ЭВМ используют разные таблицы для кодировки.
ASCII(или Аски), стала международным стандартом для персональных компьютеров. Таблица имеет две части.
Первая половина для таблицы ASCII. (Именно первая половина, стала стандартом.)
Соблюдение лексикографического порядка, то есть, в таблице буквы (Строчные и прописные) указаны в строгом алфавитном порядке, а цифры по возрастанию, называют принципом последовального кодирования алфавита.
Для русского алфавита тоже соблюдают принцип последовательного кодирования .
Сейчас, в наше время используют целых пять систем кодировок русского алфавита(КОИ8-Р, Windows. MS-DOS, Macintosh и ISO). Из-за количества систем кодировок и отсутствия одного стандарта, очень часто возникают недоразумения с переносом русского текста в компьютерный его вид.
Одним из первых стандартов для кодирования русского алфавит а на персональных компьютерах считают КОИ8("Код обмена информацией, 8-битный"). Данная кодировка использовалась в середине семидесятых годов на серии компьютеров ЕС ЭВМ, а со средины восьмидесятых, её начинают использовать в первых переведенных на русский язык операционных системах UNIX.
С начала девяностых годов, так называемого, времени, когда господствовала операционная система MS DOS, появляется система кодирования CP866 ("CP" означает "Code Page", "кодовая страница").
Гигант компьютерных фирм APPLE, со своей инновационной системой, под упралением которой они и работали (Mac OS), начинают использовать собственную систему для кодирования алфавита МАС.
Международная организация стандартизации (International Standards Organization, ISO)назначает стандартом для русского языка еще одну систему для кодирования алфавита , которая называется ISO 8859-5.
А самая распространенная, в наши дни, система для кодирования алфавита, придумана в Microsoft Windows, и называется CP1251.
С второй половины девяностых годов, была решена проблема стандарта перевода текста в цифровой код для русского языка и не только, введением в стандарт системы, под названием Unicode. Она представлена шестнадцатиразрядной кодировкой, это означает, что на каждый символ отводится ровно по два байта оперативной памяти. Само собой, при такой кодировке, затраты памяти увеличены в два раза. Однако, такая кодовая система позволяет переводить в электронный код до 65536 символов.
Специфика стандартной системы Unicode, является включением в себя абсолютно любого алфавита, будь он существующим, вымершим, выдуманным. В конечном счете, абсолютно любой алфавит, в добавок к этом, система Unicode, включает в себя уйму математических, химических, музыкальных и общих символов.
Давайте с помощью таблицы ASCII посмотрим, как может выглядеть слово в памяти вашего компьютера.
Очень часто случается так, что ваш текст, который написан буквами из русского алфавита, не читается, это обусловлено различием систем кодирования алфавита на компьютерах. Это очень распространенная проблема, которая довольно часто обнаруживается.
Одиночный цифровой сигнал не слишком информативен, ведь он может принимать только два значения: нуль и единица. Поэтому в тех случаях, когда необходимо передавать, обрабатывать или хранить большие объемы информации, обычно применяют несколько параллельных цифровых сигналов. При этом все эти сигналы должны рассматриваться только одновременно, каждый из них по отдельности не имеет смысла. В таких случаях говорят о двоичных кодах, то есть о кодах, образованных цифровыми (логическими, двоичными) сигналами. Каждый из логических сигналов, входящих в код, называется разрядом. Чем больше разрядов входит в код, тем больше значений может принимать данный код.
В отличие от привычного для нас десятичного кодирования чисел, то есть кода с основанием десять, при двоичном кодировании в основании кода лежит число два (рис. 2.9). То есть каждая цифра кода (каждый разряд) двоичного кода может принимать не десять значений (как в десятичном коде: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), а всего лишь два - 0 и 1. Система позиционной записи остается такой же, то есть справа пишется самый младший разряд, а слева - самый старший. Но если в десятичной системе вес каждого следующего разряда больше веса предыдущего в десять раз, то в двоичной системе (при двоичном кодировании) - в два раза. Каждый разряд двоичного кода называется бит (от английского "Binary Digit" - "двоичное число").
Рис. 2.9. Десятичное и двоичное кодирование
В табл. 2.3 показано соответствие первых двадцати чисел в десятичной и двоичной системах.
Из таблицы видно, что требуемое количество разрядов двоичного кода значительно больше, чем требуемое количество разрядов десятичного кода. Максимально возможное число при количестве разрядов, равном трем, составляет при десятичной системе 999, а при двоичной - всего лишь 7 (то есть 111 в двоичном коде). В общем случае n-разрядное двоичное число может принимать 2 n различных значений, а n-разрядное десятичное число - 10 n значений. То есть запись больших двоичных чисел (с количеством разрядов больше десяти) становится не слишком удобной.
| Таблица 2.3. Соответствие чисел в десятичной и двоичной системах | |||
| Десятичная система | Двоичная система | Десятичная система | Двоичная система |
Для того чтобы упростить запись двоичных чисел, была предложена так называемая шестнадцатеричная система (16-ричное кодирование). В этом случае все двоичные разряды разбиваются на группы по четыре разряда (начиная с младшего), а затем уже каждая группа кодируется одним символом. Каждая такая группа называется полубайтом (или нибблом , тетрадой ), а две группы (8 разрядов) - байтом. Из табл. 2.3 видно, что 4-разрядное двоичное число может принимать 16 разных значений (от 0 до 15). Поэтому требуемое число символов для шестнадцатиричного кода тоже равно 16, откуда и происходит название кода. В качестве первых 10 символов берутся цифры от 0 до 9, а затем используются 6 начальных заглавных букв латинского алфавита: A, B, C, D, E, F.
Рис. 2.10. Двоичная и 16-ричная запись числа
В табл. 2.4 приведены примеры 16-ричного кодирования первых 20 чисел (в скобках приведены двоичные числа), а на рис. 2.10 показан пример записи двоичного числа в 16-ричном виде. Для обозначения 16-ричного кодирования иногда применяют букву "h" или "H" (от английского Hexadecimal) в конце числа, например, запись A17F h обозначает 16-ричное число A17F. Здесь А1 представляет собой старший байт числа, а 7F - младший байт числа. Все число (в нашем случае - двухбайтовое) называется словом .
| Таблица 2.4. 16-ричная система кодирования | |||
| Десятичная система | 16-ричная система | Десятичная система | 16-ричная система |
| 0 (0) | A (1010) | ||
| 1(1) | B (1011) | ||
| 2 (10) | C (1100) | ||
| 3 (11) | D (1101) | ||
| 4 (100) | E (1110) | ||
| 5 (101) | F (1111) | ||
| 6 (110) | 10 (10000) | ||
| 7 (111) | 11 (10001) | ||
| 8 (1000) | 12 (10010) | ||
| 9 (1001) | 13 (10011) |
Для перевода 16-ричного числа в десятичное необходимо умножить значение младшего (нулевого) разряда на единицу, значение следующего (первого) разряда на 16, второго разряда на 256 (16 2) и т.д., а затем сложить все произведения. Например, возьмем число A17F:
A17F=F*16 0 + 7*16 1 + 1*16 2 + A*16 3 = 15*1 + 7*16+1*256+10*4096=41343
Но каждому специалисту по цифровой аппаратуре (разработчику, оператору, ремонтнику, программисту и т.д.) необходимо научиться так же свободно обращаться с 16-ричной и двоичной системами, как и с обычной десятичной, чтобы никаких переводов из системы в систему не требовалось.
Помимо рассмотренных кодов, существует также и так называемое двоично-десятичное представление чисел. Как и в 16-ричном коде, в двоично-десятичном коде каждому разряду кода соответствует четыре двоичных разряда, однако каждая группа из четырех двоичных разрядов может принимать не шестнадцать, а только десять значений, кодируемых символами 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. То есть одному десятичному разряду соответствует четыре двоичных. В результате получается, что написание чисел в двоично-десятичном коде ничем не отличается от написания в обычном десятичном коде (табл. 2.6), но в реальности это всего лишь специальный двоичный код, каждый разряд которого может принимать только два значения: 0 и 1. Двоично-десятичный код иногда очень удобен для организации десятичных цифровых индикаторов и табло.
| Таблица 2.6. Двоично-десятичная система кодирования | |||
| Десятичная система | Двоично-десятичная система | Десятичная система | Двоично-десятичная система |
| 0 (0) | 10 (1000) | ||
| 1(1) | 11 (1001) | ||
| 2 (10) | 12 (10010) | ||
| 3 (11) | 13 (10011) | ||
| 4 (100) | 14 (10100) | ||
| 5 (101) | 15 (10101) | ||
| 6 (110) | 16 (10110) | ||
| 7 (111) | 17 (10111) | ||
| 8 (1000) | 18 (11000) | ||
| 9 (1001) | 19 (11001) |
В двоичном коде над числами можно проделывать любые арифметические операции: сложение, вычитание, умножение, деление.
Рассмотрим, например, сложение двух 4-разрядных двоичных чисел. Пусть надо сложить число 0111 (десятичное 7) и 1011 (десятичное 11). Сложение этих чисел не сложнее, чем в десятичном представлении:
При сложении 0 и 0 получаем 0, при сложении 1 и 0 получаем 1, при сложении 1 и 1 получаем 0 и перенос в следующий разряд 1. Результат - 10010 (десятичное 18). При сложении любых двух n-разрядных двоичных чисел может получиться n-разрядное или (n+1)-разрядное число.
Точно так же производится вычитание. Пусть из числа 10010 (18) надо вычесть число 0111 (7). Записываем числа с выравниванием по младшему разряду и вычитаем точно так же, как в случае десятичной системы:
При вычитании 0 из 0 получаем 0, при вычитании 0 из 1 получаем 1, при вычитании 1 из 1 получаем 0, при вычитании 1 из 0 получаем 1 и заем 1 в следующем разряде. Результат - 1011 (десятичное 11).
При вычитании возможно получение отрицательных чисел, поэтому необходимо использовать двоичное представление отрицательных чисел.
Для одновременного представления как двоичных положительных, так и двоичных отрицательных чисел чаще всего используется так называемый дополнительный код. Отрицательные числа в этом коде выражаются таким числом, которое, будучи сложено с положительным числом такой же величины, даст в результате нуль. Для того чтобы получить отрицательное число, надо поменять все биты такого же положительного числа на противоположные (0 на 1, 1 на 0) и прибавить к результату 1. Например, запишем число –5. Число 5 в двоичном коде выглядит 0101. Заменяем биты на противоположные: 1010 и прибавляем единицу: 1011. Суммируем результат с исходным числом: 1011 + 0101 = 0000 (перенос в пятый разряд игнорируем).
Отрицательные числа в дополнительном коде отличаются от положительных значением старшего разряда: единица в старшем разряде определяет отрицательное число, а нуль - положительное.
Помимо стандартных арифметических операций, в двоичной системе счисления используются и некоторые специфические операции, например, сложение по модулю 2. Эта операция (обозначается A) является побитовой, то есть никаких переносов из разряда в разряд и заемов в старших разрядах здесь не существует. Правила сложения по модулю 2 следующие: , , . Эта же операция называется функцией Исключающее ИЛИ . Например, просуммируем по модулю 2 два двоичных числа 0111 и 1011:
Среди других побитовых операций над двоичными числами можно отметить функцию И и функцию ИЛИ. Функция И дает в результате единицу только тогда, когда в соответствующих битах двух исходных чисел обе единицы, в противном случае результат -0. Функция ИЛИ дает в результате единицу тогда, когда хотя бы один из соответствующих битов исходных чисел равен 1, в противном случае результат 0.
Двоичный код представляет собой форму записи информации в виде единиц и нулей. Такая является позиционной с основанием 2. На сегодняшний день двоичный код (таблица, представленная немного ниже, содержит некоторые примеры записи чисел) используется во всех без исключения цифровых устройствах. Его популярность объясняется высокой надежность и простотой данной формы записи. Двоичная арифметика весьма проста, соответственно, ее легко реализовать и на аппаратном уровне. компоненты (или как их еще называют - логические) весьма надежны, так как они оперируют в работе всего двумя состояниями: логической единицы (есть ток) и логического нуля (нет тока). Тем самым они выгодно отличаются от аналоговых компонентов, работа которых основана на переходных процессах.
Как составляется двоичная форма записи?
Давайте разберемся, каким образом формируется такой ключ. Один разряд двоичного кода может содержать всего два состояния: ноль и единицу (0 и 1). При использовании двух разрядов появляется возможность записать четыре значения: 00, 01, 10, 11. Трехразрядная запись содержит восемь состояний: 000, 001 … 110, 111. В результате получаем, что длина двоичного кода зависит от числа разрядов. Это выражение можно записать с помощью следующей формулы: N =2m, где: m - это количество разрядов, а N - число комбинаций.
Виды двоичных кодов
В микропроцессорах такие ключи применяются для записи разнообразной обрабатываемой информации. Разрядность двоичного кода может существенно превышать и его встроенной памяти. В таких случаях длинные числа занимают несколько ячеек запоминающего устройства и обрабатываются с помощью нескольких команд. При этом все сектора памяти, которые выделены под многобайтный двоичный код, рассматриваются в качестве одного числа.
В зависимости от необходимости предоставления той или иной информации, различают следующие виды ключей:
- беззнаковые;
- прямые целыезнаковые коды;
- знаковые обратные;
- знаковые дополнительные;
- код Грея;
- код Грея-Экспресс.;
- дробные коды.
Рассмотрим более детально каждый из них.
Беззнаковый двоичный код
Давайте разберемся, что же представляет собой такой вид записи. В целых беззнаковых кодах каждый разряд (двоичный) представляет степень цифры два. При этом наименьшее число, которое можно записать в такой форме, равно нулю, а максимальное можно представить следующей формулой: М=2 п -1. Эти два числа полностью определяют диапазон ключа, которым можно выразить такой двоичный код. Давайте рассмотрим возможности упомянутой формы записи. При использовании данного вида беззнакового ключа, состоящего из восьми разрядов, диапазон возможных чисел составит от 0 до 255. Шестнадцатиразрядный код будет иметь диапазон от 0 до 65535. В восьмиразрядных процессорах для хранения и записи таких чисел используют два сектора памяти, которые располагаются в соседних адресатах. Работу с такими ключами обеспечивают специальные команды.
Прямые целые знаковые коды
В данном виде двоичных ключей старший разряд используется для записи знака числа. Нуль соответствует плюсу, а единица - минусу. В результате введения данного разряда диапазон закодированных чисел смещается в отрицательную сторону. Получается, что восьмиразрядный знаковый целый двоичный ключ может записать числа в диапазоне от -127 до +127. Шестнадцатиразрядный - в диапазоне от -32767 до +32767. В восьмиразрядных микропроцессорах для хранения подобных кодов используют два соседних сектора.
Недостатком такой формы записи является то, что знаковые и цифровые разряды ключа необходимо обрабатывать раздельно. Алгоритмы программ, работающих с этими кодами, получаются очень сложными. Для изменения и выделения знаковых разрядов необходимо применять механизмы маскировки этого символа, что способствует резкому увеличению размеров программного обеспечения и уменьшению его быстродействия. С целью устранения данного недостатка был введен новый вид ключа - обратный двоичный код.
Знаковый обратный ключ
Данная форма записи отличается от прямых кодов только тем, что отрицательное число в ней получается путем инвертирования всех разрядов ключа. При этом цифровые и знаковые разряды идентичны. Благодаря этому, алгоритмы работы с таким видом кодов существенно упрощаются. Однако обратный ключ требует специальный алгоритм для распознавания символа первого разряда, вычисления абсолютной величины числа. А также восстановления знака результирующего значения. Более того, в обратном и прямом кодах числа для записи нуля используют два ключа. Несмотря на то что это значение не имеет положительного или отрицательного знака.
Знаковый дополнительный код двоичного числа
Данный вид записи не имеет перечисленных недостатков предыдущих ключей. Такие коды позволяют проводить непосредственное суммирование как положительных, так и отрицательных чисел. При этом не проводится анализ знакового разряда. Все это стало возможным благодаря тому факту, что дополнительные числа представляют собой естественное кольцо символов, а не искусственные образования, такие как прямые и обратные ключи. Более того, важным фактором является, то что произвести вычисления дополнений в двоичных кодах чрезвычайно просто. Для этого достаточно к обратному ключу добавить единицу. При использовании данного вида знакового кода, состоящего из восьми разрядов, диапазон возможных чисел составит от -128 до +127. Шестнадцатиразрядный ключ будет иметь диапазон от -32768 до +32767. В восьмиразрядных процессорах для хранения таких чисел также используют два соседних сектора.
Двоичный дополнительный код интересен наблюдаемым эффектом, который называют явлением распространения знака. Давайте разберемся, что это значит. Данный эффект заключается в том, что в процессе преобразования однобайтового значения в двухбайтовое достаточно каждому биту старшего байта назначить значения знаковых битов младшего байта. Получается, что для хранения знакового можно воспользоваться старшими битами. При этом значение ключа совершенно не изменяется.
Код Грея
Данная форма записи, по сути, является одношаговым ключом. То есть в процессе перехода от одного значения к другому меняется всего лишь один бит информации. При этом погрешность при считывании данных приводит к переходу от одного положения к другому с незначительным смещением по времени. Однако получение совершенно неверного результата углового положения при таком процессе полностью исключается. Достоинством такого кода является его способность зеркально отображать информацию. Например, инвертируя старшие биты, можно просто менять направление отсчета. Это происходит благодаря управляющему входу Complement. При этом выдаваемое значение может быть как возрастающим, так и спадающим при одном физическом направлении вращения оси. Так как информация, записанная в ключе Грея, имеет исключительно кодированный характер, который не несет реальных числовых данных, то перед дальнейшей работой требуется предварительно преобразовать его в обычную бинарную форму записи. Осуществляется это с помощью специального преобразователя - декодера Грей-Бинар. Данное устройство легко реализуется на элементарных логических элементах как аппаратным, так и программным способом.
Код Грея-Экспресс
Стандартный одношаговый ключ Грей подходит для решений, которые представлены в виде чисел, два. В случаях, где необходимо реализовывать иные решения, из такой формы записи вырезают и используют только средний участок. В результате сохраняется одношаговость ключа. Однако в таком коде началом числового диапазона не является нуль. Он смещается на заданное значение. В процессе обработки данных от генерируемых импульсов отнимают половину разницы между начальным и редуцированным разрешением.
Представление дробного числа в двоичном ключе с фиксированной запятой
В процессе работы приходится оперировать не только целыми цифрами, но и дробными. Такие числа можно записывать с помощью прямых, обратных и дополнительных кодов. Принцип построения упомянутых ключей такой же, как и у целых. До сих пор мы считали, что двоичная запятая должна находиться справа от младшего разряда. Но это не так. Она может располагаться и слева от старшего разряда (в таком случае в качестве переменной можно записывать исключительно дробные числа), и посередине переменной (можно записывать смешанные значения).
Представление двоичного кода с плавающей запятой
Такая форма применяется для записи либо наоборот - очень малых. В качестве примера можно привести межзвездные расстояния или размеры атомов и электронов. При вычислении таких значений пришлось бы применять двоичный код с очень большой разрядностью. Однако нам нет необходимости учитывать космические расстояние с точностью до миллиметра. Поэтому форма записи с фиксированной запятой в данном случае неэффективна. Для отображения таких кодов используется алгебраическая форма. То есть число записывается как мантисса, умноженная на десять в степени, отображающей нужный порядок числа. Следует знать, что мантисса не должна быть больше единицы, а после запятой не должен записываться ноль.
Считается, что двоичное исчисление было изобретено в начале 18-го века математиком из Германии Готфридом Лейбницем. Однако, как недавно открыли ученые, задолго до полинезийского острова Мангареву использовали данный вид арифметики. Несмотря на то что колонизация практически полностью уничтожила оригинальные системы исчисления, ученые восстановили сложные двоичные и десятичные виды счета. Кроме того, ученый Когнитивист Нуньес утверждает, что кодирование двоичным кодом применялось в древнем Китае еще в 9-м веке до н. э. Другие древние цивилизации, например, индейцы майя, также использовали сложные комбинации десятичных и бинарных систем для отслеживания временных интервалов и астрономических явлений.
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.