Какую таблицу используют для кодировки символов в ibm pc

Что такое кодировки

Компьютеры постоянно работают с текстами: это ленты новостных сайтов, фондовые биржи, сообщения в социальных сетях и мессенджерах, банковские приложения и многое другое. Сегодня мы не можем представить жизнь без передачи информации. Но так было не всегда. Компьютеры научились работать с текстом благодаря появлению кодировок. Кодировки прошли большой путь от таблиц символов, созданных отдельно для каждого компьютера, до единой кодировки, принятой во всём мире.

Сейчас Unicode — это основной стандарт кодирования символов, включающий в себя знаки почти всех письменных языков мира. Unicode применяется везде, где есть текст. Информация на страницах в социальных сетях, записи в базах данных, компьютерные программы и мобильные приложения — всё это работает с использованием Unicode.

В этом гайде мы рассмотрим, как появился Unicode и какие проблемы он решает. Узнаем, как хранилась и передавалась информация до введения единого стандарта кодирования символов, а также рассмотрим примеры кодировок, основанных на Unicode.

Предпосылки появления кодировок

Исторически компьютер создавался как машина для ускорения и автоматизации вычислений. Само слово computer с английского можно перевести как вычислитель, а в 20 веке в СССР, до распространения термина компьютер, использовалась аббревиатура ЭВМ — электронно вычислительная машина.

Всё, чем компьютеры оперировали — числа. Основным заказчиком и драйвером появления первых моделей были оборонные предприятия. На компьютерах проводили расчёты параметров полёта баллистических ракет, самолётов, спутников. В 1950-е годы вычислительные мощности компьютеров стали использовать для:

• прогноза погоды;
• вычислений экспериментальной и теоретической физики;
• расчета заработной платы сотрудников (например, компьютер LEO применялся для нужд компании, владеющей сетью чайных магазинов);
• прогнозирование результатов выборов президента США (1952 год, компьютер UNIVAC).

Компьютеры и числа

Цели, для которых разрабатывались компьютеры, привели к появлению архитектуры, предназначенной для работы с числами. Они хранятся в компьютере следующим образом:

1. Число из десятичной системы счисления переводится в двоичную, т.е. набор нулей и единиц. Например, 3 в двоичной системе счисления можно записать в виде 11, а 9 как 1001. Подробнее о системах счисления читайте в соответствующем гайде.
2. Полученный набор нулей и единиц хранится в ячейках памяти компьютера. Например, наличие тока на элементе памяти означает единицу, его отсутствие — ноль.

В конце 1950-х годов происходит замена ламп накаливания на полупроводниковые элементы (транзисторы и диоды). Внедрение новой технологии позволило уменьшить размеры компьютеров, увеличить скорость работы и надёжность вычислений, а также повлияло на конечную стоимость. Если первые компьютеры были дорогостоящими штучными проектами, которые могли себе позволить только государства или крупные компании, то с применением полупроводников начали появляться серийные компьютеры, пусть даже и не персональные.

Компьютеры и символы

Постепенно компьютеры начинают применяться для решения не только вычислительных или математических задач. Возникает необходимость обработки текстовой информации, но с буквами и другими символами ситуация обстоит сложнее, чем с числами. Символы — это визуальный объект. Даже одна и та же буква «а» может быть представлена двумя различными символами «а» и «А» в зависимости от регистра.

Также число «один» можно представить в виде различных символов. Это может быть арабская цифра 1 или римская цифра I. Значение числа не меняется, но символы используются разные.

Компьютеры создавались для работы с числами, они не могут хранить символы. При вводе информации в компьютер символы преобразуются в числа и хранятся в памяти компьютера как обычные числа, а при выводе информации происходит обратное преобразование из чисел в символы.

Правила преобразования символов и чисел хранились в виде таблицы символов (англ. charset). В соответствии с такой таблицей для каждого компьютера конструировали и своё уникальное устройство ввода/вывода информации (например, клавиатура и принтер).

Распространение компьютеров

В начале 1960-х годов компьютеры были несовместимы друг с другом даже в рамках одной компании-производителя. Например, в компании IBM насчитывалось около 20 конструкторских бюро, и каждое разрабатывало свою собственную модель. Такие компьютеры не были универсальными, они создавались для решения конкретных задач. Для каждой решаемой задачи формировалась необходимая таблица символов, и проектировались устройства ввода/вывода информации.

В этот период начинают формироваться сети, соединяющие в себе несколько компьютеров. Так, в 1958 году создали систему SAGE (Semi-Automatic Ground Environment), объединившую радарные станций США и Канады в первую крупномасштабную компьютерную сеть. При этом, чтобы результаты вычислений одних компьютеров можно было использовать на других компьютерах сети, они должны были обладать одинаковыми таблицами символов.

В 1962 году компания IBM формирует два главных принципа для развития собственной линейки компьютеров:

1. Компьютеры должны стать универсальными. Это означало переход от производства узкоспециализированных компьютеров к машинам, которые могут решать разные задачи.
2. Компьютеры должны стать совместимыми друг с другом, то есть должна быть возможность использовать данные с одного компьютера на другом.

Так в 1965 году появились компьютеры IBM System/360. Это была линейка из шести моделей, состоящих из совместимых модулей. Модели различались по производительности и стоимости, что позволило заказчикам гибко подходить к выбору компьютера. Модульность систем привела к появлению новой отрасли — производству совместимых с System/360 вычислительных модулей. У компаний не было необходимости производить компьютер целиком, они могли выходить на рынок с отдельными совместимыми модулями. Всё это привело к ещё большему распространению компьютеров.

ASCII как первый стандарт кодирования информации

Телетайп и терминал

Параллельно с этим развивались телетайпы. Телетайп — это система передачи текстовой информации на расстоянии. Два принтера и две клавиатуры (на самом деле электромеханические печатные машинки) попарно соединялись друг с другом проводами. Текст, набранный на клавиатуре у первого пользователя, печатается на принтере у второго пользователя и наоборот. Таким образом, например, была организована «горячая линия» между президентом США и руководством СССР вплоть до начала 1970-х годов.

Телетайпы также преобразуют текстовую информацию в некоторые сигналы, которые передаются по проводам. При этом не всегда используется бинарный код, например, в азбуке Морзе используются 3 символа — точка, тире и пауза. Для телетайпов необходимы таблицы символов, соответствие в которых строится между символами и сигналами в проводах. При этом для каждого телетайпа (пары, соединённых телетайпов) таблицы символов могли быть свои, исходя из задач, которые они решали. Отличаться, например, мог язык, а значит и сам набор символов, который отправлялся с помощью устройства. Для оптимизации работы телетайпа самые популярные (часто встречающиеся) символы кодировались наиболее коротким набором сигналов, а значит и в рамках одного языка, набор символов мог быть разным.

На основе телетайпов разработали терминалы доступа к компьютерам. Такой телетайп отправлял сообщения не второму пользователю, а информация вводилась на некоторый удалённый компьютер, который после обработки указанных команд, возвращал результат в виде ответного сообщения. Это нововведение позволило использовать тогда ещё очень дорогие вычислительные мощности компьютеров, не имея физического доступа к самому компьютеру. Например, компьютер мог размещаться в отдельном вычислительном центре корпорации или института, а сотрудники из других филиалов или городов получали доступ к вычислительным мощностями компьютера посредством установленных у них терминалов.

ASCII

Повсеместное распространение компьютеров и средств обмена текстовой информацией потребовало разработки единого стандарта кодирования для передачи и хранения информации. Такой стандарт разработали в США в 1963 году. Таблицу из 128 символов назвали ASCII — American standard code for information interchange (Американский стандарт кодов для обмена информацией).

Первые 32 символа в ASCII являются управляющими. Они использовались для того, чтобы, например, управлять печатающим устройством телетайпа и получать некоторые составные символы. Например:

1. символ Ø можно было получить так: печатаем O, затем с помощью управляющего кода BS (BackSpace) передвигаем печатную головку на один символ назад и печатаем символ /,
2. символ à получался как a BS `
3. символ Ç получался как C BS ,

Введение управляющих символов позволяло получать новые символы как комбинацию существующих, не вводя дополнительные таблицы символов.

Однако введение стандарта ASCII решило вопрос только в англоговорящих странах. В странах с другой письменностью, например, с кириллической в СССР, проблема оставалась.

Переход к Unicode

Развитие интернета, увеличение количества компьютеров и удешевление памяти привели к тому, что проблемы, которые доставляла путаница в кодировках, стали перевешивать некоторую экономию памяти. Особенно ярко это проявлялось в интернете, когда текст написанный на одном компьютере должен был корректно отображаться на многих других устройствах. Это доставляло огромные проблемы как программистам, которые должны были решать какую кодировку использовать, так и конечным пользователям, которые не могли получить доступ к интересующим их текстам.

В результате в октябре 1991 года появилась первая версия одной общей таблицы символов, названной Unicode. Она включала в себя на тот момент 7161 различный символ из 24 письменностей мира.

В Unicode постепенно добавлялись новые языки и символы. Например, в версию 1.0.1 в середине 1992 года добавили более 20 000 идеограмм китайского, японского и корейского языков. В актуальной на текущий момент версии содержится уже более 143 000 символов.

Кодировки на основе Unicode

Unicode можно себе представить как огромную таблицу символов. В памяти компьютера записываются не сами символы, а номера из таблицы. Записывать их можно разными способами. Именно для этого на основе Unicode разработаны несколько кодировок, которые отличаются способом записи номера символа Unicode в виде набора байт. Они называются UTF — Unicode Transformation Format. Есть кодировки постоянной длины, например, UTF-32, в которой номер любого символа из таблицы Unicode занимает ровно 4 байта. Однако наибольшую популярность получила UTF-8 — кодировка с переменным числом байт. Она позволяет кодировать символы так, что наиболее распространённые символы занимают 1-2 байта, и только редко встречающиеся символы могут использовать по 4 байта. Например, все символы таблицы ASCII занимают ровно по одному байту, поэтому текст, написанный на английском языке с использованием кодировки UTF-8, будет занимать столько же места, как и текст, написанный с использованием таблицы символов ASCII.

На сегодняшний день Unicode является основной кодировкой, которую используют в работе все, кто связан с компьютерами и текстами. Unicode позволяет использовать сотни тысяч различных символов и отображать их одинаково на всех устройствах от мобильных телефонов до компьютеров на космических станциях.

Резюме

• Кодировка — это соответствие между визуальными символами и числами.
• Кодировки необходимы, так как компьютеры созданы для работы с числами и не понимают текст.
• До 1990-х годов не существовало единой кодировки, это приводило к тому, что текст, написанный в одной кодировке, становится совершенно нечитаемым на других.
• Unicode — единый стандарт кодирования символов. Развитие интернета и необходимость обмена большим количеством текстовой информации приводило к тому, что сейчас все пользуются этим стандартом.
• UTF-8, UTF-16, UTF-32 и т.п. — это варианты кодировок, основанные на Unicode. Отличаются они тем, что по-разному хранят информацию.
• UTF-8 — самая популярная кодировка. Особенность её в том, что самые популярные символы кодируются 1-2 байтами, а редко встречающиеся занимают 3-4 байта. Это приводит к существенной экономии памяти, например, при работе с английским текстом.

ASCII – путеводитель для новичков

Для того, чтобы грамотно использовать ASCII , необходимо расширить знания в данной сфере и о возможностях кодирования.

Что это такое?

ASCII представляет собой кодировочную таблицу печатных символов (см. скриншот №1), набираемых на компьютерной клавиатуре, для передачи информации и некоторых кодов. Иными словами происходит кодирование алфавита и десятичных цифр в соответствующие символы, представляющие и несущие в себе необходимую информацию.

Кодировка ASCII была разработана в Америке, поэтому стандартная кодировочная таблица обычно включает в себя английский алфавит с цифрами, что в общей сложности составляет около 128 символов. Но тогда возникает справедливый вопрос: что делать, если необходима кодировка национального алфавита?

Для решения подобных вопросов были разработаны другие версии таблицы ASCII . Например, для языков с иноязычной структурой были или убраны буквы английского алфавита, или к ним добавлялись дополнительные символы в виде национального алфавита. Так, в кодировке ASCII могут присутствовать русские буквы для национального использования (см. скриншот №2).

Где применяется система кодировки ASCII?

Данная кодировочная система необходима не только для набора текстовой информации на клавиатуре. Она также используется в графике. Например, в программе ASCII Art Maker графические изображения различных расширений состоят из спектра символов кодировки ASCII (см. скриншот №3).

Как правило, подобные программы можно разделить на те, что выполняют функцию графических редакторов, инвертируя изображение в текст, и на те, что конвертируют изображение в ASCII -графику. Всем известный смайлик (или как его еще называют « улыбающееся человеческое лицо ») тоже является примером кодировочного символа.

Данный метод кодировки также может быть востребован во время написания или создания документа HTML. Например, вы вводите определённый и необходимый вам набор знаков, а при просмотре самой страницы на экран будет выведен символ, соответствующий данному коду.

Кроме всего прочего данный вид кодировки необходим при создании многоязычного сайта, потому что знаки, которые не входят в ту или иную национальную таблицу, нужно будет заменить ASCII кодами. Если читатель непосредственно связан с информационно-коммуникативными технологиями (ИКТ), то ему будет полезно ознакомиться и с такими системами как:

1. Переносимый набор символов;
2. Управляющие символы;
3. EBCDIC;
4. VISCII;
5. YUSCII;
6. Юникод;
7. ASCII art;
8. КОИ-8.

Свойства таблицы ASCII

Как и любая систематизированная программа, ASCII обладает своими характерными свойствами. Так, например, десятеричная система исчисления (цифры от 0 до 9) преобразуется в двоичную систему исчисления (т.е. каждая десятеричная цифра преобразуется в двоичную 288=1001000 соответственно).

Буквы, располагающиеся в верхних и нижних колонках, отличаются друг от друга лишь битом, что существенно снижает уровень сложности проверки и редактирование регистра.

При всех этих свойствах кодировка ASCII работает как восьми битная, хотя изначально предусматривалась как семи битная.

Применение ASCII в программах Microsoft Office:

В случае необходимости данный вариант кодирования информации может быть использован в Microsoft Notepad и Microsoft Office Word. В рамках этих приложений документ может быть сохранен в формате ASCII , но в этом случае при наборе текста невозможно будет использование некоторых функций.

В частности, будет недоступно выделение жирным и полужирным шрифтом, потому что кодирование сохраняет лишь смысл набранной информации, а не общий вид и форму. Добавить такие коды в документ вы можете с помощью следующих программных приложений:

• Microsoft Excel;
• Microsoft FrontPage;
• Microsoft InfoPath;
• Microsoft OneNote;
• Microsoft Outlook;
• Microsoft PowerPoint;
• Microsoft Project.

При этом стоит учитывать, что набирая код ASCII в этих приложениях необходимо удерживать нажатой клавиатурную клавишу ALT.

Конечно, все необходимые коды требует более длительного и обстоятельного изучения, но это выходит за пределы нашей сегодняшней статьи. Надеюсь, что она оказалась для Вас действительно полезной.

UTF-8 vs UTF-16. Несколько советов программистам

С появлением первых устройств цифровой передачи информации и электронно-вычислительных машин возникла задача кодирования текстовых символов с помощью последовательностей единиц и нулей. Минимальная единица представления информации – байт. Исходя их этого в 1963 году в США разработана, стандартизована, а впоследствии расширена кодовая таблица ASCII (American standard code for information interchange), использовавшая 8 битную кодировку. В первую очередь с помощью этой таблицы предполагалось кодирование цифр и букв английского языка. Первые 128 символов таблицы представлены на рис.1:

Номер ячейки в таблице (рис.1) является кодом символа. В качестве примера рассмотрим кодирование слова Hello. Номера ячеек таблицы ASCII, в которых размещены буквы: 72 (H), 101 (e), 108 (l), 111 (o). Код слова в бинарном представлении выглядит следующим образом:

00010010 (H) 10100110 (e) 00110110 (l) 00110110 (l) 11110110 (o) (старший бит справа).

Выделенные подчеркиванием и жирным коды в двоичном представлении соответствуют номерам ячеек в таблице (рис.1). Алгоритм формирования кода следующий:

1. Выделены жирным – биты управления кодированием (префикс). 010 – кодируется заглавная буква алфавита, 011 – строчная.

2. Выделены подчеркиванием – порядковые номера букв в английском алфавите.

Таким образом, с помощью первых 128 ячеек таблицы ASCII могли быть закодированы основные символы, цифры и буквы английского языка. Остальные 128 ячеек (8 битная кодировка позволяет закодировать 256 символов) могли использоваться для кодирования других языков. Однако, учитывая разнообразие символов и языков, 8 бит недостаточно.

Стандарт Юникод

Консорциум Unicode (Юникод) – некоммерческая организация, главной задачей которой являлась разработка стандарта кодирования (стандарт Юникод) с поддержкой наибольшего числа языков и символов служебного характера. Принцип кодирования на основе таблицы сохранился, а таблица (таблица Юникод) была значительно расширена.

Стандарт Юникод предоставляет пользователям таблицу Юникод и способы кодирования символов.

Символы таблицы Юникод являются элементами «универсального набора символов» UCS (Universal Coded Character Set), определенного международным стандартом ISO/IEC 10646. Таблица Юникод каждому символу UCS сопоставляет кодовую точку, которая является номером ячейки таблицы, содержащей символ.

Способы кодирования символов таблицы Юникод, т.е. преобразования номеров ячеек таблицы Юникод в бинарные коды, составляют кодовое пространство, состоящее из трех кодов семейства UTF (Unicode Transformation Format): UTF-8, UTF-16 и UTF-32

UTF-8 – стандарт кодирования, преобразующий номера ячеек таблицы Юникод в бинарные коды с использованием переменного количества бит: 8, 16, 24 или 32.

UTF-16 – стандарт кодирования, преобразующий номера ячеек таблицы Юникод в бинарные коды с использованием переменного количества бит:16 или 32.

Коды UTF-8 и UTF-16 используют разные алгоритмы кодирования набора символов UCS.

Стандарт кодирования UTF-8

Стандарт закреплен в RFC (Request For Comments) 3629. Алгоритм кодирования согласно RFC:

0xxxxxxx

110xxxxx 10xxxxxx

1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

11110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

Старший бит слева. Началом кода является управляющий символ (выделен жирным):

0 – используется 8-битная кодировка,

110 – используется 16-битная кодировка,

1110 – используется 24-битная кодировка,

11110 – используется 32 битная кодировка.

В начале каждого последующего байта – биты 10 – управляющий символ (выделен подчеркиванием), означающий продолжение кодирования.

Первые 128 ячеек таблицы Юникод повторяют таблицу ASCII. Для кодирования заглавных и строчных букв русского алфавита используются ячейки с номерами 1040-1103.

Рассмотрим пример кодирования фразы «Папа Hello».

Код в бинарном виде (старший бит справа):

00001011 11111001 (П) 00001011 00001101 (а) 00001011 11111101 (п) 00001011 00001101 (а) 00000100 (пробел) 00010010 (H) 10100110 (e) 00110110 (l) 00110110 (l) 11110110 (o).

Букве П русского алфавита согласно таблицы Юникод соответствует номер 1055, в бинарном представлении 10000011111 – 11 бит. Соответственно данный символ может быть закодирован двумя байтами с использованием префикса 110 – для первого байта и 10 – для второго байта. Английские буквы слова Hello кодируются 1 байтом, а коды совпадают с кодами в таблице ASCII.

Основными преимуществами способа кодирования UTF-8 являются многообразие символов, которые могут быть закодированы, а также возможность кодирования переменным количеством бит, что позволяет сэкономить количество информации, передаваемое в канале связи.

Стандарт кодирования UTF-16

В феврале 2000 года опубликован документ RFC 2781, в котором закреплен стандарт UTF-16, позволяющий кодировать символы таблицы Юникод с помощью 16 или 32 битных значений. Символы с номерами 0-55295 и 57344-65535 кодируются с помощью 16 бит без изменений (без использования префиксов), а остальные символы, номера которых в двоичном представлении формируются количеством бит больше 16, кодируются 32 битами с использованием специального алгоритма. Рассмотрим пример кодирования фразы «Папа Hello».

Код в бинарном виде (старший бит справа):

11111000 00100000 (П) 00001100 001000000 (а) 11111100 00100000 (п) 00001100 001000000 (а) 00000100 00000000 (пробел) 00010010 00000000 (H) 10100110 00000000 (e) 00110110 00000000 (l) 00110110 00000000 (l) 111110110 00000000 (o).

Номера букв русского и английского алфавитов таблицы Юникод передаются без изменений при помощи 16 бит, старшие незначащие биты принимают нулевое значение.

Рассмотрим подробнее алгоритм кодирования символов, номера которых превышают значение 65535. Для примера в качестве символа используем букву древнетюркского алфавита, представленную на рис.2:

Номер предложенного символа в таблице Юникод – 68620 (0х10COC).

Алгоритм преобразования номера символа в код UTF-16 состоит из нескольких шагов:

1. Из значения номера символа вычесть число 0х10000. Данная операция позволяет привести размерность бинарного представления номера символа к 20 битам. Для предложенного символа получим: 0х10COC – 0x10000 = 0xC0C.
2. Для полученного значения выделить старшие 10 бит и младшие 10 бит. В примере число 0хС0С в бинарном виде представляется, как 00000000110000001100, где жирным выделены 10 старших бит, а подчеркиванием – 10 младших.
3. К шестнадцатеричному значению 0xD800 (11011000 00000000) прибавить значение 0х03 (00000000 00000011), сформированное 10 старшими битами, полученными на предыдущем шаге. 0xD800 + 0х03 = 0хD803 (11011000 00000011) – 16 старших бит кодового слова UTF-16.
4. К шестнадцатеричному значению 0xDC00 (11011000 00000000) прибавить значение 0х0C (00000000 00001100), сформированное 10 младшими битами, полученными на шаге №2. 0xDС00 + 0х0С = DС0С (11011100 00001100) – 16 младших бит кодового слова UTF-16.
5. Кодовое слово UTF-16, соответствующее символу в примере, формируется из бит, полученных на шагах 3 и 4: 0хD803DC0C (11011000 00000011 11011100 00001100).

Сравнение стандартов UTF-8 и UTF-16 с точки зрения объема машинной памяти, используемой кодом для представления символов

Результаты сравнения стандартов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты сравнения стандартов.

В ячейках таблицы 1 содержится количество бит, требуемое для кодирования одного символа из таблицы Юникод. Видно, что для диапазонов номеров ячеек 128-2047, 65535-1048575 стандарты UTF-8 и UTF-16 используют одинаковое количество бит. Для диапазона 0-127 выгодно использование стандарта UTF-8, например, в случае, если программисту поручили реализовать кодер букв английского алфавита. Для диапазонов 2048-32767 и 32768-65535 выгодно использование стандарта UTF-16, например, в случае, если программисту поручили реализовать кодер иероглифов Бопомофо (занимают в таблице Юникод диапазон ячеек 12549-12589). Кодирование символов таблицы Юникод, расположенных в ячейках, номера которых начинаются от 1048575 возможно только с использованием кодировки UTF-16.

В предыдущих главах приведены примеры кодирования фразы «Папа Hello» стандартами UTF-8 и UTF-16. Кодировкой UTF-8 используются 14 байт, кодировкой UTF-16 20 байт, что связано с избыточностью кодирования англоязычных символов во втором случае из-за использования дополнительного байта 0х00. Можно сделать вывод, что для кодирования текста содержащего набор букв русского и английского алфавитов, предпочтительно использование кодировки UTF-8.

Вывод: в зависимости от языка алфавита может быть выбрана как кодировка UTF-8, так и кодировка UTF-16. Для английского алфавита однозначно более выгодно использование кодировки UTF-8, для русского алфавита буквы представляются одинаковым количеством бит при использовании как одной, так и другой кодировки.

Несколько советов программистам

Допустим, программист решил реализовать текстовый редактор, поддерживающий алфавит языка Бопомофо. Символы данного языка располагаются в таблице Юникод в диапазоне 12549-12589 и, следовательно, программисту необходимо выбрать стандарт UTF-16 для кодирования. Предположим, что для ввода символов решено использовать программную клавиатуру, состоящую из кнопок, каждая из которых соответствует букве алфавита языка. Кнопки – объекты класса button. Нажатие пользователем на какую-либо из кнопок порождает событие, в результате которого приложению становится известен номер ячейки таблицы Юникод. Программисту рекомендуется:

1.Хранить в памяти приложения символы таблицы Юникод и номера ячеек, соответствующие только языкам, поддержка которых планируется в текстовом редакторе. Это уменьшит объем памяти, занимаемой приложением, а также повысит скорость его работы, сузив область поиска номера ячейки.

2. При реализации приложения заранее выполнить преобразование всех номеров ячеек в их бинарные коды. Результат преобразования сохранить в файле, в формализованном виде. При загрузке приложения выполнить считывание в память номеров ячеек и их бинарных кодов UTF-16. Это позволит снизить вычислительную нагрузку приложения в ходе его работы.

3. Для хранения номеров ячеек и их бинарных кодов использовать объект класса, позволяющего осуществить это в виде ключ-значение, где ключ – номер ячейки, а значение – бинарный код. Классы, реализующие в языках программирования данный функционал, организуют работу таким образом, чтобы минимизировать время поиска ключа, используя сортировку ключей или хеширование.

Отметим проблему кодирования составных символов, которая является важным техническим аспектом. Например, символ ü может быть интерпретирован, как самостоятельный символ, которому соответствует номер ячейки 252 или может быть скомпонован из двух символов: u, которому соответствует номер ячейки 117 и символа ¨, которому соответствует номер ячейки 776. Программист должен строго придерживаться одного из вариантов представления таких символов иначе побайтовое сравнение строк будет невозможно. Рекомендуется использование второго варианта, который может облегчить поиск составных символов в тексте. Например, если пользователь осуществляет поиск символа u, то ему может быть выведен в качестве результата, как составной символ ü, так и самостоятельный u.

Представление символов, таблицы кодировок

В вычислительных машинах символы не могут храниться иначе, как в виде последовательностей бит (как и числа). Для передачи символа и его корректного отображения ему должна соответствовать уникальная последовательность нулей и единиц. Для этого были разработаны таблицы кодировок.

Количество символов, которые можно задать последовательностью бит длины [math]n[/math] , задается простой формулой [math]C(n) = 2^n[/math] . Таким образом, от нужного количества символов напрямую зависит количество используемой памяти.

Таблицы кодировок

На заре компьютерной эры на каждый символ было отведено по пять бит. Это было связано с малым количеством оперативной памяти на компьютерах тех лет. В эти [math]32[/math] символа входили только управляющие символы и строчные буквы английского алфавита.

С ростом производительности компьютеров стали появляться таблицы кодировок с большим количеством символов. Первой семибитной кодировкой стала ASCII7. В нее уже вошли прописные буквы английского алфавита, арабские цифры, знаки препинания. Затем на ее базе была разработана ASCII8, в которым уже стало возможным хранение [math]256[/math] символов: [math]128[/math] основных и еще столько же расширенных. Первая часть таблицы осталась без изменений, а вторая может иметь различные варианты (каждый имеет свой номер). Эта часть таблицы стала заполняться символами национальных алфавитов.

Но для многих языков (например, арабского, японского, китайского) [math]256[/math] символов недостаточно, поэтому развитие кодировок продолжалось, что привело к появлению UNICODE.

Кодировки стандарта ASCII

Определение:

ASCII — таблицы кодировок, в которых содержатся основные символы (английский алфавит, цифры, знаки препинания, символы национальных алфавитов(свои для каждого региона), служебные символы) и длина кода каждого символа [math]n = 8[/math] бит.

• ASCII7 — первая кодировка, пригодная для работы с текстом. Помимо маленьких букв английского алфавита и служебных символов, содержит большие буквы английского языка, цифры, знаки препинания и другие символы.

Кодировки стандарта ASCII ( [math]8[/math] бит):

• ASCII — первая кодировка, в которой стало возможно использовать символы национальных алфавитов.
• КОИ8-R — первая русская кодировка. Символы кириллицы расположены не в алфавитном порядке. Их разместили в верхнюю половину таблицы так, чтобы позиции кириллических символов соответствовали их фонетическим аналогам в английском алфавите. Это значит, что даже при потере старшего бита каждого символа, например, при проходе через устаревший семибитный модем, текст остается «читаемым».
• CP866 — русская кодировка, использовавшаяся на компьютерах IBM в системе DOS.
• Windows-1251 — русская кодировка, использовавшаяся в русскоязычных версиях операционной системы Windows в начале 90-х годов. Кириллические символы идут в алфавитном порядке. Содержит все символы, встречающиеся в типографике обычного текста (кроме знака ударения).

Структурные свойства таблицы

Кодировки стандарта UNICODE

Юникод или Уникод (англ. Unicode) — это промышленный стандарт обеспечивающий цифровое представление символов всех письменностей мира, и специальных символов.

Стандарт предложен в 1991 году некоммерческой организацией «Консорциум Юникода» (англ. Unicode Consortium, Unicode Inc.). Применение этого стандарта позволяет закодировать очень большое число символов из разных письменностей. Стандарт состоит из двух основных разделов: универсальный набор символов (англ. UCS, universal character set) и семейство кодировок (англ. UTF, Unicode transformation format). Универсальный набор символов задаёт однозначное соответствие символов кодам — элементам кодового пространства, представляющим неотрицательные целые числа.Семейство кодировок определяет машинное представление последовательности кодов UCS.

Коды в стандарте Unicode разделены на несколько областей. Область с кодами от U+0000 до U+007F содержит символы набора ASCII с соответствующими кодами. Далее расположены области знаков различных письменностей, знаки пунктуации и технические символы. Под символы кириллицы выделены области знаков с кодами от U+0400 до U+052F, от U+2DE0 до U+2DFF, от U+A640 до U+A69F. Часть кодов зарезервирована для использования в будущем.

Кодовое пространство

Хотя формы записи UTF-8 и UTF-32 позволяют кодировать до [math]2^[/math] [math](2\ 147\ 483\ 648)[/math] кодовых позиций, было принято решение использовать лишь [math]1\ 112\ 064[/math] для совместимости с UTF-16. Впрочем, даже и этого на текущий момент более чем достаточно — в версии 6.0 используется чуть менее [math]110\ 000[/math] кодовых позиций ( [math]109\ 242[/math] графических и [math]273[/math] прочих символов).

Кодовое пространство разбито на [math]17[/math] плоскостей (англ. planes) по [math]2^[/math] [math](65\ 536)[/math] символов. Нулевая плоскость называется базовой, в ней расположены символы наиболее употребительных письменностей. Первая плоскость используется, в основном, для исторических письменностей, вторая — для для редко используемых иероглифов китайского письма, третья зарезервирована для архаичных китайских иероглифов. Плоскости [math]15[/math] и [math]16[/math] выделены для частного употребления.

Для обозначения символов Unicode используется запись вида «U+xxxx» (для кодов [math]0000_..FFFF_[/math] ) или «U+xxxxx» (для кодов [math]10000_..FFFFF_[/math] ) или «U+xxxxxx» (для кодов [math]100000_..10FFFF_[/math] ), где xxx — шестнадцатеричные цифры. Например, символ «я» (U+044F) имеет код [math]044F_ = 1103_[/math] .

Плоскости Юникода
Плоскость	Название	Диапазон символов
Plane 0	Basic multilingual plane (BMP)	U+0000…U+​FFFF
Plane 1	Supplementary multilingual plane (SMP)	U+10000…U+​1FFFF
Plane 2	Supplementary ideographic plane (SIP)	U+20000…U+​2FFFF
Planes 3-13	Unassigned	U+30000…U+​DFFFF
Plane 14	Supplement­ary special-purpose plane (SSP)	U+E0000…U+​EFFFF
Planes 15-16	Supplement­ary private use area (S PUA A/B)	U+F0000…U+​10FFFF

Модифицирующие символы

Графические символы в Юникоде делятся на протяжённые и непротяжённые. Непротяжённые символы при отображении не занимают дополнительного места в строке. К примеру, к ним относятся знак ударения. Протяжённые и непротяжённые символы имеют собственные коды, но последние не могут встречаться самостоятельно. Протяжённые символы называются базовыми (англ. base characters), а непротяженные — модифицирующими (англ. combining characters). Например символ «Й» (U+0419) может быть представлен в виде базового символа «И» (U+0418) и модифицирующего символа « ̆» (U+0306).

Способы представления

Юникод имеет несколько форм представления (англ. Unicode Transformation Format, UTF): UTF-8, UTF-16 (UTF-16BE, UTF-16LE) и UTF-32 (UTF-32BE, UTF-32LE). Была разработана также форма представления UTF-7 для передачи по семибитным каналам, но из-за несовместимости с ASCII она не получила распространения и не включена в стандарт.

UTF-8

UTF-8 — представление Юникода, обеспечивающее наилучшую совместимость со старыми системами, использовавшими [math]8[/math] -битные символы. Текст, состоящий только из символов с номером меньше [math]128[/math] , при записи в UTF-8 превращается в обычный текст ASCII. И наоборот, в тексте UTF-8 любой байт со значением меньше [math]128[/math] изображает символ ASCII с тем же кодом. Остальные символы Юникода изображаются последовательностями длиной от двух до шести байт (на деле, только до четырех байт, поскольку в Юникоде нет символов с кодом больше [math]10FFFF_[/math] , и вводить их в будущем не планируется), в которых первый байт всегда имеет вид [math]11xxxxxx[/math] , а остальные — [math]10xxxxxx[/math] .

Символы UTF-8 получаются из Unicode cледующим образом:

Unicode	UTF-8	Представленные символы
0x00000000 — 0x0000007F	0xxxxxxx	ASCII, в том числе английский алфавит, простейшие знаки препинания и арабские цифры
0x00000080 — 0x000007FF	110xxxxx 10xxxxxx	кириллица, расширенная латиница, арабский алфавит, армянский алфавит, греческий алфавит, еврейский алфавит и коптский алфавит; сирийское письмо, тана, нко; Международный фонетический алфавит; некоторые знаки препинания
0x00000800 — 0x0000FFFF	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx	все другие современные формы письменности, в том числе грузинский алфавит, индийское, китайское, корейское и японское письмо; сложные знаки препинания; математические и другие специальные символы
0x00010000 — 0x001FFFFF	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx	музыкальные символы, редкие китайские иероглифы, вымершие формы письменности
111111xx	служебные символы c, d, e, f

Несмотря на то, что UTF-8 позволяет указать один и тот же символ несколькими способами, только наиболее короткий из них правильный. Остальные формы, называемые overlong sequence, отвергаются по соображениям безопасности.

Принцип кодирования

Правила записи кода одного символа в UTF-8

1. Если размер символа в кодировке UTF-8 = [math]1[/math] байт

Код имеет вид (0aaa aaaa), где «0» — просто ноль, остальные биты «a» — это код символа в кодировке ASCII;

2. Если размер символа в кодировке в UTF-8 [math]\gt 1[/math] байт (то есть от [math]2[/math] до [math]6[/math] ):

2.1 Первый байт содержит количество байт символа, закодированное в единичной системе счисления;

2 — 11 3 — 111 4 — 1111 5 — 1111 1 6 — 1111 11

2.2 «0» — бит терминатор, означающий завершение кода размера 2.3 далее идут значащие байты кода, которые имеют вид (10xx xxxx), где «10» — биты признака продолжения, а «x» — значащие биты.

В общем случае варианты представления одного символа в кодировке UTF-8 выглядят так:

(1 байт) 0aaa aaaa (2 байта) 110x xxxx 10xx xxxx (3 байта) 1110 xxxx 10xx xxxx 10xx xxxx (4 байта) 1111 0xxx 10xx xxxx 10xx xxxx 10xx xxxx (5 байт) 1111 10xx 10xx xxxx 10xx xxxx 10xx xxxx 10xx xxxx (6 байт) 1111 110x 10xx xxxx 10xx xxxx 10xx xxxx 10xx xxxx 10xx xxxx

Определение длины кода в UTF-8

Количество байт UTF-8	Количество значащих бит
[math]1[/math]	[math]7[/math]
[math]2[/math]	[math]11[/math]
[math]3[/math]	[math]16[/math]
[math]4[/math]	[math]21[/math]
[math]5[/math]	[math]26[/math]
[math]6[/math]	[math]31[/math]

В общем случае количество значащих бит [math]C[/math] , кодируемых [math]n[/math] байтами UTF-8, определяется по формуле:

[math]C = 7[/math] при [math]n=1[/math]

[math]C = n\cdot5+1[/math] при [math]n\gt 1[/math]

UTF-16

UTF-16 — один из способов кодирования символов (англ. code point) из Unicode в виде последовательности [math]16[/math] -битных слов (англ. code unit). Данная кодировка позволяет записывать символы Юникода в диапазонах U+0000..U+D7FF и U+E000..U+10FFFF (общим количеством [math]1\ 112\ 064[/math] ), причем [math]2[/math] -байтные символы представляются как есть, а более длинные — с помощью суррогатных пар (англ. surrogate pair), для которых и вырезан диапазон [math]D800_..DFFF_[/math] .

В UTF-16 символы кодируются двухбайтовыми словами с использованием всех возможных диапазонов значений (от [math]0000_[/math] до [math]FFFF_[/math] ). При этом можно кодировать символы Unicode в диапазонах [math]0000_..D7FF_[/math] и [math]E000_..10FFFF_[/math] . Исключенный отсюда диапазон [math]D800_..DFFF_[/math] используется как раз для кодирования так называемых суррогатных пар — символов, которые кодируются двумя [math]16[/math] -битными словами. Символы Unicode до [math]FFFF_[/math] включительно (исключая диапазон для суррогатов) записываются как есть [math]16[/math] -битным словом. Символы же в диапазоне [math]10000_..10FFFF_[/math] (больше [math]16[/math] бит) уже кодируются парой [math]16[/math] -битных слов. Для этого их код арифметически сдвигается до нуля (из него вычитается минимальное число [math]10000_[/math] ). В результате получится значение от нуля до [math]FFFFF_[/math] , которое занимает до [math]20[/math] бит. Старшие [math]10[/math] бит этого значения идут в лидирующее (первое) слово, а младшие [math]10[/math] бит — в последующее (второе). При этом в обоих словах старшие [math]6[/math] бит используются для обозначения суррогата. Биты с [math]11[/math] по [math]15[/math] имеют значения [math]11011_2[/math] , а [math]10[/math] -й бит содержит [math]0[/math] у лидирующего слова и [math]1[/math] — у последующего. В связи с этим можно легко определить к чему относится каждое слово.

UTF-16LE и UTF-16BE

Один символ кодировки UTF-16 представлен последовательностью двух байт или двух пар байт. Который из двух байт в словах идёт впереди, старший или младший, зависит от порядка байт. Подробнее об этом будет сказано ниже.

UTF-32

UTF-32 — один из способов кодирования символов из Юникод, использующий для кодирования любого символа ровно [math]32[/math] бита. Остальные кодировки, UTF-8 и UTF-16, используют для представления символов переменное число байт. Символ UTF-32 является прямым представлением его кодовой позиции (англ. code point).

Главное преимущество UTF-32 перед кодировками переменной длины заключается в том, что символы Юникод непосредственно индексируемы. Получение [math]n[/math] -ой кодовой позиции является операцией, занимающей одинаковое время. Напротив, коды с переменной длиной требует последовательного доступа к [math]n[/math] -ой кодовой позиции. Это делает замену символов в строках UTF-32 простой, для этого используется целое число в качестве индекса, как обычно делается для строк ASCII.

Главный недостаток UTF-32 — это неэффективное использование пространства, так как для хранения символа используется четыре байта. Символы, лежащие за пределами нулевой (базовой) плоскости кодового пространства редко используются в большинстве текстов. Поэтому удвоение, в сравнении с UTF-16, занимаемого строками в UTF-32 пространства не оправдано.

Хотя использование неменяющегося числа байт на символ удобно, но не настолько, как кажется. Операция усечения строк реализуется легче в сравнении с UTF-8 и UTF-16. Но это не делает более быстрым нахождение конкретного смещения в строке, так как смещение может вычисляться и для кодировок фиксированного размера. Это не облегчает вычисление отображаемой ширины строки, за исключением ограниченного числа случаев, так как даже символ «фиксированной ширины» может быть получен комбинированием обычного символа с модифицирующим, который не имеет ширины. Например, буква «й» может быть получена из буквы «и» и диакритического знака «крючок над буквой». Сочетание таких знаков означает, что текстовые редакторы не могут рассматривать [math]32[/math] -битный код как единицу редактирования. Редакторы, которые ограничиваются работой с языками с письмом слева направо и составными символами (англ. Precomposed character), могут использовать символы фиксированного размера. Но такие редакторы вряд ли поддержат символы, лежащие за пределами нулевой (базовой) плоскости кодового пространства и вряд ли смогут работать одинаково хорошо с символами UTF-16.

Порядок байт

В современной вычислительной технике и цифровых системах связи информация обычно представлена в виде последовательности байт. В том случае, если число не может быть представлено одним байтом, имеет значение в каком порядке байты записываются в памяти компьютера или передаются по линиям связи. Часто выбор порядка записи байт произволен и определяется только соглашениями.

В общем случае, для представления числа [math]M[/math] , большего [math]255[/math] (здесь [math]255=2^8-1[/math] — максимальное целое число, записываемое одним байтом), приходится использовать несколько байт. При этом число [math]M[/math] записывается в позиционной системе счисления по основанию [math]256[/math] :

[math]M = \sum_^A_i\cdot 256^i=A_0\cdot 256^0+A_1\cdot 256^1+A_2\cdot 256^2+\dots+A_n\cdot 256^n.[/math]

Набор целых чисел [math]A_0,\dots,A_n[/math] , каждое из которых лежит в интервале от [math]0[/math] до [math]255[/math] , является последовательностью байт, составляющих [math]M[/math] . При этом [math]A_0[/math] называется младшим байтом, а [math]A_n[/math] — старшим байтом числа [math]M[/math] .

Варианты записи

Порядок от старшего к младшему

Порядок от старшего к младшему (англ. big-endian): [math]A_n,\dots,A_0[/math] , запись начинается со старшего и заканчивается младшим. Этот порядок является стандартным для протоколов TCP/IP, он используется в заголовках пакетов данных и во многих протоколах более высокого уровня, разработанных для использования поверх TCP/IP. Поэтому, порядок байт от старшего к младшему часто называют сетевым порядком байт (англ. network byte order). Этот порядок байт используется процессорами IBM 360/370/390, Motorola 68000, SPARC (отсюда третье название — порядок байт Motorola, Motorola byte order).

В этом же виде (используя представление в десятичной системе счисления) записываются числа индийско-арабскими цифрами в письменностях с порядком знаков слева направо (латиница, кириллица). Для письменностей с обратным порядком (арабская) та же запись числа воспринимается как «от младшего к старшему».

Порядок байт от старшего к младшему применяется во многих форматах файлов — например, PNG, FLV, EBML.

Порядок от младшего к старшему

Порядок от младшего к старшему (англ. little-endian): [math]A_0,\dots,A_n[/math] , запись начинается с младшего и заканчивается старшим. Этот порядок записи принят в памяти персональных компьютеров с x86-процессорами, в связи с чем иногда его называют интеловский порядок байт (по названию фирмы-создателя архитектуры x86).

В противоположность порядку big-endian, соглашение little-endian поддерживают меньше кросс-платформенных протоколов и форматов данных; существенные исключения: USB, конфигурация PCI, таблица разделов GUID, рекомендации FidoNet.

Переключаемый порядок

Многие процессоры могут работать и в порядке от младшего к старшему, и в обратном, например, ARM, PowerPC (но не PowerPC 970), DEC Alpha, MIPS, PA-RISC и IA-64. Обычно порядок байт выбирается программно во время инициализации операционной системы, но может быть выбран и аппаратно перемычками на материнской плате. В этом случае правильнее говорить о порядке байт операционной системы. Переключаемый порядок байт иногда называют англ. bi-endian.

Смешанный порядок

Смешанный порядок байт (англ. middle-endian) иногда используется при работе с числами, длина которых превышает машинное слово. Число представляется последовательностью машинных слов, которые записываются в формате, естественном для данной архитектуры, но сами слова следуют в обратном порядке.

Классический пример middle-endian — представление [math]4[/math] -байтных целых чисел на [math]16[/math] -битных процессорах семейства PDP-11 (известен как PDP-endian). Для представления двухбайтных значений (слов) использовался порядок little-endian, но [math]4[/math] -хбайтное двойное слово записывалось от старшего слова к младшему.

В процессорах VAX и ARM используется смешанное представление для длинных вещественных чисел.

Различия

Существенным достоинством little-endian по сравнению с big-endian порядком записи считается возможность «неявной типизации» целых чисел при чтении меньшего объёма байт (при условии, что читаемое число помещается в диапазон). Так, если в ячейке памяти содержится число [math]00000022_[/math] , то прочитав его как int16 (два байта) мы получим число [math]0022_[/math] , прочитав один байт — число [math]22_[/math] . Однако, это же может считаться и недостатком, потому что провоцирует ошибки потери данных.

Обратно, считается что у little-endian, по сравнению с big-endian есть «неочевидность» значения байт памяти при отладке (последовательность байт (A1, B2, C3, D4) на самом деле значит [math]D4C3B2A1_[/math] , для big-endian эта последовательность (A1, B2, C3, D4) читалась бы «естественным» для арабской записи чисел образом: [math]A1B2C3D4_[/math] ). Наименее удобным в работе считается middle-endian формат записи; он сохранился только на старых платформах.

Для записи длинных чисел (чисел, длина которых существенно превышает разрядность машины) обычно предпочтительнее порядок слов в числе little-endian (поскольку арифметические операции над длинными числами производятся от младших разрядов к старшим). Порядок байт в слове — обычный для данной архитектуры.

Маркер последовательности байт

Для определения формата представления Юникода в начало текстового файла записывается сигнатура — символ U+FEFF (неразрывный пробел с нулевой шириной), также именуемый маркером последовательности байт (англ. byte order mark (BOM)). Это позволяет различать UTF-16LE и UTF-16BE, поскольку символа U+FFFE не существует.

Представление BOM в кодировках

Кодирование	Представление (Шестнадцатеричное)
UTF-8	EF BB BF
UTF-16 (BE)	FE FF
UTF-16 (LE)	FF FE
UTF-32 (BE)	00 00 FE FF
UTF-32 (LE)	FF FE 00 00

В кодировке UTF-8, наличие BOM не является существенным, поскольку, нет альтернативной последовательности байт. Когда BOM используется на страницах или редакторах для контента закодированного в UTF-8, иногда он может представить пробелы или короткие последовательности символов, имеющие странный вид (такие как ). Именно поэтому, при наличии выбора, для совместимости, как правило, лучше упустить BOM в UTF-8 контенте.Однако BOM могут еще встречаться в тексте закодированном в UTF-8, как побочный продукт перекодирования или потому, что он был добавлен редактором. В этом случае BOM часто называют подписью UTF-8.

Когда символ закодирован в UTF-16, его [math]2[/math] или [math]4[/math] байта можно упорядочить двумя разными способами (little-endian или big-endian). Изображение справа показывает это. Byte order mark указывает, какой порядок используется, так что приложения могут немедленно расшифровать контент. UTF-16 контент должен всегда начинатся с BOM.

BOM также используется для текста обозначенного как UTF-32. Аналогично UTF-16 существует два варианта четырёхбайтной кодировки — UTF-32BE и UTF-32LE. К сожалению, этот способ не позволяет надёжно различать UTF-16LE и UTF-32LE, поскольку символ U+0000 допускается Юникодом

Проблемы Юникода

В Юникоде английское «a» и польское «a» — один и тот же символ. Точно так же одним символом (но отличающимся от «a» латинского) считаются русское «а» и сербское «а». Такой принцип кодирования не универсален; по-видимому, решения «на все случаи жизни» вообще не может существовать.

Примеры

Если записать строку ‘hello мир’ в файл exampleBOM, а затем сделать его hex-дамп, то можно убедиться в том, что разные символы кодируются разным количеством байт. Например, английские буквы,пробел, знаки препинания и пр. кодируются одним байтом, а русские буквы — двумя

Код на python

#!/usr/bin/env python #coding:utf-8 import codecs f = open('exampleBOM','w') b = u'hello мир' f.write(codecs.BOM_UTF8) f.write(b.encode('utf-8')) f.close()

hex-дамп файла exampleBOM

Символ	BOM			h	e	l	l	o	Пробел	м		и		р
Код в UNICODE	EF	BB	BF	68	65	6C	6C	6F	20	D0	BC	D0	B8	D1	80
Код в UTF-8	11101111	10111011	10111111	01101000	01100101	01101100	01101100	01101111	00100000	11010000	10111100	11010000	10111000	11010001	10000000

См. также

• Представление целых чисел: прямой код, код со сдвигом, дополнительный код
• Представление вещественных чисел

Источники информации

• Wikipedia — таблица ASCII
• Wikipedia — стандарт UNICODE
• Wikipedia — Byte order mark
• Wikipedia — Порядок байтов
• Wikipedia — Юникод
• Wikipedia — Windows-1251
• Wikipedia — UTF-8
• Wikipedia — UTF-16
• Wikipedia — UTF-32