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1、信息技术导论 第1章 数据存储 目标1.位、位的运算和位的存储2.主存储器的结构和容量3.各种常见海量存储器4.不同形式信息的表示5. 整数的存储6.小数的存储7.数据压缩8.通信差错1.1 位和位存储 信息以0和1的模式编码，这些数字称为位（Bit，Binary Digits） 0和1是符号，可表示任意东西1.1.1布尔运算（布尔运算（Boolean Operation） 0表示假值；1表示真值。位的运算转换成真/假值的操作，即布尔运算。 3个布尔运算：AND（与）、OR（或）、XOR（异或） ANDx AND y当且仅当x和y都为1时，结果为1，其他情况为0 ORx OR y当且仅当x和y
2、都为0时，结果为0，其他情况为1 XORx XOR y当且仅当x和相异时，结果为1，其他情况为01.1 位和位存储（续）1.1.2 门和触发器门和触发器 门（Gate）是一种进行布尔运算的设备，可以多种技术制造，如微电子电路、齿轮等 微电子电路实现：0和1的电压电平表示 与门、或门、非门、异或门【形状及运算】 门是构建计算机的基本构件 触发器（Flip-flop）例子：数字电路设计、计算机工程领域、抽象工具（基本构件）；位存储方法1.1.3 十六进制计数法（十六进制计数法（Hexadecimal Notation） 长的位串称为流（Stream） 用十六进制计数法简化长位串的写法，易读1.1
3、位和位存储（续）十六进制编码系统位模式 十六进制表示 位模式 十六进制表示0000010019000111010A001021011B001131100C010041101D010151110E011061111F01117100081.2 主存储器主存储器（Main Memory）包含大量电路（如触发器），每一个电路能够存储单独的一个位。1.2.1 存储器结构存储器结构 以存储单元（Cell）为基本单位，每Cell容量8位，一个字节（Byte） Cell的左端为高位端（High-order End），右端为低位端（Low-order End） 最右位为最低有效位（Least Signific
4、ant Bit，LSB）,最左位为最高有效位（Most Significant Bit，MSB） Cell的标识为地址（Address），从0开始编址，顺序 整个存储器里的位可以看做是一个很长的位串 存放二进制位的电路+读写电路 Cell可以独立存取，按照任意顺序存取 主存储器称为随机存储器RAM（Random Access Memory）1.2 主存储器（续）动态存储器DRAM（Dynamic RAM）：存储快速消散的微小电子，刷新电路反复补充电子，不稳定。同步动态RAM：SDRAM1.2.2 存储器容量存储器容量Cell总数是2的幂2的10次方1024，Kilo，K，KB（ Kilobyt
5、e ）MB（Megabyte）， 2的20次方GB（Gigabyte）， 2的30次方千米km?若千（Kibi，kilobinary，Ki）， 2的10次方若兆（Mebi，megabinary，Mi）， 2的20次方Gi，Gibi，gigabinary， 2的30次方1.3 海量存储器 海量存储器（Mass Storage），辅助存储器：CD、磁盘、DVD、磁带、闪存 海量存储器稳定、容量大、价格低 联机（Online）和脱机（Offline）描述设备从计算上的移除 联机：设备或信息已和计算机连接，不需要人工干预就可以使用 脱机：必须先有人工干预，设备和信息才可以被计算机使用 海量存储器一般需
6、要机械运动，RAM通过电子器件实现 磁学系统、光学系统和闪存系统1.3 海量存储器（续）1.3.1 磁学系统磁学系统磁盘：盘片表面的磁介质涂层存储数据，读写头存取数据磁道（Track）、磁头、柱面（Cylinder）、扇区（Sector）简单磁盘系统：每道相同扇区数区位记录技术（Zoned Bit Recording，ZBR）：边缘磁道的扇区数多于中心磁道，相邻道组成区，一个区内磁道有相同数目的扇区道和扇区的位置通过格式化（Format）或初始化的过程磁化形成软盘（Floppy Disk）：塑料盘片，灵活性，脱机；3.5英寸1.44MB硬盘：多个刚硬的盘片，磁头不接触盘片磁盘系统性能参数寻道时
7、间（Seek Time）：磁头从一个道移到另一个道所需时间等待时间（Latency Time）或旋转延迟（Rotation Delay）：盘片旋转一周所需时间的一半1.3 海量存储器（续）存取时间（Access Time）：寻道时间+等待时间传输速率（Transfer Rate）：读出或写入数据的速率 软盘300RPM（每秒几KB），硬盘7200RPM（每秒几M） 磁盘容量：盘片数、每片磁道数、每道扇区数、每扇区字节数 磁盘系统需要机械运动（千分之一秒，毫秒），和电子电路的速度（十亿份之一秒，纳秒）不匹配 磁带（Magnetic Tape）：薄的塑料带的磁涂层上 磁带和磁盘的比较：容量、可靠性
8、、脱机联机、读写方式1.3 海量存储器（续）1.3.2 光学系统光学系统 光盘（Compact Disk）：由涂着光洁保护层的反射材料制成；通过反射层上创建偏差的方法记录信息；激光束通过监视CD快速旋转时反射层的不规则反射偏差读取信息 最初用于音频录制，数字音频光盘（CD-DA） 信息存储在一条道上，该道螺旋形缠绕在CD上 道划分位扇区，每扇区存储容量为2KB，相对于1/75秒的音乐 一致线性密度（存储能力达到最大），外缘存储信息多 一致传输速率，调整盘面旋转速度；通过CD驱动器适应数据传输速率的变化 不适宜于随机存取；适合处理长且连续的数据 CD容量几百MB DVD（Digital Vers
9、atile Disk）：由多个半透明的层面构成1.3 海量存储器（续）1.3.3 闪存驱动器闪存驱动器 磁学和光学系统共同特性：通过物理运动（旋转磁盘/带、移动磁头、扫描激光束）存取信息 闪存（Flash Memory）：用电子信号将二进制位存储在介质中，电子信号使得二氧化硅的微小晶格截获电子，从而转换电子电路的性质 晶格可以保持截获的电子多年，脱机 反复擦写或损坏晶格，不适宜于主存储器，不如光盘可靠 适用于消费电子设备1.3 海量存储器（续）1.3.4 文件存储及检索文件存储及检索 将信息组织成文件（File），有各种类型的文件 物理记录（Physical Record）：符合存储设备特性的
10、数据（磁盘按扇区存取） 逻辑记录（Logical Record）：文件自然划分（一条记录，一个段落等） 逻辑记录有字段（Field）组成，标识字段称为键字段（Key Field），键字段的值称为键（Key） 物理记录和逻辑记录大小不一致解决：RAM中缓冲区（Buffer） 缓冲区：RAM中临时缓存数据区域；打印缓冲区1.4 用位模式表示信息信息（文本、数字、图像、声音、视频等）如何编码为位模式1.4.1 文本的表示文本的表示文本中每个符号赋予其相应的唯一位模式，文本转换成长的位串20世纪40-50年代，ANSI的ASCII（American Standard Code for Informat
11、ion Interchange），7位模式表示大小写字母、标点符号、数字和控制字符。8位扩展模式软硬件厂商指定的16位模式的Unicode文本编码，支持中日韩、希伯来等语言中符号ISO制定的32位模式文本文件（Text File）：由ASCII或Unicode编码符号组成的文件文本编辑器或简单编辑器（Text Editor）字处理程序（Word Processor）：文本特征码、使用特有的文本特征码1.4 用位模式表示信息（续）1.4.2 数值的表示数值的表示 字符编码形式存储数值效率低，如数值365，需要3个字节，共24位 二进制计数法（Binary Notation）：使用0和1的位模式表
12、示数值，位置和数 二进制补码（Twos Complement）表示整数；浮点（Float Point）计数法表示实数1.4.3 图像的表示图像的表示 位图（Bitmap）技术和矢量（Vector）技术表示图像 位图技术：图像表示为一组点，每一个点称为像素（Pixel， Picture Element）1.4 用位模式表示信息（续） 黑白2色图像编码为表示图像各行像素的长位串，每一位取值1或0对应像素的黑白 位图技术泛指以像素的方式为图像编码 黑白照片每个像素用一组位（通常8个）表示，显示不同的灰色阴影或灰度 彩色图像每个像素用一组位表示，显示该像素的外观或颜色 RGB 编码：每个像素表示为3种
13、颜色成分，一个字节表示每一个颜色成分的亮度，3字节表示一个像素 亮度（像素中白光的数量）+2颜色（蓝色度和红色度）成分：来至彩色电视机 位图技术缺点：伸缩不易（使用变大像素的方法增大图像，数码相机的数字变焦技术；光学变焦技术调整相机镜头）1.4 用位模式表示信息（续） 矢量技术：将图像表示为一组直线和曲线（描述图像），线的绘制由产生图像的设备处理 字处理系统中的矢量字体（可伸缩字体）：True Type（MS and Apple）、PostScript（Adobe） CAD（Computer Aided Design）系统中矢量技术1.4.4 声音的表示声音的表示 幅度采样：语音通信中每秒80
14、00次采样 CD：每秒44100次采样，每次采样得到的数据用16位的形式表示；立体声32位 乐器数字化接口MIDI：用于电子键盘的音乐合成器，用来制作视频游戏声音；在合成器上编码产生音乐的指令；存储容量小；对什么乐器演奏什么音符以及多长时间编码；不同合成器上演奏可能不同1.5 整数存储二进制补码计数法二进制补码计数法1.5 整数存储（续） 最左边的位为符号位（Sign Bit），符号位1表示负，符号位0表示非负 加法运算符号位和数值位一起参加运算：一致电路处理 减法运算转换成加法运算 加法电路和取负电路实现加减法运算 溢出（Overflow）问题（计算得出的数值超出了可以表示的数值范围）：4位
15、补码表示，5+4=9？ 两正数和两负数加可能产生溢出 通过检查符号位判断是否溢出：两正数加符号位为负；两负数加符号位为正 表示更大数值：更多位；度量单位1.5 整数存储（续）二进制余码计数法二进制余码计数法1.6 小数存储1.6.1浮点（浮点（Float Point）计数法）计数法1字节表示1位符号位+3位指数域（Exponent Field）+4位尾数域（Mantissa Field）指数域使用余码表示法01101011符号：0，正数指数：110，2尾数：.101110.112+1/2+1/4=2.753/8的表示.0110尾数1100001111001.6 小数存储（续）规范化形式（Nor
16、malized Form）：从最左边二进制表示的1开始填充尾数域数值0：全为0的位模式1.6.2 截断误差（截断误差（Truncation Error）舍入误差（Round-off Error）：尾数域空间不够大2+5/8=10.10101101010=2+1/2无穷展开式问题：1/3，1/10数值分析领域研究大规模和高精度数值计算2.5+1/8+1/8=?商用软件先计算相差小的两数之和1.7 数据压缩1.7.1 通用的数据压缩（通用的数据压缩（Data Compression）技术）技术 两种压缩方案：无损的（Lossless）和有损的（Lossy） 行程长度编码（Run-length Encoding）：无损；将一组相同的数据成成分替换成一个编码，指出重复的成分以及其在序列中出现的次数；100个1，然后200个0，接着300个1 频率相关编码（Frequency-dependent Encoding）：无损；表示数据项目的位模式的长度与这个项目使用频率相反；赫夫曼编码（Huffman Code）；英文中字母频率不同 相对编码（Relative Encoding）或差分编码（Diff
