第1章 數(shù)據(jù)存儲

第1章數(shù)據(jù)存儲位和位存儲海量存儲器用位模式表示信息二進(jìn)制系統(tǒng)整數(shù)的儲存小數(shù)的儲存數(shù)據(jù)壓縮2021/6/271位和位存儲信息是具有多樣化的,如：文本、數(shù)值、圖像、音頻、視頻等。在計算機(jī)里，信息是由0和1組成的序列來編碼的。0和1只是符號。單個的符號0和1稱為位（bit比特），即二進(jìn)制數(shù)字。一個比特可以有兩種狀態(tài)日常生活中有很多兩種狀態(tài)的物體把位存儲到計算機(jī)中，需要一種有兩個狀態(tài)的設(shè)備，如開關(guān)、電容。2021/6/272位和位存儲位模式是若干二進(jìn)制位的組合，例如01110100、1兩個數(shù)字只能表示兩種狀態(tài)很多0、1的組合就能表示多種狀態(tài)位模式僅僅是一種符號，具體的含義取決于對他們的應(yīng)用；對應(yīng)著0、1之間的運(yùn)算-------布爾運(yùn)算2021/6/273位和位存儲1.布爾運(yùn)算布爾運(yùn)算的特點：布爾運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算的相似之處參與運(yùn)算的對象有兩個，結(jié)果只有一個布爾運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算的不同之處參與運(yùn)算的對象本身不同運(yùn)算的規(guī)則不同布爾運(yùn)算的定義：用數(shù)字0表示假，用數(shù)字1表示真，這樣就可以將二進(jìn)制位的運(yùn)算看做是對真/假值上的運(yùn)算，這樣的運(yùn)算稱為布爾運(yùn)算（booleanoperation）。-------邏輯運(yùn)算2021/6/274位和位存儲1.布爾運(yùn)算布爾運(yùn)算的種類：“與（AND）”運(yùn)算“或（OR

）”運(yùn)算“異或（XOR

）”運(yùn)算“非（NOT）”運(yùn)算2021/6/275位和位存儲1.布爾運(yùn)算----AND,OR，XOR

“與(AND)”運(yùn)算：PANDQ只有在其兩個分句都為真時，結(jié)果才為真。“或（OR）”運(yùn)算：PORQ；

只要有一個分句為真，這個符合語句的結(jié)果就是真“異或（XOR）”運(yùn)算：PXORQ

當(dāng)一個輸入為1（真），而另一個輸入為0（假）時，“異或”運(yùn)算的值為1（真），否則為0（假）。2021/6/276位和位存儲1.布爾運(yùn)算----NOT

“運(yùn)算NOT（非）”的輸出是輸入的相反值：輸入為真時輸出為假，反之亦然。2021/6/277位和位存儲2.門和觸發(fā)器門是一種設(shè)備，給出布爾運(yùn)算的輸入值時，可以得到輸出值。門通常是通過微電子電路來實現(xiàn)的，其中數(shù)字0和1有電壓電平表示。門是一種統(tǒng)稱，凡是能完成布爾運(yùn)算的設(shè)備均叫做門，不管該設(shè)備是用什么技術(shù)制造的。門可以用各種技術(shù)制造出來，如齒輪、繼電器、光學(xué)設(shè)備2021/6/278位和位存儲2.門和觸發(fā)器“與”、“或”、“異或”和“非”門的圖形符號以及它們的輸入輸出值表2021/6/279位和位存儲2.門和觸發(fā)器上面這樣的門為構(gòu)造計算機(jī)提供了構(gòu)件。在用這些構(gòu)件構(gòu)造計算機(jī)時，一個重要的環(huán)節(jié)是設(shè)計稱為觸發(fā)器的電路。觸發(fā)器（flip-flop）是一個這樣的電路，它產(chǎn)生的輸出值0或1能夠一直保持，直到來自另一個電路的短暫脈沖的到來才能將它的值改變2021/6/2710位和位存儲2.門和觸發(fā)器一個簡單的觸發(fā)器電路→觸發(fā)器2021/6/2711位和位存儲（a）將上面的輸入置1。（b）這使“或”門的輸出為1， 接著使“與”門的輸出為1。2.門和觸發(fā)器下圖中，初始輸入均為0.在不知道觸發(fā)器的當(dāng)前輸出情況下，假定上部的輸入變?yōu)?，而下部的輸入仍為0。2021/6/2712位和位存儲2.門和觸發(fā)器（c）在上面的輸入變?yōu)?后，由于“與”門的輸出為1，故“或”門的輸出仍為1?？紤]給下部輸入一個短暫脈沖的一系列跳變情況2021/6/2713位和位存儲只要兩個輸入仍然是0，那么它的輸出（不論0或1）都不會改變。但是，如果在它上部的輸入上短暫地置一個1，那么將會強(qiáng)制使它的輸出為1；反之，如果在它下部的輸入上短暫地置一個1，那么將會強(qiáng)制使它的輸出為0。2021/6/2714位和位存儲2.門和觸發(fā)器

觸發(fā)器的意義在于，它是計算機(jī)中存儲一個二進(jìn)制位的理想存儲構(gòu)件。

觸發(fā)器還可以用其他的門電路的組合來搭建。

←搭建觸發(fā)器的另一個方法2021/6/2715位和位存儲3.十六進(jìn)制記數(shù)法

當(dāng)考察計算機(jī)的內(nèi)部活動時，我們經(jīng)常需要接觸流。流（stream）：長的二進(jìn)制位串十六進(jìn)制計數(shù)法為了簡化位模式的表示利用十六進(jìn)制的一個符號來表示一個二進(jìn)制的4位模式2021/6/2716位和位存儲4.十六進(jìn)制記數(shù)法位模式十六進(jìn)制例：10100100110010001010010011001000A4C8練習(xí)：1010010011001002021/6/2717位和位存儲P17

問題與練習(xí)2021/6/2718主存儲器 為了存儲數(shù)據(jù)，計算機(jī)包含一大組電路，每個電路可存放一個二進(jìn)制位。計算機(jī)內(nèi)的這個存放二進(jìn)制位的容器就稱為主存儲器，簡稱主存。2021/6/27191.存儲器結(jié)構(gòu)主存儲器 存儲器中存放二進(jìn)制位的電路是按照存儲單元（cell）的可管理單位來組織的。一個存儲單元由8個存儲位(bit)的電路構(gòu)成由很多個存儲單元組合在一起構(gòu)成存儲器一個8位的二進(jìn)制串，我們稱之為一個字節(jié)（Byte）2021/6/2720主存儲器1.存儲器結(jié)構(gòu)↓字節(jié)型存儲單元的結(jié)構(gòu)2021/6/2721主存儲器1.存儲器結(jié)構(gòu)為了標(biāo)識計算機(jī)存儲器中的一個存儲單元，我們給每一個存儲單元都賦予唯一的“名字”，成為地址。

地址完全是數(shù)字的并且從0開始編號

地址給存儲單元賦予了順序的概念按地址排列的存儲器單元

2021/6/27221.存儲器結(jié)構(gòu)主存儲器存儲器中除了有存儲單元,還有一些附加電路,用來控制按照地址對指定的存儲單元進(jìn)行讀寫操作。計算機(jī)的主存儲器是由獨立的、可編程的存儲單元組成，可以根據(jù)需要獨立訪問每個存儲單元。主存儲器通常叫做隨機(jī)存取存儲器(RAM)主存儲器中的存儲單元可以按照隨機(jī)的順序存取2021/6/2723主存儲器2.存儲器容量的度量計算機(jī)采用二進(jìn)制，所以存儲器的度量采用十進(jìn)制不方便。但是人們習(xí)慣十進(jìn)制的計量單位，故存儲器的度量單位采用1024為一個數(shù)量級（2的10次方）。2021/6/2724主存儲器2.存儲器容量的度量KilobyteKBMegabyteMBGigabyteGBTerabyteTBPetabytePBExabyteEBZettabyteZBYottabyteYBNonabyteNBDoggabyteDB問題：我們平常所說的500GB的硬盤容量在計算機(jī)中會顯示500GB嗎？2021/6/2725主存儲器P20

問題與練習(xí)2021/6/2726海量存儲器優(yōu)點：（1）易失性?。?）容量大，價格低缺點：（1）有機(jī)械動作（2）存取數(shù)據(jù)比較慢輔助存儲器（即：外存）稱為海量存儲器。2021/6/2727海量存儲器

聯(lián)機(jī)設(shè)備：表示設(shè)備或信息已經(jīng)與計算機(jī)連接，計算機(jī)不需要人為的干預(yù)就可以使用。脫機(jī)設(shè)備：設(shè)備或信息在可被計算機(jī)使用之前需要人為干預(yù)。2021/6/2728海量存儲器1.磁盤2021/6/2729海量存儲器磁盤存儲系統(tǒng)→讀/寫頭存取臂臂移動盤旋轉(zhuǎn)磁道分為扇區(qū)盤1.磁盤2021/6/2730海量存儲器1.磁盤關(guān)于磁道、柱面、扇區(qū)：處于不同磁道上的扇區(qū)線密度是不同的一個扇區(qū)不能用來存儲兩個文件的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是按照柱面的方式組織的磁道和扇區(qū)是通過磁盤格式化形成的。2021/6/2731海量存儲器1.磁盤軟盤與硬盤的對比：（1）軟盤通常作為信息的脫機(jī)存儲設(shè)備；硬盤作為信息的聯(lián)機(jī)存儲設(shè)備（2）軟盤轉(zhuǎn)速慢（300r/m），硬盤轉(zhuǎn)速快；因此硬盤讀寫速度快；（3）軟盤讀寫次數(shù)少，易磨損；硬盤讀寫次數(shù)多，不易磨損；

--硬盤不易磨損的原因：硬盤磁頭與盤片不接觸(處于“懸浮”狀態(tài))（4）軟盤不密封；硬盤密封；

--硬盤密封的原因：硬盤磁頭與盤片表面間隙非常小，一?；覊m都會 造成他們的損壞(5)硬盤與驅(qū)動部件是結(jié)合在一起的，而軟盤與軟驅(qū)分離低容量磁盤，軟盤(floopydisk)高容量磁盤，硬盤(harddisk)2021/6/2732海量存儲器1.磁盤評估一個磁盤系統(tǒng)的性能有幾個指標(biāo)：（P21）（1）尋道時間（seektime）:磁頭從一個磁道移動到另一個磁道的時間（2）旋轉(zhuǎn)延遲（rotationrelay）或等待時間（latencytime）：盤片旋轉(zhuǎn)半周所需的時間（3）存取時間（accesstime）：尋道時間+等待時間（4）傳輸速率（transferrate）：讀寫數(shù)據(jù)的速率電子電路延遲時間以納秒（十億分之一秒），而磁盤的尋道時間、等待時間是以毫秒（千分之一秒）度量的，以此從磁盤系統(tǒng)來檢索數(shù)據(jù)所需要的時間相對很長。2021/6/2733海量存儲器2.磁帶

順序存取設(shè)備磁帶存儲器結(jié)構(gòu)讀/寫頭帶帶帶走動帶盤卷帶缺點：數(shù)據(jù)存取時間比磁盤長，速度慢。不適合做聯(lián)機(jī)存儲設(shè)備優(yōu)點：性價比好，價格便宜。2021/6/2734海量存儲器3.光盤（CompactDisk）結(jié)構(gòu)：采用了四層結(jié)構(gòu)形式：底層為聚碳酸酯透明塑料注塑成形的襯盤，在襯底上鍍有一層很薄的有機(jī)染料記錄層，并使用抗腐蝕的金膜做反射層，頂層為涂漆保護(hù)層。有些光盤在漆保護(hù)層之上還用吸墨材料涂有第五層印刷層，用戶可用噴墨打印機(jī)直接在CD光盤背面打印，也可用軟筆進(jìn)行標(biāo)注。光盤記錄層中的有機(jī)染料對波長為780nm的光波具有很強(qiáng)的吸收作用，當(dāng)波長為780nm的大功率激光器輸出的聚焦激光束照射在有機(jī)染料記錄層時，光點處的有機(jī)染料將吸收很大的能量，并瞬間將吸收的能量轉(zhuǎn)化成熱量，在微區(qū)內(nèi)產(chǎn)生250到400℃的高溫，使有機(jī)染料熔解氣化，在塑料襯盤和反射層之間形成一微孔，使下面的反射層完全暴露出來，形成與模壓光盤類似的信息凹坑。2021/6/2735海量存儲器3.光盤

CD的存儲原理：通過在反射材料上創(chuàng)建反射偏差的的方法在上面記錄信息光道上有很多凸凹不平的地方只要下一個數(shù)據(jù)和前一個數(shù)據(jù)一樣就沒有凸凹變化；數(shù)據(jù)不一樣則發(fā)生凸凹變化遇到變化時下沿表示0，上沿表示1

CD的存儲格式

→

數(shù)據(jù)儲存在向外旋轉(zhuǎn)的螺旋形光道上，光道劃分為許多單獨的扇區(qū)。CD盤旋轉(zhuǎn)2021/6/2736海量存儲器3.光盤舉例：

假設(shè)光盤上第一位數(shù)據(jù)是0，在隨后要存儲10111，那么我們應(yīng)該在隨后的磁道上刻出什么樣的凸凹形狀。2021/6/2737海量存儲器3.光盤關(guān)于光盤的幾點說明：光盤只有一個螺旋形的光道這個光道劃分為很多個扇區(qū)，是一種一維的組織方式光盤的光道具有相同的線密度，因此螺旋形的光道上靠外邊的環(huán)道上存放的信息比靠里邊的環(huán)道要多光盤是一種隨機(jī)存儲器，即可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的隨機(jī)讀寫與磁盤相比光盤存儲原理更適合連續(xù)的讀寫方式傳統(tǒng)CD的容量為600～700MB。較新的DVD的容量達(dá)到幾個GB。2021/6/2738海量存儲器3.光盤幾點說明：光盤只有一個螺旋形的光道這個光道劃分為很多個扇區(qū)，是一種一維的組織方式光盤的光道具有相同的線密度，因此螺旋形的光道上靠外邊的環(huán)道上存放的信息比靠里邊的環(huán)道要多光盤是一種隨機(jī)存儲器，即可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的隨機(jī)讀寫與磁盤相比光盤存儲原理更適合連續(xù)的讀寫方式2021/6/2739海量存儲器3.光盤傳統(tǒng)CD的容量為600～700MB*DVD-5(12cm,SS/SL)4.38gig(4.7BB)數(shù)據(jù),超過2小時的視頻

*DVD-9(12cm,SS/DL)7.95gig(8.5BB),大約4小時

*DVD-10(12cm,DS/SL)8.75gig(9.4BB),大約4.5小時

*DVD-14(12cm,DS/ML)12.33gig(13.24BB),大約6.5小時

*DVD-18(12cm,DS/DL)15.90gig(17BB),超過8小時

提示:存儲一小時視頻平均需要2G字節(jié).

SS/DS表示單面/雙面,SL/DL/ML表示單層/雙層/混合層(混合層是指盤片一個面有一層,另一個面有兩個層),gig就是千兆(2^30),BB表示十億字節(jié)

2021/6/2740海量存儲器4.閃存 用電子信號將二進(jìn)制位直接送到存儲介質(zhì)中，電子信號使得該介質(zhì)中的二氧化硅的微小晶格截獲電子，從而轉(zhuǎn)換微電子電路的性質(zhì)。反復(fù)的擦寫會逐漸損壞二氧化硅的晶格，因此不適合做主存。（主存的內(nèi)容可能會在1秒內(nèi)被改變多次）

閃存對物理振動不敏感，適合便攜式應(yīng)用。閃存的微容器中的電子能夠保存許多年，適合存儲脫機(jī)數(shù)據(jù)。2021/6/2741海量存儲器4.文件存儲和檢索信息是以文件（file）為單位進(jìn)行儲存的。符合存儲系統(tǒng)物理特性的數(shù)據(jù)塊稱為物理記錄（physicalrecord）實際上，物理記錄就是存儲器組織數(shù)據(jù)的單位,一般指扇區(qū)。自然產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊稱為邏輯記錄（logicalrecord）實際上，邏輯記錄就是信息的組織單位。2021/6/2742大容量存儲器4.文件存儲和檢索在海量存儲系統(tǒng)的信息檢索時，先將數(shù)據(jù)放在主存內(nèi)作為數(shù)據(jù)重組的區(qū)域。這個轉(zhuǎn)換工作是由計算機(jī)自己完成的磁盤上的邏輯記錄的大小很少能夠與物理記錄的大小相匹配邏輯記錄對應(yīng)于數(shù)據(jù)內(nèi)的自然劃分，即文件物理記錄對應(yīng)于扇區(qū)的大小2021/6/2743大容量存儲器4.文件存儲和檢索在計算機(jī)內(nèi)部，經(jīng)常需要在主存儲器與大容量存儲器之間移動數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)的移動需要借助緩沖區(qū)。緩沖區(qū)（buffer）的概念

是在一個設(shè)備向另一個設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的過程中臨時存放數(shù)據(jù)的區(qū)域。

計算機(jī)的很多設(shè)備都有緩沖區(qū)。如：打印機(jī)、顯卡、顯示器、硬盤等。2021/6/2744大容量存儲器P24

問題與練習(xí)2021/6/2745用位模式表示信息1.文本的表示文本的表示方法是給每一個可能出現(xiàn)在文本中的符號進(jìn)行編碼，然后把這些編碼存儲到計算機(jī)里。20世紀(jì)40-50年代，出現(xiàn)了很多這種原理的編碼，給不同的機(jī)器間通信帶來了很多麻煩。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會，對這些編碼進(jìn)行了統(tǒng)一，采用了美國國家信息交換用標(biāo)準(zhǔn)碼（ASCII）。

2021/6/2746用位模式表示信息1.文本的表示

標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼為7位，用來表示大小寫英文字母、標(biāo)點符號、0～9及控制字符。擴(kuò)展的ASCII碼為8位(在7位位模式的最高端加0)。（詳見附錄A）

由于8位ASCII碼能表示的符號有限，后來又出現(xiàn)了一些新的編碼，其中最著名的是Unicode，它采用16位的位模式編碼，最多能表示65536個字符。因此，足以表示世界上常見語言中出現(xiàn)的各種符號。

信息Hello.的ASCII編碼2021/6/2747換行回車空格符號ASCII碼符號ASCII碼符號ASCII碼2021/6/2748用位模式表示信息1.文本的表示一個僅由一長串按照ASCII或Unicode編碼的符號所組成的文件稱為文本文件（textfile）。

兩類文件：文本編輯器、字處理程序

文本文件只包含各個字符的編碼，而由字處理程序產(chǎn)生的文件海包含許多專用格式碼，用于表示字體的變化、對其信息等。

問題：能否使一個文件的大小為0字節(jié)？2021/6/2749用位模式表示信息2.數(shù)值的表示

二進(jìn)制記數(shù)法（binarynotation）是一種只使用數(shù)字0和1來表示數(shù)值的方法。當(dāng)所記錄的信息只是數(shù)值的時候，采用字符編碼(ACSII碼)的形式存儲信息效率比較低，要使用16位二進(jìn)制數(shù)。例如：25用ASCII碼存儲為：0011001000110101

25用二進(jìn)制記數(shù)法為：110012021/6/2750用位模式表示信息2.數(shù)值的表示如果用ASCII編碼表示十進(jìn)制的數(shù)值數(shù)據(jù)，16個二進(jìn)制位能存放的最大數(shù)值是多少？如果用二進(jìn)制記數(shù)法表示十進(jìn)制的數(shù)值數(shù)據(jù)，16個二進(jìn)制位能存放的最大數(shù)值是多少？因此，數(shù)值數(shù)據(jù)通常是采用二進(jìn)制記數(shù)法的形式存儲的，而不是用符號編碼。2021/6/2751用位模式表示信息3.圖像的表示位圖技術(shù)（bitmaptechniques）。位圖的方法將圖像看成是點的集合，每個點稱為一個像素（pixel，是pictureelement的縮寫）。問題：如何創(chuàng)建位圖？JPG文件是位圖文件嗎？如何用位圖技術(shù)將一幅黑白（二值）圖像進(jìn)行編碼，并存儲到計算機(jī)中？如何用位圖技術(shù)將一幅彩色圖像進(jìn)行編碼，并存儲到計算機(jī)中？一幅N*M的位圖占用存儲空間大小的計算位圖的缺點：縮放后會失真2021/6/2752用位模式表示信息3.圖像的表示矢量技術(shù)（vectortechniques）。將圖像表示成一些幾何結(jié)構(gòu)的集合。一張圖像表示為一組直線和曲線的集合。廣泛用在字處理系統(tǒng)和CAD中。如：TrueType/PostScript.矢量技術(shù)提供了一種解決這種縮放問題的方法。但是矢量圖還不能提供照片級質(zhì)量的圖像，而位圖可以。2021/6/2753用位模式表示信息4.聲音的表示對音頻信息進(jìn)行編碼以便計算機(jī)儲存和操作的最普通的方法是，按照固定的時間間隔對聲波的振幅進(jìn)行采樣，并記錄所得到的值序列。這一技術(shù)早在計算機(jī)誕生之前就已經(jīng)被人們所使用編碼的聲波振幅用序列0、1.5、2.0、1.5、2.0、3.0、4.0、3.0、0表示的聲波2021/6/27542021/6/2755用位模式表示信息4.聲音的表示電話系統(tǒng)的采樣頻率是每秒8000次。音樂CD的音質(zhì)較好，每秒采樣44100次，每次采樣得到的數(shù)據(jù)用16位二進(jìn)制數(shù)表示（立體聲需要32位），每秒種立體聲音樂的錄制需要上百萬個二進(jìn)制位。2021/6/2756用位模式表示信息4.聲音的表示樂器數(shù)字化接口（MusicalInstrumentDigitalInterface，MIDI），它廣泛用在電子鍵盤的音樂合成器中，用來制作視頻游戲的音樂和網(wǎng)站的聲效。是對樂譜編碼的一種方法。2021/6/2757用位模式表示信息P29

問題與練習(xí)2021/6/2758復(fù)習(xí)題

P471、2、5、6、8、10、11、13、14、16、17、242021/6/2759二進(jìn)制系統(tǒng)1.二進(jìn)制記數(shù)法（a）十進(jìn)制（b）二進(jìn)制表示位置的量值表示位置的量值位的量值位的值二進(jìn)制位模式總和↑二進(jìn)制表示100101