信息技術(shù)導(dǎo)論

第1章數(shù)據(jù)存儲信息技術(shù)導(dǎo)論第1章數(shù)據(jù)存儲

目標(biāo)位、位的運算和位的存儲主存儲器的結(jié)構(gòu)和容量各種常見海量存儲器不同形式信息的表示整數(shù)的存儲小數(shù)的存儲數(shù)據(jù)壓縮通信差錯目標(biāo)位、位的運算和位的存儲1.1位和位存儲信息以0和1的模式編碼，這些數(shù)字稱為位（Bit，BinaryDigits）0和1是符號，可表示任意東西1.1.1布爾運算（BooleanOperation）0表示假值；1表示真值。位的運算轉(zhuǎn)換成真/假值的操作，即布爾運算。3個布爾運算：AND（與）、OR（或）、XOR（異或）ANDxANDy當(dāng)且僅當(dāng)x和y都為1時，結(jié)果為1，其他情況為0ORxORy當(dāng)且僅當(dāng)x和y都為0時，結(jié)果為0，其他情況為1XORxXORy當(dāng)且僅當(dāng)x和相異時，結(jié)果為1，其他情況為01.1位和位存儲信息以0和1的模式編碼，這些數(shù)字稱為位（B1.1位和位存儲（續(xù)）1.1.2門和觸發(fā)器門（Gate）是一種進行布爾運算的設(shè)備，可以多種技術(shù)制造，如微電子電路、齒輪等微電子電路實現(xiàn)：0和1的電壓電平表示與門、或門、非門、異或門【形狀及運算】

門是構(gòu)建計算機的基本構(gòu)件觸發(fā)器（Flip-flop）例子：數(shù)字電路設(shè)計、計算機工程領(lǐng)域、抽象工具（基本構(gòu)件）；位存儲方法1.1.3十六進制計數(shù)法（HexadecimalNotation）長的位串稱為流（Stream）用十六進制計數(shù)法簡化長位串的寫法，易讀1.1位和位存儲（續(xù)）1.1.2門和觸發(fā)器信息技術(shù)導(dǎo)論ppt課件信息技術(shù)導(dǎo)論ppt課件1.1位和位存儲（續(xù)）十六進制編碼系統(tǒng)位模式 十六進制表示位模式 十六進制表示0000 0 1001 90001 1 1010 A0010 2 1011 B0011 3 1100 C0100 4 1101 D0101 5 1110 E0110 6 1111 F0111 71000 81.1位和位存儲（續(xù)）十六進制編碼系統(tǒng)1.2主存儲器主存儲器（MainMemory）包含大量電路（如觸發(fā)器），每一個電路能夠存儲單獨的一個位。1.2.1存儲器結(jié)構(gòu)以存儲單元（Cell）為基本單位，每Cell容量8位，一個字節(jié)（Byte）Cell的左端為高位端（High-orderEnd），右端為低位端（Low-orderEnd）最右位為最低有效位（LeastSignificantBit，LSB）,最左位為最高有效位（MostSignificantBit，MSB）Cell的標(biāo)識為地址（Address），從0開始編址，順序整個存儲器里的位可以看做是一個很長的位串存放二進制位的電路+讀寫電路Cell可以獨立存取，按照任意順序存取主存儲器稱為隨機存儲器RAM（RandomAccessMemory）1.2主存儲器主存儲器（MainMemory）包含大量電1.2主存儲器（續(xù)）動態(tài)存儲器DRAM（DynamicRAM）：存儲快速消散的微小電子，刷新電路反復(fù)補充電子，不穩(wěn)定。同步動態(tài)RAM：SDRAM1.2.2存儲器容量Cell總數(shù)是2的冪2的10次方1024，Kilo，K，KB（Kilobyte）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1.2主存儲器（續(xù)）動態(tài)存儲器DRAM（DynamicR1.3海量存儲器海量存儲器（MassStorage），輔助存儲器：CD、磁盤、DVD、磁帶、閃存海量存儲器穩(wěn)定、容量大、價格低聯(lián)機（Online）和脫機（Offline）描述設(shè)備從計算上的移除聯(lián)機：設(shè)備或信息已和計算機連接，不需要人工干預(yù)就可以使用脫機：必須先有人工干預(yù)，設(shè)備和信息才可以被計算機使用海量存儲器一般需要機械運動，RAM通過電子器件實現(xiàn)磁學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)和閃存系統(tǒng)1.3海量存儲器海量存儲器（MassStorage），輔1.3海量存儲器（續(xù)）1.3.1磁學(xué)系統(tǒng)磁盤：盤片表面的磁介質(zhì)涂層存儲數(shù)據(jù)，讀寫頭存取數(shù)據(jù)磁道（Track）、磁頭、柱面（Cylinder）、扇區(qū)（Sector）簡單磁盤系統(tǒng)：每道相同扇區(qū)數(shù)區(qū)位記錄技術(shù)（ZonedBitRecording，ZBR）：邊緣磁道的扇區(qū)數(shù)多于中心磁道，相鄰道組成區(qū)，一個區(qū)內(nèi)磁道有相同數(shù)目的扇區(qū)道和扇區(qū)的位置通過格式化（Format）或初始化的過程磁化形成軟盤（FloppyDisk）：塑料盤片，靈活性，脫機；3.5英寸1.44MB硬盤：多個剛硬的盤片，磁頭不接觸盤片磁盤系統(tǒng)性能參數(shù)尋道時間（SeekTime）：磁頭從一個道移到另一個道所需時間等待時間（LatencyTime）或旋轉(zhuǎn)延遲（RotationDelay）：盤片旋轉(zhuǎn)一周所需時間的一半1.3海量存儲器（續(xù)）1.3.1磁學(xué)系統(tǒng)信息技術(shù)導(dǎo)論ppt課件1.3海量存儲器（續(xù)）存取時間（AccessTime）：尋道時間+等待時間傳輸速率（TransferRate）：讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)的速率軟盤300RPM（每秒幾KB），硬盤7200RPM（每秒幾M）磁盤容量：盤片數(shù)、每片磁道數(shù)、每道扇區(qū)數(shù)、每扇區(qū)字節(jié)數(shù)磁盤系統(tǒng)需要機械運動（千分之一秒，毫秒），和電子電路的速度（十億份之一秒，納秒）不匹配磁帶（MagneticTape）：薄的塑料帶的磁涂層上磁帶和磁盤的比較：容量、可靠性、脫機聯(lián)機、讀寫方式1.3海量存儲器（續(xù)）存取時間（AccessTime）：信息技術(shù)導(dǎo)論ppt課件1.3海量存儲器（續(xù)）1.3.2光學(xué)系統(tǒng)光盤（CompactDisk）：由涂著光潔保護層的反射材料制成；通過反射層上創(chuàng)建偏差的方法記錄信息；激光束通過監(jiān)視CD快速旋轉(zhuǎn)時反射層的不規(guī)則反射偏差讀取信息最初用于音頻錄制，數(shù)字音頻光盤（CD-DA）信息存儲在一條道上，該道螺旋形纏繞在CD上道劃分位扇區(qū)，每扇區(qū)存儲容量為2KB，相對于1/75秒的音樂一致線性密度（存儲能力達到最大），外緣存儲信息多一致傳輸速率，調(diào)整盤面旋轉(zhuǎn)速度；通過CD驅(qū)動器適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率的變化不適宜于隨機存??；適合處理長且連續(xù)的數(shù)據(jù)CD容量幾百MBDVD（DigitalVersatileDisk）：由多個半透明的層面構(gòu)成1.3海量存儲器（續(xù)）1.3.2光學(xué)系統(tǒng)1.3海量存儲器（續(xù)）1.3.3閃存驅(qū)動器磁學(xué)和光學(xué)系統(tǒng)共同特性：通過物理運動（旋轉(zhuǎn)磁盤/帶、移動磁頭、掃描激光束）存取信息閃存（FlashMemory）：用電子信號將二進制位存儲在介質(zhì)中，電子信號使得二氧化硅的微小晶格截獲電子，從而轉(zhuǎn)換電子電路的性質(zhì)晶格可以保持截獲的電子多年，脫機反復(fù)擦寫或損壞晶格，不適宜于主存儲器，不如光盤可靠適用于消費電子設(shè)備1.3海量存儲器（續(xù)）1.3.3閃存驅(qū)動器1.3海量存儲器（續(xù)）1.3.4文件存儲及檢索將信息組織成文件（File），有各種類型的文件物理記錄（PhysicalRecord）：符合存儲設(shè)備特性的數(shù)據(jù)（磁盤按扇區(qū)存?。┻壿嬘涗洠↙ogicalRecord）：文件自然劃分（一條記錄，一個段落等）邏輯記錄有字段（Field）組成，標(biāo)識字段稱為鍵字段（KeyField），鍵字段的值稱為鍵（Key）物理記錄和邏輯記錄大小不一致解決：RAM中緩沖區(qū)（Buffer）緩沖區(qū)：RAM中臨時緩存數(shù)據(jù)區(qū)域；打印緩沖區(qū)1.3海量存儲器（續(xù)）1.3.4文件存儲及檢索1.4用位模式表示信息信息（文本、數(shù)字、圖像、聲音、視頻等）如何編碼為位模式1.4.1文本的表示文本中每個符號賦予其相應(yīng)的唯一位模式，文本轉(zhuǎn)換成長的位串20世紀(jì)40-50年代，ANSI的ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange），7位模式表示大小寫字母、標(biāo)點符號、數(shù)字和控制字符。8位擴展模式軟硬件廠商指定的16位模式的Unicode文本編碼，支持中日韓、希伯來等語言中符號ISO制定的32位模式文本文件（TextFile）：由ASCII或Unicode編碼符號組成的文件文本編輯器或簡單編輯器（TextEditor）字處理程序（WordProcessor）：文本特征碼、使用特有的文本特征碼1.4用位模式表示信息信息（文本、數(shù)字、圖像、聲音、視頻等1.4用位模式表示信息（續(xù)）1.4.2數(shù)值的表示字符編碼形式存儲數(shù)值效率低，如數(shù)值365，需要3個字節(jié)，共24位二進制計數(shù)法（BinaryNotation）：使用0和1的位模式表示數(shù)值，位置和數(shù)二進制補碼（Two’sComplement）表示整數(shù)；浮點（FloatPoint）計數(shù)法表示實數(shù)1.4.3圖像的表示位圖（Bitmap）技術(shù)和矢量（Vector）技術(shù)表示圖像位圖技術(shù)：圖像表示為一組點，每一個點稱為像素（Pixel，PictureElement）1.4用位模式表示信息（續(xù)）1.4.2數(shù)值的表示1.4用位模式表示信息（續(xù)）黑白2色圖像編碼為表示圖像各行像素的長位串，每一位取值1或0對應(yīng)像素的黑白位圖技術(shù)泛指以像素的方式為圖像編碼黑白照片每個像素用一組位（通常8個）表示，顯示不同的灰色陰影或灰度彩色圖像每個像素用一組位表示，顯示該像素的外觀或顏色RGB編碼：每個像素表示為3種顏色成分，一個字節(jié)表示每一個顏色成分的亮度，3字節(jié)表示一個像素亮度（像素中白光的數(shù)量）+2顏色（藍(lán)色度和紅色度）成分：來至彩色電視機位圖技術(shù)缺點：伸縮不易（使用變大像素的方法增大圖像，數(shù)碼相機的數(shù)字變焦技術(shù)；光學(xué)變焦技術(shù)調(diào)整相機鏡頭）1.4用位模式表示信息（續(xù)）黑白2色圖像編碼為表示圖像各行1.4用位模式表示信息（續(xù)）矢量技術(shù)：將圖像表示為一組直線和曲線（描述圖像），線的繪制由產(chǎn)生圖像的設(shè)備處理字處理系統(tǒng)中的矢量字體（可伸縮字體）：TrueType（MSandApple）、PostScript（Adobe）CAD（ComputerAidedDesign）系統(tǒng)中矢量技術(shù)1.4.4聲音的表示幅度采樣：語音通信中每秒8000次采樣CD：每秒44100次采樣，每次采樣得到的數(shù)據(jù)用16位的形式表示；立體聲32位樂器數(shù)字化接口MIDI：用于電子鍵盤的音樂合成器，用來制作視頻游戲聲音；在合成器上編碼產(chǎn)生音樂的指令；存儲容量??；對什么樂器演奏什么音符以及多長時間編碼；不同合成器上演奏可能不同1.4用位模式表示信息（續(xù)）矢量技術(shù)：將圖像表示為一組直線1.5整數(shù)存儲二進制補碼計數(shù)法1.5整數(shù)存儲二進制補碼計數(shù)法1.5整數(shù)存儲（續(xù)）最左邊的位為符號位（SignBit），符號位1表示負(fù)，符號位0表示非負(fù)加法運算符號位和數(shù)值位一起參加運算：一致電路處理減法運算轉(zhuǎn)換成加法運算加法電路和取負(fù)電路實現(xiàn)加減法運算溢出（Overflow）問題（計算得出的數(shù)值超出了可以表示的數(shù)值范圍）：4位補碼表示，5+4=9？兩正數(shù)和兩負(fù)數(shù)加可能產(chǎn)生溢出通過檢查符號位判斷是否溢出：兩正數(shù)加符號位為負(fù)；兩負(fù)數(shù)加符號位為正表示更大數(shù)值：更多位；度量單位1.5整數(shù)存儲（續(xù)）最左邊的位為符號位（SignBit）信息技術(shù)導(dǎo)論ppt課件1.5整數(shù)存儲（續(xù)）二進制余碼計數(shù)法1.5整數(shù)存儲（續(xù)）二進制余碼計數(shù)法1.6小數(shù)存儲1.6.1浮點（FloatPoint）計數(shù)法1字節(jié)表示1位符號位+3位指數(shù)域（ExponentField）+4位尾數(shù)域（MantissaField）指數(shù)域使用余碼表示法01101011符號：0，正數(shù)指數(shù)：110，2尾數(shù)：.101110.11 2+1/2+1/4=2.753/8的表示.0110尾數(shù)1100001111001.6小數(shù)存儲1.6.1浮點（FloatPoint）計數(shù)1.6小數(shù)存儲（續(xù)）規(guī)范化形式（NormalizedForm）：從最左邊二進制表示的1開始填充尾數(shù)域數(shù)值0：全為0的位模式1.6.2截斷誤差（TruncationError）舍入誤差（Round-offError）：尾數(shù)域空間不夠大2+5/8=10.101 01101010=2+1/2無窮展開式問題：1/3，1/10數(shù)值分析領(lǐng)域研究大規(guī)模和高精度數(shù)值計算2.5+1/8+1/8=?商用軟件先計算相差小的兩數(shù)之和1.6小數(shù)存儲（續(xù)）規(guī)范化形式（NormalizedFo1.7數(shù)據(jù)壓縮1.7.1通用的數(shù)據(jù)壓縮（DataCompression）技術(shù)兩種壓縮方案：無損的（Lossless）和有損的（Lossy）行程長度編碼（Run-lengthEncoding）：無損；將一組相同的數(shù)據(jù)成成分替換成一個編碼，指出重復(fù)的成分以及其在序列中出現(xiàn)的次數(shù)；100個1，然后200個0，接著300個1頻率相關(guān)編碼（Frequency-dependentEncoding）：無損；表示數(shù)據(jù)項目的位模式的長度與這個項目使用頻率相反；赫夫曼編碼（HuffmanCode）；英文中字母頻率不同相對編碼（RelativeEncoding）或差分編碼（DifferentialEncoding）：無損或有損；記錄連續(xù)數(shù)據(jù)單元之間的區(qū)別，每個數(shù)據(jù)單元相對于前一個數(shù)據(jù)但與編碼字典編碼（DictionaryEncoding）：無損；根據(jù)構(gòu)造塊（字典）對信息編碼；字處理系統(tǒng)1.7數(shù)據(jù)壓縮1.7.1通用的數(shù)據(jù)壓縮（DataCo1.7數(shù)據(jù)壓縮（續(xù)）自適應(yīng)字典編碼（AdaptiveDictionaryEncoding）：動態(tài)字典編碼；字典可以改變；LZW壓縮，xyxxyxxyxxyx1.7.2圖像壓縮GIF（GraphicInterchangeFormat）：字典編碼系統(tǒng)；有損；256色調(diào)色板（每個顏色3字節(jié)RGB編碼）；LZW（調(diào)色板+像素模式）；適合WebJPEG（JointPhotographicExpertsGroup）：多