第1章--数据存储PPT学习课件.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,主要内容,第,1,章 数据存储,位和,位,存储,主存储器,海,量存储器,用位模式表示信息,二进制系统,整数的储存,小数的储存,数据压缩,通信差错,1,位和位存储,信息是具有多样化的,如：文本、数值、图像、音频、视频等。,在计算机里，信息是由,0,和,1,组成的序列来编码的。,0,和,1,只是符号。,单个的符号,0,和,1,称为,位,（,bit,比特），即二进制数字。,一个比特可以有两种状态,日常生活中有很多两种状态的物体,把位存储到计算机中，需要一种有两个状态的设备，如开关、电容。,2,位和位存储,位模式,是若干二进制位的组合，例如,0111010,0,、,1,两个数字只能表示两种状态,很多,0,、,1,的组合就能表示多种状态,位模式仅仅是一种符号，具体的含义取决于对他们的应用；,对应着,0,、,1,之间的运算,-,布尔运算,3,位和位存储,1.,布尔运算,布尔运算的特点：,布尔运算与算术运算的相似之处,参与运算的对象有两个，结果只有一个,布尔运算与算术运算的不同之处,参与运算的对象本身不同,运算的规则不同,布尔运算的定义：,用数字,0,表示假，用数字,1,表示真，这样就可以将,二进制位的运算看做是对真,/,假值上的运算,，这样的运算称为,布尔运算,（,boolean operation,）。,-,逻辑运算,4,位和位存储,1.,布尔运算,布尔运算的种类：,“,与,（,AND,）,”,运算,“,或,（,OR,）,”,运算,“,异或,（,XOR,）,”,运算,“,非,（,NOT,）,”,运算,5,位和位存储,1.,布尔运算,-AND,OR,，,XOR,“,与,(AND),”,运算：,P AND Q,只有在其两个分句都为真时，结果才为真。,“,或（,OR,）,”,运算：,P OR Q,；,只要有一个分句为真，这个符合语句的结果就是真,“,异或（,XOR,）,”,运算：,P XOR Q,当一个输入为,1,（真），而另一个输入为,0,（假）时，,“,异或,”,运算的值为,1,（真），否则为,0,（假）。,6,位和位存储,1.,布尔运算,-NOT,“,运算,NOT,（非）,”,的输出是输入的相反值：,输入为真时输出为假，反之亦然。,7,位和位存储,2.,门和触发器,门是一种设备,，给出布尔运算的输入值时，可以得到输出值。,门通常是通过微电子电路来实现的，其中数字,0,和,1,有电压电平表示。,门是一种统称，,凡是能完成布尔运算的设备均叫做门,，不管该设备是用什么技术制造的。,门可以用各种技术制造出来，如齿轮、继电器、光学设备,8,位和位存储,2.,门和触发器,“与”、“或”、“异或”和“非”门的图形符号以及它们的输入输出值表,9,位和位存储,2.,门和触发器,上面这样的门为构造计算机提供了构件。,在用这些构件构造计算机时，一个重要的环节是设计称为,触发器,的电路。,触发器,（,flip-flop,）是一个这样的电路，它产生的输出值,0,或,1,能够一直保持,，直到来自另一个电路的,短暂脉冲,的到来才能将它的值改变,10,位和位存储,2.,门和触发器,一个简单的触发器电路,触发器,11,位和位存储,（,a,）将上面的输入置,1,。（,b,）这使“或”门的输出为,1,，接着使“与”门的输出为,1,。,2.,门和触发器,下图中，初始输入均为,0.,在不知道触发器的当前输出情况下，假定上部的输入变为,1,，而下部的输入仍为,0,。,12,位和位存储,2.,门和触发器,（,c,）在上面的输入变为,0,后，由于“与”门的输出为,1,，故“或”门的输出仍为,1,。,考虑给下部输入一个短暂脉冲的一系列跳变情况,13,位和位存储,只要两个输入仍然是,0,，那么它的输出（不论,0,或,1,）都不会改变。,但是，如果在它上部的输入上短暂地置一个,1,，那么将会强制使它的输出为,1,；反之，如果在它下部的输入上短暂地置一个,1,，那么将会强制使它的输出为,0,。,14,位和位存储,2.,门和触发器,触发器的意义在于，它是计算机中存储,一个,二进制位的理想存储构件,。,触发器还可以用其他的门电路的组合来搭建。,搭建触发器的另一个方法,15,位和位存储,3.,十六进制记数法,当考察计算机的内部活动时，我们经常需要接触,流,。,流（,stream,）：长的二进制位串,十六进制计数法,为了简化位模式的表示,利用十六进制的,一个,符号来表示,一个二进制的,4,位模式,16,位和位存储,4.,十六进制记数法,位模式 十六进制,例：,1010010011001000,1010 0100 1100 1000,A4C8,练习：,101001001100100,17,位和位存储,P,17,问题与练习,18,主存储器,为了存储数据，计算机包含一大组电路，每个电路可存放一个二进制位。,计算机内的这个存放二进制,位,的容器就称为主存储器，简称主存,。,19,1.存储器结构,主存储器,存储器中存放二进制位的电路是按照,存储单元,（,cell,）的可管理单位来组织的。,一个存储单元由,8,个存储位,(bit),的电路构成,由很多个存储单元组合在一起构成存储器,一个,8,位的二进制串，我们称之为一个,字节,（,Byte,）,20,主存储器,1.存储器结构,字节型存储单元的结构,21,主存储器,1.存储器结构,为了标识计算机存储器中的一个存储单元，我们给每一个存储单元都赋予唯一的,“,名字,”,，成为,地址,。,地址完全是数字的,并且从,0,开始编号,地址给存储单元赋予了顺序的概念,按,地址,排列的存储器单元,22,1.存储器结构,主存储器,存储器中除了有存储单元,还有一些附加电路,用来控制按照地址对指定的存储单元进行读写操作。,计算机的主存储器是由独立的、可编程的存储单元组成，可以根据需要独立访问每个存储单元。,主存储器通常叫做,随机存取存储器,(RAM),主存储器中的存储单元可以按照随机的顺序存取,23,主存储器,2.存储器容量的度量,计算机采用二进制，所以存储器的度量采用十进制不方便。,但是人们习惯十进制的计量单位，故存储器的度量单位采用,1024,为一个数量级（,2,的,10,次方）。,24,主存储器,2.存储器容量的度量,Kilobyte KB,Megabyte MB,Gigabyte GB,Terabyte TB,Petabyte PB,Exabyte EB,Zettabyte ZB,Yottabyte YB,Nonabyte NB,Doggabyte DB,问题：,我们平常所说的,500GB,的硬盘容量在计算机中会显示,500GB,吗？,25,主存储器,P,20,问题与练习,26,海量存储器,优点：,（,1,）易失性小,（,2,）容量大，价格低,缺点：,（,1,）有机械动作,（,2,）存取数据比较慢,辅助存储器（即：外存）称为海量存储器。,27,海量,存储器,联机设备：,表示设备或信息已经与计算机连接，计算机不需要人为的干预就可以使用。,脱机设备：,设备或信息在可被计算机使用之前需要人为干预。,28,海量,存储器,1.磁盘,29,海量,存储器,磁盘存储系统,读,/,写头,存取臂,臂移动,盘旋转,磁道分为扇区,盘,1.磁盘,30,海量,存储器,1.磁盘,关于磁道、柱面、扇区：,处于不同磁道上的扇区线密度,是,不同的,一个扇区不能用来存储两个,文件的数据,数据是按照柱面的方式组织的,磁道和扇区是通过磁盘格式化形成的,。,31,海量,存储器,1.磁盘,软盘与硬盘的对比：,（,1,）软盘通常作为信息的脱机存储设备；硬盘作为信息的联机存储设备,（,2,）软盘转速慢（,300r/m,），硬盘转速快；因此硬盘读写速度快；,（,3,）软盘读写次数少，易磨损；硬盘读写次数多，不易磨损；,-,硬盘不易磨损的原因：硬盘磁头与盘片不接触,(,处于,“,悬浮,”,状态,),（,4,）软盘不密封；硬盘密封；,-,硬盘密封的原因：硬盘磁头与盘片表面间隙非常小，一粒灰尘都会,造成他们的损坏,(5),硬盘与驱动部件是结合在一起的，而软盘与软驱分离,低容量磁盘，软盘,(floopy disk),高容量磁盘，硬盘,(hard disk),32,海量,存储器,1.磁盘,评估一个磁盘系统的性能有几个指标：（,P21,）,（,1,）,寻道时间,（,seek time,）,:,磁头从一个磁道移动到另一个磁道的时间,（,2,）,旋转延迟,（,rotation relay,）或,等待时间,（,latency time,）：盘片旋转半周所需的时间,（,3,）,存取时间,（,access time,）：寻道时间,+,等待时间,（,4,）,传输速率,（,transfer rate,）：读写数据的速率,电子电路延迟时间以纳秒（十亿分之一秒），而磁盘的寻道时间、等待时间是以毫秒（千分之一秒）度量的，以此从磁盘系统来检索数据所需要的时间相对很长。,33,海量,存储器,2,.磁带,顺序存取设备,磁带存储器结构,读,/,写头,带,带,带走动,带盘,卷带,缺点：数据存取时间比磁盘长，速度慢。不适合做联机存储设备,优点：性价比好，价格便宜。,34,海量,存储器,3,.光盘,（,Compact Disk,）,结构：采用了四层结构形式：底层为聚碳酸酯透明塑料注塑成形的衬盘，在衬底上镀有一层很薄的有机染料记录层，并使用抗腐蚀的金膜做反射层，顶层为涂漆保护层。有些光盘在漆保护层之上还用吸墨材料涂有第五层印刷层，用户可用喷墨打印机直接在,CD,光盘背面打印，也可用软笔进行标注。,光盘记录层中的有机染料对波长为,780nm,的光波具有很强的吸收作用，当波长为,780nm,的大功率激光器输出的聚焦激光束照射在有机染料记录层时，光点处的有机染料将吸收很大的能量，并瞬间将吸收的能量转化成热量，在微区内产生,250,到,400,的高温，使有机染料熔解气化，在塑料衬盘和反射层之间形成一微孔，使下面的反射层完全暴露出来，形成与模压光盘类似的信息凹坑。,35,海量,存储器,3,.光盘,CD,的存储原理：,通过在反射材料上创建反射偏差的的方法在上面记录信息,光道上有很多凸凹不平的地方,只要下一个数据和前一个数据一样就没有凸凹变化；数据不一样则发生凸凹变化,遇到变化时下沿表示,0,，上沿表示,1,CD,的存储格式,数据储存在向外旋转的螺旋形光道上，光道划分为许多单独的扇区。,CD,盘旋转,36,海量,存储器,3,.光盘,举例：,假设光盘上第一位数据是,0,，在随后要存储,10111,，那么我们应该在随后的磁道上刻出什么样的凸凹形状。,37,海量,存储器,3,.光盘,关于光盘的几点说明：,光盘只有一个螺旋形的光道,这个光道划分为很多个扇区，是一种一维的组织方式,光盘的光道具有,相同的线密度,，因此螺旋形的光道上靠外边的环道上存放的信息比靠里边的环道要多,光盘是一种随机存储器,，即可以实现对数据的随机读写,与磁盘相比光盘存储原理更适合连续的读写方式,传统,CD,的容量为,600,700MB,。较新的,DVD,的容量达到几个,GB,。,38,海量,存储器,3,.光盘,几点说明：,光盘只有一个螺旋形的光道,这个光道划分为很多个扇区，是一种一维的组织方式,光盘的光道具有,相同的线密度,，因此螺旋形的光道上靠外边的环道上存放的信息比靠里边的环道要多,光盘是一种随机存储器,，即可以实现对数据的随机读写,与磁盘相比光盘存储原理更适合连续的读写方式,39,海量,存储器,3,.光盘,传统,CD,的容量为,600,700MB,*,DVD-5(12 cm,SS/SL)4.38 gig(4.7 BB),数据,超过,2,小时的视频*,DVD-9(12 cm,SS/DL)7.95 gig(8.5 BB),大约,4,小时*,DVD-10(12 cm,DS/SL)8.75 gig(9.4 BB),大约,4.5,小时*,DVD-14(12 cm,DS/ML)12.33 gig(13.24 BB),大约,6.5,小时*,DVD-18(12 cm,DS/DL)15.90 gig(17 BB),超过,8,小时,提示,:,存储一小时视频平均需要,2G,字节,.,SS/DS,表示单面,/,双面,SL/DL/ML,表示单层,/,双层,/,混合层,(,混合层是指盘片一个面有一层,另一个面有两个层,),gig,就是千兆,(230),BB,表示十亿字节,40,海量,存储器,4.,闪存,用电子信号将二进制位直接送到存储介质中，电子信号使得该介质中的二氧化硅的微小晶格截获电子，从而转换微电子电路的性质。,反复的擦写会逐渐损坏二氧化硅的晶格，因此,不适合做主存,。（主存的内容可能会在,1,秒内被改变多次）,闪存,对物理振动不敏感,，适合便携式应用。,闪存的微容器中的电子能够保存许多年，,适合存储脱机数据。,41,海量,存储器,4.,文件存储和检索,信息是以文件（,file,）为单位进行储存的,。,符合存储系统物理特性的数据块称为,物理记录,（,physical record,）,实际上，物理记录就是存储器组织数据的单位,一般指,扇区,。,自然产生的数据块称为,逻辑记录,（,logical record,）,实际上，逻辑记录就是信息的组织单位。,42,大容量存储器,4.,文件存储和检索,在海量存储系统的信息检索时，先将数据放,在,主存,内作为数据重组的区域,。,这个转换工作是由计算机自己完成的,磁盘上的逻辑记录的大小很少能够与物理记录 的大小相匹配,逻辑记录对应于数据内的自然划分，即文件,物理记录对应于扇区的大小,43,大容量存储器,4.,文件存储和检索,在计算机内部，经常需要在主存储器与大容量存储器之间移动数据。这种数据的移动需要借助,缓冲区。,缓冲区（,buffer,）的概念,是在一个设备向另一个设备传输数据的过程中临时存放数据的区域。,计算机的很多设备都有缓冲区。如：打印机、显卡、显示器、硬盘等。,44,大容量存储器,P,24,问题与练习,45,用位模式表示信息,1.,文本的表示,文本的表示方法是给每一个可能出现在文本中的符号进行,编码,，然后把这些编码存储到计算机里。,20,世纪,40-50,年代，出现了很多这种原理的编码，给不同的机器间通信带来了很多麻烦。,美国国家标准化学会,，对这些编码进行了统一，采用了,美国国家信息交换用标准码（,ASCII,）,。,46,用位模式表示信息,1.,文本的表示,标准,ASCII,码为,7,位，用来表示大小写英文字母、标点符号、,0,9,及控制字符。扩展的,ASCII,码为,8,位,(,在,7,位位模式的最高端加,0),。,（详见附录,A,）,由于,8,位,ASCII,码能表示的符号有限，后来又出现了一些新的编码，其中最著名的是,Unicode,，它采用,16,位的位模式编码，最多能表示,65536,个字符。因此，足以表示世界上常见语言中出现的各种符号。,信息,Hello.,的,ASCII,编码,47,换行,回车,空格,符号,ASCII,码 符号,ASCII,码 符号,ASCII,码,48,用位模式表示信息,1.,文本的表示,一个,仅,由一长串按照ASCII或Unicode编码的符号所组成的文件称为,文本文件,（text file）。,两类文件：文本编辑器、字处理程序,文本文件只包含各个字符的编码，而由字处理程序产生的文件海包含许多专用格式码，用于表示字体的变化、对其信息等。,问题：能否使一个文件的大小为,0,字节？,49,用位模式表示信息,2.,数值的表示,二进制记数法,（,binary notation,）是一种只使用数字,0,和,1,来表示数值的方法。,当所记录的信息只是数值的时候，采用字符编码,(ACSII,码,),的形式存储信息效率比较低，要使用,16,位二进制数。,例如：,25,用,ASCII,码,存储为：,00110010 00110101,25,用,二进制记数法,为：,11001,50,用位模式表示信息,2.,数值的表示,如果,用,ASCII,编码表示,十进制的数值数据，,16,个二进制位能存放的最大数值是多少？,如果,用二进制记数法表示,十进制的数值数据，,16,个二进制位能存放的最大数值是多少？,因此，,数值数据通常是采用二进制记数法的形式存储的，而不是用符号编码。,51,用位模式表示信息,3.,图像的表示,位图技术,（,bit map techniques,）。位图的方法将图像看成是点的集合，每个点称为一个,像素,（,pixel,，是,picture element,的缩写）。,问题,：,如何创建位图？,JPG,文件是位图文件吗？,如何用位图技术将一幅黑白（二值）图像进行编码，并存储到计算机中？,如何用位图技术将一幅彩色图像进行编码，并存储到计算机中？,一幅,N*M,的位图占用存储空间大小的计算,位图的缺点：缩放后会失真,52,用位模式表示信息,3.,图像的表示,矢量技术,（,vector techniques,）。将图像表示成一些几何结构的集合。一张图像表示为一组直线和曲线的集合。,广泛用在字处理系统和,CAD,中。如：,TrueType/PostScript.,矢量技术提供了一种解决这种缩放问题的方法。,但是矢量图还不能提供照片级质量的图像，而位图可以。,53,用位模式表示信息,4.,声音的表示,对音频信息进行编码以便计算机储存和操作的最普通的方法是，,按照固定的时间间隔对声波的振幅进行,采样,，并记录所得到的值序列。,这一技术早在计算机诞生之前就已经被人们所使用,编码的声波,振幅,用序列,0,、,1.5,、,2.0,、,1.5,、,2.0,、,3.0,、,4.0,、,3.0,、,0,表示的声波,54,55,用位模式表示信息,4.,声音的表示,电话系统的采样频率是每秒,8000,次。,音乐,CD,的音质较好，每秒采样,44100,次，每次采样得到的数据用,16,位二进制数表示（立体声需要,32,位），每秒种立体声音乐的录制需要上百万个二进制位。,56,用位模式表示信息,4.,声音的表示,乐器数字化接口,（,Musical Instrument Digital Interface,，,MIDI,），它广泛用在电子键盘的音乐合成器中，用来制作视频游戏的音乐和网站的声效。,是对乐谱编码的一种方法。,57,用位模式表示信息,P,29,问题与练习,58,复习题,P47,1,、,2,、,5,、,6,、,8,、,10,、,11,、,13,、,14,、,16,、,17,、,24,59,二进制系统,1.,二进制记数法,（,a,）十进制,（,b,）二进制,表示,位置的量值,表示,位置的量值,位的量值,位的值,二进制位模式,总和,二进制表示,100101,的解码,十进制系统和二进制系统,60,二进制系统,求,13,的二进制表示,余数,余数,余数,余数,1.,二进制记数法,61,二进制系统,2.,二进制加法,二进制加法规则,62,二进制系统,3.,二进制中的小数,二进制表示,101.101,的解码,二进制位模式,位的值,位的量值,63,用位模式表示信息,P,39,问题与练习,64,整数的储存,1.,二进制补码记数法,65,整数的储存,2.二进制余码记数法,位模式,所表示的值,位模式,所表示的值,余,8,代码转换表,使用长度为,3,的位模式的二进制余码记数法系统,66,小数的储存,1.,浮点记数法,2.,截断误差,浮点记数法的组成,值,的编码,67,数据压缩,1.,通用数据压缩技术,行程编码（,run-length encoding,）,相对编码（,relative encoding,）,频率相关编码（,frequency-dependent encoding,）,霍夫曼编码（,Huffman code,）,Lempel-Ziv,编码（以它的发明者,Abraham Lempel,和,Jacob Ziv,而命名）,自适应字典编码（,adaptive dictionary encoding,）,2.,图像的压缩,GIF,（,Graphic Interchange Format,）,JPEG,（,Joint Photographic Experts Group,）,68,通信差错,1.奇偶校验位,奇偶校验位,A,的,ASCII,码,含有偶数个,1,奇偶校验位,F,的,ASCII,码,含有偶数个,1,总的位模式有奇数个,1,总的位模式有奇数个,1,字母,A,和,F,的,ASCII,码增加了奇校验,69,通信差错,2.差错纠正码,差错纠正码,符号,代码,字符,接收的位模式与正考虑的位模式之间的汉明距离,最小的距离,利用左图的编码解位模式,010100,70,