第三讲信息的编码存储和管理ppt课件

1、第三讲第三讲 信息的编码、存储与管理信息的编码、存储与管理北京大学信息学院2022-4-16北京大学2本讲内容n数制转换及二进制运算数制转换及二进制运算n数制及数制转换、二进制数的运算数制及数制转换、二进制数的运算n数字化原理数字化原理n声音、图像、视频等信息的编码声音、图像、视频等信息的编码n信息的输入与输出信息的输入与输出n键盘键盘/鼠标输入、显示打印输出等等鼠标输入、显示打印输出等等n信息存储的原理及设备信息存储的原理及设备n存储介质、存储器及其工作原理存储介质、存储器及其工作原理n信息的管理信息的管理n文件系统、数据库文件系统、数据库数制转换及二进制运算数制转换及二进制运算2022-4

2、-16北京大学4数制及数制转换数制及数制转换n数制也称计数制，是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。按进位的方法进行计数，称为进位计数制。计算机系统中几种常用进位计数制：n 十位制(Decimal notation)n 二进制(Binary notation)n 八进制(Octal notation)n 十六进制数(Hexdecimal notation)2022-4-16北京大学5数制及数制转换数制及数制转换n十进制数的特点是用十个数码(09)表示所有的数，基数是10，采用逢十进一的记数方法。n二进制数的特点是用两个数码(01)表示所有的数，基数是2，采用逢二进一的记数方法，n八

3、进制数的特点是用八个数码(07)表示所有的数，基数是8，采用逢八进一的记数方法。n十六进制数的特点是用十六个数码(0F)表示所有的数，基数是16，采用逢十六进一的记数方法。2022-4-16北京大学6数制及数制转换数制及数制转换2022-4-16北京大学7例例: 十进制数十进制数253在不同数制下的表示在不同数制下的表示253 = 2102 + 5101 + 3100 = An2n + A(n-1)2(n-1) + + A121 + A020 = Bm8m + B(m-1)8(m-1) + + B181 + B080 = Ck16k+C(k-1)16(k-1) +C1 161+C0 160An

4、A(n-1)A1A0 ： 二进制数二进制数BmB(m-1)B1B0 ： 十进制数十进制数CkC(k-1)C1C0 ： 十六进制数十六进制数数制及数制转换数制及数制转换2022-4-16北京大学8 不同数制之间的转换，实质是基数间的转换。一般转换的原则是：如果两个有理数相等，则两数的整数部分和小数部分一定分别相等。因而，各数制之间进行转换时，通常对整数部分和小数部分分别进行转换。数制及数制转换数制及数制转换2022-4-16北京大学9整数的转换整数的转换数制及数制转换数制及数制转换十进制数转换成二进制数 把十进制数转换为二进制数的方法是：整数转换用“除2取余法”；小数转换用“乘2取整法”。111

5、111012022-4-16北京大学10十进制数转换成二进制数十进制数转换成二进制数 将将(0.745)10转换成四位二进制小数，转换成四位二进制小数，转换过程如下：转换过程如下：0.7452 1.490 取出整数取出整数10.4902 0.980 取出整数取出整数00.9802 1.960 取出整数取出整数10.9602 1.920 取出整数取出整数10.920 转换结束转换结束 这里，第四次乘积的小数部分不为这里，第四次乘积的小数部分不为0，但已满足题目所要求的精度，所以，但已满足题目所要求的精度，所以， (0.745)10 (0.1011)2。显然，在转换。显然，在转换过程中，做的乘法次

6、数越多，结果就越精过程中，做的乘法次数越多，结果就越精确。确。小数的转换小数的转换数制及数制转换数制及数制转换2022-4-16北京大学11十进制数转换成八进制数和十六进制数十进制数转换成八进制数和十六进制数 十进制数转换成八进制数的方法是：整数十进制数转换成八进制数的方法是：整数部分转换采用部分转换采用“除除8取余法取余法”；小数部分转换；小数部分转换采用采用“乘乘8取整法取整法”。 十进制数转换成十六进制数的方法是：整十进制数转换成十六进制数的方法是：整数部分转换采用数部分转换采用“除除16取余法取余法”；小数部分转；小数部分转换采用换采用“乘乘16取整法取整法”。数制及数制转换数制及数制

7、转换2022-4-16北京大学12二进制与八进制及十六进制之间的转换二进制与八进制及十六进制之间的转换数制及数制转换数制及数制转换2022-4-16北京大学13非十进制数转换成十进制数非十进制数转换成十进制数 非十进制数转换成十进制数的方法是，把各非十进制数转换成十进制数的方法是，把各个非十进制数按权展开求和即可。即把二进制个非十进制数按权展开求和即可。即把二进制数或八进制数，或十六进制数写成数或八进制数，或十六进制数写成2或或8或者或者16的各次幂之和的形式，然后计算其结的各次幂之和的形式，然后计算其结果。果。11111101.1011 = 127 + 126 + 125 + 124 + 1

8、23 + 122 + 021 + 120 + 12-1 + 02-2 + 12-3 + 12-4 = 253.6875(375)8 = 382 + 781 + 580 = 253(FD)16 =D161 + F160 = 253.745精度精度原因原因数制及数制转换数制及数制转换2022-4-16北京大学14数制及数制转换数制及数制转换n问题：任意2个数制之间的转换方法？n如15进制数转换为12进制，该如何进行？2022-4-16北京大学15二进制数的运算n在计算机内部，最基本的数制表示是二进制。其运算包括：n算术运算：加、减、乘、除n逻辑运算：与、或、非、异或2022-4-16北京大学16二

9、进制数的算术运算二进制数的算术运算 加法加法减法减法二进制数的运算二进制数的运算2022-4-16北京大学17二进制数的算术运算二进制数的算术运算 乘法乘法除法除法二进制数的运算二进制数的运算(10001111)2(6)10(38)10(6)10(2)102022-4-16北京大学18二进制数的逻辑运算：没有进位，按位运算二进制数的逻辑运算：没有进位，按位运算逻辑非逻辑非 单操作数运算：单操作数运算： 1 0； 0 1逻辑或逻辑或 | 双操作数运算：双操作数运算：0 | 0 = 0；0 | 1 = 1 1 | 0 = 1；1 | 1 = 1逻辑与逻辑与 & 双操作数运算：双操作数运算：0 &

10、0 = 0；0 & 1 = 0 1 & 0 = 0；1 & 1 = 1逻辑异或逻辑异或 双操作数运算：双操作数运算：0 0 = 0；0 1 = 1 1 0 = 1；1 1 = 0! 11010 = 00101 11001 | 01101 11101 11001 & 01101 01001 11001 01101 10100二进制数的运算二进制数的运算数字化原理数字化原理2022-4-16北京大学20q 指令编码q 数值表示q 字符编码q 颜色编码q 声音编码q 图像编码q 影像编码q 基本编码规则数字化原理数字化原理2022-4-16北京大学21“冯.偌依曼体系结构” 的基本思路：采用二进制形

11、式表示数据和指令。程序与数据预先存入主存，工作时连续自动高速顺序执行。即“存储程序思想。由运算器、存储器、控制器、I/O设备五大部分组成。 虽然现实生活中的数据其表现形式多种多样，但在现在的计算机内部，一律采用二进制表示数据和指令。数字化原理数字化原理2022-4-16北京大学22计算机内的数据形式计算机内的数据形式 二进制：存储，基本表示格式。虽然世界上信息的表二进制：存储，基本表示格式。虽然世界上信息的表现形式多种多样，在计算机里它们的形式得到了概括和现形式多种多样，在计算机里它们的形式得到了概括和统一。任何信息在计算机中都以二值的数字形式被存储、统一。任何信息在计算机中都以二值的数字形式

12、被存储、被处理，还通过各种通讯媒体被传输和接收。被处理，还通过各种通讯媒体被传输和接收。 编码：赋予意义，基本的共识性数据，如字符、数值、编码：赋予意义，基本的共识性数据，如字符、数值、颜色、图像、声音、影像等。很多应用程序可以解释它颜色、图像、声音、影像等。很多应用程序可以解释它们。们。 数据结构：复杂数据，各种数据的组合，如数据结构：复杂数据，各种数据的组合，如Word文件、文件、地图等，其中可以包括字符、数字、图像、声音等，往地图等，其中可以包括字符、数字、图像、声音等，往往只有特定的应用软件才能解释。往只有特定的应用软件才能解释。数字化原理数字化原理2022-4-16北京大学23 将计

13、算机内部所能进行的各种基本操作用二进制数表示出来，以便于计算机的识别于运行。如： 加法 00000001 减法 00000010 乘法 00000011 除法 00000100 跳转 00000101 那么：1 + 3 可以表示为 00000001 00000001 000000112 * 4 可以表示为 00000010 00000011 00000100每条指令，都用固定每条指令，都用固定长度的二进制数表示长度的二进制数表示数字化原理数字化原理指令的编码指令的编码2022-4-16北京大学24 在计算机内部，由于要运算等因素，并不是直接以原始的二进制数本身来存储的，而是要经过一定的编码，包

14、括：原码、反码和补码。有关这三种码的含义及其所表示的数据的方式整数和浮点数），有兴趣的同学可以在课后阅读有关文献。 此外，计算机内用来表示数据的二进制位数也不是无限的，往往用固定位数来表示数据，因而，其表达的数据范围是有限的在“程序设计中会涉及）： 8位：025528 - 1） 字节 16位：065535216 - 1） 32位：040亿232 - 1） 64位：天文数字264）数字化原理数字化原理数值的表示数值的表示2022-4-16北京大学25字符的编码字符的编码 ASCII码是美国国家标准信息交换码码是美国国家标准信息交换码(American National Standard Code

15、 for Information Interchange)的简称，是目前国际上使用最广泛的字的简称，是目前国际上使用最广泛的字符编码。符编码。ASCII码的编码规则为：码的编码规则为： 每个字符用每个字符用7位二进制数位二进制数(d6d5d4d3d2d1d0)来表示，来表示，7位二进制共有位二进制共有128种状态种状态(27 = 128 )，可表示，可表示128个字个字符，符，7位编码的取值范围为位编码的取值范围为00000001111111。在计算。在计算机内，每个字符的机内，每个字符的ASCII码用码用1个字节个字节( 8位位)来存放，来存放，字节的最高位字节的最高位( d7)为校验位，通

16、常用为校验位，通常用“ 0来填充，来填充，后后7位位 (d6d5d4d3d2d1d0)为编码值。为编码值。7位编码的位编码的ASCII码字符集包括了码字符集包括了128个字符，称为标准的个字符，称为标准的ASCII码字符码字符集。集。字符编码：字符编码：ASCII码码2022-4-16北京大学26ASCII码码字符编码：字符编码：ASCII码码A：010000012022-4-16北京大学271、常用汉字有30005000个，无法用一个字节编码。2、我国公布的GB2312-80共收集了7445个字符，用两个字节编码表示一个字符，每个字节最高位为0。GB2312-80编码简称国标码。3、汉字内码

17、是汉字在计算机内部存储、处理和传输用的信息编码。它必须与ASCII码兼容但又不能冲突。内码是把国标码两个字节的最高位置“1得到的。字符编码：汉字编码字符编码：汉字编码2022-4-16北京大学28 现实生活中的颜色是连续的、无穷无尽的，但在计算机内部，表达数据的二进制位数是有限的，因而，不可能像字符那样对颜色进行穷举，需要对颜色的连续光谱和其他和视觉有关的连续特性进行离散化。所谓离散化就是把连续量划分为离散的区段，对每一种区段都进行编码。 除受二进制位数限制外，计算机内实际颜色表示还受到硬件设备能力的限制。颜色系统：颜色系统： 单色系统：单色系统：2色色(1位位) 彩色系统彩色系统16色色(4

18、位位)256色色(8位位)真彩色真彩色(16位位/24位位)颜色的编码颜色的编码2022-4-16北京大学29 声音是随时间变化的声波波形。与颜色类似，对声音波形需要进行离散化采样。声波的离散化采样是在两个维度上独立进行的。从时间维上进行时间的离散化按一定的均匀时间间隔采样），同时，每一个采样点的高度值声音波形的振幅也是经过离散化，纪录为n个bit的整数编码。两者合在一起表示了声音波形的编码文件。这种记录声音的方式称为声音的波形编码。 声音的编码声音的编码2022-4-16北京大学30 采样点的时间间隔越小，就与原始波形函数越符合。声音编码中的“采样频率”，指得就是单位时间对声音波形的采样次数

19、。采样频率用Hz赫兹为单位，每秒钟采样500次即为500Hz。显然，采样频率高的声音记录质量会更好一些，为此所用的存储空间也大一些。 音乐CD的采样频率为44.1KHz。为了存储一首4分钟长的歌曲，假定它是双声道，每声道2字节的采样值，一次采样需要占用32bit。这样每1秒钟的音乐就需要441004160K字节，总计需要460160K36MB。需要的存储容量是非常大的。 声音的编码声音的编码2022-4-16北京大学31另一种声音的编码方式另一种声音的编码方式 MIDIMusical Instrument Digital Interface，音乐设备数字接口），音乐设备数字接口）一种电子乐器与

20、电脑之间的编码协议。一种电子乐器与电脑之间的编码协议。MIDI编码并编码并不像波形编码那样记录乐曲每一时刻的声音采样，而不像波形编码那样记录乐曲每一时刻的声音采样，而是将乐曲的演奏信息，譬如使用了何种乐器，什么音是将乐曲的演奏信息，譬如使用了何种乐器，什么音符开始，什么音调结束，加以什么伴奏等记录下来。符开始，什么音调结束，加以什么伴奏等记录下来。在播放时，需要通过在播放时，需要通过MIDI声卡根据声卡根据MIDI编码序列进编码序列进行声音的合成处理，形成波形编码。这是一项高级的行声音的合成处理，形成波形编码。这是一项高级的音响技术，需要软硬件的密切配合。一首音响技术，需要软硬件的密切配合。一

21、首4分钟长度分钟长度的的MIDI音乐纪录，其存储容量只要百余音乐纪录，其存储容量只要百余K字节甚至更字节甚至更少。少。 声音的编码声音的编码2022-4-16北京大学32以颜色码以颜色码为基础，为基础，将原始连将原始连续信息离续信息离散化为网散化为网格点，记格点，记录每个网录每个网格点的颜格点的颜色值。色值。2色色分辨率分辨率图像的编码：点阵表示图像的编码：点阵表示2022-4-16北京大学33图像的编码：点阵表示图像的编码：点阵表示2022-4-16北京大学34不同分辨率、不同颜色编码的图像，其存储量的差别是很大的。图像编码：不同颜色编码的图像图像编码：不同颜色编码的图像2022-4-16北

22、京大学35 点阵表示法的一个重要缺点是，图片中的对象例如，未名湖和图片中一个个像元之间，两者的关系没有表示出来。同时，要得到高质量的图像，数据的存储量需求非常大。 与声音的MIDI编码相类似 ，假如要在一张空白图纸上勾画几个机器零件，最好是直接记录勾画这些零件形状的边界线及其相对位置。日常遇到的工程图、街区分布图、广告创意图等都是可以用线条和一些图形元素，如矩形、圆等基础元素构成的。这种编码方法称为矢量表示法，基本思想是用直线来逼近曲线，用直线段两端点位置表示直线段，而不是记录线上各点。这类方法往往只需要很少的存储量就可以表示一个图形对象。 图像的编码：矢量表示图形）图像的编码：矢量表示图形）

23、2022-4-16北京大学36字体：字体： 宋体宋体 楷体楷体 隶书隶书 仿宋仿宋 字型字形码）：字型字形码）： 点阵：不同大小、不同分辨率点阵：不同大小、不同分辨率 矢量矢量每种字体，都要有相应的字型每种字体，都要有相应的字型图像编码：字符的字体与字型图像编码：字符的字体与字型2022-4-16北京大学37 数字化电影影像主要是由时间上连续序列的数字化图片再加上数字化声音的合成体。影像是在时间和空间上对活动场景的离散采样。影像中的一张图片是对某一时刻场景的空间离散采样，称为影像的一帧。每秒约25帧的连续帧采样就形成影像，这是和人眼的视觉效果有关。通常一秒钟需要采样24帧左右，才能在视觉上感知

24、为连续影像。当每秒钟采集的影像帧再减少，视觉上会有断续感，效果变差。如果多于30帧/秒，视觉基本上没有区别了，因为人眼的分辩能力有限。 影像所需要的存储空间非常大。存储10分钟的640480的真彩色连续影像，按照每秒钟25帧计算，不包括声音信息，需要6404803 byte25帧10分钟60秒个字节，大约14GB( 13824M) 字节。 与影像相比，动画通常是将矢量图形作为每一帧来存储，数据量比之影像要小很多。影像的编码影像的编码2022-4-16北京大学38目标数据集合大小目标数据集合大小 C C 2k则最小则最小K为编码位数为编码位数（例大写字母（例大写字母A, B, C, D, , X

25、, Y, Z共共26个个( 32 = 25)大写字母集合大写字母集合 5 bit的编码集合的编码集合(0000011001)映射规则：不多不少映射规则：不多不少 , 一一对应一一对应映射的不变量：映射的不变量： 序大小保持不变序大小保持不变数字化原理数字化原理基本编码规则基本编码规则二进制位数是关键！二进制位数是关键！2022-4-16北京大学39编码的关键是：编码的关键是： 离散对象类离散对象类 的集合分析的集合分析键盘编码键盘编码 ：分析：分析 构成文字构成文字 的基本元素集的基本元素集大小写字母大小写字母 集合大小集合大小 52数字和标点符号（数字和标点符号（ 可打印标点符号集合可打印标

26、点符号集合 42A B C D E X Y Z a b c d e x y z , ! “ # $ % & ( ) * + - . / 0 .9 : ; ? _ | 一共包括了一共包括了 94 种不同的种不同的可打印可打印符号，二进符号，二进制编码需要制编码需要 7 位。位。数字化原理数字化原理基本编码规则基本编码规则信息的输入与输出信息的输入与输出2022-4-16北京大学41 计算机信息处理过程由信息输入、信息的存储和处理、信息的输出这几个基本步骤组成。 外界的信息种类繁多，因而，计算机获得信息的方式也是多种多样的，展示信息的方法也各不相同计算机需要配备不同的接收信息和展示信息的辅助设备。

27、 信息在计算机内部是以二进制进行存储和处理的，但在外部环境中，信息的含义和存在形式是千差万别的两者之间需要一致起来。信息的输入与输出信息的输入与输出2022-4-16北京大学42计算机系统的信息交换环境计算机系统的信息交换环境信息的输入与输出信息的输入与输出2022-4-16北京大学43 信息输入工作的实质就是把形式纷繁、丰富多彩的信息形式统统转化为计算机内部二进制数字形式。 计算机系统信息处理的二值特性以及信息的编码方式，决定了硬件的输入设备的基本原理。不同的输入设备，根据其输入信息的编码特点，利用其自身的物理电路特性，完成需采集信息的二进制编码采集，并通过缆线传输到计算机内部 。信息的输入

28、信息的输入2022-4-16北京大学44输入设备将采集的信息转换成二进制根据信息的编码规则）信息以二进制形式输入计算机信息的输入信息的输入2022-4-16北京大学45q 输入设备产生信号q 通过连接线路进入计算机q 操作系统与输入设备驱动程序协作，接收输入信号q 应用软件或操作系统本身对输入信号进行解释处理、编码q 应用软件或操作系统将编码后的数据存储到存储设备中q 必要的时候，应用软件或操作系统从存储设备中读取出来，进行解码，并通过相关输出设备显示出来通信线路二进制流输入设备计算机内部硬件的作用软件的作用每种设备都能产生每种设备都能产生自己的二进制信号自己的二进制信号信息的输入信息的输入2

29、022-4-16北京大学46信息的输入信息的输入2022-4-16北京大学47 计算机的输入信息，按其用途，可以分为以下几类： 计算机程序 数据：计算机程序处理的对象，如文字、数值、图形图像、声音、等等。 操作命令：与计算机操作系统的交互 用户响应：与应用程序的交互信息的输入信息的输入2022-4-16北京大学48常用的输入设备常用的输入设备 键盘键盘 指点设备：鼠标、轨迹球、轨迹杆、触摸板指点设备：鼠标、轨迹球、轨迹杆、触摸板 扫描仪扫描仪 手写板手写板 麦克风：声音采集设备，与声卡配合使用麦克风：声音采集设备，与声卡配合使用 摄像头摄像头 数字化仪数字化仪信息的输入信息的输入2022-4-

30、16北京大学49 计算机信息处理所得到的结果应该采取某种形式送往外部世界，供人们使用。计算机的输出就是要把结果信息以方便的形式呈现在人们面前。 “输出过程要解决的问题是进行信息表示形式的转换，刚好与“输入过程相反，是要恢复信息的本来面目：即输出设备利用其自身的物理电路特性，将二进制信息变换为人们易于接受和理解的视听形式或其他形式）。信息的输出信息的输出2022-4-16北京大学50信息以二进制形式从计算机输出由输出设备将二进制信息展示出来（根据信息的编码还要做适当的转换）信息的输出信息的输出2022-4-16北京大学51q 应用软件或操作系统从存储设备或其他渠道中读取信息q 应用软件或操作系统

31、将信息转换成输出设备相关的人们易于接受信息形式q 操作系统与输出设备驱动程序协作，产生输出设备所需的输出信号q 通过连接线路进入输出设备q 输出设备接收信号，并以自己的方式展示出来：屏幕、纸、声音等通信线路二进制流输出设备计算机内部硬件的作用软件的作用每种设备都能接收每种设备都能接收自己的二进制信号自己的二进制信号信息的输出信息的输出2022-4-16北京大学52信息的输出信息的输出2022-4-16北京大学53 可视化就是把信息表现为用户阅览思考所适用的形式。 最典型的两种可视输出形式是： “文本形式 “图形形式目前另外一种广泛的非可视输出形式就是“声音”。另外两个输出概念针对可视输出）：软

32、拷贝：输出到显示器屏幕硬拷贝：输出到纸上信息的输出信息的输出2022-4-16北京大学54信息的输出信息的输出2022-4-16北京大学55常用的输出设备常用的输出设备 显示器显示器 投影仪投影仪 打印机打印机 绘图仪绘图仪 音箱：发声设备，与声卡配合使用音箱：发声设备，与声卡配合使用信息的输出信息的输出2022-4-16北京大学56q 设备连接q 连接电缆q 连接端口：并口、串口、USB口、扩展卡q 设备驱动程序q 设备的安装q 即插即用设备q 控制面板添加/删除硬件设备驱动程序）q 操作系统的设备管理：控制面板系统硬件设备管理q 设备的属性输入输出设备的连接与安输入输出设备的连接与安装装计

33、算机信息的表示与存储计算机信息的表示与存储2022-4-16北京大学58信息的保存、信息的共享与传播、信息的查找与使用信息的保存、信息的共享与传播、信息的查找与使用 大脑：兴奋大脑：兴奋/知觉知觉/多次刺激多次刺激/联想记忆联想记忆/遗忘遗忘(随时间而随时间而衰亡衰亡) 纸张等其他介质：传播、复制、修改、查询纸张等其他介质：传播、复制、修改、查询 计算机信息存储：数字化信息，网络传输与共享计算机信息存储：数字化信息，网络传输与共享 计算机信息的表示与存储计算机信息的表示与存储2022-4-16北京大学59计算机信息的表示与存储计算机信息的表示与存储 计算机通过二进制数计算机通过二进制数0/1序

34、列来表示信息序列来表示信息 计算机存储设备：利用半导体固态材料、磁性材料、计算机存储设备：利用半导体固态材料、磁性材料、光学材料和其他各种可兹利用的物理介质光学材料和其他各种可兹利用的物理介质 根据材料的不同，有些设备需要电源才能保持存储能根据材料的不同，有些设备需要电源才能保持存储能力硅半导体存储），有些则不需要铁磁存储、光力硅半导体存储），有些则不需要铁磁存储、光存储）存储） 存储设备半导体存储设备半导体/磁性材料使用电磁力保持物质磁性材料使用电磁力保持物质状态状态( 0 or 1)，从而达到存储信息的目的，一般不会，从而达到存储信息的目的，一般不会由于外界干扰力而丢失，不会因时间而衰亡；

35、由于外界干扰力而丢失，不会因时间而衰亡； 外界使用外界使用 读读命令，可以读出其状态命令，可以读出其状态 0 or 1，但不，但不破坏其原有物质状态；破坏其原有物质状态； 外界使用外界使用 写写命令，可以改变其状态命令，可以改变其状态 0 or 1，使其，使其物质状态发生变化物质状态发生变化01 or 10）；）；计算机信息的表示与存储计算机信息的表示与存储2022-4-16北京大学60 物理的存储部件和配套的控制设备是计算机存储系统的物质基础存储器的硬件），它们和配套的软件一起，共同构成了计算机的存储系统。 计算机信息的表示与存储计算机信息的表示与存储2022-4-16北京大学61存储容量的

36、量化单位存储容量的量化单位 位位bit）：计算存储的基本单位，表示）：计算存储的基本单位，表示0/1的基本单位的基本单位 字节字节Byte）：）：8个个bit为为1字节字节 千字节千字节KB）：存储容量一般使用）：存储容量一般使用2的整数幂次，所以的整数幂次，所以1KB表表示的是示的是210 = 1024个字节。个字节。 兆字节兆字节MB，Mega Byte）：百万字节，）：百万字节，220字节字节 千兆吉字节千兆吉字节GB，Giga Byte）：十亿字节，）：十亿字节，230字节字节 兆兆字节兆兆字节TB，Tera Byte）：万亿字节，）：万亿字节，240字节字节 通常在市场上购买存储设备

37、时，其标出的容量单位是按十通常在市场上购买存储设备时，其标出的容量单位是按十进制换算的。粗略地进制换算的。粗略地1KB1000B，1MB1000KB，1GB1000MB，1TB1000GB。 现在的存储需求已经达到了现在的存储需求已经达到了PB级：级：1PB1000TB。计算机信息的表示与存储计算机信息的表示与存储2022-4-16北京大学62计算机系统基本结构计算机系统基本结构计算机信息的分层存储原计算机信息的分层存储原理理2022-4-16北京大学63与信息存储有关的部件CPU(寄存器）高速缓存高速缓存主存储器外存储器 主存储器里存放正在运行的程序和数据，而在外围存储器外存，包括硬磁盘、软

38、磁盘、光盘、和磁带等则存放着更大量的备用信息。计算机系统所需要的系统软件和应用软件都存储在外存储器中。 计算机信息的分层存储原计算机信息的分层存储原理理2022-4-16北京大学64存储器硬件的金字塔结构存储器硬件的金字塔结构寄存器高速缓存主存储器软磁盘硬盘其它外存设备速度越来越快速度越来越快容量越来越大容量越来越大计算机信息的分层存储原计算机信息的分层存储原理理2022-4-16北京大学65寄存器寄存器位于金字塔顶端的是计算机中工作速度最快位于金字塔顶端的是计算机中工作速度最快又最紧缺的存储资源：又最紧缺的存储资源：CPU中的中的“寄存器寄存器”。“寄存器是高速存储单元，其工作速度与寄存器是

39、高速存储单元，其工作速度与信息处理的运算部件合拍，一次存取数据所信息处理的运算部件合拍，一次存取数据所花费的时间大约是从零点一纳秒到十纳秒的花费的时间大约是从零点一纳秒到十纳秒的量级。从信息传输的通路上看，寄存器与处量级。从信息传输的通路上看，寄存器与处理部件距离最理部件距离最 近，处理部件执行指令时一近，处理部件执行指令时一般都直接对寄存器进行操作。这样的寄存器般都直接对寄存器进行操作。这样的寄存器制作成本很高，一个制作成本很高，一个CPU芯片中通常只配备芯片中通常只配备几十个寄存器也有的芯片含寄存器数量更几十个寄存器也有的芯片含寄存器数量更多一些）。多一些）。计算机信息的分层存储原计算机信

40、息的分层存储原理理2022-4-16北京大学66主存储器主存储器从塔尖往下一个层次，是主存储器常简称从塔尖往下一个层次，是主存储器常简称为为“主存或主存或“内存内存”），计算机系统工作），计算机系统工作时主存里存放着与当前工作有关的程序和数时主存里存放着与当前工作有关的程序和数据。主存储器目前采用超大规模集成电路技据。主存储器目前采用超大规模集成电路技术制造的半导体存储芯片组成，主存储器访术制造的半导体存储芯片组成，主存储器访问一次读写一次的时间通常在几十纳秒问一次读写一次的时间通常在几十纳秒的数量级。今天主存的存储芯片一般被安装的数量级。今天主存的存储芯片一般被安装制成标准存储模块俗称制成标

41、准存储模块俗称“内存条内存条”），以），以一个或一组模块为单位安装到计算机印一个或一组模块为单位安装到计算机印制电路板例如微机的主机板的标准插槽制电路板例如微机的主机板的标准插槽里。有限数量的主板存储模块插槽对计算机里。有限数量的主板存储模块插槽对计算机的主存储器最大容量是一种限制。计算机系的主存储器最大容量是一种限制。计算机系统一个重要功能指标就是主存容量的大小，统一个重要功能指标就是主存容量的大小，在其他指标相同的情况下，主存储器大的计在其他指标相同的情况下，主存储器大的计算机能够运行更大的程序，速度也更快。算机能够运行更大的程序，速度也更快。计算机信息的分层存储原计算机信息的分层存储原理

42、理2022-4-16北京大学67高速缓存高速缓存 与与 CPU 工作节拍相比，主存储器的速度显工作节拍相比，主存储器的速度显得太慢（得太慢（“速度比一般是一比十），这种速度比一般是一比十），这种情况使主存访问速度成为制约情况使主存访问速度成为制约 CPU 能力发能力发挥的一个主要因素。由于挥的一个主要因素。由于 CPU 每执行一条每执行一条指令都要由存储器取指令，指令执行中还可指令都要由存储器取指令，指令执行中还可能需要存取相关数据。也就是说，在一条指能需要存取相关数据。也就是说，在一条指令执行过程中，令执行过程中，CPU 可能几次访问主存储器，可能几次访问主存储器，访问花费的时间当然都是指令

43、执行所花费时访问花费的时间当然都是指令执行所花费时间的一部分。由于主存储器跟不上间的一部分。由于主存储器跟不上 CPU 的的节拍，那就会使节拍，那就会使 CPU 空闲等待。虽然今天空闲等待。虽然今天已经有制造速度更高的存储器的技术，但由已经有制造速度更高的存储器的技术，但由于生产成本过高，不适宜用于生产大容量的于生产成本过高，不适宜用于生产大容量的主存储器芯片。主存储器芯片。 为了缓和为了缓和CPU与主存储器之间的速度矛盾，与主存储器之间的速度矛盾，在在 CPU 和主存储器之间设置一个缓冲性的和主存储器之间设置一个缓冲性的高速存储部件硬件），这个部件称为高速高速存储部件硬件），这个部件称为高速

44、缓存简称缓存简称“缓存缓存”，英文词是，英文词是cache）。）。 命中和失误命中和失误计算机信息的分层存储原计算机信息的分层存储原理理2022-4-16北京大学68外部存储设备外部存储设备金字塔中，位于主存储器下面一个层次的是金字塔中，位于主存储器下面一个层次的是各种外围存储设备，包括常见的磁盘、磁带、各种外围存储设备，包括常见的磁盘、磁带、光盘存储器等。这些存储器的共同特点是存光盘存储器等。这些存储器的共同特点是存储容量大，单位存储价格便宜。外存储器采储容量大，单位存储价格便宜。外存储器采用磁性的或其他的方式存储信息，其存储方用磁性的或其他的方式存储信息，其存储方式的一个重要特点就是非易失

45、性，不需要外式的一个重要特点就是非易失性，不需要外部提供能量就可以保持存储媒介上的信息不部提供能量就可以保持存储媒介上的信息不丢失。另一方面，这类存储设备的数据访问丢失。另一方面，这类存储设备的数据访问速度比主存储器慢得多。外存储器的这些特速度比主存储器慢得多。外存储器的这些特点正好与主存互为补充，共同支撑着整个计点正好与主存互为补充，共同支撑着整个计算机存储体系的有效功能。算机存储体系的有效功能。计算机信息的分层存储原计算机信息的分层存储原理理2022-4-16北京大学69寄存器、高速缓存、主存储器是计算机系统进行信息处理时所需要的临时信息存储设备，因而，这类往往需要加载电源才能工作，一旦掉

46、电，就不能保存任何信息。而外存储器则往往具有非易失性，不需要外部提供能量就可以保持存储媒介上的信息不丢失。CPU(寄存器）高速缓存主存储器外存储器计算机信息的分层存储原计算机信息的分层存储原理理外部存储设备的结构特点和工作原理外部存储设备的结构特点和工作原理2022-4-16北京大学71q 软盘及软驱q 硬磁盘q 磁带及磁带机q 光盘及光盘驱动器q 优盘及闪存卡外部存储设备的结构特点和工作原理外部存储设备的结构特点和工作原理2022-4-16北京大学72铁磁体的工作原理铁磁体的工作原理2022-4-16北京大学73面surface，道track，扇区sector磁性外部存储设备的基本结构磁性外

47、部存储设备的基本结构 SectorTrack (0,1,)2022-4-16北京大学74软盘软盘 外观图示）外观图示） 金属片滑门金属片滑门 驱动磁盘旋转的卡子驱动磁盘旋转的卡子 写保护写保护 磁道，扇区和柱面磁道，扇区和柱面 尺寸、容量尺寸、容量5.25：360K/1.2M3.5：1.44M/2.88M软盘外观与结构软盘外观与结构2022-4-16北京大学75 软盘驱动器的读写操作方式与软盘存储结构有紧密关系。软盘驱动器的读写操作方式与软盘存储结构有紧密关系。 在软盘上存储信息是以扇区为信息单位成批进行的。一个扇区的位置地址由它所在的盘面编号、磁道编号和扇区在磁道中的位置编号三者联合确定。在

48、软盘上存储信息是以扇区为信息单位成批进行的。一个扇区的位置地址由它所在的盘面编号、磁道编号和扇区在磁道中的位置编号三者联合确定。 当需要读写某扇区的信息时，首先需通过机械动作把磁头移到相应的磁道位置，然后磁头静止不动在原地等待，直到软盘上要读写的扇区旋转到磁头下的时候，实际的读写操作才开始进当需要读写某扇区的信息时，首先需通过机械动作把磁头移到相应的磁道位置，然后磁头静止不动在原地等待，直到软盘上要读写的扇区旋转到磁头下的时候，实际的读写操作才开始进行。行。 由此可见，磁盘读写动作过程分为三个阶段：磁头定位磁道）、扇区定位和实际读写。每个阶段花费的时间长短很不相同：完成第一个阶段所需时间依赖于

49、执行前磁头的位置与被读写由此可见，磁盘读写动作过程分为三个阶段：磁头定位磁道）、扇区定位和实际读写。每个阶段花费的时间长短很不相同：完成第一个阶段所需时间依赖于执行前磁头的位置与被读写区块所在的磁道两者之间的间隔距离；在第二个阶段，由于等待磁盘旋转，所需时间依赖于磁头移到该磁道时目标区段的实际位置，平均为软盘旋转一圈时间的一半。与主存访问速度小区块所在的磁道两者之间的间隔距离；在第二个阶段，由于等待磁盘旋转，所需时间依赖于磁头移到该磁道时目标区段的实际位置，平均为软盘旋转一圈时间的一半。与主存访问速度小于于0.1 微秒相比，软盘平均读写速度实在是太慢，有微秒相比，软盘平均读写速度实在是太慢，有

50、100万倍左右的速度差。（同一柱面的内容读写万倍左右的速度差。（同一柱面的内容读写磁头无须移动，可加快速度）磁头无须移动，可加快速度）软盘的读写软盘的读写2022-4-16北京大学76读写头硬盘外观硬盘外观硬盘结构硬盘结构 面面surface 道道track 扇区扇区sector 柱面柱面cylinder硬盘的外观与结构硬盘的外观与结构2022-4-16北京大学77 硬盘采用批量存储信息方式，以扇区为存储单位。扇区的“地址可以通过磁道柱面号、读写头号也就是盘面的编号）、以及磁道内的扇区编号三者组合确定。 访问硬盘信息的过程分为：移动磁头到相应柱面位置磁头定位）、等待扇区定位和实际读写三个阶段。

51、硬盘的磁头动作速度快、盘片转速高，因此它的信息访问速度大大高于软磁盘。今天常见的高速硬盘，平均访问时间在几毫秒到十几毫秒之间，是软盘速度的几十到一百倍。但是也应当看到，即使如此，硬盘访问速度与主存访问速度之间仍然有一万倍以上的速度差。硬盘读写硬盘读写2022-4-16北京大学78 在微机上，硬盘的命名符号依次被规定为C盘、D盘、等。随着技术的进 步，硬磁盘存储容量越来越大，磁盘信息管理的难度也随之增大。为此人们开发了一套技术，可以把一个大的硬盘划分为若干个较小的“逻辑盘”，当作多个盘使用。这样做实际上是把一个“物理的”、实在的硬盘划分成几个存储部分，使每个部分用起来就像是一个独立的硬盘一样。从

52、计算机用户的角度看，这些逻辑盘与真正的硬盘没有任何差别，它们也各被赋予一个名字盘符，例如C、D、E、F等），可以象普通硬盘一样使用。硬盘如何划分完全由计算机系统管理者根 据系统需要确定。微型机的大硬盘通常也划分为多个逻辑盘。硬盘的逻辑分区硬盘的逻辑分区2022-4-16北京大学79巨磁电阻效应n1988年，费尔和格林贝格尔各自独立发现了“巨磁电阻效应：非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化。n当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助“巨磁电阻效应，人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然

53、能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。n2019年，第一个基于“巨磁电阻效应的数据读出头问世，并很快引发了硬盘的“大容量、小型化革命。2019年度诺贝尔物理学奖法国科学家法国科学家阿尔贝阿尔贝费尔费尔德国科学家彼得德国科学家彼得格林贝格尔格林贝格尔硬盘体积越来越小硬盘体积越来越小容量越来越大容量越来越大2022-4-16北京大学80磁带的外观：盒式与盘式磁带的外观：盒式与盘式磁带信息存储方式磁带信息存储方式磁带的外观及信息存储方式2022-4-16北京大学81 磁带作为存储介质的一个主要缺点是信息查找速度慢。当计算机要访问磁带时，必须先向前或向后快速卷动磁带，把要访问信息块，区段的开始位置

54、移到磁头下面，这个过程称为磁带定位，定位完成后才能进行正式的读写。磁带定位时间依具体情况而定，常常要数秒钟或者更长时间。但磁带在高速运动起来以后读写速度也相当快，高性能磁带机可能达到每秒几兆字节。所以磁带是一种适合顺序读写，而不适合做那种需要反复前后查找后再读写的介质。磁带的特点磁带的特点2022-4-16北京大学82 光盘存储器简称“光盘”）是利用激光原理存储和读取信息的媒介。光盘片用塑料制成，塑料中间夹入了一层薄而平整的铝膜，通过铝膜上极细微的凹坑记录信息。 早期光盘里的信息是光盘制作时在盘面上一次性形成的，只能读出 使用，不能重新写入。工厂通过压制方法生产光盘时，将信息以凹坑形式生成在铝

55、膜上，成为永久的信息记录。一片普通5只读光盘可以存放650MB的信息。只读光盘是一种非常好的可以长期保存的存储介质，今天许多商品软件和信息资料都被制成光盘销售。 现在另外一种较常使用的光盘是可刻录光盘，但数据一旦进入光盘，其所占用的空间是不能释放的。 目前，可读写光盘也已投放市场，但价格较贵。光盘光盘2022-4-16北京大学83光盘表面：光盘表面：0/1光盘外观光盘外观光盘驱动器工作原理光盘驱动器工作原理光盘外观及读写工作原理光盘外观及读写工作原理2022-4-16北京大学84 优盘，又称闪存卡，是一种采用闪存Flash Memory和USBUniversal Serial Bus接口技术相

56、结合的存储设备。 闪存是一种学名为EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)的半导体存储设备，微型计算机主板上的BIOS芯片就是一种电可擦写的闪存芯片。 USB是一种能够保证把计算机内部的IDE硬盘总线与外部的存储设备互连互通的接口技术。 优盘类似于磁盘存储，具有非易失的存储特点，在无电源的条件下所存储信息也不会丢失。优盘比软盘和光盘的尺寸更为小巧，便于随身携带，是一种很好的移动存储设备。优盘和闪存卡优盘和闪存卡2022-4-16北京大学85优盘和闪存卡：优盘和闪存卡：16M x G移动硬盘移动硬盘各种优盘和闪存卡各

57、种优盘和闪存卡2022-4-16北京大学86外部存储设备与计算机的连接方式外部存储设备与计算机的连接方式 软盘：软驱软盘：软驱 光盘：光驱光盘：光驱 硬盘硬盘 固定硬盘：数据总线固定硬盘：数据总线 移动硬盘：移动硬盘：USB接口接口 磁带：磁带机磁带：磁带机 优盘：优盘：USB接口接口外部存储设备的结构特点和工作原理外部存储设备的结构特点和工作原理信息的管理信息的管理2022-4-16北京大学88 外存储设备硬件构成了信息存储的物质基础，怎样将物理存储的信息有效地组织和管理起来，便于人们使用，是计算机系统必须面临的一个重要问题。在计算机系统中，是通过文件和文件系统软件来组织和管理存储在外存储设

58、备硬件上的信息的。 信息的管理信息的管理文件系统文件系统2022-4-16北京大学89 一个文件指的是包装在一起的一组信息，这些信息保存在外存储器中，存储在一起，作为一个整体被命名，可以独立地被使用、修改、更新和删除，一个文件通常总是和与它有关的某些应用工作联系在一起的。 一个文件的内容可以是一个能运行的应用程序、一篇文章、一个图形、一段数字化的声音信号、或者任何一批相关的有用数据，如此等等。 文件的大小用这个文件所包含信息的字节数来计算。文件系统文件系统2022-4-16北京大学90 外存储器中总是存储着许多文件，其中很多文件是计算机系统工作的基础，包括各种程序各种系统软件和各种应用程序等）

59、，程序工作时所需要使用的各种数据。 文件是计算机系统的重要资源。在存储时，除了文件本身的信息内容外，系统里还需要存储与文件相关的一些重要属性信息，包括： 文件名：文件的名字 类型：所存储的信息类别 位置：信息在存储器中存放的位置 大小：文件的长度，用字节数为单位计算 其他：文件创建者、创建时间、修改时间，等等文件系统文件系统2022-4-16北京大学91n文件的分类n文本文件：字符n二进制文件：应用程序、图形/图像文件、声音文件、n可执行文件n数据文件：往往与特定的应用软件相关联n与应用软件匹配的各种类型的数据文件n例如：Word - *.doc 文件系统文件系统2022-4-16北京大学92

60、 文件管理是由“文件系统软件它是操作系统的一个子系统，文件管理也是操作系统的一项基本工作完成的。文件系统涉及计算机的文件的结构和文件的组织，以及负责管理文件的软件系统，一般把这两者的总和称为计算机的文件系统。文件系统需要解决两个方面的问题： 一方面要能够有效地利用外存储器硬件的存储能力，适应多种外存储设备的硬件的不同工作方式和特点； 另一方面，要为文件的管理以及在文件上的各种各样的操作提供有效地支持。 文件系统文件系统2022-4-16北京大学93 目前，在各种操作系统里，都采用同样的方式来分类组织文件：用一种称为目录目前，在各种操作系统里，都采用同样的方式来分类组织文件：用一种称为目录Dir