计算机导论-第二章

1、第二章第二章 数据存储数据存储本章内容本章内容2.1 位和位存储位和位存储2.2 用位模式表示信息用位模式表示信息2.3 数的存储数的存储2.4 主存储器主存储器2.5 海量存储器海量存储器2.6 数据压缩数据压缩2.7 通信差错通信差错2.1 位和位存储位和位存储 位的定义：位的定义：在今天的计算机中，信息是以在今天的计算机中，信息是以0和和1的模式编码的，这些数字就称为位的模式编码的，这些数字就称为位(bit)。比如：比如：“a”的八位模式的的八位模式的ASC码值是码值是“01100001”。 用位存储的信息有用位存储的信息有：数值、其他的字符：数值、其他的字符(标标点符号、字母、点符号、

2、字母、%、&、*、(、)等等) 布尔运算也叫逻辑运算布尔运算也叫逻辑运算 逻辑变量之间的运算，称为逻辑运算。逻辑变量之间的运算，称为逻辑运算。它包括三种基本运算：它包括三种基本运算：逻辑与、逻辑或和逻辑与、逻辑或和逻辑非逻辑非。通过这三种基本运算，可推导出。通过这三种基本运算，可推导出其它逻辑运算，如其它逻辑运算，如异或运算异或运算等等。等等。2.1.1布尔运算布尔运算(1)逻辑与运算逻辑与运算 逻辑与又称为逻辑乘，通常用逻辑与又称为逻辑乘，通常用“ ”表示。它表示。它的运算规则为：的运算规则为： 0 0 = 0 读成读成0与与0等于等于0 0 1 = 0 读成读成0与与1等于等于0

3、1 0 = 0 读成读成1与与0等于等于0 1 1 = 1 读成读成1与与1等于等于1 即：与运算表示，只有参加运算的逻辑变量即：与运算表示，只有参加运算的逻辑变量都同时取值为都同时取值为1时，其与运算结果才等于时，其与运算结果才等于1。(2)逻辑或运算逻辑或运算 逻辑或又称逻辑加，通常用符号逻辑或又称逻辑加，通常用符号“+”来表示，或运算的运算规则如下：来表示，或运算的运算规则如下： 0 + 0 = 0 读成读成0或或0等于等于0 0 + 1 = 1 读成读成0或或1等于等于1 1 + 0 = 1 读成读成1或或0等于等于1 1 + 1 = 1 读成读成1或或1等于等于1 可见，在给定的逻辑

4、量中，只要有一可见，在给定的逻辑量中，只要有一个为个为1，逻辑或的结果就为，逻辑或的结果就为1。 注意：逻辑加与算术加法的运算规律注意：逻辑加与算术加法的运算规律不完全相同。要特别注意，不完全相同。要特别注意，1 + 1 = 1。 (3)逻辑非运算逻辑非运算 逻辑非运算在普通代数中是没有的。逻辑非运算在普通代数中是没有的。在逻辑量上方加横线，在逻辑量上方加横线， “”表示非。其运算规则为：表示非。其运算规则为： 0 = 1 读成非读成非0等于等于1； 1 = 0 读成非读成非1等于等于0 例如室内电灯，不是亮就是灭，只有例如室内电灯，不是亮就是灭，只有这两种可能。这两种可能。 (4)异或运算异

5、或运算 异或运算通常用符号异或运算通常用符号“ ”表示，表示，它的运算规则为：它的运算规则为： 0 0 = 0 读成读成0同同0异或，结果为异或，结果为0 0 1 = 1 读成读成0同同1异或，结果为异或，结果为1 1 0 = 1 读成读成1同同0异或，结果为异或，结果为1 1 1 = 0 读成读成1同同1异或，结果为异或，结果为0+ + + + + + 1)逻辑电路基础逻辑电路基础 能实现逻辑运算的电路称为能实现逻辑运算的电路称为逻辑门电逻辑门电路路(简称门电路简称门电路)，常用的门电路有，常用的门电路有“与与”门、门、“或或”门、门、“非非”门、门、“与非与非”门、门、“或非或非”门、门、

6、“异或异或”门门等。由基本门电路可以按逻等。由基本门电路可以按逻辑设计组合成计算机硬件的基本功能电路，辑设计组合成计算机硬件的基本功能电路，如：触发器、寄存器、计数器、译码器等等。如：触发器、寄存器、计数器、译码器等等。2.1.2门和触发器门和触发器 (1)“与与”门门 实现实现“与与”运算的单元电路叫运算的单元电路叫“与与”门。门。“与与”门的逻辑符号如图所示：门的逻辑符号如图所示： A & F=AB B 其逻辑函数表达式为：其逻辑函数表达式为：F = A B。 例如例如 A=1，B=0，则，则 F = A B = 10 = 0 (2)“或或”门门 实现实现“或或”运算的单元电路叫运

7、算的单元电路叫“或或”门。门。“或或”门的逻辑符号如图所示：门的逻辑符号如图所示： A 1 F=A+B B 其逻辑函数表达式为：其逻辑函数表达式为：F = A + B。 例如例如 A=0，B=0，则，则 F=A+B=0+0=0。 (3)“非非”门门 实现实现“非非”运算的单元电路叫运算的单元电路叫“非非”门，或门，或叫反相器。叫反相器。“非非”门的逻辑符号如图所示：门的逻辑符号如图所示： A 1 F=A 其逻辑函数表达式为：其逻辑函数表达式为：F= A。 例如例如A=1， 则则F = A = 0。(4)“与非与非”门门 “与非与非”门是由门是由“与与”门和门和“非非”门两个单门两个单元电路组合

8、而成的逻辑电路，用以实现元电路组合而成的逻辑电路，用以实现“与非与非”运算。运算。“与非与非”门的逻辑函数表达式为：门的逻辑函数表达式为：F = A B，其逻辑结构和逻辑符号如下图所示。，其逻辑结构和逻辑符号如下图所示。 A AB F=AB A & 1 1 F= AB B B 例如，若例如，若A=1，B=0，则，则 F= A B = 1 0 = 1。 (5)“或非或非”门门 “或非或非”门是由门是由“或或”门和门和“非非”门两门两个单元门电路组合而成，用以实现个单元门电路组合而成，用以实现“或非或非”运算。运算。“或非或非”门逻辑表达式为：门逻辑表达式为：F=A+B，其逻辑结构和逻辑符

9、号如下图所示。其逻辑结构和逻辑符号如下图所示。 A A+B A & 1 F=A+B 1 F=A+B B B 例如，若例如，若A=1，B=0， 则则 F= A+B = 1+0 = 0。(6)“异或异或”门门 其逻辑函数表达式为：其逻辑函数表达式为：F = = A B+，异，异或门的逻辑符号如下图所示。或门的逻辑符号如下图所示。 A =1 FABB 对于给定的输入对于给定的输入A和和B，可以得出，可以得出F=A B。 例如：若例如：若 A=1，B=0， 则则 F= A B= A B+A B = 1 0+ 1 0 = 1 + + + + +2.2 用位模式表示信息用位模式表示信息2.2.1

10、文本的表示文本的表示 ASCII(American Standard Code for Information Interchange )经常扩展经常扩展为为8位位模式，方法就是在位位模式，方法就是在7位位模式位位模式前面加一个前面加一个0。这种编码可以表示大小。这种编码可以表示大小写英文字母、标点符号、数字写英文字母、标点符号、数字09以及以及某些控制字符，如换行、回车与制表某些控制字符，如换行、回车与制表符等。符等。 Unicode：十六位模式表示，可以：十六位模式表示，可以有有65536个不同的位模式。可以表个不同的位模式。可以表示用中文、日文等语言书写的文档示用中文、日文等语言书写的文

11、档资料。资料。 32位模式：由国际标准化组织开发的位模式：由国际标准化组织开发的可能与可能与Unicode竞争的代码标准，该竞争的代码标准，该种编码系统可以表示几十亿个不同的种编码系统可以表示几十亿个不同的符号。符号。2.2.2 数值的表示数值的表示 二进制记数法：为了用与存储文本同二进制记数法：为了用与存储文本同样的存储空间存储范围更广的数。样的存储空间存储范围更广的数。2.2.3 图像的表示图像的表示 位图技术：图像表示为一组点位图技术：图像表示为一组点(像素像素)，一个点用，一个点用一组位表示。一组位表示。 EG：一个点用一个二进制位表示，那么可以把这：一个点用一个二进制位表示，那么可以

12、把这个图像表示为黑白图像；个图像表示为黑白图像； 一个点用八个二进制位表示，那么可以把图一个点用八个二进制位表示，那么可以把图象中灰色不同的地方表示出来；象中灰色不同的地方表示出来； 一个点用三个字节来表示，可以表示一个彩一个点用三个字节来表示，可以表示一个彩色图像。色图像。 缺点：缺点：不能把图像调整到任意大小，当为了增大不能把图像调整到任意大小，当为了增大图像而变大像素的时候，会使图像成为颗粒状。图像而变大像素的时候，会使图像成为颗粒状。 矢量技术：矢量技术： 优点：优点：可以很容易的调整图像的大小，应可以很容易的调整图像的大小，应用也很广泛。用也很广泛。 EG：字处理系统中调整字体大小；

13、：字处理系统中调整字体大小； 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)系统。系统。2.2.4 声音的表示声音的表示 声音的存储：按有规律的时间间隔采样声声音的存储：按有规律的时间间隔采样声波的振幅，并记录所得到的数值序列。这波的振幅，并记录所得到的数值序列。这些数值通过通信线路传输到接收端，用来些数值通过通信线路传输到接收端，用来重现声音。重现声音。 EG：远程语音通信可以用每秒：远程语音通信可以用每秒8000次的采次的采样频率；样频率； 音乐录制的高保真采用每秒音乐录制的高保真采用每秒44100次的次的采样频率；采样频率；2.3 数的存储数的存储2.3.1整数的存储整数的存储 二进制补码记数法

14、二进制补码记数法 无符号整数的原码、反码、补码：无符号整数的原码、反码、补码： 原码：原码：整数对应的二进制数就是原码；整数对应的二进制数就是原码； 无符号整数的原码、反码、补码是相同的。无符号整数的原码、反码、补码是相同的。 符号整数的原码、反码、补码：符号整数的原码、反码、补码： 原码：最高位是原码：最高位是1，其他的位是整数对应的，其他的位是整数对应的二进制数；二进制数； 反码：是原码除最高位外其余所有位的逐反码：是原码除最高位外其余所有位的逐位求反；位求反； EG：(10010101)反反=(11101010) 补码的设计目的是补码的设计目的是: 使符号位能与有效值部分一起参加运算使符

15、号位能与有效值部分一起参加运算,从而简化运算规则；从而简化运算规则； 使减法运算转换为加法运算使减法运算转换为加法运算,进一步简化进一步简化计算机中运算器的线路设计计算机中运算器的线路设计 。补码：将反码加上补码：将反码加上1就得到补码。就得到补码。 EG：(10010101) 原原=(11101011)补补补码解析补码解析 用八位二进制表示数的范围是：用八位二进制表示数的范围是：(-127-0 +0127)共共256个个 EG：(00000001)原原 + (10000001)原原 = (10000010)原原 = ( -2 ) (01111110)原原+ (10000001)原原 =(01

16、111110) 反反+ (11111110)反反 = (01111100)反反 = ( +124 ) 39-56= (00100111)原原+(10111000)原原 =(00100111)反反+(11000111)反反 =(00100111)补补+(11001000)补补=(11101111)补补 =(11101110)(11101110)反反 =(10010001)=(10010001)原原=-17 最高位是最高位是1为正数，最高位为为正数，最高位为0为负数，与二为负数，与二进制补码系统的区别是符号位相反；进制补码系统的区别是符号位相反； 余码计数法的位模式是变化的，如余码计数法的位模式是

17、变化的，如3、4、5；余码记数法余码记数法 用二进制解用二进制解释的时候，释的时候，最高位的最高位的“1”应该表示为：应该表示为：23 ，而余数，而余数记数法将其记数法将其视为正号。视为正号。 负数是由二进负数是由二进制位的制位的0逐步逐步减一得到的，减一得到的，正好与十进制正好与十进制中负数的次序中负数的次序相同；相同；2.3.2小数的存储小数的存储 浮点记数法浮点记数法 与整数的存储相比，带小数部分的数与整数的存储相比，带小数部分的数值存储要求不仅包括该数的二进制表值存储要求不仅包括该数的二进制表示形式的示形式的0和和1的位模式，而且包括二的位模式，而且包括二进制小数点的位置。进制小数点的

18、位置。 下面用一个字节存储的例子来说明浮下面用一个字节存储的例子来说明浮点记数法，点记数法，8位格式是实际系统的代表，位格式是实际系统的代表，并且用于示范重要的概念。并且用于示范重要的概念。 EG：首先指定最高位是符号位，符号位为：首先指定最高位是符号位，符号位为0表示表示存储的值是非负数；为存储的值是非负数；为1表示的值为负数。其次，表示的值为负数。其次，把其余的把其余的7位划分成两组，或是叫字段位划分成两组，或是叫字段(fields)，阶码阶码(或指数或指数)和尾数字段。指定符号位右边的和尾数字段。指定符号位右边的3位位为阶码字段，最后余下的为阶码字段，最后余下的4位是尾数字段。位是尾数字

19、段。 假设字节中包含的位模式是假设字节中包含的位模式是0 1 1 0 1 0 1 10 1 1 0 1 0 1 1，用上述规定的格式来分析该模式。我们看到，符用上述规定的格式来分析该模式。我们看到，符号位为号位为0 0，阶码是，阶码是1 1 01 1 0，尾数是，尾数是1 0 1 11 0 1 1。 为解码该字节，为解码该字节，首先首先提取尾数并把小数点放提取尾数并把小数点放在它的左边，得到：在它的左边，得到： . 1 0 1 1. 1 0 1 1 接下来接下来提取阶码字段内容提取阶码字段内容(1 1 0)(1 1 0)，把它当作，把它当作是是3 3位余码表示形式，所以该阶码字段内容表示的位余

20、码表示形式，所以该阶码字段内容表示的是是+2+2，这就告诉我们要将上步所得的解的小数点，这就告诉我们要将上步所得的解的小数点向右移动两位向右移动两位( (负的阶码意味小数点向左移动负的阶码意味小数点向左移动) )。 最终最终，得到的解是：，得到的解是：1 0 .1 11 0 .1 1。它是。它是2.752.75的二进制表示形式。其次，例子中符的二进制表示形式。其次，例子中符号位为号位为0 0，因此，代表的值是非负数。得出，因此，代表的值是非负数。得出结论是：字节结论是：字节0 1 1 0 1 0 1 10 1 1 0 1 0 1 1表示的是表示的是2.752.75。 用浮点计数法，就要把前面的

21、步骤颠倒过用浮点计数法，就要把前面的步骤颠倒过来！来！ 截断误差截断误差 如果试图用一个字节的浮点系统存储如果试图用一个字节的浮点系统存储2.625，写成二进制形式写成二进制形式10.101。但当填写尾数字段时，。但当填写尾数字段时，超出了尾数字段范围，丢失了最右边的超出了尾数字段范围，丢失了最右边的1，尾数，尾数字段填为字段填为1010。 如果忽略这个问题并且继续填写阶码字段和如果忽略这个问题并且继续填写阶码字段和符号位，最后得到位模式符号位，最后得到位模式01101010，它表示，它表示2.5并非是并非是2.625。这里发生的误差叫做截断误差，意。这里发生的误差叫做截断误差，意思是由于尾数

22、字段的长度不足致使待存储的数值思是由于尾数字段的长度不足致使待存储的数值部分地丢失。部分地丢失。2.4 主存储器主存储器2.4.1存储器结构存储器结构 字节型存储单元结构字节型存储单元结构 高位端高位端 0 1 0 1 1 0 1 0 低位端低位端 最高有效位最高有效位 最低有效位最低有效位 内存一般采用半导体存储单元，包内存一般采用半导体存储单元，包括随机存储器括随机存储器(RAM)(RAM)，只读存储器，只读存储器(ROM)(ROM)，以及高速缓存，以及高速缓存(CACHE)(CACHE)。 只读存储器只读存储器(ROM) ROM表示只读存储器表示只读存储器(Read Only Memor

23、y)，在制造，在制造ROM的时候，信息的时候，信息(数据数据或程序或程序)就被存入并永久保存。这些信息只就被存入并永久保存。这些信息只能读出，一般不能写入，即使机器掉电，能读出，一般不能写入，即使机器掉电，这些数据也不会丢失。这些数据也不会丢失。ROM一般用于存放一般用于存放计算机的基本程序和数据，如计算机的基本程序和数据，如BIOS ROM。其物理外形一般是双列直插式其物理外形一般是双列直插式(DIP)的集成的集成块。块。 随机存储器随机存储器(RAM) 随机存储器随机存储器(Random Access Memory)表表示既可以从中读取数据，也可以写入数据。示既可以从中读取数据，也可以写入

24、数据。当机器电源关闭时，存于其中的数据就会当机器电源关闭时，存于其中的数据就会丢失。我们通常购买或升级的内存条就是丢失。我们通常购买或升级的内存条就是用作电脑的内存，内存条用作电脑的内存，内存条(SIMM)就是将就是将RAM集成块集中在一起的一小块电路板，集成块集中在一起的一小块电路板，它插在计算机中的内存插槽上，以减少它插在计算机中的内存插槽上，以减少RAM集成块占用的空间。集成块占用的空间。 高速缓冲存储器高速缓冲存储器(Cache) Cache也是我们经常遇到的概念，它位于也是我们经常遇到的概念，它位于CPU与内存之间，是一个读写速度比内存更快的与内存之间，是一个读写速度比内存更快的存储

25、器。当存储器。当CPU向内存中写入或读出数据时，这向内存中写入或读出数据时，这个数据也被存储进高速缓冲存储器中。当个数据也被存储进高速缓冲存储器中。当CPU再再次需要这些数据时，次需要这些数据时，CPU就从高速缓冲存储器读就从高速缓冲存储器读取数据，而不是访问较慢的内存，当然，如需要取数据，而不是访问较慢的内存，当然，如需要的数据在的数据在Cache中没有，中没有，CPU会再去读取内存中会再去读取内存中的数据。的数据。 DRAM 是动态随机存储器是动态随机存储器(Dynamic Random Access Memory)，它的集成度较高，功耗也较，它的集成度较高，功耗也较低，但缺点是保存在低，

26、但缺点是保存在DRAM中的信息随着电容器中的信息随着电容器的漏电而会逐渐消失，一般信息保存时间为的漏电而会逐渐消失，一般信息保存时间为2ms左右。为了保存左右。为了保存DRAM中的信息，必须每隔中的信息，必须每隔12ms对其刷新一次。因此，采用对其刷新一次。因此，采用 DRAM的计算机的计算机必须配置动态刷新电路，防止信息丢失。必须配置动态刷新电路，防止信息丢失。DRAM一般用作计算机中的主存储器。一般用作计算机中的主存储器。 SRAM 静态随机存储器静态随机存储器(Static Random Access Memory)的特点是工作速度快，的特点是工作速度快，只要电源不撤除，写入只要电源不撤

27、除，写入SRAM的信息就不的信息就不会消失，不需要刷新电路，同时在读出时会消失，不需要刷新电路，同时在读出时不破坏原来存放的信息，一经写入可多次不破坏原来存放的信息，一经写入可多次读出，但集成度较低，功耗较大。读出，但集成度较低，功耗较大。SRAM一般用来作为计算机中的高速缓冲存储器一般用来作为计算机中的高速缓冲存储器(Cache)。 一个字节一个字节 表示硬盘的一个可以存储的小单表示硬盘的一个可以存储的小单元元 (Byte); 换算公式：换算公式：1Byte=8bit 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB2.4.2存储器容量的度量存储器容量的度

28、量2.5海量存储器海量存储器2.5.1磁学系统磁学系统磁盘性能指标磁盘性能指标 寻道时间：读写磁头从一个道移到另一个寻道时间：读写磁头从一个道移到另一个道的时间；道的时间； 旋转延迟旋转延迟(等待时间等待时间)：盘片旋转一周所需要：盘片旋转一周所需要时间的一半；时间的一半； 存取时间：寻道时间和等待时间之和；存取时间：寻道时间和等待时间之和； 传输速率：从磁盘上读取或写入数据的速传输速率：从磁盘上读取或写入数据的速率。率。2.5.2光学系统光学系统2.5.3闪存驱动器闪存驱动器 闪存主要解决的问题是：不通过物理闪存主要解决的问题是：不通过物理运动来存储和读取信息。运动来存储和读取信息。 主要特点是在不加电的情况下能长期主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息，它既有保持存储的信息，它既有ROM的特点，的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，和重写， 功耗很小。功耗很小。 2.5.4文件存储及检索文件存储及检索 文件：存储信息的较大单元；文件：存储信息的较大单元； 物理记录：符合存储设备特性的数据块；物理记录：符合存储设备特性的数据块； 逻辑记录