第三讲 信息的编码、存储与管理

第三讲信息的编码、存储与管理北京大学信息学院1/11/20231北京大学本讲内容数制转换及二进制运算数制及数制转换、二进制数的运算数字化原理声音、图像、视频等信息的编码信息的输入与输出键盘/鼠标输入、显示打印输出等等信息存储的原理及设备存储介质、存储器及其工作原理信息的管理文件系统、数据库1/11/20232北京大学数制转换及二进制运算1/11/20233北京大学数制及数制转换数制也称计数制，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：

十位制(Decimalnotation)

二进制(Binarynotation)

八进制(Octalnotation)

十六进制数(Hexdecimalnotation)1/11/20234北京大学数制及数制转换十进制数的特点是用十个数码(0～9)表示所有的数，基数是10，采用逢十进一的记数方法。二进制数的特点是用两个数码(0～1)表示所有的数，基数是2，采用逢二进一的记数方法，八进制数的特点是用八个数码(0～7)表示所有的数，基数是8，采用逢八进一的记数方法。十六进制数的特点是用十六个数码(0～F)表示所有的数，基数是16，采用逢十六进一的记数方法。1/11/20235北京大学数制及数制转换1/11/20236北京大学例:十进制数253在不同数制下的表示253=2×102+5×101+3×100

=An×2n+A(n-1)×2(n-1)+…+A1×21+A0×20

=Bm×8m+B(m-1)×8(m-1)+…+B1×81+B0×80

=Ck×16k+C(k-1)×16(k-1)+…+C1×161+C0×160AnA(n-1)…A1A0

：二进制数BmB(m-1)…B1B0

：十进制数CkC(k-1)…C1C0

：十六进制数数制及数制转换1/11/20237北京大学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。因此，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1/11/20238北京大学整数的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”。111111011/11/20239北京大学十进制数转换成二进制数将(0.745)10转换成四位二进制小数，转换过程如下：0.745×2＝1.490取出整数1(最高位)0.490×2＝0.980取出整数00.980×2＝1.960取出整数10.960×2＝1.920取出整数1(最低位)0.920转换结束这里，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，(0.745)10≈(0.1011)2。显然，在转换过程中，做的乘法次数越多，结果就越精确。小数的转换数制及数制转换1/11/202310北京大学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：整数部分转换采用“除8取余法”；小数部分转换采用“乘8取整法”。十进制数转换成十六进制数的方法是：整数部分转换采用“除16取余法”；小数部分转换采用“乘16取整法”。数制及数制转换1/11/202311北京大学二进制与八进制及十六进制之间的转换数制及数制转换1/11/202312北京大学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2（或8或者16）的各次幂之和的形式，然后计算其结果。11111101.1011=1×27+1×26+1×25+1×24+1×23+1×22+0×21+1×20+1×2-1+0×2-2+1×2-3+1×2-4

=253.6875(375)8=3×82+7×81+5×80=253(FD)16=D×161+F×160=253.745精度原因数制及数制转换1/11/202313北京大学数制及数制转换问题：任意2个数制之间的转换方法？如7进制数转换为12进制，该如何进行？1/11/202314北京大学二进制数的运算在计算机内部，最基本的数制表示是二进制。其运算包括：算术运算：加、减、乘、除逻辑运算：与、或、非、异或1/11/202315北京大学二进制数的算术运算

加法减法二进制数的运算1/11/202316北京大学二进制数的算术运算

乘法除法二进制数的运算(10001111)2(6)10(38)10(6)10(2)101/11/202317北京大学二进制数的逻辑运算：没有进位，按位运算逻辑非~

单操作数运算：~1＝0；~0＝1逻辑或|

双操作数运算：0|0=0；0|1=11|0=1；1|1=1逻辑与&

双操作数运算：0&0=0；0&1=01&0=0；1&1=1逻辑异或^双操作数运算：0^0=0；0^1=11^0=1；1^1=0!11010=00101

11001

|0110111101

11001

&

0110101001

11001

^0110110100二进制数的运算1/11/202318北京大学数字化原理1/11/202319北京大学指令编码数值表示字符编码颜色编码声音编码图像编码影像编码

基本编码规则数字化原理1/11/202320北京大学“冯.偌依曼体系结构”的基本思路：采用二进制形式表示数据和指令。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1/11/202321北京大学计算机内的数据二进制：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统一。任何信息在计算机中都以二值的数字形式被存储、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、颜色、图像、声音、影像等。很多应用程序可以解释它们。数据结构：复杂数据，各种数据的组合，如Word文件、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。数字化原理1/11/202322北京大学将计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……则：1+3可以表示为0000000100000001

000000112*4可以表示为000000100000001100000100每条指令，都用固定长度的二进制数表示数字化原理——指令的编码1/11/202323北京大学在计算机内部，由于要表示符号等因素，因此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，因此，其表达的数据范围是有限的（在“程序设计”中会涉及）：

8位：0～255（28-1）——字节

16位：0～65535（216-1）

32位：0～40亿（232-1）

64位：天文数字（264）数字化原理——数值的表示1/11/202324北京大学字符的编码ASCII码是美国国家标准信息交换码(AmericannationalStandardCodeforInformationInterchange)的简称，是目前国际上使用最广泛的字符编码。ASCII码的编码规则为：每个字符用7位二进制数(d6d5d4d3d2d1d0)来表示，7位二进制共有128种状态(27=128)，可表示128个字符，7位编码的取值范围为0000000～1111111。在计算机内，每个字符的ASCII码用1个字节(8位)来存放，字节的最高位(d7)为校验位，通常用“0”来填充，后7位(d6d5d4d3d2d1d0)为编码值。7位编码的ASCII码字符集包括了128个字符，称为标准的ASCII码字符集。字符编码：ASCII码1/11/202325北京大学ASCII码字符编码：ASCII码A：010000011/11/202326北京大学1、常用汉字有3000～5000个，无法用一个字节编码。2、我国公布的《通用汉字字符集(基本集)及其交换码标准》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1/11/202327北京大学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，因此，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：单色系统：2色(1位)

彩色系统16色(4位)256色(8位)真彩色(16位/24位)颜色的编码1/11/202328北京大学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1/11/202329北京大学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。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44KHz。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44100×4≈160K字节，总计需要4×60×160K≈36MB。需要的存储容量是非常大的。声音的编码1/11/202330北京大学另一种声音的编码方式——MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface，音乐设备数字接口）一种电子乐器与电脑之间的编码协议。MIDI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。在播放时，需要通过MIDI声卡根据MIDI编码序列进行声音的合成处理，形成波形编码。这是一项高级的音响技术，需要软硬件的密切配合。一首4分钟长度的MIDI音乐纪录，其存储容量只要百余K字节甚至更少。声音的编码1/11/202331北京大学以颜色码为基础，将原始连续信息离散化为网格点，记录每个网格点的颜色值。2色分辨率图像的编码：点阵表示1/11/202332北京大学图像的编码：点阵表示1/11/202333北京大学不同分辨率、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1/11/202334北京大学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）1/11/202335北京大学字体：宋体楷体隶书仿宋

…字型（字形码）：点阵：不同大小、不同分辨率矢量每种字体，都要有相应的字型图像编码：字符的字体与字型1/11/202336北京大学数字化电影（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640×480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（640×480×3byte×25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1/11/202337北京大学目标数据集合大小CC≤2k则最小K为编码位数（例）大写字母A,B,C,D,…,X,Y,Z共26个(≤32=25)大写字母集合

5bit的编码集合(00000—11001)映射规则：不多不少,一一对应映射的不变量：序（大小）保持不变数字化原理——基本编码规则二进制位数是关键！1/11/202338北京大学编码的关键是：离散对象类的集合分析键盘编码：分析构成文字的基本元素集大小写字母集合大小52数字和标点符号（可打印标点符号）集合42ABCDE…XYZabcde…xyz,!“#$%&‘()*+-./0….9:;<=>?@[\]^_`{|}~一共包括了94（≤

128＝27）种不同的‘可打印’符号，二进制编码需要7位。数字化原理——基本编码规则1/11/202339北京大学信息的输入与输出1/11/202340北京大学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，因此，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。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1/11/202341北京大学计算机系统的信息交换环境信息的输入与输出1/11/202342北京大学计算机系统的信息交换环境信息的输入与输出1/11/202343北京大学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1/11/202344北京大学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1/11/202345北京大学输入设备产生信号通过连接线路进入计算机操作系统与输入设备驱动程序协作，接收输入信号应用软件或操作系统本身对输入信号进行解释处理、编码应用软件或操作系统将编码后的数据存储到存储设备中必要的时候，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自己的二进制信号信息的输入1/11/202346北京大学信息的输入1/11/202347北京大学计算机的输入信息，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1/11/202348北京大学常用的输入设备

键盘指点设备：鼠标、轨迹球、轨迹杆、触摸板扫描仪手写板

麦克风：声音采集设备，与声卡配合使用摄像头数字化仪信息的输入1/11/202349北京大学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1/11/202350北京大学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1/11/202351北京大学应用软件或操作系统从存储设备（或其他渠道）中读取信息应用软件或操作系统将信息转换成输出设备相关的（人们易于接受）信息形式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通过连接线路进入输出设备输出设备接收信号，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自己的二进制信号信息的输出1/11/202352北京大学信息的输出1/11/202353北京大学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）：软拷贝：输出到显示器屏幕硬拷贝：输出到纸上信息的输出1/11/202354北京大学信息的输出1/11/202355北京大学常用的输出设备显示器投影仪打印机绘图仪

音箱：发声设备，与声卡配合使用信息的输出1/11/202356北京大学设备连接连接电缆连接端口：并口、串口、USB口、扩展卡设备驱动程序设备的安装即插即用设备控制面板→添加/删除硬件（设备驱动程序）操作系统的设备管理：控制面板→系统→硬件→设备管理设备的属性输入输出设备的连接与安装1/11/202357北京大学计算机信息的表示与存储1/11/202358北京大学信息的保存、信息的共享与传播、信息的查找与使用大脑：兴奋/知觉/多次刺激/联想记忆/遗忘(随时间而衰亡)

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的表示与存储1/11/202359北京大学计算机信息的表示与存储计算机通过二进制数0/1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、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力（硅半导体存储），有些则不需要（铁磁存储、光存储）

存储设备（半导体/磁性材料）使用电磁力保持物质状态(0or1)，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；

外界使用‘读’命令，可以读出其状态0or1，但不破坏其原有物质状态；

外界使用‘写’命令，可以改变其状态0or1，使其物质状态发生变化（01or10）；计算机信息的表示与存储1/11/202360北京大学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1/11/202361北京大学存储容量的量化单位

位（bit）：计算存储的基本单位，表示0/1的基本单位字节（Byte）：8个bit为1字节千字节（KB）：存储容量一般使用2的整数幂次，所以1KB表示的是210=1024个字节。兆字节（MB，MegaByte）：百万字节，220字节千兆（吉）字节（GB，GigaByte）：十亿字节，230字节兆兆字节（TB，TeraByte）：万亿字节，240字节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1KB＝1000B，1MB＝1000KB，1GB＝1000MB，1TB＝1000GB。现在的存储需求已经达到了PB级：1PB＝1000TB。计算机信息的表示与存储1/11/202362北京大学计算机系统基本结构计算机信息的分层存储原理1/11/202363北京大学与信息存储有关的部件CPU(寄存器）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理1/11/202364北京大学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容量越来越大计算机信息的分层存储原理1/11/202365北京大学寄存器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：CPU中的“寄存器”。“寄存器”是高速存储单元，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，寄存器与处理部件距离最近，处理部件执行指令时一般都直接对寄存器进行操作。这样的寄存器制作成本很高，一个CPU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多一些）。计算机信息的分层存储原理1/11/202366北京大学主存储器从塔尖往下一个层次，是主存储器（常简称为“主存”或“内存”），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制成标准存储模块（俗称“内存条”），以一个（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理1/11/202367北京大学高速缓存与CPU工作节拍相比，主存储器的速度显得太慢（“速度比”一般是一比十），这种情况使主存访问速度成为制约CPU能力发挥的一个主要因素。由于CPU每执行一条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，在一条指令执行过程中，CPU可能几次访问主存储器，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CPU的节拍，那就会使CPU空闲等待。虽然今天已经有制造速度更高的存储器的技术，但由于生产成本过高，不适宜用于生产大容量的主存储器芯片。为了缓和CPU与主存储器之间的速度矛盾，在

CPU和主存储器之间设置一个缓冲性的高速存储部件（硬件），这个部件称为高速缓存（简称“缓存”，英文词是cache）。命中和失误计算机信息的分层存储原理1/11/202368北京大学外部存储设备金字塔中，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、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。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。计算机信息的分层存储原理1/11/202369北京大学寄存器、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，因此，这类往往需要加载电源才能工作，一旦掉电，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理1/11/202370北京大学外部存储设备的结构特点和工作原理1/11/202371北京大学软盘及软驱硬磁盘磁带及磁带机光盘及光盘驱动器优盘及闪存卡外部存储设备的结构特点和工作原理1/11/202372北京大学铁磁体的工作原理1/11/202373北京大学面surface，道track，扇区sector磁性外部存储设备的基本结构SectorTrack(0,1,…)1/11/202374北京大学软盘外观（图示）金属片滑门驱动磁盘旋转的卡子写保护磁道，扇区和柱面尺寸、容量5.25：360K/1.2M3.5：1.44M/2.88M软盘外观与结构1/11/202375北京大学

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。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。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（小于0.1微秒）相比，软盘平均读写速度实在是太慢，有100万倍左右的速度差。（同一柱面的内容读写——磁头无须移动，可加快速度）软盘的读写1/11/202376北京大学

在硬盘机里有一组（若干片）固定在同一个轴上，同时高速旋转的硬盘片。盘片是铝合金的薄圆片，每个圆片的两个表面都涂附了一层很薄的高性能磁性材料，作为存储信息的介质。象软盘一样，硬盘片表面也分为一个个同心圆磁道，每个磁道又被分成若干区段，只是硬磁盘的存储密度比软盘高得多。以普通微机常用的3.5"硬盘为例，其每个盘片表面可能划分为1000个甚至更多的磁道，每个磁道又分为几十上百个区段，因此一个盘片的存储容量就非常可观。靠近每个盘片的两个表面各有一个读写磁头。这些磁头全部固定在一起，可同时移到磁盘的某个磁道位置。与软盘一样，硬盘的所有盘面处于同一半径的所有同心圆磁道构成一个柱面，这些柱面由外向里顺序编号。硬盘1/11/202377北京大学读写头硬盘外观硬盘结构

面surface

道track

扇区sector

柱面cylinder硬盘的外观与结构1/11/202378北京大学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。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1/11/202379北京大学在微机上，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1/11/202380北京大学巨磁电阻效应1988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。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能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。1997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。2007年度诺贝尔物理学奖法国科学家阿尔贝·费尔德国科学家彼得·格林贝格尔硬盘体积越来越小容量越来越大1/11/202381北京大学数据磁带存储信息的方式与录音机磁带相仿，磁带从固定的磁头下面滑过，电信号流经磁头时产生的磁场使得磁带的某些部分被磁化，将信息记录在磁带上，信息读出的过程正相反。但数据磁带上记录的是数字信息，也就是二进制形式的信息，不像录音磁带，那里记录的是模拟形式的信息。磁带作为数据存储介质需要专门和计算机连用的磁带机。磁带的工作原理1/11/202382北京大学磁带的外观：盒式与盘式磁带信息存储方式磁带的外观及信息存储方式1/11/202383北京大学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1/11/202384北京大学光盘存储器（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1/11/202385北京大学光盘表面：0/1光盘外观光盘驱动器工作原理光盘外观及读写工作原理1/11/202386北京大学优盘，又称闪存卡，是一种采用闪存（FlashMemory）和USB（UniversalSerialBus）接口技术相结合的存储设备。闪存是一种学名为EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory)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1/11/202387北京大学优盘和闪存卡：16M~xG移动硬盘各种优盘和闪存卡1/11/202388北京大学外部存储设备与计算机的连接方式软盘：软驱光盘：光驱硬盘固定硬盘：数据总线移动硬盘：USB接口磁带：磁带机优盘：USB接口外部存储设备的结构特点和工作原理1/11/202389北京大学信息的管理1/11/202390北京大学外存储设备（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备（硬件）上的信息的。信息的管理——文件系统1/11/202391北京大学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1/11/202392北京大学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），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1/11/202393北京大学文件的分类文本文件：字符二进制文件：应用程序、图形/图像文件、声音文件、…可执行文件数据文件：往往与特定的应用软件相关联与应用软件匹配的各种类型的数据文件例如：Word-*.doc文件系统1/11/202394北京大学文件管理是由“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