信息技術(shù)導(dǎo)論課件

信息技術(shù)導(dǎo)論

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

目標(biāo)位、位的運(yùn)算和位的存儲(chǔ)主存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和容量各種常見海量存儲(chǔ)器不同形式信息的表示整數(shù)的存儲(chǔ)小數(shù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)壓縮通信差錯(cuò)目標(biāo)位、位的運(yùn)算和位的存儲(chǔ)1.1位和位存儲(chǔ)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(hào)，可表示任意東西1.1.1布爾運(yùn)算（BooleanOperation）0表示假值；1表示真值。位的運(yùn)算轉(zhuǎn)換成真/假值的操作，即布爾運(yùn)算。3個(gè)布爾運(yùn)算：AND（與）、OR（或）、XOR（異或）ANDxANDy當(dāng)且僅當(dāng)x和y都為1時(shí)，結(jié)果為1，其他情況為0ORxORy當(dāng)且僅當(dāng)x和y都為0時(shí)，結(jié)果為0，其他情況為1XORxXORy當(dāng)且僅當(dāng)x和相異時(shí)，結(jié)果為1，其他情況為01.1位和位存儲(chǔ)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(chǔ)（續(xù)）1.1.2門和觸發(fā)器門（Gate）是一種進(jìn)行布爾運(yùn)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(shí)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(yùn)算】

門是構(gòu)建計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)件觸發(fā)器（Flip-flop）例子：數(shù)字電路設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域、抽象工具（基本構(gòu)件）；位存儲(chǔ)方法1.1.3十六進(jìn)制計(jì)數(shù)法（HexadecimalNotation）長的位串稱為流（Stream）用十六進(jìn)制計(jì)數(shù)法簡化長位串的寫法，易讀1.1位和位存儲(chǔ)（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(chǔ)（續(xù)）十六進(jìn)制編碼系統(tǒng)位模式 十六進(jìn)制表示位模式 十六進(jìn)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(chǔ)（續(xù)）十六進(jìn)制編碼系統(tǒng)1.2主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（MainMemory）包含大量電路（如觸發(fā)器），每一個(gè)電路能夠存儲(chǔ)單獨(dú)的一個(gè)位。1.2.1存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)以存儲(chǔ)單元（Cell）為基本單位，每Cell容量8位，一個(gè)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(shí)為地址（Address），從0開始編址，順序整個(gè)存儲(chǔ)器里的位可以看做是一個(gè)很長的位串存放二進(jìn)制位的電路+讀寫電路Cell可以獨(dú)立存取，按照任意順序存取主存儲(chǔ)器稱為隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM（RandomAccessMemory）1.2主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（MainMemory）包含大量電1.2主存儲(chǔ)器（續(xù)）動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM（DynamicRAM）：存儲(chǔ)快速消散的微小電子，刷新電路反復(fù)補(bǔ)充電子，不穩(wěn)定。同步動(dòng)態(tài)RAM：SDRAM1.2.2存儲(chǔ)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(chǔ)器（續(xù)）動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM（DynamicR1.3海量存儲(chǔ)器海量存儲(chǔ)器（MassStorage），輔助存儲(chǔ)器：CD、磁盤、DVD、磁帶、閃存海量存儲(chǔ)器穩(wěn)定、容量大、價(jià)格低聯(lián)機(jī)（Online）和脫機(jī)（Offline）描述設(shè)備從計(jì)算上的移除聯(lián)機(jī)：設(shè)備或信息已和計(jì)算機(jī)連接，不需要人工干預(yù)就可以使用脫機(jī)：必須先有人工干預(yù)，設(shè)備和信息才可以被計(jì)算機(jī)使用海量存儲(chǔ)器一般需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)，RAM通過電子器件實(shí)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(chǔ)器海量存儲(chǔ)器（MassStorage），輔1.3海量存儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)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(jī)；3.5英寸1.44MB硬盤：多個(gè)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(shí)間（SeekTime）：磁頭從一個(gè)道移到另一個(gè)道所需時(shí)間等待時(shí)間（LatencyTime）或旋轉(zhuǎn)延遲（RotationDelay）：盤片旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間的一半1.3海量存儲(chǔ)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(chǔ)器（續(xù)）存取時(shí)間（AccessTime）：尋道時(shí)間+等待時(shí)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(jī)械運(yùn)動(dòng)（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(jī)聯(lián)機(jī)、讀寫方式1.3海量存儲(chǔ)器（續(xù)）存取時(shí)間（AccessTime）：信息技術(shù)導(dǎo)論ppt課件1.3海量存儲(chǔ)器（續(xù)）1.3.2光學(xué)系統(tǒng)光盤（CompactDisk）：由涂著光潔保護(hù)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(shí)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(chǔ)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(chǔ)容量為2KB，相對(duì)于1/75秒的音樂一致線性密度（存儲(chǔ)能力達(dá)到最大），外緣存儲(chǔ)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(dòng)器適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率的變化不適宜于隨機(jī)存?。贿m合處理長且連續(xù)的數(shù)據(jù)CD容量幾百M(fèi)BDVD（DigitalVersatileDisk）：由多個(gè)半透明的層面構(gòu)成1.3海量存儲(chǔ)器（續(xù)）1.3.2光學(xué)系統(tǒng)1.3海量存儲(chǔ)器（續(xù)）1.3.3閃存驅(qū)動(dòng)器磁學(xué)和光學(xué)系統(tǒng)共同特性：通過物理運(yùn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)磁盤/帶、移動(dòng)磁頭、掃描激光束）存取信息閃存（FlashMemory）：用電子信號(hào)將二進(jìn)制位存儲(chǔ)在介質(zhì)中，電子信號(hào)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(jī)反復(fù)擦寫或損壞晶格，不適宜于主存儲(chǔ)器，不如光盤可靠適用于消費(fèi)電子設(shè)備1.3海量存儲(chǔ)器（續(xù)）1.3.3閃存驅(qū)動(dòng)器1.3海量存儲(chǔ)器（續(xù)）1.3.4文件存儲(chǔ)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(chǔ)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(gè)段落等）邏輯記錄有字段（Field）組成，標(biāo)識(shí)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(shí)緩存數(shù)據(jù)區(qū)域；打印緩沖區(qū)1.3海量存儲(chǔ)器（續(xù)）1.3.4文件存儲(chǔ)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(gè)符號(hào)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(diǎn)符號(hào)、數(shù)字和控制字符。8位擴(kuò)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(hào)ISO制定的32位模式文本文件（TextFile）：由ASCII或Unicode編碼符號(hào)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(chǔ)數(shù)值效率低，如數(shù)值365，需要3個(gè)字節(jié)，共24位二進(jìn)制計(jì)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(jìn)制補(bǔ)碼（Two’sComplement）表示整數(shù)；浮點(diǎn)（FloatPoint）計(jì)數(shù)法表示實(shí)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(diǎn)，每一個(gè)點(diǎn)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(duì)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(gè)像素用一組位（通常8個(gè)）表示，顯示不同的灰色陰影或灰度彩色圖像每個(gè)像素用一組位表示，顯示該像素的外觀或顏色RGB編碼：每個(gè)像素表示為3種顏色成分，一個(gè)字節(jié)表示每一個(gè)顏色成分的亮度，3字節(jié)表示一個(gè)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(jī)位圖技術(shù)缺點(diǎn)：伸縮不易（使用變大像素的方法增大圖像，數(shù)碼相機(jī)的數(shù)字變焦技術(shù)；光學(xué)變焦技術(shù)調(diào)整相機(jī)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(chǔ)容量??；對(duì)什么樂器演奏什么音符以及多長時(shí)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(chǔ)二進(jìn)制補(bǔ)碼計(jì)數(shù)法1.5整數(shù)存儲(chǔ)二進(jìn)制補(bǔ)碼計(jì)數(shù)法1.5整數(shù)存儲(chǔ)（續(xù)）最左邊的位為符號(hào)位（SignBit），符號(hào)位1表示負(fù)，符號(hào)位0表示非負(fù)加法運(yùn)算符號(hào)位和數(shù)值位一起參加運(yùn)算：一致電路處理減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換成加法運(yùn)算加法電路和取負(fù)電路實(shí)現(xiàn)加減法運(yùn)算溢出（Overflow）問題（計(jì)算得出的數(shù)值超出了可以表示的數(shù)值范圍）：4位補(bǔ)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(hào)位判斷是否溢出：兩正數(shù)加符號(hào)位為負(fù)；兩負(fù)數(shù)加符號(hào)位為正表示更大數(shù)值：更多位；度量單位1.5整數(shù)存儲(chǔ)（續(xù)）最左邊的位為符號(hào)位（SignBit）信息技術(shù)導(dǎo)論ppt課件1.5整數(shù)存儲(chǔ)（續(xù)）二進(jìn)制余碼計(jì)數(shù)法1.5整數(shù)存儲(chǔ)（續(xù)）二進(jìn)制余碼計(jì)數(shù)法1.6小數(shù)存儲(chǔ)1.6.1浮點(diǎn)（FloatPoint）計(jì)數(shù)法1字節(jié)表示1位符號(hào)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(hào)：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(chǔ)1.6.1浮點(diǎn)（FloatPoint）計(jì)數(shù)1.6小數(shù)存儲(chǔ)（續(xù)）規(guī)范化形式（NormalizedForm）：從最左邊二進(jìn)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?cái)嗾`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(jì)算2.5+1/8+1/8=?商用軟件先計(jì)算相差小的兩數(shù)之和1.6小數(shù)存儲(chǔ)（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(gè)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(gè)1，然后200個(gè)0，接著300個(gè)1頻率相關(guān)編碼（Frequency-dependentEncoding）：無損；表示數(shù)據(jù)項(xiàng)目的位模式的長度與這個(gè)項(xiàng)目使用頻率相反；赫夫曼編碼（HuffmanCode）；英文中字母頻率不同相對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)單元相對(duì)于前一個(gè)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(duì)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(dòng)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(gè)顏色3字節(jié)RGB編碼）；LZW（調(diào)色板+像素模式）；適合WebJPEG（JointPhotographicExpertsGroup）：多