信息的編碼存儲與管理課件

2023/9/13北京大學(xué)1注意事項注意事項助教分配已完成，注意看課程網(wǎng)站；Email，電話發(fā)給助教；上交作業(yè)的格式：標(biāo)題、學(xué)號、姓名；2023/8/5北京大學(xué)1注意事項注意事項2023/9/13北京大學(xué)2內(nèi)容回顧前講問題計算機(jī)是什么？馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)是怎樣？操作系統(tǒng)的基本功能是什么？2023/8/5北京大學(xué)2內(nèi)容回顧前講問題第三講信息的編碼、存儲與管理北京大學(xué)

信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院2023年9月13日第三講信息的編碼、存儲與管理2023年8月5日2023/9/13北京大學(xué)4本講內(nèi)容數(shù)制轉(zhuǎn)換及二進(jìn)制運(yùn)算數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算數(shù)字化原理聲音、圖像、視頻等信息的編碼信息的輸入與輸出鍵盤/鼠標(biāo)輸入、顯示打印輸出等等信息存儲的原理及設(shè)備存儲介質(zhì)、存儲器及其工作原理信息的管理文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫2023/8/5北京大學(xué)4本講內(nèi)容數(shù)制轉(zhuǎn)換及二進(jìn)制運(yùn)算數(shù)制轉(zhuǎn)換及二進(jìn)制運(yùn)算數(shù)制轉(zhuǎn)換及二進(jìn)制運(yùn)算2023/9/13北京大學(xué)6數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制也稱計數(shù)制，是指用一組固定的符號和統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)值的方法。按進(jìn)位的方法進(jìn)行計數(shù)，稱為進(jìn)位計數(shù)制。計算機(jī)系統(tǒng)中幾種常用進(jìn)位計數(shù)制：十位制(Decimalnotation)

二進(jìn)制(Binarynotation)

八進(jìn)制(Octalnotation)

十六進(jìn)制數(shù)(Hexdecimalnotation)計算能力等價2023/8/5北京大學(xué)6數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制也稱計數(shù)制，是指2023/9/13北京大學(xué)7數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是用十個數(shù)碼(0～9)表示所有的數(shù)，基數(shù)是10，采用逢十進(jìn)一的記數(shù)方法。二進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是用兩個數(shù)碼(0～1)表示所有的數(shù)，基數(shù)是2，采用逢二進(jìn)一的記數(shù)方法，八進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是用八個數(shù)碼(0～7)表示所有的數(shù)，基數(shù)是8，采用逢八進(jìn)一的記數(shù)方法。十六進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是用十六個數(shù)碼(0～F)表示所有的數(shù)，基數(shù)是16，采用逢十六進(jìn)一的記數(shù)方法。2023/8/5北京大學(xué)7數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)的特點(diǎn)是用十2023/9/13北京大學(xué)8數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換2023/8/5北京大學(xué)8數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換2023/9/13北京大學(xué)9例:十進(jìn)制數(shù)253在不同數(shù)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

：二進(jìn)制數(shù)BmB(m-1)…B1B0

：十進(jìn)制數(shù)CkC(k-1)…C1C0

：十六進(jìn)制數(shù)數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換2023/8/5北京大學(xué)9例:十進(jìn)制數(shù)253在不同數(shù)制下的2023/9/13北京大學(xué)10

不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)質(zhì)是基數(shù)間的轉(zhuǎn)換。一般轉(zhuǎn)換的原則是：如果兩個有理數(shù)相等，則兩數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分一定分別相等。因此，各數(shù)制之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，通常對整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換。數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換2023/8/5北京大學(xué)10不同數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換，2023/9/13北京大學(xué)11整數(shù)的轉(zhuǎn)換數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)把十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)的方法是：整數(shù)轉(zhuǎn)換用“除2取余法”；小數(shù)轉(zhuǎn)換用“乘2取整法”。111111012023/8/5北京大學(xué)11整數(shù)的轉(zhuǎn)換數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換11112023/9/13北京大學(xué)12十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)將(0.745)10轉(zhuǎn)換成四位二進(jìn)制小數(shù)，轉(zhuǎn)換過程如下：0.745×2＝1.490取出整數(shù)10.490×2＝0.980取出整數(shù)00.980×2＝1.960取出整數(shù)10.960×2＝1.920取出整數(shù)10.920轉(zhuǎn)換結(jié)束這里，第四次乘積的小數(shù)部分不為0，但已滿足題目所要求的精度，所以，(0.745)10≈(0.1011)2。顯然，在轉(zhuǎn)換過程中，做的乘法次數(shù)越多，結(jié)果就越精確。小數(shù)的轉(zhuǎn)換數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換2023/8/5北京大學(xué)12十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)小數(shù)的轉(zhuǎn)換2023/9/13北京大學(xué)13十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)的方法是：整數(shù)部分轉(zhuǎn)換采用“除8取余法”；小數(shù)部分轉(zhuǎn)換采用“乘8取整法”。十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)的方法是：整數(shù)部分轉(zhuǎn)換采用“除16取余法”；小數(shù)部分轉(zhuǎn)換采用“乘16取整法”。數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換2023/8/5北京大學(xué)13十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制2023/9/13北京大學(xué)14二進(jìn)制與八進(jìn)制及十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換2023/8/5北京大學(xué)14二進(jìn)制與八進(jìn)制及十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)2023/9/13北京大學(xué)15非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)的方法是，把各個非十進(jìn)制數(shù)按權(quán)展開求和即可。即把二進(jìn)制數(shù)（或八進(jìn)制數(shù)，或十六進(jìn)制數(shù)）寫成2（或8或者16）的各次冪之和的形式，然后計算其結(jié)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精度原因數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換2023/8/5北京大學(xué)15非十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù).7452023/9/13北京大學(xué)16數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換問題：任意2個數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換方法？如15進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為12進(jìn)制，該如何進(jìn)行？2023/8/5北京大學(xué)16數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換問題：任意2個數(shù)制2023/9/13北京大學(xué)17二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算在計算機(jī)內(nèi)部，最基本的數(shù)制表示是二進(jìn)制。其運(yùn)算包括：算術(shù)運(yùn)算：加、減、乘、除邏輯運(yùn)算：與、或、非、異或2023/8/5北京大學(xué)17二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算在計算機(jī)內(nèi)部，最基2023/9/13北京大學(xué)18二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算

加法減法二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算2023/8/5北京大學(xué)18二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算加法減法二進(jìn)2023/9/13北京大學(xué)19二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算

乘法除法二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算(10001111)2(6)10(38)10(6)10(2)102023/8/5北京大學(xué)19二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算乘法除法二進(jìn)2023/9/13北京大學(xué)20二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算：沒有進(jìn)位，按位運(yùn)算邏輯非~

單操作數(shù)運(yùn)算：~1＝0；~0＝1邏輯或|

雙操作數(shù)運(yùn)算：0|0=0；0|1=11|0=1；1|1=1邏輯與&

雙操作數(shù)運(yùn)算：0&0=0；0&1=01&0=0；1&1=1邏輯異或^雙操作數(shù)運(yùn)算：0^0=0；0^1=11^0=1；1^1=0!11010=0010111001

|011011110111001

&

011010100111001

^0110110100二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算2023/8/5北京大學(xué)20二進(jìn)制數(shù)的邏輯運(yùn)算：沒有進(jìn)位，按數(shù)字化原理數(shù)字化原理2023/9/13北京大學(xué)22“馮.偌依曼體系結(jié)構(gòu)”的基本思路：由運(yùn)算器、存儲器、控制器、I/O設(shè)備五大部分組成。程序與數(shù)據(jù)預(yù)先存入主存，工作時連續(xù)自動高速順序執(zhí)行。即“存儲程序”思想。采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令。雖然現(xiàn)實(shí)生活中的數(shù)據(jù)其表現(xiàn)形式多種多樣，但在現(xiàn)在的計算機(jī)內(nèi)部，一律采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令。數(shù)字化原理2023/8/5北京大學(xué)22“馮.偌依曼體系結(jié)構(gòu)”的基本思常見的數(shù)據(jù)類型常見的數(shù)據(jù)類型計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示法位(bit):存儲在計算機(jī)中的最小數(shù)據(jù)單位,0或1位模式:表示數(shù)據(jù)的位序列,或位流字節(jié)(byte):長度為8的位模式稱為字節(jié)計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表示法2023/9/13北京大學(xué)25

指令編碼數(shù)值表示字符編碼聲音編碼圖像編碼影像編碼基本編碼規(guī)則數(shù)字化原理2023/8/5北京大學(xué)25指令編碼數(shù)字化原理2023/9/13北京大學(xué)26

將計算機(jī)內(nèi)部所能進(jìn)行的各種基本操作用二進(jìn)制數(shù)表示出來，以便于計算機(jī)的識別于運(yùn)行。如：加法00000001

減法00000010

乘法00000011

除法00000100

跳轉(zhuǎn)00000101……則：1+3可以表示為0000000100000001000000112*4可以表示為000000100000001100000100每條指令，都用固定長度的二進(jìn)制數(shù)表示數(shù)字化原理——指令的編碼2023/8/5北京大學(xué)26將計算機(jī)內(nèi)部所能進(jìn)行的各2023/9/13北京大學(xué)27

在計算機(jī)內(nèi)部，由于要運(yùn)算等因素，并不是直接以原始的二進(jìn)制數(shù)本身來存儲的，而是要經(jīng)過一定的編碼，包括：原碼、反碼和補(bǔ)碼。有關(guān)這三種碼的含義及其所表示的數(shù)據(jù)的方式（整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)），有興趣的同學(xué)可以在課后閱讀有關(guān)文獻(xiàn)。此外，計算機(jī)內(nèi)用來表示數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)也不是無限的，往往用固定位數(shù)來表示數(shù)據(jù)，因此，其表達(dá)的數(shù)據(jù)范圍是有限的（在“程序設(shè)計”中會涉及）：

8位：0～255（28-1）——

字節(jié)

16位：0～65535（216-1）

32位：0～40億（232-1）

64位：天文數(shù)字（264）數(shù)字化原理——數(shù)值的表示2023/8/5北京大學(xué)27在計算機(jī)內(nèi)部，由于要2023/9/13北京大學(xué)28字符的編碼ASCII碼是美國國家標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼(AmericanNationalStandardCodeforInformationInterchange)的簡稱，是目前國際上使用最廣泛的字符編碼。ASCII碼的編碼規(guī)則為：每個字符用7位二進(jìn)制數(shù)(d6d5d4d3d2d1d0)來表示，7位二進(jìn)制共有128種狀態(tài)(27=128)，可表示128個字符，7位編碼的取值范圍為0000000～1111111。在計算機(jī)內(nèi)，每個字符的ASCII碼用1個字節(jié)(8位)來存放，字節(jié)的最高位(d7)為校驗位，通常用“0”來填充，后7位(d6d5d4d3d2d1d0)為編碼值。7位編碼的ASCII碼字符集包括了128個字符，稱為標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼字符集。字符編碼：ASCII碼2023/8/5北京大學(xué)28字符的編碼ASCII碼是美國2023/9/13北京大學(xué)29ASCII碼字符編碼：ASCII碼A：010000012023/8/5北京大學(xué)29ASCII碼字符編碼：ASCII2023/9/13北京大學(xué)301、常用漢字有3000～5000個，無法用一個字節(jié)編碼。2、我國公布的《通用漢字字符集(基本集)及其交換碼標(biāo)準(zhǔn)》GB2312-80共收集了7445個字符，用兩個字節(jié)編碼表示一個字符，每個字節(jié)最高位為0。GB2312-80編碼簡稱國標(biāo)碼。3、漢字內(nèi)碼是漢字在計算機(jī)內(nèi)部存儲、處理和傳輸用的信息編碼。它必須與ASCII碼兼容但又不能沖突。內(nèi)碼是把國標(biāo)碼兩個字節(jié)的最高位置“1”得到的。字符編碼：漢字編碼2023/8/5北京大學(xué)301、常用漢字有3000～50002023/9/13北京大學(xué)31

聲音是隨時間變化的聲波波形。與顏色類似，對聲音波形需要進(jìn)行離散化采樣。聲波的離散化采樣是在兩個維度上獨(dú)立進(jìn)行的。從時間維上進(jìn)行時間的離散化（按一定的均勻時間間隔采樣），同時，每一個采樣點(diǎn)的高度值（聲音波形的振幅）也是經(jīng)過離散化，紀(jì)錄為n個bit的整數(shù)編碼。兩者合在一起表示了聲音波形的編碼文件。這種記錄聲音的方式稱為聲音的波形編碼。聲音的編碼2023/8/5北京大學(xué)31聲音是隨時間變化的聲2023/9/13北京大學(xué)32

采樣點(diǎn)的時間間隔越小，就與原始波形函數(shù)越符合。聲音編碼中的“采樣頻率”，指得就是單位時間對聲音波形的采樣次數(shù)。采樣頻率用Hz（赫茲）為單位，每秒鐘采樣500次即為500Hz。顯然，采樣頻率高的聲音記錄質(zhì)量會更好一些，為此所用的存儲空間也大一些。音樂CD的采樣頻率為44.1KHz。為了存儲一首4分鐘長的歌曲，假定它是雙聲道，每聲道2字節(jié)的采樣值，一次采樣需要占用32bit。這樣每1秒鐘的音樂就需要44100×4≈160K字節(jié)，總計需要4×60×160K≈36MB。需要的存儲容量是非常大的。聲音的編碼2023/8/5北京大學(xué)32采樣點(diǎn)的時間間隔越小2023/9/13北京大學(xué)33以顏色碼為基礎(chǔ)，將原始連續(xù)信息離散化為網(wǎng)格點(diǎn)，記錄每個網(wǎng)格點(diǎn)的顏色值。2色分辨率圖像的編碼：點(diǎn)陣表示2023/8/5北京大學(xué)33以顏色碼為基礎(chǔ)，將原始連續(xù)信息離2023/9/13北京大學(xué)34圖像的編碼：點(diǎn)陣表示2023/8/5北京大學(xué)34圖像的編碼：點(diǎn)陣表示2023/9/13北京大學(xué)35

數(shù)字化電影（影像）主要是由時間上連續(xù)序列的數(shù)字化圖片再加上數(shù)字化聲音的合成體。影像是在時間和空間上對活動場景的離散采樣。影像中的一張圖片是對某一時刻場景的空間離散采樣，稱為影像的一幀。每秒約25幀的連續(xù)幀采樣就形成影像，這是和人眼的視覺效果有關(guān)。通常一秒鐘需要采樣24幀左右，才能在視覺上感知為連續(xù)影像。當(dāng)每秒鐘采集的影像幀再減少，視覺上會有斷續(xù)感，效果變差。如果多于30幀/秒，視覺基本上沒有區(qū)別了，因為人眼的分辯能力有限。影像所需要的存儲空間非常大。存儲10分鐘的640×480的真彩色連續(xù)影像，按照每秒鐘25幀計算，不包括聲音信息，需要（640×480×3byte×25幀×10分鐘×60秒）個字節(jié)，大約14GB(13824M)字節(jié)。與影像相比，動畫通常是將矢量圖形作為每一幀來存儲，數(shù)據(jù)量比之影像要小很多。影像的編碼2023/8/5北京大學(xué)35數(shù)字化電影（影像）主要2023/9/13北京大學(xué)36目標(biāo)數(shù)據(jù)集合大小CC≤2k則最小K為編碼位數(shù)（例）大寫字母A,B,C,D,…,X,Y,Z共26個(≤32=25)大寫字母集合

5bit的編碼集合(00000—11001)映射規(guī)則：不多不少,一一對應(yīng)映射的不變量：序（大小）保持不變數(shù)字化原理——基本編碼規(guī)則二進(jìn)制位數(shù)是關(guān)鍵！2023/8/5北京大學(xué)36目標(biāo)數(shù)據(jù)集合大小C數(shù)字化原理—2023/9/13北京大學(xué)37編碼的關(guān)鍵是：離散對象類的集合分析鍵盤編碼：分析構(gòu)成文字的基本元素集大小寫字母集合大小52數(shù)字和標(biāo)點(diǎn)符號（可打印標(biāo)點(diǎn)符號）集合42ABCDE…XYZabcde…xyz,!“#$%&‘()*+-./0….9:;<=>?@[\]^_`{|}~一共包括了94種不同的‘可打印’符號，二進(jìn)制編碼需要7位。數(shù)字化原理——基本編碼規(guī)則2023/8/5北京大學(xué)37編碼的關(guān)鍵是：離散對象類的集信息的輸入與輸出信息的輸入與輸出2023/9/13北京大學(xué)39

信息輸入工作的實(shí)質(zhì)就是把形式紛繁、豐富多彩的信息形式統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)化為計算機(jī)內(nèi)部二進(jìn)制數(shù)字形式。計算機(jī)系統(tǒng)信息處理的二值特性以及信息的編碼方式，決定了硬件的輸入設(shè)備的基本原理。不同的輸入設(shè)備，根據(jù)其輸入信息的編碼特點(diǎn)，利用其自身的物理電路特性，完成需采集信息的二進(jìn)制編碼采集，并通過纜線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)內(nèi)部。信息的輸入2023/8/5北京大學(xué)39信息輸入工作的實(shí)質(zhì)就2023/9/13北京大學(xué)40輸入設(shè)備將采集的信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制（根據(jù)信息的編碼規(guī)則）信息以二進(jìn)制形式輸入計算機(jī)信息的輸入2023/8/5北京大學(xué)40輸入設(shè)備將采集的信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制2023/9/13北京大學(xué)41

輸入設(shè)備產(chǎn)生信號通過連接線路進(jìn)入計算機(jī)操作系統(tǒng)與輸入設(shè)備驅(qū)動程序協(xié)作，接收輸入信號應(yīng)用軟件或操作系統(tǒng)本身對輸入信號進(jìn)行解釋處理、編碼應(yīng)用軟件或操作系統(tǒng)將編碼后的數(shù)據(jù)存儲到存儲設(shè)備中必要的時候，應(yīng)用軟件或操作系統(tǒng)從存儲設(shè)備中讀取出來，進(jìn)行解碼，并通過相關(guān)輸出設(shè)備顯示出來通信線路二進(jìn)制流輸入設(shè)備計算機(jī)內(nèi)部硬件的作用軟件的作用每種設(shè)備都能產(chǎn)生自己的二進(jìn)制信號信息的輸入2023/8/5北京大學(xué)41輸入設(shè)備產(chǎn)生信號通信線路二進(jìn)制2023/9/13北京大學(xué)42信息的輸入2023/8/5北京大學(xué)42信息的輸入2023/9/13北京大學(xué)43

計算機(jī)的輸入信息，按其用途，可以分為以下幾類：計算機(jī)程序數(shù)據(jù)：計算機(jī)程序處理的對象，如文字、數(shù)值、圖形圖像、聲音等等。操作命令：與計算機(jī)（操作系統(tǒng)）的交互用戶響應(yīng)：與應(yīng)用程序的交互信息的輸入2023/8/5北京大學(xué)43計算機(jī)的輸入信息，按2023/9/13北京大學(xué)44

計算機(jī)信息處理所得到的結(jié)果應(yīng)該采取某種形式送往外部世界，供人們使用。計算機(jī)的輸出就是要把結(jié)果信息以方便的形式呈現(xiàn)在人們面前。

“輸出”過程要解決的問題是進(jìn)行信息表示形式的轉(zhuǎn)換，剛好與“輸入”過程相反，是要恢復(fù)信息的本來面目：即輸出設(shè)備利用其自身的物理電路特性，將二進(jìn)制信息變換為人們易于接受和理解的視聽形式（或其他形式）。信息的輸出2023/8/5北京大學(xué)44計算機(jī)信息處理所得到的結(jié)2023/9/13北京大學(xué)45信息以二進(jìn)制形式從計算機(jī)輸出由輸出設(shè)備將二進(jìn)制信息展示出來（根據(jù)信息的編碼還要做適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換）信息的輸出2023/8/5北京大學(xué)45信息以二進(jìn)制形式從計算機(jī)輸出信息2023/9/13北京大學(xué)46

應(yīng)用軟件或操作系統(tǒng)從存儲設(shè)備（或其他渠道）中讀取信息應(yīng)用軟件或操作系統(tǒng)將信息轉(zhuǎn)換成輸出設(shè)備相關(guān)的（人們易于接受）信息形式操作系統(tǒng)與輸出設(shè)備驅(qū)動程序協(xié)作，產(chǎn)生輸出設(shè)備所需的輸出信號通過連接線路進(jìn)入輸出設(shè)備輸出設(shè)備接收信號，并以自己的方式展示出來：屏幕、紙、聲音等通信線路二進(jìn)制流輸出設(shè)備計算機(jī)內(nèi)部硬件的作用軟件的作用每種設(shè)備都能接收自己的二進(jìn)制信號信息的輸出2023/8/5北京大學(xué)46應(yīng)用軟件或操作系統(tǒng)從存儲設(shè)備（2023/9/13北京大學(xué)47信息的輸出2023/8/5北京大學(xué)47信息的輸出2023/9/13北京大學(xué)48

可視化就是把信息表現(xiàn)為用戶閱覽思考所適用的形式。最典型的兩種可視輸出形式是：“文本”形式“圖形”形式目前另外一種廣泛的非可視輸出形式就是“聲音”。另外兩個輸出概念（針對可視輸出）：軟拷貝：輸出到顯示器屏幕硬拷貝：輸出到紙上信息的輸出2023/8/5北京大學(xué)48可視化就是把信息表現(xiàn)為用計算機(jī)信息的表示與存儲計算機(jī)信息的表示與存儲2023/9/13北京大學(xué)50計算機(jī)信息的表示與存儲計算機(jī)通過二進(jìn)制數(shù)0/1序列來表示信息計算機(jī)存儲設(shè)備：利用半導(dǎo)體固態(tài)材料、磁性材料、光學(xué)材料和其他各種可茲利用的物理介質(zhì)根據(jù)材料的不同，有些設(shè)備需要電源才能保持存儲能力（硅半導(dǎo)體存儲），有些則不需要（鐵磁存儲、光存儲）存儲設(shè)備（半導(dǎo)體/磁性材料）使用電磁力保持物質(zhì)狀態(tài)(0or1)，從而達(dá)到存儲信息的目的，一般不會由于外界干擾力而丟失，不會因時間而衰亡；外界使用‘讀’命令，可以讀出其狀態(tài)0or1，但不破壞原有物質(zhì)狀態(tài)；外界使用‘寫’命令，可以改變其狀態(tài)0or1，使其物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化（01or10）；計算機(jī)信息的表示與存儲2023/8/5北京大學(xué)50計算機(jī)信息的表示與存儲計算機(jī)信息2023/9/13北京大學(xué)51存儲容量的量化單位

位（bit）：計算存儲的基本單位，表示0/1的基本單位字節(jié)（Byte）：8個bit為1字節(jié)千字節(jié)（KB）：存儲容量一般使用2的整數(shù)冪次，所以1KB表示的是210=1024個字節(jié)。兆字節(jié)（MB，MegaByte）：百萬字節(jié)，220字節(jié)千兆（吉）字節(jié)（GB，GigaByte）：十億字節(jié)，230字節(jié)兆兆字節(jié)（TB，TeraByte）：萬億字節(jié)，240字節(jié)通常在市場上購買存儲設(shè)備時，其標(biāo)出的容量單位是按十進(jìn)制換算的。粗略地1KB＝1000B，1MB＝1000KB，1GB＝1000MB，1TB＝1000GB。現(xiàn)在的存儲需求已經(jīng)達(dá)到了PB級：1PB＝1000TB。計算機(jī)信息的表示與存儲2023/8/5北京大學(xué)51存儲容量的量化單位計算機(jī)信息的表2023/9/13北京大學(xué)52計算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/8/5北京大學(xué)52計算機(jī)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)計算機(jī)信息的分2023/9/13北京大學(xué)53與信息存儲有關(guān)的部件CPU(寄存器）高速緩存主存儲器外存儲器

主存儲器里存放正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，而在外圍存儲器（外存，包括硬磁盤、軟磁盤、光盤、和磁帶等）則存放著更大量的備用信息。計算機(jī)系統(tǒng)所需要的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件都存儲在外存儲器中。計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/8/5北京大學(xué)53與信息存儲有關(guān)的部件CPU高速緩2023/9/13北京大學(xué)54存儲器硬件的金字塔結(jié)構(gòu)寄存器高速緩存主存儲器軟磁盤硬盤其它外存設(shè)備速度越來越快容量越來越大計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/8/5北京大學(xué)54存儲器硬件的金字塔結(jié)構(gòu)寄存器高速2023/9/13北京大學(xué)55寄存器位于金字塔頂端的是計算機(jī)中工作速度最快又最緊缺的存儲資源：CPU中的“寄存器”。“寄存器”是高速存儲單元，其工作速度與信息處理的運(yùn)算部件合拍，一次存取數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時間大約是從零點(diǎn)一納秒到十納秒的量級。從信息傳輸?shù)耐飞峡?，寄存器與處理部件距離最近，處理部件執(zhí)行指令時一般都直接對寄存器進(jìn)行操作。這樣的寄存器制作成本很高，一個CPU芯片中通常只配備幾十個寄存器（也有的芯片含寄存器數(shù)量更多一些）。計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/8/5北京大學(xué)55寄存器計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/9/13北京大學(xué)56主存儲器從塔尖往下一個層次，是主存儲器（常簡稱為“主存”或“內(nèi)存”），計算機(jī)系統(tǒng)工作時主存里存放著與當(dāng)前工作有關(guān)的程序和數(shù)據(jù)。主存儲器目前采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)制造的半導(dǎo)體存儲芯片組成，主存儲器訪問一次（讀寫一次）的時間通常在幾十納秒的數(shù)量級。今天主存的存儲芯片一般被安裝制成標(biāo)準(zhǔn)存儲模塊（俗稱“內(nèi)存條”），以一個（或一組）模塊為單位安裝到計算機(jī)印制電路板（例如微機(jī)的主機(jī)板）的標(biāo)準(zhǔn)插槽里。有限數(shù)量的主板存儲模塊插槽對計算機(jī)的主存儲器最大容量是一種限制。計算機(jī)系統(tǒng)一個重要功能指標(biāo)就是主存容量的大小，在其他指標(biāo)相同的情況下，主存儲器大的計算機(jī)能夠運(yùn)行更大的程序，速度也更快。計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/8/5北京大學(xué)56主存儲器計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/9/13北京大學(xué)57高速緩存與CPU工作節(jié)拍相比，主存儲器的速度顯得太慢（“速度比”一般是一比十），這種情況使主存訪問速度成為制約CPU能力發(fā)揮的一個主要因素。由于CPU每執(zhí)行一條指令都要由存儲器取指令，指令執(zhí)行中還可能需要存取相關(guān)數(shù)據(jù)。也就是說，在一條指令執(zhí)行過程中，CPU可能幾次訪問主存儲器，訪問花費(fèi)的時間當(dāng)然都是指令執(zhí)行所花費(fèi)時間的一部分。由于主存儲器跟不上CPU的節(jié)拍，那就會使CPU空閑等待。雖然今天已經(jīng)有制造速度更高的存儲器的技術(shù)，但由于生產(chǎn)成本過高，不適宜用于生產(chǎn)大容量的主存儲器芯片。為了緩和CPU與主存儲器之間的速度矛盾，在

CPU和主存儲器之間設(shè)置一個緩沖性的高速存儲部件（硬件），這個部件稱為高速緩存（簡稱“緩存”，英文詞是cache）。命中和失誤計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/8/5北京大學(xué)57高速緩存計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/9/13北京大學(xué)58外部存儲設(shè)備金字塔中，位于主存儲器下面一個層次的是各種外圍存儲設(shè)備，包括常見的磁盤、磁帶、光盤存儲器等。這些存儲器的共同特點(diǎn)是存儲容量大，單位存儲價格便宜。外存儲器采用磁性的或其他的方式存儲信息，其存儲方式的一個重要特點(diǎn)就是非易失性，不需要外部提供能量就可以保持存儲媒介上的信息不丟失。另一方面，這類存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)訪問速度比主存儲器慢得多。外存儲器的這些特點(diǎn)正好與主存互為補(bǔ)充，共同支撐著整個計算機(jī)存儲體系的有效功能。計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/8/5北京大學(xué)58外部存儲設(shè)備計算機(jī)信息的分層存儲2023/9/13北京大學(xué)59寄存器、高速緩存、主存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息處理時所需要的臨時信息存儲設(shè)備，因此，這類往往需要加載電源才能工作，一旦掉電，就不能保存任何信息。而外存儲器則往往具有非易失性，不需要外部提供能量就可以保持存儲媒介上的信息不丟失。CPU(寄存器）高速緩存主存儲器外存儲器計算機(jī)信息的分層存儲原理2023/8/5北京大學(xué)59寄存器、高速緩存、主存儲器是計算外部存儲設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理外部存儲設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理2023/9/13北京大學(xué)61

軟盤及軟驅(qū)硬磁盤磁帶及磁帶機(jī)光盤及光盤驅(qū)動器優(yōu)盤及閃存卡外部存儲設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理2023/8/5北京大學(xué)61軟盤及軟驅(qū)外部存儲設(shè)備的結(jié)構(gòu)特2023/9/13北京大學(xué)62面surface，道track，扇區(qū)sector磁性外部存儲設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)SectorTrack(0,1,…)2023/8/5北京大學(xué)62面surface，道track，2023/9/13北京大學(xué)63讀寫頭硬盤外觀硬盤結(jié)構(gòu)

面surface

道track

扇區(qū)sector

柱面cylinder硬盤的外觀與結(jié)構(gòu)2023/8/5北京大學(xué)63讀寫頭硬盤外觀硬盤結(jié)構(gòu)硬盤的外觀2023/9/13北京大學(xué)64巨磁電阻效應(yīng)1988年，費(fèi)爾和格林貝格爾各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大電阻變化。當(dāng)硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨(dú)立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越弱。借助“巨磁電阻”效應(yīng)，人們才得以制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。1997年，第一個基于“巨磁電阻”效應(yīng)的數(shù)據(jù)讀出頭問世，并很快引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。2007年度諾貝爾物理學(xué)獎法國科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾德國科學(xué)家彼得·格林貝格爾硬盤體積越來越小容量越來越大2023/8/5北京大學(xué)64巨磁電阻效應(yīng)1988年，費(fèi)爾和格2023/9/13北京大學(xué)65磁帶的外觀：盒式與盤式磁帶信息存儲方式磁帶的外觀及信息存儲方式2023/8/5北京大學(xué)65磁帶的外觀：盒式與盤式磁帶信息存2023/9/13北京大學(xué)66光盤表面：0/1光盤外觀光盤驅(qū)動器工作原理光盤外觀及讀寫工作原理2023/8/5北京大學(xué)66光盤表面：0/1光盤外觀光盤驅(qū)動2023/9/13北京大學(xué)67

優(yōu)盤，又稱閃存卡，是一種采用閃存（FlashMemory）和USB（UniversalSerialBus）接口技術(shù)相結(jié)合的存儲設(shè)備。閃存是一種學(xué)名為EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableReadOnlyMemory)的半導(dǎo)體存儲設(shè)備，微型計算機(jī)主板上的BIOS芯片就是一種電可擦寫的閃存芯片。

USB是一種能夠保證把計算機(jī)內(nèi)部的IDE硬盤總線與外部的存儲設(shè)備互連互通的接口技術(shù)。優(yōu)盤類似于磁盤存儲，具有非易失的存儲特點(diǎn)，在無電源的條件下所存儲信息也不會丟失。優(yōu)盤比軟盤和光盤的尺寸更為小巧，便于隨身攜帶，是一種很好的移動存儲設(shè)備。優(yōu)盤和閃存卡2023/8/5北京大學(xué)67優(yōu)盤，又稱閃存卡，是一種2023/9/13北京大學(xué)68優(yōu)盤和閃存卡：16M~xG移動硬盤各種優(yōu)盤和閃存卡2023/8/5北京大學(xué)68優(yōu)盤和閃存卡：16M~xG信息的管理信息的管理2023/9/13北京大學(xué)70

外存儲設(shè)備（硬件）構(gòu)成了信息存儲的物質(zhì)基礎(chǔ)，怎樣將物理存儲的信息有效地組織和管理起來，便于人們使用，是計算機(jī)系統(tǒng)必須面臨的一個重要問題。在計算機(jī)系統(tǒng)中，是通過文件和文件系統(tǒng)（軟件）來組織和管理存儲在外存儲設(shè)備（硬件）上的信息的。

一個文件指的是包裝在一起的一組信息，這些信息保存在外存儲器中，存儲在一起，作為一個整體被命名，可以獨(dú)立地被使用、修改、更新和刪除，一個文件通?？偸呛团c它有關(guān)的某些應(yīng)用工作聯(lián)系在一起的。一個文件的內(nèi)容可以是一個能運(yùn)行的應(yīng)用程序、一篇文章、一個圖形、一段數(shù)字化的聲音信號、或者任何一批相關(guān)的有用數(shù)據(jù)，如此等等。信息的管理——文件系統(tǒng)2023/8/5北京大學(xué)70外存儲設(shè)備（硬件）構(gòu)成2023/9/13北京大學(xué)71

文件是計算機(jī)系統(tǒng)的重要資源。在存儲時，除了文件本身的信息內(nèi)容外，系統(tǒng)里還需要存儲與文件相關(guān)的一些重要屬性信息，包括：文件名：文件的名字類型：所存儲的信息類別位置：信息在存儲器中存放的位置大?。何募拈L度，用字節(jié)數(shù)為單位計算其他：文件創(chuàng)建者、創(chuàng)建時間、修改時間，等等文件系統(tǒng)2023/8/5北京大學(xué)71文件是計算機(jī)系統(tǒng)的重要資2023/9/13北京大學(xué)72文件的分類文本文件：字符二進(jìn)制文件：應(yīng)用程序、圖形/圖像文件、聲音文件、…可執(zhí)行文件數(shù)據(jù)文件：往往與特定的應(yīng)用軟件相關(guān)聯(lián)與應(yīng)用軟件匹配的各種類型的數(shù)據(jù)文件例如：Word-*.doc文件系統(tǒng)2023/8/5北京大學(xué)72文件的分類文件系統(tǒng)2023/9/13北京大學(xué)73

文件管理是由“文件系統(tǒng)”軟件（它是操作系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，文件管理也是操作系統(tǒng)的一項基本工作）完成的。文件系統(tǒng)涉及計算機(jī)的文件的結(jié)構(gòu)和文件的組織，以及負(fù)責(zé)管理文件的軟件系統(tǒng)，一般把這兩者的總和稱為計算機(jī)的文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)需要解決兩個方面的問題：一方面要能夠有效地利用外存儲器硬件的存儲能力，適應(yīng)多種外存儲設(shè)備的硬件的不同工作方式和特點(diǎn)；另一方面，要為文件的管理以及在文件上的各種各樣的操作提供有效地支持。文件系統(tǒng)2023/8/5北京大學(xué)73文件管理是由“文件系2023/9/13北京大學(xué)74

目前，在各種操作系統(tǒng)里，都采用同樣的方式來分類組織文件：用一種稱為目錄（Directory）或文件夾（FileFolder）的分層樹狀結(jié)構(gòu)把文件組織起來，使各種文件分散到目錄結(jié)構(gòu)的不同位置，以利于對文件的分類管理和使用。