計(jì)算機(jī)組成原理課件第三章計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示

計(jì)算機(jī)組成原理課件第三章計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)表示概述數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示非數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)校驗(yàn)與糾錯(cuò)技術(shù)計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)表示的應(yīng)用與發(fā)展趨勢數(shù)據(jù)表示概述01VS數(shù)據(jù)表示是指將數(shù)據(jù)以某種形式編碼成計(jì)算機(jī)能夠識別和處理的形式。它是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的基礎(chǔ)概念，涉及到計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲、傳輸和處理方式。重要性數(shù)據(jù)表示是計(jì)算機(jī)與外部世界交互的橋梁，它決定了計(jì)算機(jī)如何處理和解釋各種數(shù)據(jù)。合理的數(shù)據(jù)表示可以提高計(jì)算機(jī)的處理效率，減少存儲空間的占用，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。定義數(shù)據(jù)表示的定義與重要性010203早期計(jì)算機(jī)早期的計(jì)算機(jī)使用不同的數(shù)據(jù)表示方法，如二進(jìn)制、十進(jìn)制等。由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換存在困難。標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始意識到數(shù)據(jù)表示標(biāo)準(zhǔn)化的重要性。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）等機(jī)構(gòu)相繼制定了一系列數(shù)據(jù)表示的標(biāo)準(zhǔn)，如ASCII碼、Unicode等，促進(jìn)了不同計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換和共享?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)普遍采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)表示方法，如二進(jìn)制補(bǔ)碼表示法、IEEE754浮點(diǎn)數(shù)表示法等。這些數(shù)據(jù)表示方法不僅提高了計(jì)算機(jī)的處理效率，也方便了程序員進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和開發(fā)。數(shù)據(jù)表示的發(fā)展歷程基礎(chǔ)概念數(shù)據(jù)表示是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的基礎(chǔ)概念之一，它涉及到計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲、傳輸和處理方式。對于程序員來說，了解和掌握數(shù)據(jù)表示的原理和方法是非常重要的。系統(tǒng)開發(fā)在系統(tǒng)開發(fā)中，數(shù)據(jù)表示是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。開發(fā)人員需要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的數(shù)據(jù)表示方法，并考慮不同數(shù)據(jù)表示方法之間的轉(zhuǎn)換和兼容性。應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)據(jù)表示不僅應(yīng)用于計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如物理、化學(xué)、生物等。在這些領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)表示方法的選擇和轉(zhuǎn)換也是非常重要的。程序設(shè)計(jì)在程序設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)表示直接影響程序的效率和正確性。合理的數(shù)據(jù)表示可以減少存儲空間的占用，提高程序的處理速度，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)據(jù)表示在計(jì)算機(jī)科學(xué)中的地位數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示02約定小數(shù)點(diǎn)的位置在最低有效位的后面，用于表示純整數(shù)。定點(diǎn)整數(shù)表示法約定小數(shù)點(diǎn)的位置在最高有效位的前面，用于表示純小數(shù)。定點(diǎn)小數(shù)表示法受字長限制，超出范圍會(huì)產(chǎn)生溢出。定點(diǎn)數(shù)的表示范圍定點(diǎn)數(shù)表示法規(guī)定了浮點(diǎn)數(shù)的表示格式，包括符號位、指數(shù)位和尾數(shù)位。IEEE754標(biāo)準(zhǔn)使尾數(shù)的絕對值大于等于0.1且小于1，提高浮點(diǎn)數(shù)的精度。規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)包括加減、乘除和比較等操作，需考慮對階、尾數(shù)運(yùn)算和結(jié)果規(guī)格化等步驟。浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算浮點(diǎn)數(shù)表示法BCD碼用4位二進(jìn)制數(shù)表示1位十進(jìn)制數(shù)，常用于數(shù)字系統(tǒng)中。壓縮BCD碼將多個(gè)十進(jìn)制數(shù)合并成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)表示，節(jié)省存儲空間。十進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算基于BCD碼進(jìn)行加減乘除等運(yùn)算，需考慮進(jìn)位和借位問題。十進(jìn)制數(shù)的二進(jìn)制編碼表示加法運(yùn)算通過減法器或加法器配合取反操作實(shí)現(xiàn)，考慮借位問題。減法運(yùn)算乘法運(yùn)算除法運(yùn)算01020403通過比較和減法操作實(shí)現(xiàn)，考慮商的符號和余數(shù)問題。通過加法器實(shí)現(xiàn)，考慮進(jìn)位問題。通過移位和加法操作實(shí)現(xiàn)，考慮乘積的符號和絕對值問題。數(shù)值型數(shù)據(jù)運(yùn)算方法非數(shù)值型數(shù)據(jù)的表示03美國標(biāo)準(zhǔn)信息交換代碼，用7位二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)字符，共128個(gè)字符。ASCII碼擴(kuò)展ASCII碼Unicode編碼使用8位二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)字符，共256個(gè)字符，兼容ASCII碼。統(tǒng)一字符編碼標(biāo)準(zhǔn)，采用16位二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)字符，可表示65536個(gè)字符，實(shí)現(xiàn)跨平臺、跨語言文本處理。字符編碼GB2312簡體中文編碼標(biāo)準(zhǔn)，收錄6763個(gè)常用漢字和682個(gè)非漢字圖形字符，采用雙字節(jié)編碼。GBK擴(kuò)展GB2312，收錄21003個(gè)漢字和圖形符號，支持繁體中文和簡體中文。GB18030最新漢字編碼標(biāo)準(zhǔn)，采用單字節(jié)、雙字節(jié)和四字節(jié)編碼，收錄漢字70244個(gè)。漢字編碼常見的圖像編碼格式有JPEG、PNG、GIF等，采用壓縮算法減小圖像文件大小。圖像編碼常見的音頻編碼格式有MP3、AAC、WAV等，采用壓縮算法減小音頻文件大小并實(shí)現(xiàn)高保真度。音頻編碼圖像與音頻編碼壓縮前后數(shù)據(jù)完全一致，可逆過程，如Huffman編碼、LZ77算法等。壓縮前后數(shù)據(jù)存在一定損失，不可逆過程，如JPEG、MP3等采用的壓縮算法。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)有損壓縮無損壓縮數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)04線性結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)元素之間存在一對一的關(guān)系。樹形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)元素之間存在一對多的關(guān)系。圖形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)元素之間存在多對多的關(guān)系。集合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)元素之間除了同屬于一個(gè)集合外，沒有其他關(guān)系。數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)把邏輯上相鄰的元素存儲在物理位置上也相鄰的存儲單元里，元素之間的關(guān)系由存儲單元的鄰接關(guān)系來體現(xiàn)。順序存儲結(jié)構(gòu)不要求邏輯上相鄰的元素在物理位置上也相鄰，借助指示元素存儲地址的指針來表示元素之間的邏輯關(guān)系。鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)在存儲元素信息的同時(shí)，還建立附加的索引表。索引表中的每一項(xiàng)稱為索引項(xiàng)，索引項(xiàng)的一般形式是（關(guān)鍵字，地址）。索引存儲結(jié)構(gòu)根據(jù)元素的關(guān)鍵字直接計(jì)算出該元素的存儲地址，又稱哈希（Hash）存儲結(jié)構(gòu)。散列存儲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)是面向問題的，而物理結(jié)構(gòu)是面向計(jì)算機(jī)的，其基本的目標(biāo)就是將數(shù)據(jù)及其邏輯關(guān)系有效地存儲在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。算法的設(shè)計(jì)取決于數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，而算法的實(shí)現(xiàn)依賴于采用的物理結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)獨(dú)立于計(jì)算機(jī)，不同的邏輯結(jié)構(gòu)可以對應(yīng)相同的物理結(jié)構(gòu)，而相同的邏輯結(jié)構(gòu)也可以采用不同的物理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)校驗(yàn)與糾錯(cuò)技術(shù)05奇偶校驗(yàn)法是一種簡單的錯(cuò)誤檢測方法，通過在數(shù)據(jù)中添加一個(gè)額外的二進(jìn)制位（校驗(yàn)位），使得整個(gè)數(shù)據(jù)中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)（偶校驗(yàn)）或奇數(shù)（奇校驗(yàn)）。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收方會(huì)再次計(jì)算接收到的數(shù)據(jù)中1的個(gè)數(shù)，如果與發(fā)送方計(jì)算的奇偶性不符，則說明數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤。奇偶校驗(yàn)法海明碼校驗(yàn)法海明碼是一種利用多個(gè)校驗(yàn)位來檢測并糾正一位錯(cuò)誤的方法。它通過在數(shù)據(jù)中添加多個(gè)校驗(yàn)位，并按照一定的規(guī)則進(jìn)行計(jì)算和排列，從而實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤檢測和糾正。海明碼的優(yōu)點(diǎn)是可以糾正一位錯(cuò)誤，同時(shí)檢測出兩位錯(cuò)誤。但是，如果數(shù)據(jù)中同時(shí)出現(xiàn)兩位以上的錯(cuò)誤，海明碼可能無法正確檢測和糾正。CRC是一種廣泛使用的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法，它通過發(fā)送方和接收方共同約定一個(gè)多項(xiàng)式，然后發(fā)送方在數(shù)據(jù)后添加冗余位，使得整個(gè)數(shù)據(jù)能夠被該多項(xiàng)式整除。接收方在接收到數(shù)據(jù)后，也會(huì)使用同樣的多項(xiàng)式進(jìn)行除法運(yùn)算。如果余數(shù)為0，則說明數(shù)據(jù)正確；如果余數(shù)不為0，則說明數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)了錯(cuò)誤。循環(huán)冗余校驗(yàn)法（CRC）糾錯(cuò)編碼技術(shù)是一種能夠自動(dòng)糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中所發(fā)生錯(cuò)誤的方法。它通過在數(shù)據(jù)中添加冗余信息，使得接收方能夠根據(jù)這些冗余信息來檢測和糾正錯(cuò)誤。常見的糾錯(cuò)編碼技術(shù)包括海明碼、BCH碼、卷積碼等。這些編碼技術(shù)具有不同的特點(diǎn)和適用場景，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇和使用。糾錯(cuò)編碼技術(shù)簡介計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)表示的應(yīng)用與發(fā)展趨勢06計(jì)算機(jī)指令由操作碼和操作數(shù)組成，操作數(shù)的表示方式直接影響指令的執(zhí)行效率和正確性。指令系統(tǒng)寄存器與主存輸入輸出系統(tǒng)寄存器與主存中的數(shù)據(jù)表示決定了計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸和處理的方式。數(shù)據(jù)表示影響計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸格式和效率。030201數(shù)據(jù)表示在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用03網(wǎng)絡(luò)安全數(shù)據(jù)表示在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域也有重要應(yīng)用，如加密算法的實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議的設(shè)計(jì)等。01網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)表示是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)，不同的數(shù)據(jù)表示方式需要不同的協(xié)議來支持。02數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸需要遵循一定的數(shù)據(jù)表示規(guī)范，以確保數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。數(shù)據(jù)表示在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型決定了數(shù)據(jù)的組織方式和存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)表示直接影響數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)庫中支持的數(shù)據(jù)類型決定了數(shù)據(jù)的表示方式和處理效率。數(shù)據(jù)查詢數(shù)據(jù)庫查詢語言（如SQL）中的數(shù)據(jù)類型和運(yùn)算符等都需要考慮數(shù)據(jù)表示的因素。數(shù)據(jù)表示在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的應(yīng)用大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)表示01隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)需要處理的數(shù)據(jù)量急劇增加，對數(shù)據(jù)表示提出了更高的要求，如更高效的