計算機導論-第二章

第二章數據存儲本章內容2.1位和位存儲2.2用位模式表示信息2.3數的存儲2.4主存儲器2.5海量存儲器2.6數據壓縮2.7通信差錯2.1

位和位存儲位的定義：在今天的計算機中，信息是以0和1的模式編碼的，這些數字就稱為位(bit)。比如：“a”的八位模式的ASCⅡ碼值是“01100001”。用位存儲的信息有：數值、其他的字符(標點符號、字母、@、%、&、*、(、)等)布爾運算也叫邏輯運算邏輯變量之間的運算，稱為邏輯運算。它包括三種基本運算：邏輯與、邏輯或和邏輯非。通過這三種基本運算，可推導出其它邏輯運算，如異或運算等等。2.1.1布爾運算(1)邏輯與運算邏輯與又稱為邏輯乘，通常用“·”表示。它的運算規(guī)則為：

0·0=0讀成0與0等于0

0·1=0讀成0與1等于01·0=0讀成1與0等于01·1=1讀成1與1等于1

即：與運算表示，只有參加運算的邏輯變量都同時取值為1時，其與運算結果才等于1。(2)邏輯或運算邏輯或又稱邏輯加，通常用符號“+”來表示，或運算的運算規(guī)則如下：

0+0=0讀成0或0等于00+1=1讀成0或1等于11+0=1讀成1或0等于11+1=1讀成1或1等于1

可見，在給定的邏輯量中，只要有一個為1，邏輯或的結果就為1。

注意：邏輯加與算術加法的運算規(guī)律不完全相同。要特別注意，1+1=1。

(3)邏輯非運算邏輯非運算在普通代數中是沒有的。在邏輯量上方加橫線，“—”表示非。其運算規(guī)則為：

0=1讀成非0等于1；

1=0讀成非1等于0

例如室內電燈，不是亮就是滅，只有這兩種可能。

(4)異或運算異或運算通常用符號“”表示，它的運算規(guī)則為：

00=0讀成0同0異或，結果為001=1讀成0同1異或，結果為110=1讀成1同0異或，結果為111=0讀成1同1異或，結果為0+++++

1)邏輯電路基礎能實現邏輯運算的電路稱為邏輯門電路(簡稱門電路)，常用的門電路有“與”門、“或”門、“非”門、“與非”門、“或非”門、“異或”門等。由基本門電路可以按邏輯設計組合成計算機硬件的基本功能電路，如：觸發(fā)器、寄存器、計數器、譯碼器等等。2.1.2門和觸發(fā)器

(1)“與”門實現“與”運算的單元電路叫“與”門?！芭c”門的邏輯符號如圖所示：

A&F=ABB

其邏輯函數表達式為：F=AB。例如A=1，B=0，則F=AB=1·0=0

(2)“或”門

實現“或”運算的單元電路叫“或”門?！盎颉遍T的邏輯符號如圖所示：

A≥1F=A+B

B

其邏輯函數表達式為：F=A+B。例如A=0，B=0，則F=A+B=0+0=0。

(3)“非”門實現“非”運算的單元電路叫“非”門，或叫反相器?！胺恰遍T的邏輯符號如圖所示：

A1F=A

其邏輯函數表達式為：F=A。例如A=1，則F=A=0。(4)“與非”門

“與非”門是由“與”門和“非”門兩個單元電路組合而成的邏輯電路，用以實現“與非”運算?！芭c非”門的邏輯函數表達式為：F=AB，其邏輯結構和邏輯符號如下圖所示。

AABF=ABA&1≥1F=ABBB

例如，若A=1，B=0，則F=AB=1·0=1。(5)“或非”門

“或非”門是由“或”門和“非”門兩個單元門電路組合而成，用以實現“或非”運算?！盎蚍恰遍T邏輯表達式為：F=A+B，其邏輯結構和邏輯符號如下圖所示。

AA+BA&1F=A+B≥1F=A+B

BB

例如，若A=1，B=0，則F=A+B=1+0=0。(6)“異或”門其邏輯函數表達式為：F=ＡＢ=AB+ＡＢ，異或門的邏輯符號如下圖所示。

A

=1

F＝A

B

B

對于給定的輸入A和B，可以得出F=AB。例如：若A=1，B=0，則F=AB=AB+AB=1·0+1·0=1++++2.2用位模式表示信息2.2.1文本的表示ASCII(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)經常擴展為8位位模式，方法就是在7位位模式前面加一個0。這種編碼可以表示大小寫英文字母、標點符號、數字0~9以及某些控制字符，如換行、回車與制表符等。Unicode：十六位模式表示，可以有65536個不同的位模式?？梢员硎居弥形?、日文等語言書寫的文檔資料。32位模式：由國際標準化組織開發(fā)的可能與Unicode競爭的代碼標準，該種編碼系統(tǒng)可以表示幾十億個不同的符號。2.2.2數值的表示二進制記數法：為了用與存儲文本同樣的存儲空間存儲范圍更廣的數。2.2.3圖像的表示位圖技術：圖像表示為一組點(像素)，一個點用一組位表示。

EG：一個點用一個二進制位表示，那么可以把這個圖像表示為黑白圖像；一個點用八個二進制位表示，那么可以把圖象中灰色不同的地方表示出來；一個點用三個字節(jié)來表示，可以表示一個彩色圖像。缺點：不能把圖像調整到任意大小，當為了增大圖像而變大像素的時候，會使圖像成為顆粒狀。矢量技術：

優(yōu)點：可以很容易的調整圖像的大小，應用也很廣泛。

EG：字處理系統(tǒng)中調整字體大小；計算機輔助設計(CAD)系統(tǒng)。2.2.4聲音的表示聲音的存儲：按有規(guī)律的時間間隔采樣聲波的振幅，并記錄所得到的數值序列。這些數值通過通信線路傳輸到接收端，用來重現聲音。

EG：遠程語音通信可以用每秒8000次的采樣頻率；音樂錄制的高保真采用每秒44100次的采樣頻率；2.3數的存儲2.3.1整數的存儲二進制補碼記數法無符號整數的原碼、反碼、補碼：

原碼：整數對應的二進制數就是原碼；無符號整數的原碼、反碼、補碼是相同的。符號整數的原碼、反碼、補碼：原碼：最高位是1，其他的位是整數對應的二進制數；反碼：是原碼除最高位外其余所有位的逐位求反；

EG：(10010101)反=(11101010)

補碼的設計目的是:

⑴使符號位能與有效值部分一起參加運算,從而簡化運算規(guī)則；⑵使減法運算轉換為加法運算,進一步簡化計算機中運算器的線路設計。補碼：將反碼加上1就得到補碼。

EG：(10010101)

原=(11101011)補補碼解析用八位二進制表示數的范圍是：(-127~-0+0~127)共256個

EG：(00000001)原

+(10000001)原

=(10000010)原

=(-2)(01111110)原+(10000001)原

=(01111110)反+(11111110)反

=(01111100)反=(+124)

39-56=

(00100111)原+(10111000)原

=(00100111)反+(11000111)反

=(00100111)補+(11001000)補=(11101111)補

=(11101110)反

=(10010001)原=-17最高位是1為正數，最高位為0為負數，與二進制補碼系統(tǒng)的區(qū)別是符號位相反；余碼計數法的位模式是變化的，如3、4、5；余碼記數法用二進制解釋的時候，最高位的“1”應該表示為：23，而余數記數法將其視為正號。負數是由二進制位的0逐步減一得到的，正好與十進制中負數的次序相同；2.3.2小數的存儲浮點記數法與整數的存儲相比，帶小數部分的數值存儲要求不僅包括該數的二進制表示形式的0和1的位模式，而且包括二進制小數點的位置。下面用一個字節(jié)存儲的例子來說明浮點記數法，8位格式是實際系統(tǒng)的代表，并且用于示范重要的概念。

EG：首先指定最高位是符號位，符號位為0表示存儲的值是非負數；為1表示的值為負數。其次，把其余的7位劃分成兩組，或是叫字段(fields)，階碼(或指數)和尾數字段。指定符號位右邊的3位為階碼字段，最后余下的4位是尾數字段。

假設字節(jié)中包含的位模式是01101011，用上述規(guī)定的格式來分析該模式。我們看到，符號位為0，階碼是110，尾數是1011。為解碼該字節(jié)，首先提取尾數并把小數點放在它的左邊，得到：.1011

接下來提取階碼字段內容(110)，把它當作是3位余碼表示形式，所以該階碼字段內容表示的是+2，這就告訴我們要將上步所得的解的小數點向右移動兩位(負的階碼意味小數點向左移動)。最終，得到的解是：10.11。它是2.75的二進制表示形式。其次，例子中符號位為0，因此，代表的值是非負數。得出結論是：字節(jié)01101011表示的是2.75。

用浮點計數法，就要把前面的步驟顛倒過來！

★

截斷誤差如果試圖用一個字節(jié)的浮點系統(tǒng)存儲2.625，寫成二進制形式10.101。但當填寫尾數字段時，超出了尾數字段范圍，丟失了最右邊的1，尾數字段填為1010。

如果忽略這個問題并且繼續(xù)填寫階碼字段和符號位，最后得到位模式01101010，它表示2.5并非是2.625。這里發(fā)生的誤差叫做截斷誤差，意思是由于尾數字段的長度不足致使待存儲的數值部分地丟失。

2.4主存儲器2.4.1存儲器結構字節(jié)型存儲單元結構高位端0

1

0

1

1

0

1

0

低位端

最高有效位最低有效位

內存一般采用半導體存儲單元，包括隨機存儲器(RAM)，只讀存儲器(ROM)，以及高速緩存(CACHE)。

●只讀存儲器(ROM)

ROM表示只讀存儲器(ReadOnlyMemory)，在制造ROM的時候，信息(數據或程序)就被存入并永久保存。這些信息只能讀出，一般不能寫入，即使機器掉電，這些數據也不會丟失。ROM一般用于存放計算機的基本程序和數據，如BIOSROM。其物理外形一般是雙列直插式(DIP)的集成塊。

●隨機存儲器(RAM)

隨機存儲器(RandomAccessMemory)表示既可以從中讀取數據，也可以寫入數據。當機器電源關閉時，存于其中的數據就會丟失。我們通常購買或升級的內存條就是用作電腦的內存，內存條(SIMM)就是將RAM集成塊集中在一起的一小塊電路板，它插在計算機中的內存插槽上，以減少RAM集成塊占用的空間?！窀咚倬彌_存儲器(Cache)

Cache也是我們經常遇到的概念，它位于CPU與內存之間，是一個讀寫速度比內存更快的存儲器。當CPU向內存中寫入或讀出數據時，這個數據也被存儲進高速緩沖存儲器中。當CPU再次需要這些數據時，CPU就從高速緩沖存儲器讀取數據，而不是訪問較慢的內存，當然，如需要的數據在Cache中沒有，CPU會再去讀取內存中的數據?！馜RAM

是動態(tài)隨機存儲器(DynamicRandomAccessMemory)，它的集成度較高，功耗也較低，但缺點是保存在DRAM中的信息隨著電容器的漏電而會逐漸消失，一般信息保存時間為2ms左右。為了保存DRAM中的信息，必須每隔1～2ms對其刷新一次。因此，采用DRAM的計算機必須配置動態(tài)刷新電路，防止信息丟失。DRAM一般用作計算機中的主存儲器。●SRAM

靜態(tài)隨機存儲器(StaticRandomAccessMemory)的特點是工作速度快，只要電源不撤除，寫入SRAM的信息就不會消失，不需要刷新電路，同時在讀出時不破壞原來存放的信息，一經寫入可多次讀出，但集成度較低，功耗較大。SRAM一般用來作為計算機中的高速緩沖存儲器(Cache)。

一個字節(jié)表示硬盤的一個可以存儲的小單元(Byte);換算公式：1Byte=8bit1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GB2.4.2存儲器容量的度量2.5海量存儲器2.5.1磁學系統(tǒng)磁盤性能指標尋道時間：讀寫磁頭從一個道移到另一個道的時間；旋轉延遲(等待時間)：盤片旋轉一周所需要時間的一半；存取時間：尋道時間和等待時間之和；傳輸速率：從磁盤上讀取或寫入數據的速率。2.5.2光學系統(tǒng)2.5.3閃存驅動器閃存主要解決的問題是：不通過物理運動來存儲和讀取信息。主要特點是在不加電的情況下能