第1章 数据存储

主要内容第1章数据存储位和位存储主存储器海量存储器用位模式表示信息二进制系统整数的储存小数的储存数据压缩通信差错位和位存储信息是具有多样化的,如：文本、数值、图像、音频、视频等。在计算机里，信息是由0和1组成的序列来编码的。0和1只是符号。单个的符号0和1称为位（bit比特），即二进制数字。一个比特可以有两种状态日常生活中有很多两种状态的物体把位存储到计算机中，需要一种有两个状态的设备，如开关、电容。位和位存储位模式是若干二进制位的组合，例如01110100、1两个数字只能表示两种状态很多0、1的组合就能表示多种状态位模式仅仅是一种符号，具体的含义取决于对他们的应用；对应着0、1之间的运算-------布尔运算位和位存储1.布尔运算布尔运算的特点：布尔运算与算术运算的相似之处参与运算的对象有两个，结果只有一个布尔运算与算术运算的不同之处参与运算的对象本身不同运算的规则不同布尔运算的定义：用数字0表示假，用数字1表示真，这样就可以将二进制位的运算看做是对真/假值上的运算，这样的运算称为布尔运算（booleanoperation）。-------逻辑运算位和位存储1.布尔运算布尔运算的种类：“与（AND）”运算“或（OR）”运算“异或（XOR）”运算“非（NOT）”运算位和位存储1.布尔运算----AND,OR，XOR“与(AND)”运算：PANDQ只有在其两个分句都为真时，结果才为真。“或（OR）”运算：PORQ；只要有一个分句为真，这个符合语句的结果就是真“异或（XOR）”运算：PXORQ当一个输入为1（真），而另一个输入为0（假）时，“异或”运算的值为1（真），否则为0（假）。位和位存储1.布尔运算----NOT“运算NOT（非）”的输出是输入的相反值：输入为真时输出为假，反之亦然。位和位存储2.门和触发器门是一种设备，给出布尔运算的输入值时，可以得到输出值。门通常是通过微电子电路来实现的，其中数字0和1有电压电平表示。门是一种统称，凡是能完成布尔运算的设备均叫做门，不管该设备是用什么技术制造的。门可以用各种技术制造出来，如齿轮、继电器、光学设备位和位存储2.门和触发器“与”、“或”、“异或”和“非”门的图形符号以及它们的输入输出值表位和位存储2.门和触发器上面这样的门为构造计算机提供了构件。在用这些构件构造计算机时，一个重要的环节是设计称为触发器的电路。触发器（flip-flop）是一个这样的电路，它产生的输出值0或1能够一直保持，直到来自另一个电路的短暂脉冲的到来才能将它的值改变位和位存储2.门和触发器一个简单的触发器电路→触发器位和位存储（a）将上面的输入置1。（b）这使“或”门的输出为1，接着使“与”门的输出为1。2.门和触发器下图中，初始输入均为0.在不知道触发器的当前输出情况下，假定上部的输入变为1，而下部的输入仍为0。位和位存储2.门和触发器（c）在上面的输入变为0后，由于“与”门的输出为1，故“或”门的输出仍为1。考虑给下部输入一个短暂脉冲的一系列跳变情况位和位存储只要两个输入仍然是0，那么它的输出（不论0或1）都不会改变。但是，如果在它上部的输入上短暂地置一个1，那么将会强制使它的输出为1；反之，如果在它下部的输入上短暂地置一个1，那么将会强制使它的输出为0。位和位存储2.门和触发器触发器的意义在于，它是计算机中存储一个二进制位的理想存储构件。触发器还可以用其他的门电路的组合来搭建。←搭建触发器的另一个方法位和位存储3.十六进制记数法当考察计算机的内部活动时，我们经常需要接触流。流（stream）：长的二进制位串十六进制计数法为了简化位模式的表示利用十六进制的一个符号来表示一个二进制的4位模式位和位存储4.十六进制记数法位模式十六进制例：10100100110010001010010011001000A4C8练习：101001001100100位和位存储P17问题与练习主存储器为了存储数据，计算机包含一大组电路，每个电路可存放一个二进制位。计算机内的这个存放二进制位的容器就称为主存储器，简称主存。1.存储器结构主存储器存储器中存放二进制位的电路是按照存储单元（cell）的可管理单位来组织的。一个存储单元由8个存储位(bit)的电路构成由很多个存储单元组合在一起构成存储器一个8位的二进制串，我们称之为一个字节（Byte）主存储器1.存储器结构↓字节型存储单元的结构主存储器1.存储器结构为了标识计算机存储器中的一个存储单元，我们给每一个存储单元都赋予唯一的“名字”，成为地址。地址完全是数字的并且从0开始编号地址给存储单元赋予了顺序的概念按地址排列的存储器单元1.存储器结构主存储器存储器中除了有存储单元,还有一些附加电路,用来控制按照地址对指定的存储单元进行读写操作。计算机的主存储器是由独立的、可编程的存储单元组成，可以根据需要独立访问每个存储单元。主存储器通常叫做随机存取存储器(RAM)主存储器中的存储单元可以按照随机的顺序存取主存储器2.存储器容量的度量计算机采用二进制，所以存储器的度量采用十进制不方便。但是人们习惯十进制的计量单位，故存储器的度量单位采用1024为一个数量级（2的10次方）。主存储器2.存储器容量的度量KilobyteKBMegabyteMBGigabyteGBTerabyteTBPetabytePBExabyteEBZettabyteZBYottabyteYBNonabyteNBDoggabyteDB问题：我们平常所说的500GB的硬盘容量在计算机中会显示500GB吗？主存储器P20问题与练习海量存储器优点：（1）易失性小（2）容量大，价格低缺点：（1）有机械动作（2）存取数据比较慢辅助存储器（即：外存）称为海量存储器。海量存储器联机设备：表示设备或信息已经与计算机连接，计算机不需要人为的干预就可以使用。脱机设备：设备或信息在可被计算机使用之前需要人为干预。海量存储器1.磁盘海量存储器磁盘存储系统→读/写头存取臂臂移动盘旋转磁道分为扇区盘1.磁盘海量存储器1.磁盘关于磁道、柱面、扇区：处于不同磁道上的扇区线密度是不同的一个扇区不能用来存储两个文件的数据数据是按照柱面的方式组织的磁道和扇区是通过磁盘格式化形成的。海量存储器1.磁盘软盘与硬盘的对比：（1）软盘通常作为信息的脱机存储设备；硬盘作为信息的联机存储设备（2）软盘转速慢（300r/m），硬盘转速快；因此硬盘读写速度快；（3）软盘读写次数少，易磨损；硬盘读写次数多，不易磨损；--硬盘不易磨损的原因：硬盘磁头与盘片不接触(处于“悬浮”状态)（4）软盘不密封；硬盘密封；--硬盘密封的原因：硬盘磁头与盘片表面间隙非常小，一粒灰尘都会造成他们的损坏(5)硬盘与驱动部件是结合在一起的，而软盘与软驱分离低容量磁盘，软盘(floopydisk)高容量磁盘，硬盘(harddisk)海量存储器1.磁盘评估一个磁盘系统的性能有几个指标：（P21）（1）寻道时间（seektime）:磁头从一个磁道移动到另一个磁道的时间（2）旋转延迟（rotationrelay）或等待时间（latencytime）：盘片旋转半周所需的时间（3）存取时间（accesstime）：寻道时间+等待时间（4）传输速率（transferrate）：读写数据的速率电子电路延迟时间以纳秒（十亿分之一秒），而磁盘的寻道时间、等待时间是以毫秒（千分之一秒）度量的，以此从磁盘系统来检索数据所需要的时间相对很长。海量存储器2.磁带顺序存取设备磁带存储器结构读/写头带带带走动带盘卷带缺点：数据存取时间比磁盘长，速度慢。不适合做联机存储设备优点：性价比好，价格便宜。海量存储器3.光盘（CompactDisk）结构：采用了四层结构形式：底层为聚碳酸酯透明塑料注塑成形的衬盘，在衬底上镀有一层很薄的有机染料记录层，并使用抗腐蚀的金膜做反射层，顶层为涂漆保护层。有些光盘在漆保护层之上还用吸墨材料涂有第五层印刷层，用户可用喷墨打印机直接在CD光盘背面打印，也可用软笔进行标注。光盘记录层中的有机染料对波长为780nm的光波具有很强的吸收作用，当波长为780nm的大功率激光器输出的聚焦激光束照射在有机染料记录层时，光点处的有机染料将吸收很大的能量，并瞬间将吸收的能量转化成热量，在微区内产生250到400℃的高温，使有机染料熔解气化，在塑料衬盘和反射层之间形成一微孔，使下面的反射层完全暴露出来，形成与模压光盘类似的信息凹坑。海量存储器3.光盘CD的存储原理：通过在反射材料上创建反射偏差的的方法在上面记录信息光道上有很多凸凹不平的地方只要下一个数据和前一个数据一样就没有凸凹变化；数据不一样则发生凸凹变化遇到变化时下沿表示0，上沿表示1CD的存储格式→数据储存在向外旋转的螺旋形光道上，光道划分为许多单独的扇区。CD盘旋转海量存储器3.光盘举例：假设光盘上第一位数据是0，在随后要存储10111，那么我们应该在随后的磁道上刻出什么样的凸凹形状。海量存储器3.光盘关于光盘的几点说明：光盘只有一个螺旋形的光道这个光道划分为很多个扇区，是一种一维的组织方式光盘的光道具有相同的线密度，因此螺旋形的光道上靠外边的环道上存放的信息比靠里边的环道要多光盘是一种随机存储器，即可以实现对数据的随机读写与磁盘相比光盘存储原理更适合连续的读写方式传统CD的容量为600～700MB。较新的DVD的容量达到几个GB。海量存储器3.光盘几点说明：光盘只有一个螺旋形的光道这个光道划分为很多个扇区，是一种一维的组织方式光盘的光道具有相同的线密度，因此螺旋形的光道上靠外边的环道上存放的信息比靠里边的环道要多光盘是一种随机存储器，即可以实现对数据的随机读写与磁盘相比光盘存储原理更适合连续的读写方式海量存储器3.光盘传统CD的容量为600～700MB*DVD-5(12cm,SS/SL)4.38gig(4.7BB)数据,超过2小时的视频*DVD-9(12cm,SS/DL)7.95gig(8.5BB),大约4小时*DVD-10(12cm,DS/SL)8.75gig(9.4BB),大约4.5小时*DVD-14(12cm,DS/ML)12.33gig(13.24BB),大约6.5小时*DVD-18(12cm,DS/DL)15.90gig(17BB),超过8小时提示:存储一小时视频平均需要2G字节.SS/DS表示单面/双面,SL/DL/ML表示单层/双层/混合层(混合层是指盘片一个面有一层,另一个面有两个层),gig就是千兆(2^30),BB表示十亿字节海量存储器4.闪存用电子信号将二进制位直接送到存储介质中，电子信号使得该介质中的二氧化硅的微小晶格截获电子，从而转换微电子电路的性质。反复的擦写会逐渐损坏二氧化硅的晶格，因此不适合做主存。（主存的内容可能会在1秒内被改变多次）闪存对物理振动不敏感，适合便携式应用。闪存的微容器中的电子能够保存许多年，适合存储脱机数据。海量存储器4.文件存储和检索信息是以文件（file）为单位进行储存的。符合存储系统物理特性的数据块称为物理记录（physicalrecord）实际上，物理记录就是存储器组织数据的单位,一般指扇区。自然产生的数据块称为逻辑记录（logicalrecord）实际上，逻辑记录就是信息的组织单位。大容量存储器4.文件存储和检索在海量存储系统的信息检索时，先将数据放在主存内作为数据重组的区域。这个转换工作是由计算机自己完成的磁盘上的逻辑记录的大小很少能够与物理记录的大小相匹配逻辑记录对应于数据内的自然划分，即文件物理记录对应于扇区的大小大容量存储器4.文件存储和检索在计算机内部，经常需要在主存储器与大容量存储器之间移动数据。这种数据的移动需要借助缓冲区。缓冲区（buffer）的概念是在一个设备向另一个设备传输数据的过程中临时存放数据的区域。计算机的很多设备都有缓冲区。如：打印机