计算机导论第三章_数据存储资料
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计算机科学导论第三章
稳定，主板的速度在一定程度上也 制约着整机的速度 是计算机各部件的连接工具
13
CPU中央处理器
英文名称是Central Processing Unit简称为CPU 主要包括运算器和控制器两部分 是电脑的核心部件，决定计算机
的性能 主要由INTEL和AMD公司生产 发展：286、386、486、奔腾、
• 软盘的容量=记录面数×磁道数/面×扇区数/道×字 节/扇区
29
两种密度的软盘格式
30
使用软盘的注意事项
• 不要弯曲或放置重物在磁盘上。 • 不要触摸磁盘保护套内可见的东西。 • 保存时应避免强磁场，高热和化学物品。 • 将磁盘放置在硬塑料盒内。
31
硬盘
程序、各种数据和结果的存放处 ，里面存储的信息不会由于断电 而丢失
24
外存
• 是一个外部的，永久的存储区域，当电 源关闭时，其存储的信息不会丢失。
➢ 软盘 ➢ 硬盘 ➢ 光盘 ➢ U盘 ➢ 磁带
25
软盘
可以移动的存储介质，但容量很小，常见的有 1.2MB 5.25英寸和.44MB 3.5英寸两种规格，5.25英寸 盘基本上被淘汰了，目前使用的软盘都是l.44MB的3.5 英寸软盘。
PⅡ、PⅢ、PⅣ
14
存储器
通用寄存器堆
存
储
指令和数据缓冲栈
容
速
量
Cache（SRAM）
越
度 越
来
主存储器（DRAM）
来
越
越
大
快
联机外部存储器（磁盘等）
脱机外部存储器（磁带、光盘等）
存储器的层次结构
15
存储器容量
存储器的容量是衡量存储器性能的重要指标之一， 以字或字节为单位来表示存储器存储单元的总数， 就得到了存储器的容量。
13
CPU中央处理器
英文名称是Central Processing Unit简称为CPU 主要包括运算器和控制器两部分 是电脑的核心部件，决定计算机
的性能 主要由INTEL和AMD公司生产 发展：286、386、486、奔腾、
• 软盘的容量=记录面数×磁道数/面×扇区数/道×字 节/扇区
29
两种密度的软盘格式
30
使用软盘的注意事项
• 不要弯曲或放置重物在磁盘上。 • 不要触摸磁盘保护套内可见的东西。 • 保存时应避免强磁场，高热和化学物品。 • 将磁盘放置在硬塑料盒内。
31
硬盘
程序、各种数据和结果的存放处 ，里面存储的信息不会由于断电 而丢失
24
外存
• 是一个外部的，永久的存储区域，当电 源关闭时，其存储的信息不会丢失。
➢ 软盘 ➢ 硬盘 ➢ 光盘 ➢ U盘 ➢ 磁带
25
软盘
可以移动的存储介质，但容量很小，常见的有 1.2MB 5.25英寸和.44MB 3.5英寸两种规格，5.25英寸 盘基本上被淘汰了，目前使用的软盘都是l.44MB的3.5 英寸软盘。
PⅡ、PⅢ、PⅣ
14
存储器
通用寄存器堆
存
储
指令和数据缓冲栈
容
速
量
Cache（SRAM）
越
度 越
来
主存储器（DRAM）
来
越
越
大
快
联机外部存储器（磁盘等）
脱机外部存储器（磁带、光盘等）
存储器的层次结构
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存储器容量
存储器的容量是衡量存储器性能的重要指标之一， 以字或字节为单位来表示存储器存储单元的总数， 就得到了存储器的容量。
CS-03-数据存储
8
无符号表示法
译解无符号整数
将位串转换称为一个十进制的无符号整数
例：当内存中保存的位串是11001101时， 输出设备返回的是什么？
27+26+23+22+20 = 128+64+8+4+1 = 205
溢出
溢出的原因是存储单元的位的数量的限制
无符号整数的应用
计数、寻址、为其他数据类型排序
信息技术学院 于文
16
二进制补码表示法
从二进制补码格式还原整数
1. 如果最左位是1，计算其补码，符号为负；如 果最左位是0，不进行操作，符号为正 2. 将二进制转换成十进制，并添加相应符号
例：将用二进制补码格式存储的11001101 复原成整数
最左位是1，补码为00110011，符号为负 将00110011转换成十进制，结果为51 加上符号后该数为-51
4位余码系统可表示的整数范围是-7 ~ 8，用 0000(0) ~ 1111(15)来表示 位移量为7(24-1-1)，其中4是内存位数 也就是说-7 ~ 8是分别用(0-7) ~ (15-7)表示的
信息技术学院 于文
21
存储实数
电气和电子工程师协会（IEEE）定义了几 种存储浮点数的标准 常用的有
信息技术学院 于文
15
二进制补码表示法
例：将7存储在8位存储单元中
1. 把7变为8位二进制：00000111 2. 因为是正数，不再进行其他操作
0 0 0 0 0 1 1 1
例：将-7存储在8位存储单元中
1. 把7变为8位二进制：00000111 2. 因为是负数，进行补码运算
最新计算机系统结构第三章 存储系统教学讲义ppt课件
机器地址序列常常具有顺序性，按照低位交叉的规律分配地址可使相继出现 的地址落在相同存储体的概率降到最低（参见上图）。
考虑到地址总线与数据总线的拥挤问题，一个Tm周期里发送的多个访问请求 最好彼此错开Tm/n时间，如P140图3.11所示，否则实现的复杂度会增加。
2003.3.1
计算机系统结构
8
计算平均加速倍数（P141）：
求主存地 A址 nj： k 求结构参 j数 nA， ：kAmond
其中：n ── 存储体个数，A ── 主存地址， j ── 体内地址， k ── 体序号（ k = 0，1，2，…，n-1 ）
• 例3.1 已知 n = 4，问主存地址13是在几号体的几号单元？ 解：
由于 n = 4，体选译码信号使用主存地址的最低 log2n = 2位，所以 地址13（其二进制为1101B）对应的体号k = 1（即01B）、体内地址j = 3 （即11B），也就是说，地址13位于1号体的3号单元（参看前一页插图）。
– CPU cost/performance, Pipelined Execution
CPU-DRAM Gap
1000
CPU
“Moore’s Law”
µProc 60%/yr.
100 10
1
Processor-Memory Performance Gap: (grows 50% / year)
DRAM DRAM 7%/yr.
g
2003.3.1
计算机系统结构
Байду номын сангаас
11
例题：P203，题5
解：已知Kn
1(1 g)n g
，其中g
0.1，依题意有
Kn1
1(1 g
考虑到地址总线与数据总线的拥挤问题，一个Tm周期里发送的多个访问请求 最好彼此错开Tm/n时间，如P140图3.11所示，否则实现的复杂度会增加。
2003.3.1
计算机系统结构
8
计算平均加速倍数（P141）：
求主存地 A址 nj： k 求结构参 j数 nA， ：kAmond
其中：n ── 存储体个数，A ── 主存地址， j ── 体内地址， k ── 体序号（ k = 0，1，2，…，n-1 ）
• 例3.1 已知 n = 4，问主存地址13是在几号体的几号单元？ 解：
由于 n = 4，体选译码信号使用主存地址的最低 log2n = 2位，所以 地址13（其二进制为1101B）对应的体号k = 1（即01B）、体内地址j = 3 （即11B），也就是说，地址13位于1号体的3号单元（参看前一页插图）。
– CPU cost/performance, Pipelined Execution
CPU-DRAM Gap
1000
CPU
“Moore’s Law”
µProc 60%/yr.
100 10
1
Processor-Memory Performance Gap: (grows 50% / year)
DRAM DRAM 7%/yr.
g
2003.3.1
计算机系统结构
Байду номын сангаас
11
例题：P203，题5
解：已知Kn
1(1 g)n g
，其中g
0.1，依题意有
Kn1
1(1 g
计算机系统结构课件：第三章 存储系统
Computer Architecture
第三章 存储系统
缺点：由于程序局部性的原理，近期所用到的指令和数据往往都 集中在一个体内，就会出现并行访问冲突，只有一个存储模块在 不停地忙碌，其他空闲。只有当指令跨越两个存储模块时，才并 行工作。
优点：扩大存储容量非常方便。如果在多任务或多用户的应用状 态下，可以将不同的任务分别存放在不同的体内，减少了访问冲 突，发挥了并行访问的优点。
计算机系统结构
Computer Architecture
组相联地址映像
组0 组1
块0
块b－1 块b
块2b－1
组C/B－1
Cache
第三章 存储系统
块0
块b－1
组0
块b
区0
块2b－1
组1
组C/B－1
组C/B(Me－1) 组C/BMe－C/B+1 区Me－1
组C/BMe－1
计算机系统结构
Computer Architecture
高速缓冲存储器：存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯
片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高很多， 接近于CPU的速度。
Cache 的 功 能：存放那些近期需要运行的指令与数据。
目
的：提高CPU对存储器的访问速度。
计算机系统结构
Computer Architecture
第三章 存储系统
存储器管理部件
主存与cache地址的映像和转换 替换方法
CPU
MMU
D或 I
Cache
D或 I
MS
(主存)
CPU与Cache、主存的关系
计算机系统结构
Computer Architecture
第三章 存储系统
缺点：由于程序局部性的原理，近期所用到的指令和数据往往都 集中在一个体内，就会出现并行访问冲突，只有一个存储模块在 不停地忙碌，其他空闲。只有当指令跨越两个存储模块时，才并 行工作。
优点：扩大存储容量非常方便。如果在多任务或多用户的应用状 态下，可以将不同的任务分别存放在不同的体内，减少了访问冲 突，发挥了并行访问的优点。
计算机系统结构
Computer Architecture
组相联地址映像
组0 组1
块0
块b－1 块b
块2b－1
组C/B－1
Cache
第三章 存储系统
块0
块b－1
组0
块b
区0
块2b－1
组1
组C/B－1
组C/B(Me－1) 组C/BMe－C/B+1 区Me－1
组C/BMe－1
计算机系统结构
Computer Architecture
高速缓冲存储器：存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯
片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高很多， 接近于CPU的速度。
Cache 的 功 能：存放那些近期需要运行的指令与数据。
目
的：提高CPU对存储器的访问速度。
计算机系统结构
Computer Architecture
第三章 存储系统
存储器管理部件
主存与cache地址的映像和转换 替换方法
CPU
MMU
D或 I
Cache
D或 I
MS
(主存)
CPU与Cache、主存的关系
计算机系统结构
Computer Architecture
计算机导论课件-第3章 计算机系统的组成
CPU的主频=外频×倍频系数
3.2 计算机硬件系统
3.2.1 中央处理单元
5. CPU的性能参数
（2）外频：CPU的基准频率，决定着整块主板的运行速度。 （3）倍频系数：是指CUP主频和外频之间的相对比例关系。在相同 的外频下，倍频越高，CPU的频率也越高。 （4）缓存：CPU的重要指标之一，其结构和大小对CPU速度的影响 非常大，CPU缓存的运行频率极高，一般与处理器同频运作，其工 作效率远远大于系统内存和硬盘。
目前计算机的基本体系结构与基本作用机制仍然沿用冯·诺伊曼的最 初构思和设计，我们把这种结构称之为冯·诺伊曼体系结构或普林斯顿体 系结构。
冯·诺伊曼体系结构计算机主要有以下两大特征： 1．计算机要执行的指令和需要处理的数据都采用二进制表示； 2．指令与数据必须存储到计算机内部让其自动执行。
冯·诺伊曼结构计算机系统包括硬件系统和软件系统两部分，简称为 硬件和软件。硬件（HardWare）是组成计算机的各种物理设备，由五 大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。 软件（SoftWare）是指在硬件系统上运行的各类程序、数据及有关资 料的总称，由系统软件和应用软件组成。
2. 软件的特点 从应用的角度看，硬件和软件在逻辑功能上可以等效，既可以
用硬件实现，也可以用软件实现。
3.3 软件系统
2. 软件的特点 与硬件相比，软件有以下特点。 ➢ 软件容易改变或修改。 ➢ 软件易于复制，生产效率高。 ➢ 软件适宜选择多种方法和算法进行比较。 ➢ 软件适宜用在条件判断和控制转移多的情况，适宜实现复杂算法。 ➢ 软件实现的功能不如硬件实现的运行速度快。 ➢ 软件实现在安全性方面不如硬件，不适宜用在安全性要求高的情况。
3.2 计算机硬件系统
3.2 计算机硬件系统
3.2.1 中央处理单元
5. CPU的性能参数
（2）外频：CPU的基准频率，决定着整块主板的运行速度。 （3）倍频系数：是指CUP主频和外频之间的相对比例关系。在相同 的外频下，倍频越高，CPU的频率也越高。 （4）缓存：CPU的重要指标之一，其结构和大小对CPU速度的影响 非常大，CPU缓存的运行频率极高，一般与处理器同频运作，其工 作效率远远大于系统内存和硬盘。
目前计算机的基本体系结构与基本作用机制仍然沿用冯·诺伊曼的最 初构思和设计，我们把这种结构称之为冯·诺伊曼体系结构或普林斯顿体 系结构。
冯·诺伊曼体系结构计算机主要有以下两大特征： 1．计算机要执行的指令和需要处理的数据都采用二进制表示； 2．指令与数据必须存储到计算机内部让其自动执行。
冯·诺伊曼结构计算机系统包括硬件系统和软件系统两部分，简称为 硬件和软件。硬件（HardWare）是组成计算机的各种物理设备，由五 大功能部件组成，即运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。 软件（SoftWare）是指在硬件系统上运行的各类程序、数据及有关资 料的总称，由系统软件和应用软件组成。
2. 软件的特点 从应用的角度看，硬件和软件在逻辑功能上可以等效，既可以
用硬件实现，也可以用软件实现。
3.3 软件系统
2. 软件的特点 与硬件相比，软件有以下特点。 ➢ 软件容易改变或修改。 ➢ 软件易于复制，生产效率高。 ➢ 软件适宜选择多种方法和算法进行比较。 ➢ 软件适宜用在条件判断和控制转移多的情况，适宜实现复杂算法。 ➢ 软件实现的功能不如硬件实现的运行速度快。 ➢ 软件实现在安全性方面不如硬件，不适宜用在安全性要求高的情况。
3.2 计算机硬件系统
计算机中的数据表示与存储
3.1.5 数据存储的组织形式
• 地址
– 为了便于存放、查找和使用，每个存储单元必 须有唯一的编号，称之为地址。
– 通过地址可以找到数据所在的存储单元，读取 或存入数据。
第36页，本讲稿共55页
第三章 计算机中数据表示与存储
• 3.1 位置计数制 • 3.2 负数在计算机中的编码 • 3.3 实数在计算机中的表示 • 3.4 十进制数的编码 • 3.5 字符的编码 • 3.6 模拟信号编码的一般过程 • 3.7 数据压缩
Hex
三大类转换方法：
• 1.非十进制转换为十进制的方法
• 2.十进制转换为其他进制的方法 • 3. 二数制、八进制、16进制之间的转换方法
第16页，本讲稿共55页
3.1.3 数制的转换
• 1．非十进制转换为十进制
– 按权展开求和，即各数位与相应位权值相乘以后再 相加即为对应的十进制数。
• 十进制数：由0~9数码组成，位权为10i • 二进制数：由0、1组成，位权为2i • 八进制数：由0~7组成，位权为8i • 十六进制数：由0~F组成，位权为16i
第2页，本讲稿共55页
信息的概念
• 信息是用文字、数字、符号、声音、图形 和图像等方式表示和传递的数据、知识和 消息。
• 在计算机中，都是用二进制来处理和存储 信息的。
• 所有的数值都要用二进制数表示; • 所有的字符也要用二进制数表示;
第3页，本讲稿共55页
计算机中信息的表示
输入设备
内存
输出设备
第19页，本讲稿共55页
转换示例
八进制数
127.21 = 1× 82 +2×81 + 7×80 + 2×8－1 + 1×8－2 = 64 + 16 + 7 + 0.25 + 0.15625 = 87.265625
计算机导论3-2
练1：将下列数转换成32位的IEEE形式 7.75 -0.375
练2：将下列32位的IEEE形式转换成十进制数 11000101110100000000000000000000
3.3 存储文本
文本：
➢要以数字化的形式表示文本，必须表示在文本 中可能出现的每个字符；
➢要表示的字符数是有限的，最常用的方法就是 给每一个字符分配一个二进制字符；
(1)单精度格式(32位) ：S为1位，E为8偏位移，量M为为1272，3位
又称为余127码
其中：指数E=(27-1)+e=127+e，e为真值
Excess_127
1 符号
8 指数
23 尾数
(2)双精度格式(64位) ：S为1位，E为11偏位移，量M为为105223位，
又称为余1023码
其中：指数E=(210-1)+e=1023+e，e为真值
-34.62=-3462×10-2 = -0.3462×102 = -3.462×101 二进制实数也可以用上述几种不同的表示形式表示：
-10.01 =-1001×2-2 = -0.1001×22= -1.001×21
浮点数 符号
位移量
定点数
一个数字的浮点表示法由3部分组成：符号、 位移量、定点数。
数的符号数值化
在计算机中，有符号数的符号同样用0和1表示。 在计算机中，数的最高位定义为符号位，用“0”
表示正数，用“1”表示负数。
原码：正数的原码=符号位0+真值
机
负数的原码=符号位1+|真值|
器 反码：正数的反码=原码
数
负数的反码=符号位1+|真值|按位取反
的
计算机科学导论：第三章-数据存储
三数据存储3.1 数据类型如今，数据以不同的形式出现，如: 数字、文本、音频、图像和视频.人们需要能够处理许多不同的数据类型:•工程程序使用计算机的主要是目的是处理数字:进行算术运算、求解代数或三角方程、找出微分方程的根等。
•文字处理程序使用计算机的主要目的是处理文本: 调整对齐、移动、删除等。
•计算机同样也处理音频数据。
我们可以使用计算机播放音乐，并且可以把声音作为数据输入到计算机中。
•图像处理程序使用计算机的主要目的是处理图像:创建、收缩、放大、旋转等。
•最后，计算机不仅能用来播放电影，还能创建我们在电影中所看到的特技效果。
计算机行业中使用术语多媒体来定义包含数字、文本、图像、音频和视频的信息。
计算机内部的数据格式•位(bit): 是存储在计算中的最小单位，0或1，代表设备的某一种状态•位模式(位流): 表示数据的不同类型，长度为8的位模式称为一个字节(byte)属于不同数据类型的数据可以以同样的位模式存储于内存中•字: 通常用于代表更长的位模式3.2 存储数字整数是完整的数字(即没有小数部分)。
整数可以被当作小数点位置固定的数字: 小数点固定在最右边。
因此，定点表示法用于存储整数，在这种表示法中，小数点是假定的，但并不存储。
整数通常使用定点表示法存储在内存中。
3.2.1 无符号整数无符号整数是指非负整数。
它的范围在$[0,+\infy)$。
计算机通常会定义一个2n−1表示最大的整数；其中n表示用于存储整数的二进制位数。
无符号整数的存储过程1.输入无符号整数2.将输入的无符号整数转为二进制表示，•如果二进制位数不足n，则在其最左端用0补齐•如果二进制位数超过n，则其不能存储在计算机中，出现溢出现象。
无符号整数存储溢出现象因为大小(即存储单元的位的数量)的限制，可以表达的整数范围是有限的。
在n位储单元中,我们可以存储的无符号整数仅为0到2n−1之间。
如果发生溢出现象则计算机丢掉最左边的位,并保留最右边无符号整数的应用无符号整数表示法可以提高存储的效率，因为不必存储整数的符号。