什么是數(shù)據(jù)?數(shù)據(jù)在計算機中的存儲方式

數(shù)據(jù)是關于組織機構及其業(yè)務活動的原始事實，它是信息系統(tǒng)中最活躍的元素。大部分數(shù)據(jù)自身并沒有什么意義和用處，從不同角度可以進行不同的分類。

數(shù)據(jù)可以分為模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)兩大類。模擬網(wǎng)站設計數(shù)據(jù)是在某個區(qū)間內連續(xù)變化的值，例如聲音和視頻都是幅度連續(xù)變化的波形，溫度和壓力也都是連續(xù)變化的值;數(shù)字數(shù)據(jù)是離散的值，如文本信息和整數(shù)。

一個企業(yè)要處理的數(shù)據(jù)通常有三種不同的類型:商務的、應用的和導出的數(shù)據(jù)，它們的特性有很大的差別。

·商務數(shù)據(jù)表示事實，如所獲取的商務電話記錄及類似的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在一段時間內是保持不變的。
·應用數(shù)據(jù)主要描述人或物的屬性。如客戶的姓名、地址、電話與傳真號碼、電子郵件地址等。應用數(shù)據(jù)一般是在客戶要求服務時獲取的，往往會跨系統(tǒng)地重現(xiàn)，變化性較大.同一應用數(shù)據(jù)可能有不一致的版本，容易發(fā)生沖突，因而管理復雜。
·導出數(shù)據(jù)是從已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)中運用某種數(shù)學運算或數(shù)據(jù)變換而得到的事實，如累計的費用、不同稅種所要繳納的稅費總額等。

數(shù)據(jù)有多種表現(xiàn)形式，它們都可以經(jīng)過數(shù)字化后存入計算機。下面介紹在計算機中如何表示數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)在計算機中的表示與存儲

數(shù)據(jù)是計算機處理的對象。從外部形式來看，計算機可以處理數(shù)值、文字、圖像、聲音、視頻等。但是，在計算機系統(tǒng)的內部，這些都不能直接由計算機進行處理和存儲，它們必須采取特殊的表示形式才能由計算機進行加工處理。這種特殊的表示形式就是二進制編碼形式，即采用二進制編碼來表示數(shù)值、文字、圖像、聲音和視頻等.計算機系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)都是以二進制編碼形式出現(xiàn)的。

在二進制編碼系統(tǒng)中，只有0和1兩種基本符號，使用有兩個穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件(如三極管)就可以表示二進制數(shù)的每一位.例如，用高低兩個電位，脈沖的有無，或者脈沖的正負極性等，都可以方便、可靠地表示。和1，如圖2-1所示。

1.計算機中的數(shù)據(jù)單位

1)位

在二進制系統(tǒng)中，每個。和1都稱為一個二進制位(Binary bit)，簡稱位(bit).可以采用不同的組合方式將位組織在一起來表示數(shù)據(jù)—數(shù)字、字母、標點符號等。例如，字母H可以用01001000(即關一開一關一關一開一關一關一關)來表示。

2)字節(jié)

在計算機系統(tǒng)中，8個二進制位構成一個字節(jié)(Byte)，簡寫為B，即1B=8b。字節(jié)是計算機處理數(shù)據(jù)的基本單位。一個字節(jié)可以表示2' = 256種狀態(tài)，它可以存放一個整數(shù)(0-255范圍內)，或一個英文字母的編碼，或一個符號。

計算機中常以字節(jié)為單位來表示文件或數(shù)據(jù)的長度及存儲容量的大小。

3)字與字長

計算機一次存取、處理和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱為字(Word)，即一組二進制位作為一個整體來參加運算或處理的單位.一個字通常由一個或多個字節(jié)構成，用來存放一條指令或一個數(shù)據(jù)。

一個字中所包含的二進制數(shù)的位數(shù)稱為字長。不同計算機的字長是不同的.常用的字長有16位、32位和“位，也就是經(jīng)常說的16位機、32位機和64位機.字長是衡量計算機性能的一個重要指標.字長越長，一次處理的數(shù)字位數(shù)就越多，速度也就越快。

2.計算機中常用的數(shù)據(jù)編碼

數(shù)可以分為無符號數(shù)(不帶正負號的數(shù))和有符號數(shù)(帶正負號的數(shù))。對于無符號數(shù)，所有二進制位都用來表示數(shù)的大小。有符號數(shù)則用最高位來表示數(shù)的正負號，即設置一個符號位，該位為0表示正數(shù)，為1表示負數(shù)，其他位表示數(shù)的大小。

符號和數(shù)字合在一起構成數(shù)的機內表示形式，稱為機器數(shù)。而它真正表示的帶有符號的數(shù)值稱為這個機器數(shù)的真值。機器數(shù)又分為定點數(shù)和浮點數(shù)。在機器數(shù)中，用0,1取代了真值的正、負號.機器數(shù)采用確定的字長表示，即假設字長為，，則一個機器數(shù)總是采用n位二進制表示形式。

在計算機中，機器數(shù)有三種表示形式:原碼、補碼與反碼。

1)原碼、補碼與反碼

(1)原碼:對于無符號數(shù)，原碼是一種用數(shù)值本身表示的二進制編碼。

對于有符號數(shù)，原碼是一種用符號和數(shù)值表示的二進制編碼。有符號數(shù)的原碼編碼規(guī)則是:用最高位表示符號，正數(shù)用0表示，負數(shù)用1表示，其他位表示該數(shù)的絕對值.例如，設字長為8位，則十進制整數(shù)+1的原碼表示為0000 0001，一1的原碼表示為1000 0001。

(2)反碼:反碼使用得較少，它只是補碼的一種過渡。

對于無符號數(shù)，反碼是一種對數(shù)值按位取反(對0取反得到1，對1取反得到0)表示的二進制編碼。

對于有符號數(shù)，反碼是一種用符號位和對數(shù)值按位取反表示的二進制編碼。有符號數(shù)的反碼編碼規(guī)則是:用最高位表示符號，正數(shù)用。表示，負數(shù)用1表示，正數(shù)的反碼是其原碼本身，負數(shù)反碼的數(shù)值部分是原碼的數(shù)值部分按位取反。例如，設字長為8位，則十進制整數(shù)+1的反碼表示為0000 0001，一1的反碼表示為1111 1110。

(3)補碼:補碼是計算機中表示和處理有符號數(shù)的運算時常用的一種方式。

對于無符號數(shù)，補碼是一種對數(shù)值按位取反并加1表示的二進制編碼。對于有符號數(shù)，補碼是一種用符號和對數(shù)值按位取反并加1表示的二進制編碼.有符
號數(shù)的補碼編碼規(guī)則是:用最高位表示符號，正數(shù)用。表示，負數(shù)用1表示;正數(shù)的補碼是其原碼本身，負數(shù)補碼的數(shù)值部分是對其原碼的數(shù)值部分按位取反后加1。例如，設字長為8位，則十進制整數(shù)+1的補碼表示為0000 0001，一1的補碼表示為1111 1111。

2) BCD碼

計算機使用二進制數(shù)來處理信息，但是如果用二進制的形式來輸人和輸出數(shù)據(jù)，就十分不方便了.一般來說，輸入時采用十進制數(shù)。因此計算機把十進制數(shù)轉換成二進制數(shù)就要用到一種轉換碼，BCD碼就是其中的一種。BCD碼分為壓縮BCD碼和非壓縮BCD碼。對于壓縮BCD碼，每位BCD碼用四個二進制位表示，一個字節(jié)表示兩位BCD碼.非壓縮BCD碼用一個字節(jié)表示一位BCD碼，其高四位總是0000，低四位從0000-1001，分別表示0-9。

3) ASCII碼

ASCII碼(American Standard Code for Information Interchange，美國標準信息交換碼)已經(jīng)被國際標準化組織(International Standard Organization, ISO)采納，作為國際通用的標準信息交換碼。ASCII碼包含5;個大、小寫英文字母，0---9共10個數(shù)字字符，32個標點符號、運算符號、特殊符號，還有34個不可顯示和打印的控制字符編碼，一共有128個編碼。

ASCII碼一般在計算機的輸人輸出過程中使用，而二進制碼和BCD碼則在運算、處理過程中使用。因此，在應用計算機解決實際問題時，常常需要在這幾種機器碼之間進行轉換。

4)小數(shù)的表示

當所要處理的數(shù)含有小數(shù)部分時，就存在一個如何表示小數(shù)點的問題。在計算機中并不用某個二進制位來表示小數(shù)點，而是規(guī)定小數(shù)點的隱含位置。若約定小數(shù)點的位置是固定的，則稱為定點表示法，用這種方法表示的數(shù)稱為定點數(shù);若約定小數(shù)點的位置是可以變動的，則稱為浮點表示法，用這種方法表示的數(shù)稱為浮點.數(shù)。

對于定點表示法，通常小數(shù)點的固定位置有兩種情況，一種是默認固定在數(shù)的最右邊，即只有整數(shù)部分而沒有小數(shù)部分，實際上也就是整數(shù).因此這種數(shù)也被稱為定點純整數(shù)。另一種是把小數(shù)點固定在符號位之后、最高數(shù)值位之前，即只有小數(shù)部分而沒有整數(shù)部分，因此也被稱為定點純小數(shù)。

當要處理的數(shù)既有整數(shù)部分又有小數(shù)部分時，采用定點表示法很不方便，因此一般采用浮點數(shù)來表示。

浮點數(shù)由階碼和尾數(shù)兩部分組成，表示為：
            N=2^E X S

其中E是有符號的純整數(shù)，表示浮點數(shù)N的階碼;S表示N的尾數(shù)，是數(shù)值的有效數(shù)字部分，一般規(guī)定取二進制定點純小數(shù)形式.底數(shù)2在機器數(shù)中不出現(xiàn)，是隱含的。

浮點數(shù)的格式如下:



5)其他編碼

原碼、補碼與反碼通常用來表示數(shù)值數(shù)據(jù)，對于文字、圖形圖像、聲音等非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示也有對應的編碼標準.

(1)漢字編碼:為了使計算機能處理漢字，也必須對漢字進行編碼，在計算機中存放漢字實際上就是存放漢字的編碼。由于漢字數(shù)量大、字形復雜，因此漢字的編碼要比ASCII碼復雜得多。

為了能顯示和打印漢字，必須存儲漢字的字形.現(xiàn)在普遍使用的漢字字型碼是用點陣方式表示的，通常稱為“點陣字模碼”。

目前，漢字編碼通常采用雙七位編碼方案，即用兩個字節(jié)存放一個漢字，并規(guī)定兩個字節(jié)的首位必須為1，以便與西文ASCII碼區(qū)別。

(2) Unicode: Unicode(統(tǒng)一碼、萬國碼、單一碼)是基于通用字符集(UniversalCharacter Set)標準、在計算機上使用的一種字符編碼，它為全世界每種語言的每個字符設定了統(tǒng)一并且唯一的二進制編碼，以滿足跨語言、跨平臺進行文本轉換、處理的要求。

(3)音頻和視頻編碼:聲音信號是一種模擬信號，計算機要對它進行處理，必須將它轉換成為數(shù)字聲音信號，即用二進制數(shù)字的編碼形式來表示聲音。最基本的聲音信號數(shù)字化步驟是采樣、量化和編碼。基于音頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性進行編碼的典型技術是波形編碼，PCM(脈沖編碼調制)是其中最簡單、最基本的編碼方法。改進方法則有差值量化(DPCM)、自適應量化(APCM)和自適應預測編碼(ADPCM)等，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的壓縮。此外，還有參數(shù)編碼和混合編碼方法。數(shù)字語音壓縮編碼有多種國際標準，如G.711,G.721,G. 726,G. 727 , G. 722 , G. 728.G. 729A,G. 723. 1, IS96 (CDMA)等。

計算機中的圖形數(shù)據(jù)有兩種常用的表示形式:一種稱為幾何圖形或矢量圖形，簡稱圖形;另一種稱為點陣圖像或位圖圖像。一般可以通過硬件(輸人輸出設備)或軟件實現(xiàn)圖形和圖像之間的轉換.圖像壓縮編碼方法有多種國際標準和工業(yè)標準，目前廣泛使用的編碼及壓縮標準有JPEG,MPEG和H. 261,MPEG是運動圖像壓縮算法的國際標準，它包括MPEG視頻、MPEG音頻和MPEG系統(tǒng)(視頻、音頻同步)三個部分。

3.數(shù)據(jù)在計算機中的存儲方式

用來存儲數(shù)據(jù)的設備稱為計算機的存儲設備，如內存、硬盤、軟盤、光盤等。不同的存儲設備因所采用的材料不同而采用不同的方式來存儲數(shù)據(jù)。磁存儲、光存儲和半導體存儲是目前所使用的三種主要的存儲方式。

1)磁存儲

自從有計算機以來，磁介質就一直在數(shù)據(jù)和信息的存儲中起著重要的作用。硬盤、軟盤和磁帶都是磁存儲器。

數(shù)據(jù)通過讀寫磁頭存儲到磁介質上。讀寫磁頭實際上是用軟磁材料做鐵芯、繞有讀寫線圈的電磁鐵，它是通過磁化方式排列磁介質上的金屬顆粒(氧化鐵與貓合劑的混合物)來記錄數(shù)據(jù)的。這些金屬顆粒對應于二進制數(shù)位(例如，排成直線表示二進制數(shù)1，沒有排成直線則表示0)。寫磁頭記錄數(shù)據(jù)，讀磁頭獲取數(shù)據(jù)。

2)光存儲

光存儲使用光信號來存儲信息.激光器產(chǎn)生的一束光通過一些透鏡，最后匯集在某個金屬盤片或塑料渦流盤的表面上.該盤片的反射模式(對應于它所承載的數(shù)據(jù))是讀寫數(shù)據(jù)和信息的關鍵部分。典型的光存儲設備就是光盤。記錄數(shù)據(jù)時，一束強大的激光在光盤的表面打一個凹槽，這些激光凹槽的有和無對應于二進制編碼中的1和0。讀取光盤上存儲的信息時，一束較弱的激光掃描光盤表面，感知凹槽的模式.該模式被反饋給閱讀器，由它解釋出數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)發(fā)送給CPU(中央處理器或中央處理單元)。

3)半導體存儲

半導體存儲器(Semi-conductor Memory)是一種以半導體電路作為存儲媒體的存儲器。按其功能可分為隨機存取存儲器(Random Access Memory, RAM)和只讀存儲器(Read Only Memory, ROM);按其制造工藝可分為雙極晶體管存儲器和MOS晶體管存儲器;按其存儲原理可分為靜態(tài)(Static)和動態(tài)(Dynamic)兩種。

ROM的電路結構包含存儲矩陣、地址譯碼器和輸出緩沖器三個組成部分，使用時其內容只能讀取，不可改寫。

靜態(tài)MOS存儲器由存儲體、讀寫電路、地址譯碼電路和控制電路等組成，其存儲體的基本單元為觸發(fā)器，接通表示1，斷開表示。。這種存儲器速度快，但功耗大且集成度較低，因此存儲容量較小。

動態(tài)MOS存儲器是靠電容的電荷存儲效應存儲數(shù)據(jù)的，即電容充有電荷表示存儲1,沒有電荷表示存儲。，因此除了具有存儲體、讀寫電路、地址譯碼器和控制電路等部件外，還需要刷新電路，對存儲單元進行定期刷新以保證數(shù)據(jù)不丟失。這種存儲器速度較慢，但功耗低且集成度高，因此存儲容量大。