第信息编码与数据表示.ppt

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1、,信息编码与数据表示,信息的编码,计算机最基本的功能是进行数据的运算和处理冯氏计算机只能存储和处理二进制数表示的数据现实世界中不同类型的数据都必须进行二进制数字化数值字符汉字图像信息音频信息视频信息,本章介绍不同类型数据信息的二进制编码的思想和方法,编码与解码,计算机内部采用二进制输入输出数据采用人们熟悉的形式所以数据输入时要转换为二进制代码，输出时要还原成其原来的形式将一般形式的数据信息转换为二进制代码形式的过程称为信息的编码反之称为解码(或称为译码)不同类型的数据信息的编码方法不同,图示,编码处理,解码处理,原始数据形式,不同类型数据,主要内容,常用数制及其相互转换二进制数的运算数值数据在

2、计算机中的表示西文字符与中文信息编码多媒体信息编码（在后续章节中讲述）,计算机中采用二进制的原因,物理上容易实现，并使电路简单运算简单便于实现逻辑运算和程序中的逻辑判断,常用数制,在计算机技术中常用的数制十进制数（Decimal）二进制数（Binary）八进制数（Octal）十六进制数（Hexadecimal）,数制的意义,按进位的原则进行计数称为进位计数制，简称“数制”数制的三要素及意义进位基数：逢N进一数码：使用那些字符表示数位权：一个数字在某个固定位置时的值,常用数制的基本要素和表示方法,数的展开式,数的按权展开：,Ni和Nj表示第i位和第j位上的数码；Ki-1和Kj表示该数码的权，K是

3、基数,十进制数的特点（D简记）,数码：0-9进位基数：逢十进一的进位原则，进位基数是10位权：各数位的“权”是以10为底的幂,123456.123 1*105+2*104+3*103+4*102+5*101+6*100+1*101+2*102+3*103,二进制数的特点（B简记）,数码：0和1 进位基数：逢2进1，进位基数是2 位权：各数位的“权”是以2为底的幂 例如：（10110.1）2 可表示为 10110.1B 12 4 02 3 12 2+12 1 02 0 121,二进制数的位权值,例：11位二进制代码可表示的最大数是多少?,十六进制数的特点（H简记）,采用十六个不同的记数符号，即数

4、码：09及A-F A表示十进制数10，B表示11，C表示12，D表示13，E表示14，F表示15 采用逢十六进一的进位原则，进位基数是16 各位数的“权”是以16为底数的幂 例如：可表示为 2AF.B2H（2AF.B2）16 216 2A16 1F16 0+B16-1216-2,八进制数的特点（Q简记）,采用八个不同的记数符号，即数码：07 采用逢八进一的进位原则。进位基数是8 各位数的“权”是以8为底数的幂 例如：（456.45）8 48 258 168 0481582 可表示为 456.45Q,不同进制数值对照表,数制之间的转换,计算机中采用二进制日常生活中习惯使用十进制八、十六进制用来书

5、写数据、指令转换是必然的转换的过程完全由计算机自行完成二、八、十六 十十 二二、八、十六相互转换,例：将（83）10转换成二进制数,由于是整数，用除2取余法，即用整数部分不断去除2，并记下每次的余数，直到商为0为止。余数从下至上即为转换结果。,（83）10=（1010011）2,余数,例：将十进制数0.625转换为二进制数,用小数部分连续与 2 相乘，并记下乘积的整数部分，直到结果小数部分为 0，或精度达到要求为止。所得整数部分从上至下即为转换结果。,(0.8125)10=(0.1101)2,0.8125 整数 2 1.6250 1 2 1.250 1 2 0.50 0 2 1.0 1,例:将

6、0.335转换为二进制小数（精确到0.001）,0.335 2 0.670 2 1.34 2 0.68 2 1.36,(0.335)10=(0.0101)2(0.011)2,2、16、8相互转换的例,11011.01101B16进制:0001 1011.0110 10001B.68H8进制:011 011.011 01033.32Q,2、16、8相互转换的例,7AF.14H 0111 1010 1111.0001 0100B 3657.05Q 11 110 101 111.000 101B,数值转换图示,十进制数,二进制数,八进制数,十六进制数,整数：除2逆向取余小数：乘2取整,按权展开相加,

7、三位幷一位,一位拆三位,四位幷一位,一位拆四位,按权展开相加,按权展开相加,二进制数的常用单位,一个二进制位称为1比特（bit)；是计算机中数据处理的最小单位8个二进制位组成1字节（Byte;B），是数据处理和存储容量的基本单位；1KB=1024B=210B1MB=1024KB=10241024B=220B1GB=1024MB=10241024 1024B=230B1TB=1024GB=10241024 10241024B=240B,二进制数的运算规则,二进制数算术运算举例,例1：101.01+110.01 1011.10 例2：101.111+11.011 1001.010,要点：小数点对齐

8、逢二进一要考虑进位问题,二进制数算术运算举例,二进制数逻辑运算举例,例如：a=1100，b=0110 进行运算：ab、ab、a 1100 1100 1100 0110 0110 逻辑非为：1110 0100 0011,要点：逻辑运算按位进行，不同位之间不存在任何联系，不象算术运算中位之间可能有进位或借位。,数值数据在计算机中的表示,现实世界中的数值型数据一般都带有正负号，而且通常含有小数那么数值数据中的正号、符号、小数点在计算机中如何表示呢？首先将十进制数（例如：128，3.14，-67）转换成二进制数，然后还必须经过一定的“编码”,数值数据在计算机中的表示,在计算机中表示和处理数值将涉及两个

9、问题正数与负数问题小数点问题数值在计算机中的表示形式原码、反码、补码定点数、浮点数表示法,机器数与真值,在计算机中，数值的正号和负号也是用二进制数码来表示的通常把一个数的最高位定义为符号位，用0表示正，1表示负，称为数符。其余位表示数值把在机器（计算机）内存放的正、负号数码化的数称为机器数把机器外部由“+”、“-”号表示的数称为真值例如：(0000 1011)2(11)10(1000 1011)2(11)10 机器数 真值,机器数的问题讨论,直接使用机器数进行运算时，会遇到一些问题同号数值相减异号数值相加例:(+36)+(-45)0 0100100+)1 0101101 1 1010001 结

10、果是(-81)-这个结果显然是错误的！,机器数有三种编码方法：原码、反码和补码，以解决计算中出现的问题,原码、反码与补码,正数：原码、反码、补码相同。符号位为0，数值位为对应的二进制数。例如：109 109原=109反=109补=01101101,负数：原码：符号位为1，数值位为绝对值的二进制数 例：-109原=11101101反码：将原码除符号位外，逐位取反。例：-109反=10010010补码：将反码末位加1。例：-109补=10010011,原码、反码与补码,原码、反码和补码之间的转换图示,X反 数值位 X真值 X原 数值位 X补,数值位不变,+,0,1,符号位不变,符号位不变,不变（符

11、号位为0）取反加1（符号位为1）,不变（符号位为0）取反（符号位为1）,原码反码补码举例（以8位字长为例）,补码运算,在微型计算机中，一般使用补码表示带符号数使用补码的表示方法能将减法一律转换为加法符号位和数值位一样参与运算运算结果也是补码的形式；然后再将补码形式的结果转换为原码，即为所求简化了运算，也简化了机器的结构运算规则：X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补+-Y补,补码运算举例,补码转换为原码,若补码的最高位为0，该补码为某正数的补码，且与原码相同，无需转换若补码的最高位为1，则该补码为某负数的补码负数的补码转换为原码：除符号位外，逐位取反末位加1。例如：（11001010）补=（10

12、110110）原=-(25+24+22+21)10=-54,数的定点表示与浮点表示,约定小数点隐含地固定在某一位置不变，这种表示方法称为定点表示法，用定点表示法表示的数叫定点数。包括定点整数和定点小数两类；小数点的位置一般在应用程序中约定。定点整数 小数点隐含固定在数值的最右端定点整数存储格式例如0110-+110只能存储纯整数,数的定点表示与浮点表示,定点小数 小数点隐含固定在数值位之前、符号位之后定点小数存储格式例如0110-+0.11只能存储纯小数定点小数表示法主要用在早期的计算机中,数的定点表示与浮点表示,浮点表示 用来表示带小数点的实型数任何实数可以表示为：N=S2P其中，S是N的有

13、效数字部分，称为N的尾数，尾数为纯小数；P是指数，称为N的阶码，阶码为整数。数的小数点的实际位置由P确定，所以称为浮点表示法，表示的数称为浮点数例如，数1101.101可表示为 N=1101.101=0.110110124,浮点表示法,浮点数在计算机中的存储格式为在计算机中一般用4B存储一个单精度实型数，其中1B存储阶码，3B存储尾数例如：浮点数N=1101.101=0.110110124的存储格式,数的表示范围及溢出,无论是带符号数还是无符号数，当其运算结果超出了计算机所能表示的范围，就会产生不正确的结果，称之为溢出 n位二进制位表示数的范围 可以通过扩大数的表示范围防止溢出,浮点数的表示范

14、围,单精度浮点数（4字节）表示数的范围是：-2128(2-2-23)N2128(2-2-23)大约是-3.410383.41038双精度浮点数（8字节）表示数的范围是：-1.7103081.710308同样的字长，浮点表示法比定点表示法表示的数的范围大、精度高。浮点运算时可以不考虑溢出，但运算复杂。,信息编码的概念,所谓信息编码，就是采用少量基本符合（数码）和一定的组合规则来区别和表示信息生活中编码的例子并不少见，例如：用09这十个数码的组合表示数值用09这十个数码的组合表示身份证号、学号用26个英文字母的不同组合表示英文单词等,信息编码的概念,例如，某大学学生学号规定用7位十进制数进行编码，

15、其格式为：前两位表示入学年份，接着的两位表示专业号，后三位表示学生在某专业中的序号。如某学生学号为：10 01 099，则表示该学生2010年入学，专业编号为01，在本专业中的序号为99请问该学校最多可以设置多少个专业？每个专业最多可以招多少个学生？学号编码在一个学校内应具有唯一性故学号编码规则应该成为学校的一个标准，供校内共同遵守学号编码1001099从外形上看是一个7位十进制整数，但是在这里它已经没有了值的含义，只是一个代码，用来唯一地表示一个学生,信息编码的概念,前面已经介绍了计算机中数值数据的各种编码，如带符号数的编码方法：原码、反码和补码整数和实数的编码方法：定点和浮点表示法这些编码

16、都具有值的含义，可以在计算机中进行运算 下面介绍西文字符编码和汉字字符编码,字符编码,这里字符特指西文字符。常用西文字符包括英文字母，数字字符、标点符号和控制字符等共128个字符在计算机中，要为每个字符指定一个确定的二进制代码，作为识别与使用这些字符的依据由于西文字符与二进制整数之间没有什么必然的联系，某一个字符究竟对应哪个整数完全可以人为地规定 由于编码是一个涉及世界范围内有关信息表示、交换、处理、存储的基本问题，因此都以国家标准或国际标准的形式颁布施行字符编码有多种，应用最广泛的是ASCII码,ASCII,American Standard Code For Information Int

17、erchange美国标准信息交换码。这一编码最初是由美国制订的，后来由国际标准化组织（ISO）确定为国际标准字符编码为了和国际标准兼容，我国根据它制定了相应的国家标准，即 GB1988,ASCII码的编码规则,用一个字节(8位二进制数)表示一个字符的编码,余下的7位可给出128个二进制编码即0000 0000-0111 1111可以表示128个字符,最高位取“0”,ASCII码的编码规则,规定：每个字符用7位二进制数来表示，7位二进制共有128种状态(27=128)，可表示128个字符；即7位编码的取值范围为00000001111111在计算机内，每个字符的ASCII码用1个字节(8位)来存放

18、，字节的最高位(d7)为校验位，通常用“0”来填充，后7位(d6d5d4d3d2d1d0)为编码值7位编码的ASCII码字符集包括了128个字符，称为标准的ASCII码字符集,ASCII码表,ASCII字符与编码对照表,例,已知字符“X”的ASCII码为 0101 1000求字符“s”的ASCII码0101 1000 的10进制数为88（64+16+8）88+32-5=115转换为2进制数为 0111 0011,汉字编码,包括：信息交换码（国标码）区位码机内码输入码和输出码,输入码,国标码,内码,字形码,汉字输入,汉字输出,各种代码之间的关系,汉字的二进制编码,汉字不是拼音文字。用ACII码不

19、能完整表示常用汉字约有5000个汉字和汉字字符是一个庞大集合汉字及汉字字符的编码由国家定义，以GB强制性发布执行,汉字的二进制编码规则,用两个字节表示一个汉字字符，可定义255*255个汉字或汉字字符考虑到与ASCII码的兼容和统一、留出控制字符等因素每个字节的最高位取0预留出0到32号和127号的控制字符（共34个）确定字节的有效取值为 33126（对应的十六进制数为21H7EH）可“独立”表示 94*94=8836 个汉字字符,0,0,216=65536,214=16384,图示,国标GB-2312-80,称为信息交换码；又称为国标码共收录7445个汉字及图形符号：一般符号：202个；序列

20、号：60个 数字：22个；英文字母52个、日文假名169个 希腊字母48个、俄文字母66个 汉字6763个：一级汉字字符3755（以汉语拼音索引）二级汉字字符3008（以偏旁部首索引）,高八位,低八位,与ASCII码兼容的控制字符区,区位码,汉字国标码实际上是一个9494的二维字符集，编码规则是用两个字节即16个二进制位进行编码的，其中一个字节表示行号，一个字节表示列号，将行号和列号组合起来就构成了汉字国标码区位码是用两位十进制数对行号进行编码，用另两位十进制数对列号进行编码，将行号和列号组合起来就构成了用4位十进制数编码的汉字区位码。这里的区号就是行号，位号就是列号如汉字“啊”在编码表中第1

21、6行、第1 列，区位码就是1601。区号和位号的范围都是从194。区位码只是汉字编码的一种外部表现形式，并不是汉字在计算机内的编码。可以作为一种输入码。,汉字内码,为汉字及汉字字符编码的目的之一是可以在计算机中实现存储,汉字字符在计算机内部存储的二进制形式代码成为“机内码”，也称“内码”将信息交换码两个字节的最高位取“1”,避免存储中产生混乱：“鞍”的信息交换码为 00110000 00110000 对应的16进制数为 3030H 字符0的ASCII码为 30H-易造成鞍与00的混乱！,汉字各编码方式间的关系,内码与信息交换码的关系为：信息交换码=内码-8080H 内码=信息交换码+8080H

22、 将信息交换码的两字节分别减去20H或32，得到区位码信息交换码和内码用16进制数表示、区位码用10进制数表示,汉字编码的例,啊：信息交换码；0011 0000 0010 0001；3021H区位码：1601(30H-20H=48-32=16)(21H-20H=33-32=01)内码：1011 0000 1010 0001；B0A1H(3021H+8080H=B0A1H),汉字编码的例,汉字“导”的区位码为 2128，求出该汉字的国标码和机内码再次提示注意:区位码是以10进制数表示；国标码和内码均以16进制表示21转换为15H；15H+20H=35H28转换为1CH；1CH+20H=3CH国标

23、码为353CH353CH+8080H=B5BCH 机内码为B5BCH,21+32=53 转换为16进制为：35H28+32=60转换为16进制为：3CH国标码为：353CH,汉字输入码,汉字由于数量大，字形复杂，字音多变，无法直接使用西文标准键盘进行输入必须为汉字设计基于西文键盘的输入编码方法当用户从键盘上输入汉字的输入码后，再由相应的输入法应用程序完成从输入码到内码的转换过程 外码不必具有公众约定性和标准化，允许各自“独立”,汉字输入码,典型的输入码有：全拼、五笔字形、微软拼音、智能ABC、搜狗拼音输入法、区位码等例如汉字“舞”，它的五笔字型编码为rlgh，拼音编码为wu，区位码为4672但

24、是无论用户使用rlgh、wu、4672中哪一个输入码，相应的输入法应用程序都会自动地把这些输入码转换为“舞”字的内码CEE8H。,字形码（输出码）,文字信息经过计算机处理后，还要输出显示或打印，以恢复文字的本来面目，这就需要对字形进行编码 汉字字形码通常用点阵、矢量函数表示 用点阵表示字形时，汉字字形码就是这个汉字字形点阵的代码,字形码的编码方法,以1616点阵字为例，把一个汉字划分为16行乘16列的网格，对每一个小方格，用一位二进制来编码，若用 0表示无笔画，1表示有笔画，那么这个字形就可以用一组二进制数表示出来，即00000011 00000000，用这组二进制数就可以在屏幕上显示或在打印

25、机上打印该字形了，这组二进制数就称为该字的字形码，字形码也称为字模,字形码的编码方法,保存这样一个“字”，需要16*16个“二进制位”共需要(16*16*1/8)=32字节的内存空间点阵越大，点数越多，分辨率越高，显示的文字就越清晰美观常见的点阵有：16*16、24*24、48*48、128*128等全部汉字的字形码构成汉字字库当输出显示时就会检索字库，输出字模点阵得到字形,字形码的图示,字型码图示,汉字的输入/输出过程,例如：“啊大学生！”键盘输入码 a da xue sheng！机器内部存储码，十六进制表示 B0A1 20B4 F3D1 A7C9 FA21 机器内部存储码，二进制表示1011 0000 1010 00010010 0000 1011 01001111 0011 1101 00011010 0111 1100 10011111 1010 0010 0001 输出显示（字形码）：0-1点阵格式,汉字输入码，内码，字形码的信息变换过程,多媒体信息的编码思想,由于多媒体信息的特殊性，其二进制编码的技术和方法比一般的字符编码要复杂得多基本的思想就是将“连续”变成“离散”一般需经过采样、量化、编码三个过程,