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§ 3 信息数字化

发布时间:2014-01-04 09:40:22  

§ 3 信息数字化

*进位计数制的基本概念

将数字符号按序排列成数位,并遵照某种由低位到高位的进位方式计数表示数值的方法,称作进位计数制。

1. 十进制:十进制计数制由 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9共 10个数字符号组成。相同数字符号在不同的数位上表示不同的数值,每个数位计满十就向高位进一,即 “逢十进一 ”。

210-1 如: 555.5可以表示成 555.5= 5×100+5×10+5×1+5×( 1/10)=5×10+5×10+5×10+5×10

2. 八进制:八进制计数制由 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7共 8个数字符号组成。每个数位计满八就向高位进一,即 “逢八进一 ”。 如:( 555.5) 8 可以表示成:

210-1 ( 555.5) 8 = 5×16+5×8+5×1+5×( 1/8)= 5×8+5×8+5×8+5×8

3. 二进制:二进制计数制由 0和 1共 2个数字符号组成。每个数位计满二就向高位进一,即 “逢二进

一 ”。

3210-1如:( 1011.1) 2 = 1×8+0×4+1×2+1×1+1×( 1/2)= 1×2+0×2+1×2+1×2+1×2

4. 其他进制

在日常生活和日常工作中还会使用其他进制数。如:四进制数、十二进制数、十六进制数。无论哪种进制数,表示的方法都是类似的。如:十六进制数由 0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 A、 B、

C、 D、 E和 F共十六个符号组成, “逢十六进一 ”。不同的是用 A、 B、 C、 D、 E和 F分别表示 10、

11、 12、 13、 14和 15六个数字符号。

*数制之间的转换:

计算机内部使用的数字符号只有 “0” 和 “1” 两个。也就是说计算机内部使用的是二进制数所有的数值数据和非数值数据,都是由 “0” 和 “1” 这两个数字符号加以组合而成的,我们称之为 “ 二进制代码 ” 。

1 .为什么要采用二进制 ,尽管二进制数不符合人们的习惯。但是计算机内部仍采用二进制表示信息,主要原因有以下几点:

1 ) 容易实现,计算机是由逻辑电路组成,逻辑电路通常只有两种状态。例如:开关的接通与断开,电压电平的高与低等。这两种状态正好用来表示二进制数的两个数码 0 和 1 。

2 ) 工作可靠,两个状态代表的两个数码在数字传输和处理中不容易出错,因而电路更加稳定可靠。 3 ) 简化运算,二进制运算法则简单。两个一位二进制数的求和、求积运算组合仅有三种,即 0 + 0 = 0 , 0 + 1 = 1 , 1 + 0 = 1 , 1 + 1 = 0 (向高位进一)及 0*0 = 0 , 0*1 = 1 , 1*0 = 0 , 1*1 = 1 。而求两个一位十进制的和与积的运算组合则各有 55 种之多,让计算机去实现就困难的多。

4 ) 逻辑性强,计算机的工作是建立在逻辑运算基础上的,逻辑代数是逻辑运算的理论依据。二进制只有两个数码,正好代表逻辑代数中的 “ 真 ” 与 “ 假 ” 。

5 ) 易于转换,二进制数与十进制数之间可以互相转换。这样,既有利于充分发挥计算机的特点,又不影响人们使用十进制数的习惯。

2 .数值间的转换

计算机只用二进制的两个数码 “0” 和 “1” 来实现算术和逻辑运算,而人们仍然用十进制的形式向计算机中输入原始数据,并让计算机也用十进制形式显示和打印运算结果。所以必须有一种自动转换方法,即让数据输入计算机后,将十进制转换成对应的二进制数,并在处理完毕后,再自动将二进制结果转换为十进制数。 为了表达方便起见,常在数字后加一缩写字母后缀作为不同进制数的标识。各种进制数的后缀字母分别为: B :二进制数。 Q :八进制数。 D :十进制数。 H :十六进制数。

对于十进制数通常不加后缀,也即十进制数后的字母 D 可省略。

( 1 )将二进制数转换成对应的十进制数

将二进制数转换成对应的十进制数的方法是“按权展开求和”:

利用二进制数按权展开的多项式之和的表达式,取基数为 2 ,逐项相加,其和就是对应的十进制数。 例 1 :将二进制数 1011.1 转换成对应的十进制

1

1011.1B =1×2 3+0×2 2+1×2 1+1×2 0+1×2 -1

=8+0+2+1+0.5

=11.5

例2:

( 2 )将十进制数转换成对应的二进制数 :将十进制数转换为对应的二进制数的方法是: 对于整数部分,用被除数反复除以 2 ,除第一次外,每次除以 2 均取前一次商的整数部分作被除数并依次记下每次的余数。另外,所得到的商的最后一位余数是所求二进制数的最高位。 对于小数部分,采用连续乘以基数 2 ,并依次取出的整数部分,直至结果的小数部分为 0 为止。故该法称 “ 乘基取整法 ”例:将十进制 117.625D 转换成二进制数

解:整数部分: “除以 2 取余,逆序输出”

小数部分 : “乘以 2 取整,顺序输出”

所以 117.625D = 1110101.101B

例2:

2 。

例3:

特别提示:将十进制数转换成其他进制数方法与次上述方法类似。

( 3 )将二进制数转换为对应的八进制数

由于 1 位八进制数对应 3 位二进制数,所以二进制数转换成八进制数时,只要以小数点为界,整数部分向左,小数部分向右每 3 位分成一组,各组用对应的 1 位八进制数字表示,即可得到对应的八进制数值。最左最右端分组不足 3 位时,可用 0 补足。

例:将 1101101.10101B 转换成对应的八进制数。

解:

所以, 1101101.10101B = 155.52Q 。

同理,用相反的方法可以将八进制数转换成对应的二进制数。

( 4 )将二进制数转为对应的十六进制数

由于 1 位十六进制数对应 4 位二进制数,所以二进制数转换为十六进制时,只要以小数点为界,整数部分向左,小数部分向右每 4 位分成一组,各组用对应的 1 位十六进制数字表示,即可得到对应的十六进制数值。两端的分组不足 4 位时,用 0 补足。

例:将 1101101.10101B 转换成对应的十六进制数

解:

所以 1101101.10101B = 6D.8AH 。

同理,用相反的方法可以将十六进制数转换成对应的二进制数。

3

例:将十六进制数 5DF.9 转换成二进制:

例:将二进制数 1100001.111 转换成十六进制:

至于其他的转换方法,如八进制到十进制,十六进制到十进制之间的转换,同样可用按权展开的多项式之和及整数部分用 “ 除基取整数 ” 来实现的。只不过此时基数分别为 8 和 16 。当然,更简单实用的方法是借用二进制数做桥梁,用 “ 八 —— 二 —— 十 ” 或 “ 十六 —— 二 —— 八 ” 的转换方法来实现。

*数据的编码表示

1 .基本概念

( 1)编码 :计算机要处理的数据除了数值数据以外,还有各类符号、图形、图像和声音等非数值数据。而计算机只能识别两个数字。要使计算机能处理这些信息,首先必须将各类信息转换成 “ 0”和 “ 1”表示的代码,这一过程成为编码。

( 2)数据 :能被计算机接受和处理的符号的集合都称为数据。

数据和信息是一对比较容易混淆的术语。

数据是计算机处理的对象,是信息的载体,或称编码了的信息;

信息是数据经过加工处理以后的结果,是有意义的数据的内容。

( 3)比特 :比特( bit——二进制数位)是指 1位二进制的数码(即 0或 1)。比特是计算机中表示信息的数据编码中的最小单位。

( 4)字节(Byte) :字节表示被处理的一组连续的二进制数字。通常用 8位二进制数字表示一个字节,即一个字节由 8个比特(bit)组成。 (1B=8bit)

字节是存储器系统的最小存取单位。 B、KB、MB、GB(1024的换算关系)如:1024B=1KB 2 .数值数据的表示:数值数据有大小和正负之分。

通常在微型计算机中,用两个字节表示一个整数,用四个字节表示一个实数。在二进制数的最前面规定一个符号位: “ 0”表示正数, “ 1”表示负数,这样实现全部数字化。既然如此,能否将正负号和数字放在一起进行计算,而不处理正负号呢?为此,提出了数字补码表示法。为了简化,数据在计算机内一律采用补码表示。正数的原码、反码、补码完全相同。负数表示如下:

反码:正数相同,如,+0100101表示为00100101。负数,先将其表示为绝对值的原码,然后将每一位的数变反,如,-0100101的反码是:先表示为00100101,再变反为11011010 。

补码:正数与原码相同。负数是先表示为其反码,再在低位加1 。如,-0100101,先表示反码为11011010,再在低位加1得补码为11011011 。

3 .字符的表示:字符是人与计算机交互过程中不可缺少的重要信息。要使计算机能处理、存储字符信息,首先也必须用二进制 “ 0”和 “ 1”代码对字符进行编码。 下面以西文字符和汉字字符为例,介绍常用的编码标准。

( 1) ASCII编码 :ASCII 编码是由美国国家标准委员会制定的一种包括数字、字母、通用符号和控制符号在内的字符编码集,全称叫美国国家信息交换标准代码( American Standard Code for Information Interchange)。 ASCII码是一种 7位二进制编码,能表示 2 7= 128种国际上最通用的西文字符,是目前计算机中,特别是微型计算机中使用最普遍的字符编码集。ASCII编码包括 4类最常用的字符。

①数字 “ 0”~ “ 9”。 ASCII编码的值分别为 0110000B~ 0111001B,对应十六进制数为 30H~ 39H。 ②26个英文字母。大写字母 “A”~ “Z”的 ASCII编码值为 41H~ 5AH,小写字母 “a”~ 4

“z”的 ASCII编码值为 61H~ 7AH。 ③用字符。如 “+ ”、 “- ”、 “= ”、 “*”和 “/”等共 32个。 ④制符号。如空格符和车符等共 34个。

ASCII码是一种 7位编码,它存时必须占全一个字节,也即占用 8位。

( 2)汉字编码

国家标准汉字编码集( GB2312-80)共收集和定义了 7445个基本汉字。其中,使用频度较高的 3755个汉字定义为一级汉字。使用频率较低的 3008个汉字定义为二级汉字,共有 6763个汉字。另外还定义了拉丁字母、俄文字母、汉语拼音字母、数字和常用符号等 682个。

GB2312- 80规定每个汉字用 2个字节的二进制编码,每个字节最高位为 0,其余 7位用于表示汉字信息。 例如,汉字 “啊 ”的国标码的 2个字节的二进制编码 00110000B和 00100001B,对应的十六进制数为 30H和 21H。 另外,计算机内部使用的汉字机内码的标准方案是将汉字国标码的 2个字节二进制代码的最高位置为 1,从而得到对应的汉字机内码。

如汉字 “啊 ”的机内码为 10110000B、 10100001B(即 B0H、 A1H)。

计算机处理字符数据时,当遇到最高位为 1的字节,便可将该字节连同其后续最高位也为 1的另一个字节看作 1个汉字机内码;当遇到最高位为 0的字节,则可看作一个 ASCII码西文字符,这样就实现了汉字、西文字符的共存与区分。

2000 年3 月17 日 ,国家信息产业部和国家质量技术监督局联合颁布了GB18030- 2000《信息技术 信息交换用汉字编码字符集基本集的扩充》。在新标准中采用了单、双、四字节混合编码,收录了 27000多个汉字和藏、蒙、维吾尔等主要的少数民族文字,总的编辑空间超过了 150万个码位。新标准适用于图形字符信息的处理、交换、存储、传输、显示、输入和输出,并直接与 GB2312- 80信息处理交换码所对应的事实上的内码标准相兼容。所以,新标准与现有的绝大多数操作系统、中文平台兼容,能支持现有的各种应用系统。

*汉字交换码

汉字交换码是指不同的具有汉字处理功能的计算机系统之间在交换汉字信息时所使用的代码标准。自国家标准 GB2312 - 80 公布以来,我国一直延用该标准所规定的国标码作为统一的汉字信息交换码。 GB2312 - 80 标准包括了 6763 个汉字 ,按其使用频度分为一级汉字 3755 个和二级汉字 3008 个。一级汉字按拼音排序,二级汉字按部首排序。此外,该标准还包括标点符号、数种西文字母、图形、数码等符号 682 个。

区位码的区码和位码均采用从 01 到 94 的十进制,国标码采用十六进制的 21H 到 73H (数字后加 H 表示其为十六进制数)。区位码和国标码的换算关系是:区码和位码分别加上十进制数 32 。如“国”字在表中的 25 行 90 列,其区位码为 2590 ,国标码是 397AH 。

* 由于 GB2312 - 80 是 80 年代制定的标准,在实际应用时常常感到不够,所以,建议处理文字信息的产品采用新颁布的 GB18030 信息交换用汉字编码字符集,这个标准繁、简字均处同一平台,可解决两岸三地间 GB 码与 BIG 5 码 间的字码转换不便的问题。

*汉字输入码

汉字输入方法很多,如区位、拼音、五笔字型等。不同输入法有自己的编码方案,所采用的编码方案统称为输入码。输入码进入机器后必须转换为机内码进行存储和处理。

汉字输入方法大体可分为:区位码(数字码)、音码、形码、音形码。

? 区位码:优点是无重码或重码率低,缺点是难于记忆;

? 音码:优点是大多数人都易于掌握,但同音字多,重码率高,影响输入的速度;

? 形码:根据汉字的字型进行编码,编码的规则较多,难于记忆,必须经过训练才能较好地掌握;

重码率低

? 音形码:将音码和形码结合起来,输入汉字,减少重码率,提高汉字输入速度;

如,以全拼输入方案键入 “neng”,或以五笔字型输入方案 “ce”,都能得到 “能 ”这个汉字所对应的机内码。这个工作由汉字代码转换程序依靠事先编制好的输入码对照表完成转换。

*汉字字形码 (字形存储码) 字形存储码是指供计算机输出汉字(显示或打印)用的二进制信息,也称字模。通常,采用的是数字化点阵字模。

5

汉字字形码是一种用点阵表示字形的码,是汉字的输出形式。它把汉字排成点阵。常用的点阵由 16×

16、 24×24、 32×32或更高。每一个点在存储器中用一个二进制位( bit )存储。例如,在 16 × 16 的点阵中,需 8 × 32 bit 的存储空间,每 8 bit 为 1 字节,所以,需 32 字节的存储空间; 24×24点阵要占 72个字节(为什么?)。在相同点阵中,不管其笔划繁简,每个汉字所占的字节数相等。 为了节省存储空间,普遍采用了字形数据压缩技术。所谓的矢量汉字是指用矢量方法将汉字点阵字模进行压缩后得到的汉字字形的数字化信息。

所有不同的汉字字体的字形构成汉字库,一般存储在硬盘上,当要显示输出时,才调入内存,检索到要输出的字形送到显示器输出。

( 3)其他信息的编码

*图像的表示 一幅图像可认为是由一个个像点构成的,这些像点称为像素。每个像素必须用若干二进制位进行编码,才能表示出现实世界中的五彩缤纷的图像。

当将图像分解成一系列像点、每个点用若干 bit表示时,我们就把这幅图象数字化了。

数字图像数据量特别巨大,假定画面上有 150000个点,每个点用 24个 bit来表示,则这幅画面要占用 450000个字节。如果想在显示器上播放视频信息,一秒钟需传送 25幅画面,相当与 11250000个字节的信息量。因此,用计算机进行图像处理,对机器的性能要求是很高的。

图像文件的后缀名有: bmp 、 gif 、 jpg 等;

*声音的表示 声音是一种连续变化的模拟量,我们可以通过 “模 /数 ”转换器对声音信号按固定的时间进行采样,把它变成数字量。一旦转变成数字形式,便可把声音储存在计算机中并进行处理了。 声音文件的后缀名有: wav 、 mp3 等;

*视频信息的数字化 视频信息可以看成连续变换的多幅图像构成,播放视频信息,每秒需传输和处理 25 幅以上的图像。视频信息数字化后的存储量相当大,所以需要进行压缩处理。

视频文件后缀名有: avi 、 mpg 等;

补充内容:

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