多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 2.1.1一般傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的組成 多媒體計(jì)算機(jī)在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟硬件擴(kuò)充，以適應(yīng)多媒體信息處理功能的需要，因此，多媒體計(jì)算機(jī)是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。 1.硬件構(gòu)成 傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的硬件構(gòu)成如圖2-1所示。第2頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-1傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)第3頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 由圖2-1可見(jiàn)，構(gòu)成一般傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的硬件以CPU為核心。當(dāng)前用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的CPU主要是80X86、68XXX、powerPC等，內(nèi)存大小不一，小的1～2MB，大的十幾到幾十MB。從圖2-1還可以看到，通過(guò)接口所接的都是常規(guī)的外部設(shè)備，用于信息的輸入/輸出。由于一般傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)僅僅用來(lái)處理文字和圖形，故其接口和外設(shè)均較為簡(jiǎn)單。 2.軟件支持 計(jì)算機(jī)要工作，除了硬件系統(tǒng)之外，還必須要有軟件的支持。沒(méi)有適當(dāng)?shù)能浖С?，?jì)算機(jī)將一事無(wú)成。支持軟件主要包括：第4頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (1)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)用來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)的各部分進(jìn)行管理和控制，使計(jì)算機(jī)有條不紊地工作。當(dāng)前流行的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)有DOS、Windows、Unix、OS/2、Macintosh等等。 (2)語(yǔ)言及工具軟件。每種操作系統(tǒng)之下，均可運(yùn)行多種不同的語(yǔ)言，例如C、C++、數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言等；均有許多工具軟件支持用戶工作；均有大量的函數(shù)構(gòu)成函數(shù)庫(kù)供用戶調(diào)用。 (3)用戶的應(yīng)用軟件。在操作系統(tǒng)支持下，用戶可以在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行其應(yīng)用軟件，以便完成用戶所期望的功能。第5頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.1.2多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成 在一般傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了多媒體計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生。多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同樣由硬、軟件兩大部分組成。 1．硬件構(gòu)成 多媒體計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。從圖2-2中可以看到，多媒體計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)可以看成是在一般傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，增加一些硬件而構(gòu)成的。但是，這只是表面上的理解。實(shí)際上，多媒體計(jì)算機(jī)對(duì)CPU的吞吐率、內(nèi)存的大小以及各種外設(shè)也會(huì)提出更高的要求。早期的微型機(jī)，如PC機(jī)、PC/XT等是無(wú)法構(gòu)成多媒體計(jì)算機(jī)的。第6頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-2多媒體計(jì)算機(jī)的硬件構(gòu)成第7頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 多媒體計(jì)算機(jī)中的CPU具有更高的性能，例如80486、80586或與其相當(dāng)?shù)腃PU。其內(nèi)存也應(yīng)在4MB以上。 除傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的一些外設(shè)之外，CRT顯示必須是彩色的VGA，打印機(jī)可配置彩色打印機(jī)。另外，最基本體現(xiàn)多媒體特征的是在硬件上增加視頻接口、音頻接口和光盤(pán)機(jī)接口。 音頻接口通常又稱(chēng)為音頻卡，它可以將話筒輸入的音頻模擬信號(hào)數(shù)字化，并送入計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)或傳送，也可以把從存儲(chǔ)器或光盤(pán)讀入的音頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)送到揚(yáng)聲器。音頻信號(hào)可以是單通道信號(hào)，也可以是雙通道的立體聲信號(hào)，這些功能是一般傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所沒(méi)有的。第8頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 視頻接口又稱(chēng)為視頻卡，它能將來(lái)自于攝像機(jī)的視頻信號(hào)按幀變換為數(shù)字信號(hào)并對(duì)數(shù)字化的圖像信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，而后進(jìn)行存儲(chǔ)或傳送。同時(shí)，視頻卡又能將存儲(chǔ)的視頻信號(hào)或由光盤(pán)讀入的視頻信號(hào)進(jìn)行解壓縮處理并在CRT顯示器上回放視頻信號(hào)。顯然，這也是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所沒(méi)有的功能。 光盤(pán)接口連接光盤(pán)控制器和光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。目前，大多數(shù)光盤(pán)是只讀光盤(pán)(CD-ROM)，一次寫(xiě)多次讀光盤(pán)以及可讀寫(xiě)的光盤(pán)正逐步普及。第9頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.多媒體計(jì)算機(jī)軟件 多媒體計(jì)算機(jī)軟件主要包括如下三部分： (1)多媒體操作系統(tǒng)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所用的操作系統(tǒng)或多或少支持多媒體，但在程度上有所差別，例如，Windows3.1、WindowsNT及Windows95在支持多媒體方面要比DOS強(qiáng)，盡管如此，它們還不是真正意義上的多媒體操作系統(tǒng)。 各種計(jì)算機(jī)廠商看到這一點(diǎn)，正在競(jìng)相研制多媒體操作系統(tǒng)?，F(xiàn)在已公布使用的有Apple公司的QuickTime和Microsoft公司的多媒體Windows3.0?，F(xiàn)在流行的操作系統(tǒng)，如Windows98、Windows2000等都具備多媒體功能。第10頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (2)多媒體應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工具。為了開(kāi)發(fā)多媒體應(yīng)用軟件，很多廠家為用戶提供了多種功能很強(qiáng)的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具。在前面所提到的硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，配上多媒體操作系統(tǒng)，再加上應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)工具，就構(gòu)成了多媒體應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在此平臺(tái)上，用戶可以比較方便地開(kāi)發(fā)各種多媒體應(yīng)用軟件。 (3)多媒體應(yīng)用軟件。支持多媒體計(jì)算機(jī)工作的軟件還包括多媒體應(yīng)用軟件。這些軟件用來(lái)支持多媒體計(jì)算機(jī)的使用要求，其中包括他人開(kāi)發(fā)的大量應(yīng)用軟件，例如，各種多媒體教學(xué)軟件、游戲軟件、工具軟件和各種電子圖書(shū)等。第11頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 以上我們敘述了多媒體計(jì)算機(jī)的最簡(jiǎn)單的配置。由于多媒體本身對(duì)“多”的定義是模糊的，因此，除了上面所提到的配置之外，有的多媒體計(jì)算機(jī)上還插有TV接口(卡)；有的顯示器前配置觸摸屏，讓使用者輸入更加方便；有的還配置電話及傳真機(jī)接口(卡)，可以將電話和傳真機(jī)接在多媒體計(jì)算機(jī)上。尤其值得強(qiáng)調(diào)的是多媒體計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)與網(wǎng)絡(luò)相連接，只有讓多媒體計(jì)算機(jī)接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(如Internet)中，多媒體計(jì)算機(jī)才能真正發(fā)揮作用。第12頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 3.多媒體計(jì)算機(jī)規(guī)范 隨著世界經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的發(fā)展，各國(guó)政府和大公司都會(huì)認(rèn)識(shí)到制定標(biāo)準(zhǔn)的重要性。多媒體技術(shù)作為新興的信息技術(shù)，同樣受到各方面的密切關(guān)注。國(guó)際上涉及多媒體標(biāo)準(zhǔn)的主要組織有以下三個(gè)： ISO(InternationalOrganizationforStandardization)：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織； ITU(InternationalTelecommunicationUnion)：國(guó)際電信聯(lián)盟(原CCITT國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì))； IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)：國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)。第13頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 多媒體計(jì)算機(jī)(MultimediaPC，MPC)把數(shù)值計(jì)算、文字、圖形、圖像(靜態(tài)、動(dòng)態(tài))、聲音等有機(jī)綜合在一起，具有集成性、交互性、多樣性的特點(diǎn)。國(guó)際上，美國(guó)微軟公司、商用機(jī)器公司、新加坡創(chuàng)通公司、日本NEC公司和荷蘭飛利浦等大型計(jì)算機(jī)公司共同制定了統(tǒng)一的MPC標(biāo)準(zhǔn)：MPC-1、MPC-2、MPC-3、MPC-4，其中MPC-4標(biāo)準(zhǔn)PC的基本配置如表2-1所示。第14頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一表2-1MPC-4標(biāo)準(zhǔn)PC的基本配置硬件硬件配置軟件內(nèi)存16MBWindows3.2WindowsNTWindows95單用戶/多用戶CPUIntelPentium/133MHzIntelPentium/200MHz硬盤(pán)1.6GB光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器10～16倍速音效卡16位數(shù)字音頻采樣44.1kHz/48kHz帶波表圖形加速顯示卡1204×1024～1600×190024位/32位真彩色視頻卡Modem卡、視頻采集卡等顯示器38cm～43cm第15頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 多媒體計(jì)算機(jī)在達(dá)到一定性能的微機(jī)的基礎(chǔ)上增加了以下四類(lèi)設(shè)備： (1)聲/像輸入設(shè)備：普通光驅(qū)、刻錄光驅(qū)、音效卡、麥克風(fēng)、掃描儀、錄音機(jī)、攝像機(jī)和電子樂(lè)器等。 (2)功能接口卡：視頻采集卡、Modem卡，特技編輯卡、視頻會(huì)議卡、視頻輸出卡、VCD壓縮卡和網(wǎng)卡等。 (3)聲/像輸出設(shè)備：刻錄光驅(qū)、音效卡、視頻輸出卡、喇叭、立體聲耳機(jī)、錄音/錄像機(jī)和打印機(jī)等。 (4)軟件支持：操作系統(tǒng)及各種支持軟件。第16頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2多媒體處理器 多媒體技術(shù)，如高性能視頻、三維圖形、動(dòng)畫(huà)、音頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)提出了更新、更高的要求。使用個(gè)人計(jì)算機(jī)完成大量復(fù)雜數(shù)據(jù)的多媒體信息處理極大地促進(jìn)了高性能處理器的發(fā)展。此外，還出現(xiàn)了各種各樣的專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，以及用這些專(zhuān)用處理芯片構(gòu)成的插板(卡)，如音頻卡、視頻卡、3D圖形加速卡、網(wǎng)絡(luò)卡以及Modem卡等，以輔助主處理器的功能，降低主處理器的負(fù)擔(dān)。當(dāng)然，這又使得計(jì)算機(jī)中的芯片和插卡越來(lái)越多，從而使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。第17頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 為了加快多媒體信息處理的速度，Intel公司推出了MMXPentium處理器芯片。MMX(MultiMediaeXtention，多媒體擴(kuò)展指令系統(tǒng))技術(shù)包括新的用于多媒體處理的指令及數(shù)據(jù)類(lèi)型，支持并行處理。由于多媒體信息處理包含有大量的并行算法，因此，MMX技術(shù)提高了計(jì)算機(jī)在多媒體及通信領(lǐng)域中的應(yīng)用能力，使計(jì)算機(jī)的性能達(dá)到了一個(gè)新的水平。同時(shí)，MMX保持了與現(xiàn)有操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序的完全兼容性，使得DOS、Windows3.1、Windows95、Windows98、OS/2、Unix以及Intel結(jié)構(gòu)軟件都能在使用MMX技術(shù)的微處理器系統(tǒng)上運(yùn)行。第18頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 MMX技術(shù)具有一套基本的、通用的整數(shù)指令，可以比較容易地滿足各種多媒體應(yīng)用程序和多媒體通信程序的需要。MMX處理器在原來(lái)的Pentium處理器的基礎(chǔ)上增加了57條指令，CPU中為此添加了8個(gè)64位寬的MMX寄存器和4種新的數(shù)據(jù)類(lèi)型，大大增強(qiáng)了處理視頻信號(hào)、音頻信號(hào)和圖像的能力。 MMX技術(shù)在原處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了整型數(shù)據(jù)并行操作能力，加入了單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)技術(shù)，允許1條指令處理多個(gè)信息，這種超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的技術(shù)增強(qiáng)了PC機(jī)的多媒體處理功能。第19頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.2.1現(xiàn)代高檔微機(jī)的新技術(shù) 隨著微電子集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代高檔微機(jī)為了適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ?jì)算機(jī)處理速度和容量的要求，越來(lái)越多地融進(jìn)了原來(lái)中小型計(jì)算機(jī)甚至大型計(jì)算機(jī)采用的技術(shù)，使微機(jī)的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，性能得到很大的提高。高檔微機(jī)新技術(shù)主要有以下8個(gè)方面。 1.微程序控制技術(shù) 計(jì)算機(jī)CPU控制器的結(jié)構(gòu)主要有兩種類(lèi)型：組合邏輯控制器和微程序控制器。

第20頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 1)組合邏輯控制器 在組合邏輯控制器中，取指令、指令譯碼、取操作數(shù)和指令執(zhí)行過(guò)程所需的控制信號(hào)全由硬件邏輯實(shí)現(xiàn)。組合邏輯控制器運(yùn)行速度高，但電路復(fù)雜，功能的改變不靈活。 2)微程序控制器 將原來(lái)由硬件電路控制的指令操作步驟改用微程序控制，一條指令的完成對(duì)應(yīng)一個(gè)微程序的執(zhí)行過(guò)程，這就是微程序控制器。一個(gè)微程序是存儲(chǔ)在ROM中的一個(gè)微指令序列，一條指令的執(zhí)行過(guò)程，就是依次從ROM中取出微指令并譯碼，生成并執(zhí)行各種微操作命令。一段微程序或微指令序列稱(chēng)為指令解釋器。

第21頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 應(yīng)用微程序控制技術(shù)便于改變和擴(kuò)充機(jī)器的功能，因?yàn)橹灰膶?xiě)ROM的內(nèi)容，即可改變微程序。中央處理機(jī)中控制器的微程序控制器與組合邏輯實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中軟、硬件功能分配的典型例子，二者只是功能完成的方式不同，而且是可以互為轉(zhuǎn)變的。Pentium處理器將常用指令，如MOV、INC、DEC、PUSH、POP、JMP、CALL、ADD等改用組合邏輯實(shí)現(xiàn)，大大提高了指令的運(yùn)行速度。

第22頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.流水線技術(shù) 將每條指令的執(zhí)行過(guò)程分解為若干步，每一步占用各自的部件，讓多條指令的不同步驟在時(shí)間上重疊，實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)節(jié)拍內(nèi)讓各個(gè)部件同時(shí)工作，這就是并行性中的時(shí)間重疊。80486被設(shè)計(jì)為6級(jí)流水線(取指令，指令譯碼，地址生成，取操作數(shù)，執(zhí)行指令，存儲(chǔ)或“寫(xiě)回”結(jié)果)。經(jīng)過(guò)6拍時(shí)鐘周期即達(dá)到穩(wěn)態(tài)以后，每個(gè)節(jié)拍(1個(gè)時(shí)鐘周期)都有1條指令流出流水線，也即完成1條指令的執(zhí)行。可見(jiàn)，流水線級(jí)數(shù)越多，每級(jí)所花的時(shí)間越短；時(shí)鐘周期設(shè)計(jì)得越短，指令執(zhí)行的速度就越高。當(dāng)流水深度(流水線級(jí)數(shù))達(dá)到5級(jí)或6級(jí)以上就稱(chēng)為超級(jí)流水線。第23頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 在Pentium和Pentiumpro等高性能微機(jī)中，微處理器內(nèi)部集成了兩條或更多條流水線，實(shí)現(xiàn)了平均一個(gè)周期可以執(zhí)行兩條或是更多條指令，使得一些指令的執(zhí)行，例如整數(shù)運(yùn)算指令，可以并行執(zhí)行，這種技術(shù)稱(chēng)為超標(biāo)量流水線。同時(shí)，進(jìn)入并行流水線的兩條指令必須符合指令配對(duì)規(guī)則。如配對(duì)的兩條指令必須是規(guī)定的“簡(jiǎn)單”指令；兩條指令之間不得存在“寫(xiě)后讀”或“寫(xiě)后寫(xiě)”這樣的寄存器相關(guān)性。所謂“寫(xiě)后讀”相關(guān)，是指后一條指令的源操作數(shù)是前一條指令的目的操作數(shù)；所謂“寫(xiě)后寫(xiě)”相關(guān)，是指兩條指令的目的操作數(shù)要寫(xiě)入同一個(gè)寄存器。這種相關(guān)的出現(xiàn)，將會(huì)使指令不能正確執(zhí)行。第24頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 要說(shuō)明的是，流水線是一段時(shí)間內(nèi)多條指令的“并發(fā)”執(zhí)行，是時(shí)間上多條指令不同操作的重疊。原則上不需增加硬件，只是把硬件劃分為不同的多個(gè)執(zhí)行部分。并行處理則是應(yīng)用資源重復(fù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的同時(shí)性，是真正的“并行”性。這種并行性可以是指令操作級(jí)的并行，如兩條整數(shù)指令流水線，或單指令流多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)(SIMD)——多處理器；也可以是指令級(jí)以上的并行，即多個(gè)處理機(jī)同時(shí)對(duì)多條指令以及有關(guān)的多數(shù)據(jù)組進(jìn)行處理，這就是多指令流多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)。第25頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 3.高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算單元 浮點(diǎn)運(yùn)算單元采用超流水線技術(shù)，分為8個(gè)獨(dú)立執(zhí)行部件(流水深度為8)，且使用專(zhuān)門(mén)的硬件電路實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)加、乘、除3種最常用的功能，以提高處理速度。 4.獨(dú)立的指令Cache(高速緩存)和數(shù)據(jù)Cache 支持多處理器系統(tǒng)的Pentium處理器中的高速緩存Cache是分離式的(兩個(gè)8KBCache)。兩個(gè)分離的、獨(dú)立的Cache將指令和數(shù)據(jù)分別進(jìn)行存儲(chǔ)(80486則是8KBCache，將頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)和指令混合存放)。第26頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 當(dāng)執(zhí)行部件對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，由兩個(gè)獨(dú)立的Cache分別提供指令和數(shù)據(jù)。為了提高流水速度，Pentium采用了動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移(分支)預(yù)測(cè)判斷技術(shù)，芯片內(nèi)增設(shè)了轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖器，這相當(dāng)于又增加了指令Cache的容量。 5.轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)判斷 當(dāng)進(jìn)入流水線的指令是轉(zhuǎn)移指令時(shí)，只有指令執(zhí)行到最后條件碼建立，才能確定是否轉(zhuǎn)移。但此時(shí)后續(xù)指令也已經(jīng)進(jìn)入流水線并開(kāi)始分析或執(zhí)行。若條件碼成立，程序轉(zhuǎn)移，則順序進(jìn)入流水線的后續(xù)指令將“白費(fèi)”工作，而需重新取出新的目標(biāo)指令去進(jìn)行分析執(zhí)行，這將造成流水線的斷流，嚴(yán)重影響流水線的速度。轉(zhuǎn)移指令的流水執(zhí)行如圖2-3所示。第27頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-3轉(zhuǎn)移指令的流水執(zhí)行第28頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 流水線方式是指“同時(shí)”(并發(fā))解釋多條指令。當(dāng)轉(zhuǎn)移指令i進(jìn)入流水線，后面是順序執(zhí)行指令(不轉(zhuǎn)移)i+1進(jìn)入流水線，還是分支轉(zhuǎn)移至p及其后續(xù)指令進(jìn)入流水線(轉(zhuǎn)移成功)需待i指令運(yùn)行后期條件碼建立后才能決定。但若這時(shí)讓后續(xù)指令等待，就會(huì)造成“斷流”。一般標(biāo)量機(jī)器指令程序中，統(tǒng)計(jì)分析，條件轉(zhuǎn)移指令占20%，其中轉(zhuǎn)移成功的概率為60%，因?yàn)閿嗔鲗⒃斐闪魉阅芟陆?0%。解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)，可以采用預(yù)測(cè)判斷來(lái)減小流水線的損失。 若兩個(gè)分支的概率相近，則宜選轉(zhuǎn)移不成功路徑。因?yàn)楹罄m(xù)指令i+1和i+2已經(jīng)進(jìn)入流水線，轉(zhuǎn)移不成功時(shí)，流水線會(huì)繼續(xù)自然流動(dòng)，不受影響。第29頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 若兩個(gè)分支的概率不等，則應(yīng)選概率大的分支，并提前進(jìn)入指令預(yù)取緩沖寄存器。 分支的概率可以統(tǒng)計(jì)得出。若由編譯程序根據(jù)轉(zhuǎn)移的歷史記錄動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)未來(lái)轉(zhuǎn)移選擇，準(zhǔn)確率可達(dá)90%。 在Pentium芯片內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)指令預(yù)取緩沖寄存器，其中一個(gè)以線性順序方式預(yù)取指令代碼。當(dāng)一條分支轉(zhuǎn)移指令被取出，分支轉(zhuǎn)移目標(biāo)緩沖器就要預(yù)測(cè)是否要進(jìn)行分支轉(zhuǎn)移。若預(yù)測(cè)到不需進(jìn)行分支轉(zhuǎn)移，預(yù)取就會(huì)連續(xù)直線進(jìn)行；若預(yù)測(cè)到分支轉(zhuǎn)移，則另一個(gè)預(yù)取緩沖寄存器就被允許開(kāi)始預(yù)取工作，就如同出現(xiàn)了分支轉(zhuǎn)移一樣進(jìn)行預(yù)取。第30頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 6.具有保護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)安全性的功能 為了保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性，Pentium引入了兩項(xiàng)只有大型機(jī)才有的先進(jìn)功能： (1)內(nèi)部數(shù)據(jù)檢測(cè)：指令Cache、數(shù)據(jù)Cache引入奇偶校驗(yàn)或在微指令分支目標(biāo)緩沖器進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。 (2)功能冗余校驗(yàn)：使用兩片Pentium同時(shí)運(yùn)行。 7.靈活的存儲(chǔ)器頁(yè)面管理 Pentium微處理器保留了386/486的4KB存儲(chǔ)器頁(yè)面，同時(shí)又具有一種新的更大的4MB存儲(chǔ)器頁(yè)面，兩種存儲(chǔ)器頁(yè)面不影響應(yīng)用軟件的運(yùn)行，但4MB頁(yè)面存儲(chǔ)器管理可以方便大的圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)。

第31頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 8.增強(qiáng)的64位總線 原486是32位數(shù)據(jù)總線，而高檔微機(jī)是64位總線和32位地址總線。 2.2.2Pentiumpro及以上處理器 Pentiumpro及以上的高性能奔騰，也稱(chēng)為高能奔騰。它們的主要性能如下： (1)64位數(shù)據(jù)總線，32位地址線，尋址4096MB(4GB)。 (2)不僅集成16KB的一級(jí)Cache(8K代碼Cache，8K數(shù)據(jù)Cache)，還把256KB的二級(jí)Cache集成到CPU的同一塊芯片上，使CPU速度更高于Pentium和80486。第32頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (3)具有兩條64位的數(shù)據(jù)總線，其中一條與內(nèi)存的256KB二級(jí)Cache相連，稱(chēng)為后臺(tái)總線；另一條對(duì)外總線輸出，可與動(dòng)態(tài)RAM或其他64位I/O設(shè)備相連，稱(chēng)為前臺(tái)總線。這兩條總線可以獨(dú)立工作(部件一級(jí)的并行性，提高速度)。 (4)采用3條超標(biāo)量流水線設(shè)計(jì)技術(shù)(Pentium只有兩條超標(biāo)量流水線)，使Pentiumpro在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)可以處理3條指令。第33頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (5)支持亂序執(zhí)行技術(shù)?！皝y序執(zhí)行”本質(zhì)上就是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)，它的工作原理與傳統(tǒng)的馮·諾依曼計(jì)算機(jī)不同。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)是控制流驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)，它的指令是在中央控制器控制下(控制流)順序執(zhí)行的。數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)是在數(shù)據(jù)的可用性控制下并行執(zhí)行的，即當(dāng)且僅當(dāng)指令所需要的數(shù)據(jù)可用時(shí)，該指令即可執(zhí)行；任何操作都是純函數(shù)操作。 數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)只要數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好即可執(zhí)行指令，而無(wú)須受指令順序控制(亂序執(zhí)行)，因此更適合并行計(jì)算(函數(shù))。當(dāng)然，多處理器系統(tǒng)是一個(gè)單指令流多數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)，也是可以支持并行計(jì)算的，但它是程序控制順序執(zhí)行，即只有一個(gè)控制器，指令順序執(zhí)行，但有多個(gè)處理單元，它們并行從(多體)存儲(chǔ)器取回?cái)?shù)據(jù)，并行計(jì)算。第34頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 ˙PentiumMMX就是將MMX集成到Pentium芯片的單指令流多數(shù)據(jù)流(SIMD)技術(shù)，以改善音頻、視頻、圖像處理等多媒體處理性能。 ˙PentiumⅡ是將Pentiumpro和MMX集成為一體，且將一級(jí)緩存增加至16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache(總計(jì)32KB)。 ˙PentiumⅢ是在P-Ⅱ的基礎(chǔ)上又增加了70條能增強(qiáng)音頻、視頻和3D圖形效果多媒體擴(kuò)展指令的SIMD計(jì)算機(jī)。第35頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.2.3多媒體處理器 過(guò)去，在計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮較多的是計(jì)算功能。今天，隨著多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的是增加多媒體和通信功能的問(wèn)題。有人預(yù)測(cè)，未來(lái)的個(gè)人計(jì)算機(jī)將只有三個(gè)主要元件，即存儲(chǔ)模塊、CPU及一枚執(zhí)行復(fù)雜I/O處理的芯片。 多媒體處理器為了增加新的多媒體處理和通信功能，也就是多媒體數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和特技、多媒體數(shù)據(jù)的輸出以及多媒體通信等功能，總是希望將傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與多媒體功能融合在一起。其設(shè)計(jì)原則是：第36頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (1)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則； (2)將多媒體和通信功能集中解決； (3)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和算法相結(jié)合； (4)把多媒體和通信功能集成到CPU中去。 這種融合的方案，一類(lèi)就是與現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)系列兼容，融合多媒體和通信的功能，如Intel的PentiumMMX技術(shù)，主要用在多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中；另一類(lèi)是以多媒體和通信功能為主，融合CPU芯片的功能，主要用在多媒體專(zhuān)用設(shè)備、家電及寬帶通信設(shè)備上。這種所謂的多媒體處理器通常是CPU和DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)的混合，它同時(shí)把RISC(精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī))、CISC(復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī))和DSP技術(shù)綜合在一起。第37頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 1.IntelMMX技術(shù) IntelMMX技術(shù)改善、拓展了CPU體系結(jié)構(gòu)的多媒體處理和通信功能，并集成為Pentium芯片MMXCPU。MMX技術(shù)提供了面向多媒體和通信功能的新特性，同時(shí)保持了全部原Intel系列的體系結(jié)構(gòu)，以保證微處理器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的向下兼容性。其主要特性有以下4種。 1)增加了新的數(shù)據(jù)類(lèi)型 為了提高音頻信號(hào)處理(8位或16位字長(zhǎng))、彩色圖像處理(R、G、B各8位字長(zhǎng))的處理速度，MMX技術(shù)定義了3種緊縮型的數(shù)據(jù)類(lèi)型和1個(gè)64位字長(zhǎng)的類(lèi)型，它們都是定點(diǎn)整數(shù)。第38頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (1)緊縮字節(jié)組類(lèi)型：8個(gè)字節(jié)組成的64位數(shù)據(jù)。 (2)緊縮字組類(lèi)型：4個(gè)16位字組成的64位數(shù)據(jù)。 (3)緊縮雙字組類(lèi)型：2個(gè)雙字組成的64位數(shù)據(jù)。 (4)四字類(lèi)型：一個(gè)64位數(shù)據(jù)。 這樣，MMX就可以在一條指令中同時(shí)處理8個(gè)、4個(gè)或2個(gè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD)并行處理。 2)擴(kuò)充的飽和運(yùn)算方式 這種運(yùn)算方式在加減運(yùn)算指令運(yùn)算結(jié)果達(dá)到某個(gè)值時(shí)就不再增加，而保持在這個(gè)數(shù)值。這樣避免了溢出處理，加快了運(yùn)算速度。第39頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 3)擴(kuò)充了57條MMX指令 這些新增指令包括算術(shù)運(yùn)算指令、比較運(yùn)算指令、轉(zhuǎn)換運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、轉(zhuǎn)移運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移指令和MMXTM狀態(tài)置空(EMMS)指令。 4)與Intel體系結(jié)構(gòu)的全兼容性 MMX技術(shù)是原Intel體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，保證了軟硬件的向下兼容。 2.媒體處理器 目前，媒體處理器與通用的CPU結(jié)合，擴(kuò)展了CPU的多媒體處理和通信功能。比較典型的產(chǎn)品有3種。第40頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 1)MicroUnity公司的MediaProcessor MicroUnity芯片有一個(gè)CISC、RISC和DSP技術(shù)結(jié)合的可編程微處理器，它具有優(yōu)化的多媒體和寬帶通信功能，時(shí)鐘頻率為300～1000MHz，帶有信號(hào)處理和增強(qiáng)數(shù)字運(yùn)算能力的22位指令集；有1Gb/sI/O接口的可選MediaBridge高速緩存，與PCI總線和主存儲(chǔ)器DRAM連接；還有一個(gè)MediaCodecI/O芯片，它是一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，提供與寬帶網(wǎng)絡(luò)的接口，大大增強(qiáng)了芯片的通信功能。 2)Philips公司的Trimedia Trimedia處理器是一個(gè)通用性的微處理器，可以大大增強(qiáng)PC的多媒體功能，取代了PC上的視頻卡和聲音卡。第41頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 3)ChromaticResearch公司的MpactMediaEngine Mpact芯片類(lèi)似于通用DSP，但實(shí)際上是一個(gè)專(zhuān)用微處理器。它與主CPU結(jié)合(都在主板上)，可以完成Windows圖形加速器、3D圖形協(xié)處理器、MPEG解壓卡、聲音卡、FAX/MODEM和電話卡的功能。第42頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3存儲(chǔ)器 2.3.1內(nèi)存儲(chǔ)器 內(nèi)存是計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器，它的速度較高、容量有限、價(jià)格較高。內(nèi)存儲(chǔ)器的主要類(lèi)型有： (1)ROM(ReadOnlyMemory)只讀存儲(chǔ)器：主要存放BIOS基本輸入/輸出系統(tǒng)。 (2)RAM(RandomAccessMemory)隨機(jī)存儲(chǔ)器：是計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器，RAM又可分為：

第43頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 ˙動(dòng)態(tài)RAM：存儲(chǔ)單元電路以電容為基礎(chǔ)，電路簡(jiǎn)單、集成度高、功耗小，但必須定時(shí)刷新； ˙靜態(tài)RAM：存儲(chǔ)單元電路以雙穩(wěn)態(tài)電路為基礎(chǔ)，狀態(tài)穩(wěn)定，只要不掉電，信息不會(huì)丟失。 (3)SAM(SequentiallyAddressedMemory)順序?qū)ぶ反鎯?chǔ)器。 2.3.2存儲(chǔ)器管理 1.存儲(chǔ)體系 在價(jià)格合理的情況下，高速、大容量存儲(chǔ)器無(wú)法只靠使用單一種類(lèi)的存儲(chǔ)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器總是由多種存儲(chǔ)器構(gòu)成存儲(chǔ)體系，如圖2-4所示。第44頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-4存儲(chǔ)體系第45頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 存儲(chǔ)體系由高速緩存Cache、主存M和大容量外存儲(chǔ)器組成。在CPU和主存之間增加一級(jí)速度高、容量較小、每位價(jià)格較高的高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)，借助于輔助硬件，使Cache與主存構(gòu)成一個(gè)整體，這對(duì)CPU來(lái)說(shuō)，有接近于Cache的速度，接近于主存的容量，接近于主存的價(jià)格。外存儲(chǔ)器作為主存M的大容量后緩存儲(chǔ)器，使得主存的虛擬容量大大擴(kuò)充，但價(jià)格要比內(nèi)存低得多。第46頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.存儲(chǔ)管理 高檔微機(jī)地址線為32位，最大地址空間編址可達(dá)4GB，而實(shí)際的物理存儲(chǔ)器只有32MB、64MB、128MB或更多一些，但總是有限的，遠(yuǎn)小于最大尋址(編址)空間。在程序運(yùn)行過(guò)程中，為使存儲(chǔ)體系有效工作，CPU總是先在高速緩沖中查尋所需的程序塊。這就要求相應(yīng)的程序塊已經(jīng)在Cache中準(zhǔn)備好，這是基于計(jì)算機(jī)程序的局部性，包括時(shí)間局部性和空間局部性。時(shí)間局部性是指最近的未來(lái)要用到的信息很可能是現(xiàn)正在使用的信息，這主要是程序循環(huán)造成的；第47頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 空間局部性是指最近的未來(lái)要用到的信息很可能與現(xiàn)在正在使用的信息在程序的空間上是相鄰或相近的，這主要是由于指令通常是順序執(zhí)行的，以及數(shù)據(jù)一般是以向量、陣列、樹(shù)形、表格等形式簇聚存儲(chǔ)的，這說(shuō)明運(yùn)行程序未來(lái)被訪問(wèn)信息的地址在某種程度上是可以預(yù)測(cè)的。只要從主存M與Cache之間的調(diào)度算法使CPU查找信息塊在Cache的命中率足夠高，就可以獲得很高的存取速度。 如果CPU在Cache中未能獲得所需的程序塊，則主存一邊將相關(guān)的指令和數(shù)據(jù)直接送CPU運(yùn)行，一邊按塊傳送Cache，以供下次CPU可以在Cache中直接存取指令和數(shù)據(jù)。

第48頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 外存儲(chǔ)器是主存M的大容量后緩存儲(chǔ)器。操作系統(tǒng)通過(guò)輔助硬件在主存M和外存中按段、頁(yè)或段頁(yè)式進(jìn)行調(diào)度管理。調(diào)度算法應(yīng)盡可能提高主存M的命中率。第49頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.4總線與接口 2.4.1總線 1.總線的基本概念 1)總線 計(jì)算機(jī)總線是連接計(jì)算機(jī)內(nèi)各個(gè)部件的一組物理信號(hào)線，也是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間傳遞信息的公用通道?？偩€可以分為局部總線和擴(kuò)展總線。局部總線是指CPU內(nèi)部或與存儲(chǔ)器之間交換信息的總線；擴(kuò)展總線則是指CPU、存儲(chǔ)器與各類(lèi)I/O設(shè)備之間互相連接交換信息的總線，也稱(chēng)系統(tǒng)總線或I/O總線。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，通過(guò)內(nèi)部總線和擴(kuò)展總線的連接作用，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件，如CPU、Cache、內(nèi)存、外存、I/O設(shè)備等，協(xié)調(diào)地執(zhí)行CPU發(fā)出的指令。第50頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2)總線周期 總線上主從設(shè)備(或模塊)之間完成一次信息交換的時(shí)間稱(chēng)為總線操作周期或傳輸周期。工作過(guò)程可分為四個(gè)階段。 (1)總線請(qǐng)求和判決階段：提出使用總線的設(shè)備(或模塊)稱(chēng)為主設(shè)備(模塊)，由總線使用判決機(jī)構(gòu)確定把下一個(gè)總線周期分配給優(yōu)先級(jí)高的請(qǐng)求源。 (2)尋址階段：取得總線使用權(quán)的主模塊通過(guò)總線對(duì)端口或存儲(chǔ)器尋址，啟動(dòng)從設(shè)備(或模塊)。 (3)數(shù)據(jù)交換階段：主設(shè)備與從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 (4)結(jié)束階段：主從模塊從總線上撤除，讓出總線。第51頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 3)總線分組 總線可分三組，即地址線(AB)，8位16位或32位；數(shù)據(jù)線(DB)，16位、32位或64位；控制總線(CB)，一般為16位。 4)總線周期與指令周期、時(shí)鐘周期的關(guān)系 時(shí)鐘周期：CPU的主頻，一個(gè)周期T稱(chēng)為一個(gè)T狀態(tài)。 總線周期：指CPU對(duì)存儲(chǔ)器或I/O端口完成一次讀/寫(xiě)操作的時(shí)間，也叫機(jī)器周期，一般由兩個(gè)或更多機(jī)器周期組成。例如，PC/XT由T1、T2、T3、T4四個(gè)機(jī)器周期或不夠時(shí)在T3、T4之間插入TW等待周期。 指令周期：從取指令開(kāi)始執(zhí)行至該指令執(zhí)行完畢的時(shí)間稱(chēng)指令周期。第52頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.高檔PC系列微機(jī)總線的層次結(jié)構(gòu) 以總線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)多模塊之間的互連，既簡(jiǎn)單方便，成本又低。由于系統(tǒng)總線是在爭(zhēng)用基礎(chǔ)上工作的，當(dāng)總線上連接的模塊太多時(shí)，將使總線的通信速度降低，因此，大多數(shù)高檔微機(jī)都采用了多層總線結(jié)構(gòu)。速度相近的模塊使用同一類(lèi)總線，速度差異較大的模塊則使用不同速度的總線。 PentiumPC三層多總線結(jié)構(gòu)可分為CPU總線、PCI總線和ISA總線，如圖2-5所示。其基本工作原理如下述。第53頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-5PentiumPC總線結(jié)構(gòu)示意圖第54頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 1)CPU總線 CPU總線是64位數(shù)據(jù)線、32位地址線的同步總線，時(shí)鐘頻率為66.6MHz，處理器內(nèi)部時(shí)鐘是該頻率的倍頻。CPU總線的功能是： (1)連接(4～128MB)主存和256KB/512KB的二級(jí)Cache； (2)由主存控制器和Cache控制器控制它們的數(shù)據(jù)傳送； (3)CPU總線可視作CPU引腳的延伸(經(jīng)外圍電路組合)。第55頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2)PCI總線(PeripheralComponentInterconnect，外圍部件互連) PCI總線的功能如下： (1)連接高速I(mǎi)/O設(shè)備模塊，如圖形顯示適配器、網(wǎng)絡(luò)接口控制器和硬盤(pán)控制器； (2)上面通過(guò)“橋”芯片(北橋)與更高速的CPU總線相連，下面通過(guò)“橋”芯片(南橋)與較低速的ISA總線相連； (3)PCI總線采用集中式總線仲裁方式，有專(zhuān)用總線仲裁器； (4)共有負(fù)載10個(gè)，連接主板芯片算一個(gè)負(fù)載，每個(gè)PCI擴(kuò)充槽算兩個(gè)負(fù)載。第56頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 3)ISA總線(IndustryStandardArchitecture) ISA總線是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線，PC/AT總線，也稱(chēng)AT總線。 (1)ISA總線與低速I(mǎi)/O設(shè)備連接。 (2)保留3～4個(gè)ISA總線擴(kuò)充槽，以連接16/8位適配卡。 (3)ISA總線控制邏輯通過(guò)主板上的片級(jí)總線(X總線)與時(shí)鐘/日歷、ROMBIOS、鍵盤(pán)以及鼠標(biāo)控制器相連。 4)升級(jí)換代 通過(guò)“南橋”和“北橋”芯片使CPU總線、PCI總線、ISA總線連成整體，改變芯片組合就可以升級(jí)換代。第57頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 3.總線標(biāo)準(zhǔn) 在多媒體計(jì)算機(jī)中，普遍采用的總線有ISA、PCI、USB、SCSI和AGP等總線標(biāo)準(zhǔn)，下面分別說(shuō)明。 1)ISA(IndustryStandardArchitecture)總線 ISA總線是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線，是IBM公司為286/AT計(jì)算機(jī)制定的總線標(biāo)準(zhǔn)，也稱(chēng)AT總線。 2)PCI(PeripheralComponentInterconnect)總線 PCI總線是外圍部件互連總線，是高性能局部總線，它把高度集成的外圍設(shè)備控制部件和插接卡連接到處理器/存儲(chǔ)器系統(tǒng)上去，可以從32位升級(jí)到64位，支持多處理器和并發(fā)工作。第58頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 3)USB(UniversalSerialBus)總線 USB總線是通用串行總線，它是一種四芯的串行通信設(shè)備接口，主要作為計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的連接。該總線的通信速率可達(dá)12Mb/s，比傳統(tǒng)的串行通信接口速度高得多。USB總線可以把鍵盤(pán)、鼠標(biāo)器、打印機(jī)、掃描儀、調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)(HUB)等設(shè)備按統(tǒng)一的接口方式連接起來(lái)，使設(shè)備的連接更簡(jiǎn)單，如圖2-6所示。 為了實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的統(tǒng)一接口和標(biāo)準(zhǔn)插座，USB被設(shè)計(jì)為樹(shù)狀連接。主機(jī)PC作為根結(jié)點(diǎn)，把與PC相連的設(shè)備分為兩類(lèi)：一類(lèi)設(shè)備還可以連接其他設(shè)備，稱(chēng)為集線器HUB，它帶有連接其他外設(shè)的端口；另一類(lèi)設(shè)備不再連接其他外圍設(shè)備，稱(chēng)為功能器Function。第59頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-6USB總線接口連接外設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖第60頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 4)SCSI(SmallComputerSystemInterface)總線 SCSI(小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口)是計(jì)算機(jī)和外設(shè)之間的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它是一個(gè)通用接口。SCSI總線上連接的主機(jī)適配器和SCSI外設(shè)控制器總數(shù)不超過(guò)8個(gè)，可以連接磁盤(pán)、磁帶、CD-ROM、可重寫(xiě)光盤(pán)、打印機(jī)、掃描儀、通信設(shè)備等。 5)AGP(AcceleratedGraphicsPort) 圖形加速端口(AGP)是使外圍設(shè)備高速存取內(nèi)存的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要功能是大幅度提高主流PC的圖形，尤其是3D圖形的顯示能力。具體地說(shuō)，是把3D圖形芯片與內(nèi)存/PCI芯片相連接，3D圖形芯片可以將主存作為幀緩沖器，實(shí)現(xiàn)高速存取。嚴(yán)格地說(shuō)，AGP不是總線，它僅是考慮一對(duì)一連接的端口而已。AGP總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。第61頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-7AGP總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第62頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.4.2多媒體接口部件 多媒體接口部件是連接多媒體外部設(shè)備到計(jì)算機(jī)的功能板卡，它們的主要功能是控制外部設(shè)備獲取或表現(xiàn)多媒體信息，將輸入模擬信號(hào)數(shù)字化或?qū)⑤敵鰯?shù)據(jù)模擬化，把多媒體信息處理成計(jì)算機(jī)或用戶能夠接受的形式。多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中主要有聲卡、視頻卡、圖形加速卡和FAX/Modem等。

第63頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 1.聲卡(SoundCard) 聲卡的主要功能是處理聲音，包括采樣、量化、編輯、D/A轉(zhuǎn)換、播放等，使多媒體計(jì)算機(jī)具有錄制和播放各類(lèi)聲音(語(yǔ)音和音樂(lè))的能力。聲卡可支持11.025kHz、22.05kHz、44.1kHz三種采樣頻率，16位采樣精度和單、雙聲道，生成.WAVE格式文件，并對(duì)數(shù)字化.WAVE文件進(jìn)行壓縮和解壓縮。聲卡具有MIDI(樂(lè)器數(shù)字化接口)合成器，可以生成和播放.MIDI文件，使其成為一架電子樂(lè)器。另外，音卡還有CD-ROM音頻輸入和CD-ROM控制器，可以播放CD光盤(pán)音樂(lè)。第64頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.視頻卡(VideoCard) 視頻卡也稱(chēng)視頻捕捉卡，是多媒體計(jì)算機(jī)獲取圖像和視頻的主要接口部件。其主要功能是通過(guò)攝像機(jī)、錄像機(jī)或電視獲取視頻信號(hào)，將其數(shù)字化后以文件形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，且經(jīng)過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后能將捕獲的視頻在VGA顯示器上的視窗內(nèi)播放。 視頻卡采集靜止圖像時(shí)，以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行畫(huà)面捕捉，即獲取一些特定的圖像，用BMP、PCX、TGA等多種圖像格式保存所捕捉到的畫(huà)面。有些高級(jí)的視頻卡還可以對(duì)捕捉到的畫(huà)面進(jìn)行JPEG壓縮后再存盤(pán)。第65頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 視頻卡在VideoforWindows軟件的支持下可以連續(xù)對(duì)視頻進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，并利用聲卡對(duì)伴音進(jìn)行同步捕捉，生成動(dòng)態(tài)視頻文件AVI。具有動(dòng)態(tài)視頻捕捉功能的專(zhuān)業(yè)級(jí)的視頻卡一般都有硬件視頻壓縮功能。 3.視頻解壓縮卡 視頻解壓縮卡又稱(chēng)視頻回放卡。由于MPEG標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布的運(yùn)動(dòng)圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，因此視頻解壓縮卡又稱(chēng)MPEG解壓縮卡或MPEG回放卡。其主要功能是將由視頻卡采集并數(shù)字化后的壓縮視頻數(shù)據(jù)通過(guò)解壓縮還原成普通的數(shù)字視頻信號(hào)，并在顯示器上還原成影像。第66頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 當(dāng)主機(jī)將壓縮的MPEG數(shù)據(jù)傳送到解壓縮卡后，CPU會(huì)將數(shù)據(jù)流分離成影像數(shù)據(jù)流和聲音數(shù)據(jù)流，并將它們分別傳送給各個(gè)解壓縮芯片，進(jìn)行解壓縮處理，得到恢復(fù)的影像數(shù)據(jù)流和聲音數(shù)據(jù)流，然后進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，獲得通常的視頻與音頻輸出。 視頻解壓縮卡作為一種動(dòng)態(tài)圖像的播放部件，它可以支持全屏幕的CD-I、VideoCD、卡拉OKCD和MPEG文件所記錄的視頻的播放。因此在已配有CD-ROM驅(qū)動(dòng)器和音箱的基礎(chǔ)上，再配置一塊視頻解壓縮卡，便能在多媒體計(jì)算機(jī)上欣賞豐富多彩的影視節(jié)目。第67頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 4.電視接收卡 電視接收卡，簡(jiǎn)稱(chēng)電視卡，其主要功能是將電視信號(hào)轉(zhuǎn)變成VGA信號(hào)，并在顯示器上播放電視節(jié)目，使一臺(tái)多媒體計(jì)算機(jī)兼作一臺(tái)彩色電視機(jī)。由于計(jì)算機(jī)顯示器分辨率高、彩色豐富、顯示顆粒細(xì)，因此，在MPC上播放電視節(jié)目比在電視機(jī)上播放的畫(huà)面更清晰、色彩更鮮艷、效果更好。 5.視頻轉(zhuǎn)換卡 視頻轉(zhuǎn)換卡，又稱(chēng)VGA/TV顯示轉(zhuǎn)播卡，其作用正好與電視卡相反，它將VGA顯示信號(hào)重新編碼后，轉(zhuǎn)變成模擬視頻信號(hào)，提供給電視機(jī)或錄像機(jī)進(jìn)行演示或錄制。第68頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 因此，在計(jì)算機(jī)上配置一塊視頻轉(zhuǎn)換卡后，可以把電視機(jī)作為顯示器，把錄像機(jī)作圖像存儲(chǔ)設(shè)備，這樣就可以在電視機(jī)上觀看VGA畫(huà)面，并把顯示的字符、圖像、動(dòng)畫(huà)等錄制到錄像帶上保存起來(lái)。視頻轉(zhuǎn)換卡能輸出復(fù)合視頻、RGB三色視頻或S-Video視頻等多種類(lèi)型的視頻信號(hào)，能與VGA、SVGA(640×480)等顯示模式兼容，并支持NTSC、PAL制式等多種視頻標(biāo)準(zhǔn)。第69頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 6.FAX/Modem卡 在物理位置上不同的計(jì)算機(jī)之間可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換(通信)，即在計(jì)算機(jī)中安裝一塊網(wǎng)卡，使用通信協(xié)議就能使遠(yuǎn)離的連網(wǎng)的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息的傳輸。另外，在計(jì)算機(jī)上安裝調(diào)制解調(diào)器(Modem)，利用電話線路就能同另一地點(diǎn)安裝有相同的(或者兼容的)調(diào)制解調(diào)器的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如果在Modem板上集成了傳真(FAX)功能，則計(jì)算機(jī)將具有傳真機(jī)的功能，使通信更快更有效。第70頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.5硬盤(pán) 2.5.1硬盤(pán)機(jī)概述 硬盤(pán)是微機(jī)系統(tǒng)中最重要的外部存儲(chǔ)器，是微機(jī)的主要配置之一。目前，大多數(shù)微機(jī)上安裝的硬盤(pán)主要是溫徹斯特磁盤(pán)機(jī)(WinchesterDiskDriver)，簡(jiǎn)稱(chēng)溫盤(pán)機(jī)，它是一種磁頭、盤(pán)片等機(jī)構(gòu)全密封的硬磁盤(pán)機(jī)。硬磁盤(pán)機(jī)的容量遠(yuǎn)大于軟盤(pán)機(jī)，存取速度也比軟磁盤(pán)快得多。本節(jié)將簡(jiǎn)單介紹硬盤(pán)機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)。第71頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 1.硬盤(pán)機(jī)的工作原理及基本結(jié)構(gòu) 硬盤(pán)機(jī)有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)： (1)磁頭、盤(pán)片及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)密封； (2)磁頭與盤(pán)片為接觸式啟停，但工作時(shí)呈飛行狀態(tài)； (3)由于磁頭工作時(shí)與盤(pán)片不接觸，因而所有磁頭加載較??； (4)金屬磁盤(pán)片表面平整光滑，主軸上疊裝的盤(pán)片從兩片到十幾片不等； (5)主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)到3600轉(zhuǎn)/分或更高，尋道速度、位密度、道密度都遠(yuǎn)高于軟盤(pán)機(jī)。第72頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 硬盤(pán)機(jī)是一個(gè)高度精密的機(jī)電一體化產(chǎn)品，由頭盤(pán)組件HAD(HeadDiskAssembly)和印制電路板組件PCBA(PrintedCircuitBoardAssembly)兩大部分組成。其中，由盤(pán)體、主軸電機(jī)、尋道電機(jī)、讀寫(xiě)磁頭及控制電路，再加上外部的機(jī)殼與機(jī)架就組成了整個(gè)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)原理如圖2-8所示。第73頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-8硬盤(pán)機(jī)原理圖第74頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 硬盤(pán)的盤(pán)體由多個(gè)盤(pán)片(Platter)組成，這些盤(pán)片重疊在一起放在一個(gè)密封的盒中，它們?cè)谥鬏S電機(jī)的帶動(dòng)下以很高的速度旋轉(zhuǎn),其旋轉(zhuǎn)速度可達(dá)3600、4500、5400甚至6300轉(zhuǎn)/分以上。硬盤(pán)盤(pán)體一般為雙面磁盤(pán)，每個(gè)盤(pán)片需兩個(gè)磁頭，磁頭數(shù)一般有4、6、8個(gè)磁頭三種。每個(gè)盤(pán)片上的每條磁道可分為16個(gè)或32個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)256B信息，每個(gè)盤(pán)片對(duì)應(yīng)的磁道構(gòu)成若干個(gè)圓柱面，稱(chēng)之為柱面，顯然，每個(gè)柱面上存儲(chǔ)的信息量相等。 磁盤(pán)所用的磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)，它驅(qū)動(dòng)磁頭沿盤(pán)面作弧形運(yùn)動(dòng)；另一種常用磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是直線式音圈電機(jī)，磁頭沿盤(pán)徑方向直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行尋道、定位和讀寫(xiě)。因?yàn)榇蓬^的浮動(dòng)間隙很小，故HAD內(nèi)的清潔度要求很高。第75頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.硬盤(pán)類(lèi)型及基類(lèi)型參數(shù)設(shè)置 由于硬盤(pán)經(jīng)常放在機(jī)箱內(nèi)和軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器同樣的單元中，因此與軟驅(qū)一樣，分5.25英寸和3.5英寸兩種類(lèi)型。硬盤(pán)還有兩種不同的高度/厚度，稱(chēng)為半高和全高，現(xiàn)在一般都是使用半高的，厚度為1.5英寸，這是因?yàn)槌跗赑C/XT微機(jī)的軟、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)都是以此作為標(biāo)準(zhǔn)厚度，全高的厚度為3英寸。 硬盤(pán)又可分為內(nèi)部的、外部的和可移動(dòng)的三種。一般硬盤(pán)都是裝在機(jī)箱內(nèi)部的，不過(guò)外部的硬盤(pán)也是很有用的，尤其是當(dāng)要與別人共享大量的重復(fù)數(shù)據(jù)和程序時(shí)，顯得更為有用。

第76頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 在使用硬盤(pán)之前，必須在CMOS中設(shè)置正確的硬盤(pán)類(lèi)型參數(shù)，否則，將在啟動(dòng)后無(wú)法使用硬盤(pán)。硬盤(pán)類(lèi)型參數(shù)包括柱面、磁頭、扇區(qū)、容量、預(yù)補(bǔ)償寫(xiě)柱面、磁頭啟停區(qū)、減小電流柱面和交叉因子等。第77頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 下面介紹硬盤(pán)容量、啟停扇區(qū)、減小電流柱面、交叉因子的意義及其設(shè)置。 (1)硬盤(pán)容量。硬盤(pán)容量可以由微機(jī)上的BIOSSetup程序自動(dòng)計(jì)算出來(lái)，其計(jì)算公式為 硬盤(pán)容量=(磁頭數(shù))×(柱面數(shù))×(扇區(qū)數(shù)/柱面)×(字節(jié)數(shù)/扇面) (2)減小寫(xiě)電流柱面。用電流向磁介質(zhì)表面寫(xiě)入信息，寫(xiě)電流越大，形成的磁化單元面積也就越大。在記錄密度很高的情況下，將造成相鄰的磁化單元重疊。為了避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，在寫(xiě)入高端磁道(內(nèi)圈)時(shí)，需要減小寫(xiě)電流。減小寫(xiě)電流柱面是在作低級(jí)格式化時(shí)設(shè)置的。

第78頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (3)磁頭啟停區(qū)。為了防止在開(kāi)關(guān)電源時(shí)，讀寫(xiě)磁頭緊急降落與盤(pán)片發(fā)生碰撞而造成數(shù)據(jù)破壞，磁頭啟停柱面不應(yīng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，一般設(shè)置為最后一個(gè)柱面或65535。磁頭啟停區(qū)用于磁頭退出數(shù)據(jù)區(qū)柱面并鎖定。 (4)交叉因子。完成一個(gè)扇區(qū)的讀寫(xiě)是需要一定時(shí)間的。若磁盤(pán)扇區(qū)是順序連續(xù)編號(hào)的，在需要連續(xù)讀/寫(xiě)1、2號(hào)扇區(qū)時(shí)，可能在完成1號(hào)扇區(qū)的讀/寫(xiě)操作之后，由于磁盤(pán)片的高速旋轉(zhuǎn)，2號(hào)扇區(qū)已滑過(guò)磁頭下方，這時(shí)只能等盤(pán)片旋轉(zhuǎn)一周后才能找到2號(hào)扇面。第79頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 這種情況下的數(shù)據(jù)傳送速率也就太低了，解決的辦法是扇區(qū)不要按順序連續(xù)編號(hào)，如圖2-9所示。1號(hào)扇區(qū)后的第6個(gè)扇區(qū)才是2號(hào)扇區(qū)，2號(hào)扇區(qū)后的第6個(gè)扇區(qū)事實(shí)上是3號(hào)扇區(qū)，相鄰兩號(hào)扇區(qū)之間間隔的物理扇區(qū)數(shù)就是“交叉因子”，或稱(chēng)為“間隔系數(shù)”。圖2-9表示的交叉因子為6。 交叉因子是在硬盤(pán)低級(jí)格式化時(shí)由用戶設(shè)置的，其設(shè)置值應(yīng)符合廠商提供的說(shuō)明。在某些低級(jí)格式化程序中提供了自動(dòng)設(shè)置交叉因子的功能，用戶可選擇該功能讓系統(tǒng)自動(dòng)選擇設(shè)置交叉因子。 交叉因子與CPU速度有關(guān)，一般為1∶1、1∶2、1∶3或1∶6。第80頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖2-9交叉因子為6的硬盤(pán)第81頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.5.2硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器及其接口方式 微機(jī)的硬盤(pán)是通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接的，接口電路可以是單獨(dú)的多功能適配器插件卡(含硬盤(pán)接口、軟盤(pán)接口、并行和串行通信接口等)，也有的將該接口電路直接做在主板上。當(dāng)用戶需要在自己的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中裝入硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，必須注意選擇一種合適的硬盤(pán)接口方式才能適應(yīng)自己的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平的不斷提高，對(duì)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器及其接口的要求也就越來(lái)越高，現(xiàn)在常用的接口類(lèi)型為ST506/412、IDE、ESDI和SCSI接口。第82頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 1.硬盤(pán)ST506/412接口 這是一種由Seagate公司最早開(kāi)發(fā)并首先用于ST506型硬盤(pán)機(jī)的接口，在PC/XT/AT和低檔的386機(jī)上都使用這種接口。 2.硬盤(pán)ESDI接口 增強(qiáng)型小型設(shè)備接口ESDI(EnhancedSmallDeviceInterface)是IBM公司用于其大型機(jī)器上的標(biāo)準(zhǔn)，更適應(yīng)大容量硬盤(pán)機(jī)的工作。第83頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 3.磁盤(pán)SCSI接口 SCSI接口是小型計(jì)算機(jī)接口(SmallComputerSystemInterface)的簡(jiǎn)稱(chēng)。雖然SCSI接口方式當(dāng)初是為磁盤(pán)設(shè)備設(shè)計(jì)的，目前使用SCSI接口最多的也是磁盤(pán)，但就其實(shí)質(zhì)而言，SCSI是一種用在主機(jī)適配器和智能控制器界面上的統(tǒng)一的I/O總線。SCSI接口有很高的通用性，是高級(jí)智能型接口，傳輸率達(dá)4Mb/s。SCSI接口是一種多用途的I/O接口，除用于磁盤(pán)外，還廣泛用于光盤(pán)、CD-ROM、磁帶、掃描儀、打印機(jī)等設(shè)備。SCSI可連接8臺(tái)設(shè)備，這些設(shè)備可以是磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，也可以是其他外設(shè)或主機(jī)。第84頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 4.磁盤(pán)IDE接口 IDE(IntegratedDeviceElectronics)接口是為AT微機(jī)及其兼容機(jī)專(zhuān)用的，因此這種接口又稱(chēng)為AT-BUS接口或AT接口。 IDE硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的大多數(shù)3.5英寸的微型驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部已裝有控制器ASIC芯片，它已把通常的控制器和驅(qū)動(dòng)器合成一體，不但能完成尋道、讀、寫(xiě)等驅(qū)動(dòng)器功能，而且可以完成將主機(jī)命令轉(zhuǎn)換成控制器的操作，即完成通常的控制器功能。第85頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.6多媒體輸入/輸出設(shè)備 2.6.1多媒體輸入設(shè)備 1.掃描儀 掃描儀(Scanner)是繼鍵盤(pán)、鼠標(biāo)器之后的最常用的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，它能將圖稿信息捕捉下來(lái)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別、編輯、存儲(chǔ)和顯示的數(shù)據(jù)形式。這里的圖稿可以是圖像、繪畫(huà)、照片、圖形和文字等。因此，掃描儀是一種多媒體信息處理的重要支持設(shè)備。第86頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 1)掃描儀的構(gòu)成 掃描儀由光學(xué)成像、機(jī)械傳動(dòng)和轉(zhuǎn)換電路等三個(gè)部分組成。光學(xué)成像部分包括光源、光路和鏡頭，它將被掃描的圖稿轉(zhuǎn)變成光學(xué)信息；機(jī)械傳動(dòng)部分由控制電路、步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)軌和掃描頭等組成，它的主要功能是掃描定位，將掃描頭按一定的順序在圖稿上移動(dòng)；轉(zhuǎn)換電路部分包含光電轉(zhuǎn)換部件CCD(電荷耦合器件)和A/D轉(zhuǎn)換器，CCD可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，而A/D轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。第87頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2)掃描儀的工作原理 掃描儀通過(guò)被掃描介質(zhì)的反射光或透射光的變化來(lái)捕獲圖稿內(nèi)容。被掃描圖稿的反射光線(或透射光線)經(jīng)過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)，聚焦在CCD上，CCD將檢測(cè)到圖稿上每一個(gè)區(qū)域的反射(透射)光線的總和，并將這些光信號(hào)變成電信號(hào)，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)裝有光學(xué)成像和CCD的掃描頭在控制電路的控制下有順序地掃描圖稿。有專(zhuān)門(mén)的掃描軟件在顯示器上將掃描儀輸入的圖稿數(shù)字化數(shù)據(jù)還原成原來(lái)的圖稿內(nèi)容。第88頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 掃描儀配置的軟件可使掃描儀的性能達(dá)到最佳化，根據(jù)圖稿內(nèi)容的情況，可以設(shè)置掃描區(qū)域、分辨率、亮度和圖像灰度等參數(shù)，使掃描得到的圖稿能與計(jì)算機(jī)顯示器的顯示模式相匹配。另外，掃描儀輸入的圖稿數(shù)字化數(shù)據(jù)可以通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行增強(qiáng)、濾波、平滑和馬賽克效果等處理。 掃描儀必須在操作系統(tǒng)中配置相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 3)掃描儀的主要性能指標(biāo) 掃描儀的主要性能指標(biāo)有分辨率、灰度級(jí)、色彩數(shù)、掃描方式和掃描幅面等。

第89頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (1)分辨率。分辨率表征了掃描儀對(duì)圖稿細(xì)節(jié)的描述能力，分辨率越高，掃描儀獲得的圖稿越精細(xì)、逼真。 目前，掃描儀的分辨率通常在200dpi～9600dpi(每英寸點(diǎn)數(shù))之間。一般來(lái)說(shuō)，若掃描文本，分辨率達(dá)到600dpi已經(jīng)足夠了，而掃描圖像時(shí)分辨率達(dá)到1200dpi或以上才能獲得令人滿意的圖像。第90頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (2)灰度級(jí)和色彩級(jí)。灰度級(jí)是表示圖像顏色的深淺和亮度的等級(jí)。掃描儀的最低灰度級(jí)別只有兩級(jí)(1位)，即黑白兩種像素，稱(chēng)為二值圖；最高灰度級(jí)別為4096級(jí)，灰度級(jí)別越高，掃描圖像的層次越豐富。 色彩數(shù)表示彩色掃描儀所能產(chǎn)生的顏色范圍，通常使用每個(gè)像素點(diǎn)的顏色數(shù)據(jù)位數(shù)來(lái)表示，例如8位顏色數(shù)據(jù)位，可表示256種顏色。若三基色R、G、B(紅、綠、藍(lán))分別為8位，則稱(chēng)色彩深度為24。彩色掃描儀的色彩數(shù)在18bit～36bit之間，位數(shù)越高，掃描得到的圖像色彩越逼真。第91頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (3)掃描方式。對(duì)于平板彩色掃描儀，具有一次掃描和三次掃描兩種不同的掃描方法。由于一次掃描的掃描速度快、掃描所得的圖像質(zhì)量高，因此，盡管它的技術(shù)難度大、成本高，目前生產(chǎn)的掃描儀還是大都采用一次掃描方式。 (4)掃描幅面。掃描幅面表示掃描儀可掃描圖稿的最大尺寸。它基本上與復(fù)印紙的尺寸相當(dāng)，一般為A4～A0幅畫(huà)，也有一些特殊的大幅畫(huà)的掃描儀。第92頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 4)掃描儀的分類(lèi) 掃描儀可分為手持式、平板式和滾筒式三類(lèi)。 (1)手持式掃描儀：由手工移動(dòng)掃描儀從圖稿上經(jīng)過(guò)，掃描寬度為10.5cm，掃描大幅面圖稿時(shí)由軟件拼接。該掃描儀的分辨率為300dpi～2400dpi，色彩深度為18bit～24bit。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、價(jià)格低，但掃描圖像容易失真。手持式掃描儀主要用于精度要求不高的場(chǎng)合。 (2)平板式掃描儀：由軟件控制掃描儀自動(dòng)完成掃描過(guò)程，掃描寬度為A4幅面。該掃描儀的分辨率為600dpi～9600dpi，色彩深度為24bit～36bit。其優(yōu)點(diǎn)是速度快、精度高、操作簡(jiǎn)單，但其價(jià)格比手持式高。平板式掃描儀適用于多媒體平臺(tái)中的圖像掃描。第93頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (3)滾筒式掃描儀：掃描圖稿放在滾筒上，由軟件控制掃描頭自動(dòng)完成掃描過(guò)程。其掃描寬度大，可以用作大幅面圖稿的輸入。該掃描儀的分辨率為600dpi～4800dpi，色彩深度為24bit～36bit，除了具有平板式掃描儀的速度快、精度高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)之外，還能連續(xù)掃描(自動(dòng)進(jìn)紙)。滾筒式掃描儀適合于CAD圖形、地形圖等大幅面圖形/圖像媒體的輸入。第94頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2.光學(xué)字符閱讀器 光學(xué)字符閱讀器，又稱(chēng)OCR(OpticalCharacterRecognition),本意為光學(xué)字符識(shí)別，是一種文字自動(dòng)輸入的設(shè)備。它通過(guò)掃描或攝像等光學(xué)輸入方法從紙介質(zhì)上獲取文字的圖像信息，利用各種模式識(shí)別算法分析文字的形態(tài)特征，判斷文字的標(biāo)準(zhǔn)編碼，并按通用格式存儲(chǔ)在文本文件中。目前OCR對(duì)西文的輸入基本上已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用的水平，對(duì)漢字的識(shí)別在速度和識(shí)別率等方面還有一定差距。在多媒體系統(tǒng)中，OCR被廣泛地用作文本輸入設(shè)備。第95頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 1)工作原理 OCR將文稿通過(guò)平板掃描儀掃描，利用文字識(shí)別技術(shù)把文本的圖像信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以直接處理的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字代碼，從而完成文稿自動(dòng)輸入的操作。由OCR識(shí)別輸入的文本文件可以直接由WPS或WORD等文字處理軟件進(jìn)行編輯，然后由顯示器顯示出被掃描輸入的文稿內(nèi)容。從用戶角度來(lái)看，好像計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有閱讀文稿的能力，因此稱(chēng)為“閱讀器”。 2)主要性能指標(biāo) OCR的主要性能指標(biāo)包括識(shí)別范圍、識(shí)別速度和識(shí)別率等。第96頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (1)識(shí)別范圍。 ˙印刷體文本，包括西文、中文的簡(jiǎn)體和繁體。 ˙手寫(xiě)體文本，包括工整手寫(xiě)體和手寫(xiě)草體。 ˙表格，主要指由框線組成的印刷表格。 (2)識(shí)別速度。OCR識(shí)別速度與計(jì)算機(jī)的CPU配置和系統(tǒng)時(shí)鐘相關(guān)。在多能Pentium166機(jī)上，識(shí)別速度為86字/秒；在PentiumⅡ266機(jī)上，識(shí)別速度為156字/秒。

第97頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 (3)識(shí)別率。OCR的識(shí)別率在很大程度上取決于掃描文本的圖像質(zhì)量，在使用平板式掃描儀，掃描分辨率大于300dpi的情況下，印刷體文本的識(shí)別率可達(dá)99%以上；工整書(shū)寫(xiě)的文稿的識(shí)別率可達(dá)90%以上；一般的手寫(xiě)體(不能有大的連筆)文稿的識(shí)別率可達(dá)80%左右，若OCR經(jīng)過(guò)多次學(xué)習(xí)個(gè)人手跡以后，識(shí)別率可提高到95%以上。 3.觸摸屏 觸摸屏(TouchScreen)是一種隨著多媒體技術(shù)發(fā)展而使用的輸入設(shè)備。當(dāng)用戶用手指點(diǎn)在屏幕上的菜單、光標(biāo)、圖符等光按鈕時(shí)，能產(chǎn)生觸摸信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)變換后成為計(jì)算機(jī)可以處理的操作命令，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。使用觸摸屏操作計(jì)算機(jī)具有直觀、方便的特點(diǎn)。第98頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 觸摸屏由傳感器、控制器和驅(qū)動(dòng)程序等三個(gè)主要部分組成。 1)傳感器 傳感器將手指的觸摸動(dòng)作轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤M電壓信號(hào)，傳遞給控制器。目前，廣泛使用的觸摸屏傳感器可分為電容、電阻、紅外線、表面聲波和應(yīng)力計(jì)五種類(lèi)型，常用的觸摸屏大都使用表面聲波和電阻傳感器技術(shù)。 2)控制器 控制器用于控制傳感器并把觸摸電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算出手指觸摸坐標(biāo)x、y，然后通過(guò)接口輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)。第99頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 控制器可分為內(nèi)置式和外置式兩種。內(nèi)置式是一種卡，連接方便，價(jià)格低廉，便于集成為一個(gè)系統(tǒng)中的一部分。外置式是一個(gè)盒子，可借助于RS-232串行接口與計(jì)算機(jī)相連，價(jià)格較貴，但使用起來(lái)比較靈活。 3)驅(qū)動(dòng)程序 觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序具有以下兩項(xiàng)功能： (1)應(yīng)用程序利用驅(qū)動(dòng)程序直接對(duì)觸摸屏編程，即使控制器輸送的觸摸數(shù)據(jù)可以直接適合于具體應(yīng)用程序使用； (2)以鼠標(biāo)器(或者鍵盤(pán))作為交互輸入設(shè)備的應(yīng)用程序(包括Windows下運(yùn)行的程序)可以不作任何修改而使用觸摸屏作為交互輸入設(shè)備，做到觸摸屏與鼠標(biāo)器操作一致。第100頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 4．其他多媒體輸入設(shè)備 圖形輸入設(shè)備還有數(shù)字化儀，它由平板加上連接的手動(dòng)定位裝置組成，主要用于輸入線型圖，例如地圖、地形圖、氣象圖等。數(shù)字化儀可以通過(guò)手動(dòng)定位筆方便地獲得每個(gè)線段的起始坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)線型圖輸入。 電視攝像機(jī)是一種常用的視頻圖像獲取設(shè)備，它由攝像鏡頭、固態(tài)攝像器件(CCD)、同步信號(hào)發(fā)生電路、偏轉(zhuǎn)電路、放大電路和電源等部件組成。其工作原理是：來(lái)自被攝景物的光線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)形成光學(xué)圖像，經(jīng)過(guò)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)信號(hào)，這些信號(hào)再經(jīng)過(guò)視頻卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)。第101頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 目前數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)廣泛用于獲取靜態(tài)圖像。數(shù)碼相機(jī)的核心是電荷耦合器件(CCD)，CCD表面的刻線密度直接與圖像的質(zhì)量有關(guān)，密度越大，可識(shí)別的圖像細(xì)節(jié)越小，圖像越清楚，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量也越大。數(shù)碼相機(jī)以CCD面陣(分辨率為1.2Mdpi)作為成像底片。它通過(guò)RS-232串行接口與計(jì)算機(jī)相連接，可以將拍攝到的圖像顯示在顯示器屏幕上，并把數(shù)字化的圖像信號(hào)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的硬盤(pán)上。目前數(shù)碼相機(jī)的圖像分辨率可達(dá)1280×1024。 音頻的輸入常用的設(shè)備為麥克風(fēng)、錄音機(jī)和CD機(jī)。麥克風(fēng)常用于語(yǔ)音的輸入，如果要求錄制高保真度的聲音，可選用高質(zhì)量的麥克風(fēng)。音樂(lè)的輸入一般使用CD機(jī)，在計(jì)算機(jī)上使用光盤(pán)機(jī)(CD-ROM驅(qū)動(dòng)器)來(lái)播放CD。第102頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 操縱桿是一種提供位置信息的輸入設(shè)備，能支持其他定點(diǎn)輸入設(shè)備(如觸摸屏、數(shù)字化儀、光筆等)，將它們輸入的位置和按鍵信息提供給應(yīng)用程序。在多媒體計(jì)算機(jī)上，操縱桿常用作游戲控制器，用來(lái)操縱電子游戲，因此俗稱(chēng)游戲桿，通常與聲卡的MIDI接口相連接。操縱桿可以以模擬信號(hào)方式工作，也可以以數(shù)字信號(hào)方式工作，并可兼容各種游戲模式。目前，作為游戲桿操縱桿的常見(jiàn)類(lèi)型有游戲搖桿、游戲手柄和三維控制器等多種。 2.6.2多媒體輸出設(shè)備 1.顯示器 顯示器(Monitor)又稱(chēng)監(jiān)視器，是計(jì)算機(jī)最常用的輸出設(shè)備。它也是多媒體顯示輸出的主要設(shè)備。顯示器可分為CRT顯示器和平板式顯示器兩類(lèi)，在這里主要介紹CRT顯示器。第103頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 1)顯示系統(tǒng) 顯示系統(tǒng)由顯示器和顯示適配器(Adaptor)組成。顯示器必須在顯示適配器的支持下才能正常工作。顯示器由陰極射線管(CRT)和控制電路組成。顯示適配器俗稱(chēng)顯示卡，由寄存器、視頻存儲(chǔ)器和控制電路三部分集成在同一塊板上組成。在一般情況下，顯示器應(yīng)與顯示適配器配套使用，不同的顯示器應(yīng)配置不同的顯示適配器，這主要是因?yàn)轱@示適配器的工作頻率與顯示器的掃描頻率相同時(shí)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定工作。第104頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 2)顯示器的工作原理 顯示器由陰極電子槍發(fā)射電子束，電子束在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制下自左至右、由上而下地逐步掃描屏幕形成光柵，由視頻信號(hào)去調(diào)制電子束的強(qiáng)弱，使之在屏幕上產(chǎn)生有明暗層次的圖像畫(huà)面，每掃描一遍屏幕，圖像顯示光點(diǎn)的內(nèi)容就會(huì)刷新一次。若用紅、綠、藍(lán)三色的三槍電子束掃描屏幕，則它們將疊加形成彩色圖像。顯示器通過(guò)顯示適配器與計(jì)算機(jī)相連接，顯示適配器決定著顯示圖像或文字的速度，其視頻存儲(chǔ)器(VRAM)中存儲(chǔ)著顯示器顯示時(shí)對(duì)應(yīng)的格式數(shù)據(jù)。對(duì)于微機(jī)顯示系統(tǒng)，它具有字母數(shù)字和圖形兩種顯示模式。第105頁(yè)，共116頁(yè)，2023年，2月20日，星期一 在字母數(shù)字模式下，VRAM中存放顯示字符的代碼和屬性，并以字符代碼為地址，從字符庫(kù)中得到該字符相應(yīng)的字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，控制顯示字形。在圖形模式下，顯示緩沖器存放的是顯示器屏幕上的每個(gè)像素點(diǎn)的顏色或灰度值矩陣。由于屏幕上一個(gè)像素點(diǎn)所能夠顯示出的彩色數(shù)由顯示緩沖器中相應(yīng)的比特?cái)?shù)決定，因此，VRAM較大的顯示適