《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與C語言程序設(shè)計(jì)》課件第0章

第0章計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)0.1計(jì)算機(jī)概述0.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成0.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)0.4多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)0.5信息的表示及編碼0.6計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)0.7計(jì)算機(jī)安全

現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)是一種不需要人的干預(yù)，能夠自動(dòng)連續(xù)、快速、準(zhǔn)確地完成信息的存儲(chǔ)、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和過程控制等多種功能的電子機(jī)器。電子邏輯器件是它的物質(zhì)基礎(chǔ)，其基本功能是進(jìn)行數(shù)字化信息處理。0.1計(jì)?算?機(jī)?概?述計(jì)算機(jī)問世以來，發(fā)展異常迅速，應(yīng)用十分廣泛，效果極為顯著，從尖端科學(xué)領(lǐng)域到人類社會(huì)生活，隨處可見計(jì)算機(jī)所帶來的深刻變化和深遠(yuǎn)影響。不少科學(xué)家認(rèn)為，計(jì)算機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，在人類文明史中像蒸汽機(jī)的發(fā)明一樣，具有劃時(shí)代的歷史意義。0.1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展

在人類發(fā)展史上，計(jì)算技術(shù)和計(jì)算工具經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低級(jí)到高級(jí)的漫長(zhǎng)發(fā)展過程。從結(jié)繩計(jì)數(shù)到進(jìn)位制計(jì)數(shù)，從算盤、計(jì)算尺到手搖計(jì)算機(jī)、電動(dòng)計(jì)算機(jī)，人類一直在尋求高效、快捷的計(jì)算方法和計(jì)算工具，以解決越來越復(fù)雜的計(jì)算問題。電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明給這個(gè)問題提交了一份出色的答卷。電子計(jì)算機(jī)的問世是人類科學(xué)技術(shù)史上的一大豐碑，是20世紀(jì)人類最卓越的成就。通常我們說“計(jì)算機(jī)(Computer)”指的就是電子計(jì)算機(jī)，又稱為數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。

1.計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程

世界上第一臺(tái)電子數(shù)字式計(jì)算機(jī)于1946年2月14日在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)正式投入運(yùn)行，它的名稱叫做ENIAC(埃尼阿克，如圖0-1所示)，是電子數(shù)值積分計(jì)算機(jī)(TheElectronicNumbericalIntergratorAndComputer)的縮寫。它是由賓夕法尼亞大學(xué)的莫奇來(Mauchly)博士和他的學(xué)生愛克特(Eckert)研制成功的。ENIAC計(jì)算機(jī)共用了18000多個(gè)電子管，重達(dá)30噸，占地面積約170平方米，耗電150千瓦，每秒能進(jìn)行5000次加法運(yùn)算。圖0-1ENIAC計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)相比，除了體積大、速度慢和能耗大外，它還有許多不足，如存儲(chǔ)容量太小，要用外接線路的方法來設(shè)計(jì)計(jì)算程序等，但它標(biāo)志著計(jì)算技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了新的電子計(jì)算機(jī)時(shí)代。雖然它的功能還比不上今天最普通的一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，但在當(dāng)時(shí)它已是運(yùn)算速度的絕對(duì)冠軍，并且其運(yùn)算的精確度和準(zhǔn)確度也是史無前例的。

ENIAC誕生后，數(shù)學(xué)家馮·諾依曼提出了重大的改進(jìn)理論，主要有兩點(diǎn)：一是電子計(jì)算機(jī)應(yīng)該以二進(jìn)制為運(yùn)算基礎(chǔ)；二是電子計(jì)算機(jī)應(yīng)采用“存儲(chǔ)程序”方式工作。馮·諾依曼進(jìn)一步明確指出了整個(gè)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由五個(gè)部分組成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。馮·諾依曼的這些理論的提出，解決了計(jì)算機(jī)運(yùn)算自動(dòng)化的問題和速度配合問題，對(duì)后來計(jì)算機(jī)的發(fā)展起到了決定性的作用，所以現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都被稱為以存儲(chǔ)程序原理為基礎(chǔ)的馮

諾依曼型計(jì)算機(jī)。馮·諾依曼還和科學(xué)家莫爾合作研制了世界上第一臺(tái)具有存儲(chǔ)程序功能的計(jì)算機(jī)EDVAC(ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer，離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī))。

1951年第一款商用計(jì)算機(jī)UNIVAC(UNIVersalAutomaticComputer，全功能自動(dòng)計(jì)算機(jī))開始生產(chǎn)，此時(shí)，計(jì)算機(jī)第一次被作為商品出售。UNIVAC計(jì)算機(jī)生產(chǎn)了近50臺(tái)且作為商品出售，用于公眾領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理。

ENIAC誕生后短短的幾十年間，計(jì)算機(jī)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。主要電子器件相繼使用了真空電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，引起計(jì)算機(jī)的幾次更新?lián)Q代。每一次更新?lián)Q代都使計(jì)算機(jī)的體積和耗電量大大減小，功能大大增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生到現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致可分為四代(見表0-1)，并正在向第五代發(fā)展。

表0-1電子計(jì)算機(jī)的分代

1)第一代電子計(jì)算機(jī)

第一代電子計(jì)算機(jī)是電子管計(jì)算機(jī)(1946～1957年)，這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是：采用電子管作為基本元件，計(jì)算機(jī)體積龐大，可靠性差，輸入和輸出設(shè)備有限；主存容量?jī)H有數(shù)百字到數(shù)千字，主要以單機(jī)方式完成科學(xué)計(jì)算；程序設(shè)計(jì)使用機(jī)器語言或匯編語言；主要用于科學(xué)和工程計(jì)算；運(yùn)算速度為幾千次至幾萬次每秒。其代表機(jī)型有IBM650(小型機(jī))、IBM709(大型機(jī))等。

2)第二代電子計(jì)算機(jī)

第二代電子計(jì)算機(jī)是晶體管計(jì)算機(jī)(1958～1964年)，這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是：采用晶體管作為基本元件；體積縮小，功耗降低，提高了運(yùn)算速度(可達(dá)幾十萬次每秒)和可靠性；用磁芯作主存儲(chǔ)器，外存儲(chǔ)器采用磁盤和磁帶等；程序設(shè)計(jì)采用高級(jí)語言，如FORTRAN、COBOL、ALGOL等；在軟件方面還出現(xiàn)了操作系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，除進(jìn)行傳統(tǒng)的科學(xué)和工程計(jì)算外，還應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理和事務(wù)處理等更廣泛的領(lǐng)域。其代表機(jī)型有IBM7090、CDC7600等。

3)第三代電子計(jì)算機(jī)

第三代電子計(jì)算機(jī)是集成電路計(jì)算機(jī)(1965～1970年)，這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是：采用集成電路作為基本元件；體積減小，功耗、價(jià)格等進(jìn)一步降低，而運(yùn)算速度及可靠性則有了更大的提高；用半導(dǎo)體存儲(chǔ)代替了磁芯存儲(chǔ)器；運(yùn)算速度可達(dá)幾十萬次到幾百萬次每秒；在軟件方面，操作系統(tǒng)日益完善。這時(shí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)思想已逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化并且應(yīng)用范圍更加廣泛。其代表機(jī)型有IBM360等。

4)第四代電子計(jì)算機(jī)

第四代電子計(jì)算機(jī)是大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(1971年至今)，這一時(shí)期計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是：功能元件采用大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路；用集成度更高的半導(dǎo)體芯片作為主存儲(chǔ)器；運(yùn)算速度可達(dá)百萬次至億次每秒；在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，處理機(jī)系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展迅速；系統(tǒng)軟件的發(fā)展不僅實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)運(yùn)行的自動(dòng)化，而且正在向智能化方向邁進(jìn)；各種應(yīng)用軟件層出不窮，極大地方便了用戶。第四代計(jì)算機(jī)的另一個(gè)重要分支是以LSI(大規(guī)模集成電路)為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的微處理器和微型計(jì)算機(jī)。

2.我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程

我國(guó)電子計(jì)算機(jī)的研究是從1956年開始的，1958年研制出第一臺(tái)電子管計(jì)算機(jī)，即103型通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。

1964年，第一臺(tái)晶體管電子計(jì)算機(jī)正式投入運(yùn)行，它的運(yùn)算速度達(dá)到5萬次每秒。

1971年，第一臺(tái)集成電路計(jì)算機(jī)研制成功，它是我國(guó)研制成功的第一批第三代計(jì)算機(jī)，同年由北京大學(xué)研制的150型百萬次集成電路數(shù)字電子計(jì)算機(jī)投入使用。

1983年12月，國(guó)防科技大學(xué)成功研制出我國(guó)第一臺(tái)運(yùn)算速度在1億次每秒以上的巨型機(jī)“銀河—Ⅰ”。

1989年，運(yùn)算速度達(dá)10億次每秒的“銀河—Ⅱ”研制成功，這是我國(guó)第一臺(tái)通用并行巨型機(jī)。它具有聯(lián)網(wǎng)能力，既可以作為超級(jí)計(jì)算機(jī)中心的主機(jī)，又可以作為大量數(shù)據(jù)處理的中心處理機(jī)，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

1995年5月11日，國(guó)家科委在北京組織召開了“曙光1000并行機(jī)”成果鑒定會(huì)?！笆锕?000”突破了一大批大規(guī)模并行處理的關(guān)鍵技術(shù)，其峰值速度可達(dá)25億次每秒，實(shí)際浮點(diǎn)運(yùn)算速度超過10億次每秒，內(nèi)存容量為1024兆字節(jié)。“曙光1000”的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)并行處理技術(shù)邁上了一個(gè)新臺(tái)階?！笆锕?000”可廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報(bào)、石油勘探、地震數(shù)據(jù)處理及科研等領(lǐng)域。

1995年底，“曙光2000

—Ⅰ”誕生，其峰值浮點(diǎn)運(yùn)算速度可達(dá)500億次每秒。

20世紀(jì)末，誕生了運(yùn)算速度為1000億次每秒的“曙光2000

—Ⅱ”。

21世紀(jì)初，我國(guó)研究制造的曙光3000超級(jí)服務(wù)器投入使用。它兼顧大規(guī)模科學(xué)計(jì)算、事務(wù)處理和網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)。系統(tǒng)峰值浮點(diǎn)運(yùn)算速度為4032億次每秒。

2003年初，曙光推出了面向網(wǎng)格技術(shù)、達(dá)到3萬億次每秒運(yùn)算能力的高性能計(jì)算機(jī)曙光4000L。

2003年12月9日，聯(lián)想承擔(dān)的國(guó)家網(wǎng)格主節(jié)點(diǎn)“深騰6800”超級(jí)計(jì)算機(jī)正式研制成功，其實(shí)際運(yùn)算速度達(dá)到4.183萬億次每秒，全球排名第14位，運(yùn)行效率達(dá)78.5%。同年，曙光10萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)落戶上海超級(jí)計(jì)算中心。

2004年6月21日，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室公布了最新的全球計(jì)算機(jī)500強(qiáng)名單，曙光計(jì)算機(jī)公司研制的超級(jí)計(jì)算機(jī)“曙光4000A”排名第10，運(yùn)算速度達(dá)8.061萬億次每秒。

3.計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

未來的計(jì)算機(jī)將以超大規(guī)模集成電路為基礎(chǔ)，向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的方向發(fā)展。

1)巨型化

巨型化是指計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度更高、存儲(chǔ)容量更大、功能更強(qiáng)。天文、軍事、仿真等領(lǐng)域需要進(jìn)行大量的計(jì)算，要求計(jì)算機(jī)有更高的運(yùn)算速度、更大的存儲(chǔ)量，這就需要研制功能更強(qiáng)的巨型計(jì)算機(jī)。目前正在研制的巨型計(jì)算機(jī)其運(yùn)算速度可達(dá)百萬億次每秒。

2)微型化

微型計(jì)算機(jī)已進(jìn)入儀器、儀表、家用電器等小型儀器設(shè)備中，同時(shí)也作為工業(yè)控制過程的心臟，使儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)“智能化”。通用微型機(jī)已經(jīng)大量進(jìn)入辦公室和家庭，但人們需要體積更小、更輕便、更易于攜帶的微型機(jī)，以便出門在外或在旅途中均可使用計(jì)算機(jī)。

3)網(wǎng)絡(luò)化

將地理位置分散的計(jì)算機(jī)通過專用的電纜或通信線路互相連接，就組成了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)可以使分散的各種資源得到共享，使計(jì)算機(jī)的實(shí)際效用大大提高。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的深入，特別是家用計(jì)算機(jī)越來越普及，計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)不再是可有可無的事，而是計(jì)算機(jī)應(yīng)用中一個(gè)很重要的部分。

4)智能化

目前的計(jì)算機(jī)已能夠部分地代替人的腦力勞動(dòng)，因此也常稱為“電腦”。但是人們希望計(jì)算機(jī)具有更多的類似人的智能，這就需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。智能化是計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向，新一代計(jì)算機(jī)將可以模擬人的感覺行為和思維過程的機(jī)理，進(jìn)行“看”、“聽”、“說”、“想”、“做”，具有邏輯推理、學(xué)習(xí)與證明的能力。

近年來，通過進(jìn)一步的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)由于電子電路的局限性，理論上電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展也有一定的局限，因此人們正在研制不使用集成電路的計(jì)算機(jī)，如生物計(jì)算機(jī)、光子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)等。0.1.2計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)主要有如下幾點(diǎn)。

1.運(yùn)算速度快

電子計(jì)算機(jī)具有神奇的運(yùn)算速度，其速度已達(dá)到幾百億次乃至上千億次每秒。例如，為了將圓周率π的近似值計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后第707位，一位數(shù)學(xué)家曾為此花十幾年的時(shí)間，而如果用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)來計(jì)算，可能瞬間就能完成，同時(shí)可精確到小數(shù)點(diǎn)后第200萬位。

2.計(jì)算精度高

電子計(jì)算機(jī)具有人類無法比擬的高精度控制能力。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展需要高度準(zhǔn)確的計(jì)算，只要計(jì)算機(jī)內(nèi)使用的表示數(shù)值的位數(shù)足夠多，就能提高運(yùn)算精度。計(jì)算機(jī)的有效位數(shù)已從十幾位、幾十位達(dá)到目前的幾百位。

3.存儲(chǔ)容量大

計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量是任何人的記憶能力所無可比擬的。在計(jì)算機(jī)中有容量很大的存儲(chǔ)裝置，它不僅可以長(zhǎng)久性地存儲(chǔ)大量的文字、圖形、圖像、聲音等信息資料，還可以存儲(chǔ)指揮計(jì)算機(jī)工作的程序。

4.工作自動(dòng)化

電子計(jì)算機(jī)可以無需人工干預(yù)而自動(dòng)、協(xié)調(diào)地完成各種運(yùn)算。計(jì)算機(jī)是由內(nèi)部控制和操作的，只要將事先編制好的應(yīng)用程序輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)就能自動(dòng)按照程序規(guī)定的步驟完成預(yù)定的處理任務(wù)。

5.判斷能力強(qiáng)

電子計(jì)算機(jī)除了具有數(shù)值計(jì)算能力外，還具有很強(qiáng)的邏輯推理和判斷能力，因而可用來代替人的一部分腦力勞動(dòng)，參與企業(yè)管理、指揮生產(chǎn)等等。計(jì)算機(jī)的這種判斷能力可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)工作的自動(dòng)化，從而保證計(jì)算機(jī)控制的判斷可靠、反應(yīng)迅速、控制靈敏。0.1.3計(jì)算機(jī)的分類

電子計(jì)算機(jī)是一種通過電子線路對(duì)信息進(jìn)行加工處理以實(shí)現(xiàn)其計(jì)算功能的機(jī)器，它按照不同的原則可以有多種分類方法。下面介紹一些常用的分類方法：

(1)按照信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)的表示形式是模擬還是數(shù)字量來劃分，可以分成電子模擬計(jì)算機(jī)和電子數(shù)字計(jì)算機(jī)以及混合計(jì)算機(jī)三大類。

(2)根據(jù)計(jì)算機(jī)的大小、規(guī)模、性能等來劃分，可以分成巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)等。

(3)按照計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)目的來劃分，分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)。通用計(jì)算機(jī)指用于解決各類問題的計(jì)算機(jī)。它既可以進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，又可以用于數(shù)據(jù)處理等。它是一種用途廣泛、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。0.1.4計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，它不僅用于科學(xué)研究，完成大量的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，而且用于輔助設(shè)計(jì)、輔助制造、輔助醫(yī)療及各種信息加工。它可以代替人的體力勞動(dòng)，使大量重復(fù)性工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，還可代替部分腦力勞動(dòng)。根據(jù)應(yīng)用性質(zhì)，大體可分為以下幾個(gè)方面。

1.科學(xué)計(jì)算

科學(xué)計(jì)算是計(jì)算機(jī)最原始的應(yīng)用領(lǐng)域。在科學(xué)技術(shù)和工程設(shè)計(jì)中，存在大量的各類數(shù)學(xué)計(jì)算問題，其特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量不很大，但計(jì)算工作量很大、很復(fù)雜，如復(fù)雜電子電路的計(jì)算、天氣預(yù)報(bào)計(jì)算等。對(duì)于這類問題，若非計(jì)算機(jī)具有快速性和精確性，那么其它計(jì)算工具是難以解決的?！皵?shù)值仿真”則是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的應(yīng)用，例如，可以用計(jì)算機(jī)仿真原子彈的爆炸，從而避免過多的實(shí)彈試驗(yàn)。

2.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理即信息處理，是指把各種數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中加工、計(jì)算、分類和整理。當(dāng)前計(jì)算機(jī)的主要用途即是數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如企業(yè)管理、情報(bào)檢索、氣象預(yù)報(bào)、飛機(jī)訂票、防空警戒等。數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)是要處理的原始數(shù)據(jù)量很大，而運(yùn)算比較簡(jiǎn)單，有大量的邏輯運(yùn)算與判斷，其處理結(jié)果往往以表格或文件形式存儲(chǔ)或輸出。

3.過程控制

過程控制是指實(shí)時(shí)采集、檢測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理和判定，按最佳值進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程。利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制，不僅可以大大提高自動(dòng)化水平，減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，更重要的是提高了控制的準(zhǔn)確性，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及成品的合格率。近年來，計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)在機(jī)械、冶金、石油、化工、電力、建材及輕工業(yè)等各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并獲得了很高的經(jīng)濟(jì)效益。

4.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是指利用計(jì)算機(jī)幫助工程人員進(jìn)行各種工程設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)過程趨于自動(dòng)化和半自動(dòng)化。使用CAD技術(shù)可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)自動(dòng)化水平。CAD技術(shù)已廣泛應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)、飛機(jī)制造、建筑工程設(shè)計(jì)、大規(guī)模集成電路版圖設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等行業(yè)。CAD技術(shù)迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，又派生出許多新的技術(shù)分支，如計(jì)算機(jī)輔助制造CAM、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試CAT、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)CAI等等。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)(CAI)是指利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助教學(xué)工作。它可以利用圖形圖像、動(dòng)畫、聲音、視頻等方式使教學(xué)過程形象化；還可以采用人機(jī)對(duì)話的方式因材施教。CAI不僅有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以利用計(jì)算機(jī)輔導(dǎo)學(xué)生、解決問題、批改作業(yè)等。

5.人工智能

人工智能是計(jì)算機(jī)理論科學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。人工智能是研究用計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)模擬人類某些智能行為，如感知、推理、學(xué)習(xí)、理解等的理論和技術(shù)，其最具代表性的兩個(gè)領(lǐng)域是專家系統(tǒng)和機(jī)器人。計(jì)算機(jī)專家系統(tǒng)可用于醫(yī)療診斷、模擬法官和律師、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等領(lǐng)域。機(jī)器人包括遙控機(jī)器人、程序機(jī)器人、示教-再現(xiàn)機(jī)器人和智能機(jī)器人等。例如，利用機(jī)器人到火星表面和火山坑中采集數(shù)據(jù)。

6.多媒體應(yīng)用

多媒體計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)是集成性和交互性，即集文字、聲音、圖像等信息于一體，并使雙方能通過計(jì)算機(jī)交互。多媒體技術(shù)的發(fā)展大大拓寬了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，視頻和音頻信息的數(shù)字化，使得計(jì)算機(jī)逐步走向家庭，走向個(gè)人。多媒體技術(shù)豐富了人和計(jì)算機(jī)之間傳遞信息的途徑，目前已開始用于教育訓(xùn)練、演示、咨詢、管理、出版、辦公自動(dòng)化等方面。多媒體技術(shù)的發(fā)展和成熟，將為人們的學(xué)習(xí)、工作和生活建立新的方式，增添新的風(fēng)采。

一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件系統(tǒng)指看得見摸得著的東西；軟件系統(tǒng)指控制計(jì)算機(jī)的各種信息，就好像存在人腦里面的各種知識(shí)一樣，是看不見也摸不著的。一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成如圖0-2所示。0.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成

圖0-2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成0.2.1計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)硬件指的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中由電子、機(jī)械和光電元件等組成的各種計(jì)算機(jī)部件和設(shè)備，其基本功能是接受計(jì)算機(jī)程序的控制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、運(yùn)算、數(shù)據(jù)輸出等一系列操作，是計(jì)算機(jī)軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)。

雖然目前計(jì)算機(jī)的種類很多，制造技術(shù)發(fā)生了極大的變化，但在基本的硬件結(jié)構(gòu)方面，一直沿襲著馮·諾依曼的體系結(jié)構(gòu)，從功能上都可以劃分為五個(gè)基本組成部分：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。這五大功能部件相互配合，協(xié)同工作。其中，運(yùn)算器和控制器集成在一起，稱之為中央處理器(CPU)，是計(jì)算機(jī)的核心部件。存儲(chǔ)器又分為內(nèi)存儲(chǔ)器(主存儲(chǔ)器)和外存儲(chǔ)器(輔存儲(chǔ)器)，中央處理器和內(nèi)存儲(chǔ)器合稱主機(jī)，外存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備合稱外設(shè)。硬件系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，各個(gè)部件之間通過總線相連構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體。

1.運(yùn)算器

運(yùn)算器也稱為算術(shù)邏輯單元(ALU，ArithmeticLogicUnit)，其功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，主要負(fù)責(zé)對(duì)信息進(jìn)行加工處理。運(yùn)算器不斷地從存儲(chǔ)器中得到要加工的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行加、減、乘、除及各種邏輯運(yùn)算，并將最后的結(jié)果送回存儲(chǔ)器中，整個(gè)過程在控制器的指揮下有條不紊地進(jìn)行。

2.控制器

控制器是計(jì)算機(jī)的指揮中樞，用于控制計(jì)算機(jī)各個(gè)部件有條不紊地協(xié)同工作，其基本功能就是從內(nèi)存取指令和執(zhí)行指令。

3.存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)和控制信息進(jìn)行存儲(chǔ)，是計(jì)算機(jī)的記憶單元。存儲(chǔ)器分為內(nèi)存(主存儲(chǔ)器)和外存(輔存儲(chǔ)器)兩種。

1)內(nèi)存

內(nèi)存由半導(dǎo)體器件構(gòu)成，計(jì)算機(jī)可以直接從中存取信息。內(nèi)存分為ROM(只讀存儲(chǔ)器)和RAM(隨機(jī)存儲(chǔ)器)兩種形式。

(1)

ROM：只能從中讀取信息，不能寫入信息(固化指令)；

(2)

RAM：既可以從中讀取信息，也能寫入信息。

通常所說的內(nèi)存主要是指RAM。如果斷電，RAM中的信息會(huì)自動(dòng)消失，不會(huì)重現(xiàn)。

2)外存

外存用來長(zhǎng)期存放程序和數(shù)據(jù)；外存上的信息主要由操作系統(tǒng)來管理；外存一般只和內(nèi)存進(jìn)行信息交換。常見的外部存儲(chǔ)器有軟盤(FloppyDisk)、硬盤(HardDisk)、磁帶(Tape)、光盤(CompactDisc)、閃存盤(FlashMemory)。

4.輸入設(shè)備

輸入設(shè)備用于接受用戶輸入的數(shù)據(jù)和程序，并將它們轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接受的形式(二進(jìn)制數(shù))存放到內(nèi)存中。常見的輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、光筆、數(shù)字化儀等。

5.輸出設(shè)備

輸出設(shè)備用于將存放在內(nèi)存中的計(jì)算機(jī)處理結(jié)果輸出給用戶。常見的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等。0.2.2計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)軟件是指在硬件設(shè)備上運(yùn)行的各種程序、數(shù)據(jù)以及有關(guān)的文檔，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。軟件是計(jì)算機(jī)的靈魂，計(jì)算機(jī)之所以能夠完成各種有意義的工作，都是在軟件的控制下進(jìn)行的。沒有安裝軟件的計(jì)算機(jī)稱為“裸機(jī)”，無法完成任何工作。

1.系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是指面向計(jì)算機(jī)管理的、支持應(yīng)用軟件開發(fā)和運(yùn)行的軟件。系統(tǒng)軟件的通用性很強(qiáng)，能最大限度地發(fā)揮計(jì)算機(jī)的作用，充分利用計(jì)算機(jī)資源，便于用戶使用和維護(hù)。系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)軟件、語言處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和其它一些軟件。

1)操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)(OperatingSystem)是最基本、最重要的系統(tǒng)軟件。它負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種硬件資源(例如CPU、內(nèi)存空間、磁盤空間和外部設(shè)備等)，并且負(fù)責(zé)解釋用戶對(duì)機(jī)器的管理命令，使之轉(zhuǎn)換為機(jī)器實(shí)際的操作。常見的操作系統(tǒng)有DOS、Windows、Linux和UNIX等。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有軟、硬件資源都受操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理、控制和調(diào)度。用戶使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有軟、硬件資源，時(shí)刻都離不開操作系統(tǒng)，它給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所有軟、硬件資源的利用提供了高效完善的運(yùn)行環(huán)境。要操縱計(jì)算機(jī)硬件，必須通過操作系統(tǒng)來完成，所以操作系統(tǒng)是用戶與計(jì)算機(jī)硬件的接口。操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的最基本的系統(tǒng)軟件。其它的系統(tǒng)軟件和軟件開發(fā)工具都建立在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，它們的運(yùn)行和應(yīng)用都需要操作系統(tǒng)的支持。計(jì)算機(jī)正式使用之前，必須首先把操作系統(tǒng)裝入硬盤，開機(jī)之后，必須先啟動(dòng)操作系統(tǒng)，然后才能干其它事。

概括地說，操作系統(tǒng)有兩大功能：一是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件和軟件資源進(jìn)行管理、控制與調(diào)度，以提高計(jì)算機(jī)的效率和各種硬件的利用率；二是作為用戶與硬件的接口和人機(jī)對(duì)話的界面，為用戶提供最佳的工作環(huán)境和最友好的服務(wù)。通俗點(diǎn)說，操作系統(tǒng)有兩個(gè)職能，一是“管理員”，二是“服務(wù)員”。前一個(gè)職能旨在最大限度地提高各個(gè)計(jì)算機(jī)硬件的運(yùn)行效率，以最充分地發(fā)揮各種軟件及其開發(fā)工具的應(yīng)用效力。后一個(gè)職能旨在最大限度地為用戶使用計(jì)算機(jī)提供盡可能多的服務(wù)和方便，最大限度地提高用戶使用計(jì)算機(jī)的效率。

2)計(jì)算機(jī)語言

計(jì)算機(jī)語言也稱為程序設(shè)計(jì)語言，指用以編制解決實(shí)際問題的各類計(jì)算機(jī)程序。程序是為完成一項(xiàng)特定任務(wù)而用某種語言編寫的一組指令序列的集合。

計(jì)算機(jī)語言按其發(fā)展階段一般分為三大類：機(jī)器語言、匯編語言和高級(jí)語言。

(1)機(jī)器語言。計(jì)算機(jī)只能直接接收和識(shí)別由0和1組成的指令代碼，這種指令稱為機(jī)器指令，機(jī)器指令的集合稱為機(jī)器語言。

用機(jī)器語言編寫的程序稱為手編程序，手編程序能在計(jì)算機(jī)上直接執(zhí)行，所以又稱為目標(biāo)程序。

使用機(jī)器語言編寫程序，計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)別，運(yùn)行速度快，占用內(nèi)存少，但難編、難讀、難修改，而且機(jī)器語言因機(jī)種的不同而有所不同，用機(jī)器語言編寫的程序不具有通用性。

(2)匯編語言。用一些助記符來表示機(jī)器指令，就是匯編語言。用匯編語言編寫的程序稱為匯編源程序。

匯編語言簡(jiǎn)單直觀、便于記憶，用匯編語言編寫的程序，比用機(jī)器語言編寫的程序好寫、好讀、好修改。但計(jì)算機(jī)不能直接識(shí)別匯編語言，必須經(jīng)過一個(gè)事先放在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的翻譯程序來翻譯。把匯編語言翻譯成機(jī)器語言的過程稱為匯編，這個(gè)翻譯程序稱做匯編程序。

(3)高級(jí)語言。高級(jí)語言比較接近人類的自然語言(如英語和數(shù)學(xué)語言)，易于學(xué)習(xí)和掌握，是面向過程的語言或面向?qū)ο蟮恼Z言。用高級(jí)語言編寫的程序，具有易學(xué)、易懂、易修改的特點(diǎn)，同時(shí)具有很好的通用性。常用的高級(jí)語言有BASIC、FORTRAN、Delphi、C、C++、Java等。用高級(jí)語言編制的程序(稱為高級(jí)語言源程序)也需要經(jīng)過翻譯，計(jì)算機(jī)才能識(shí)別執(zhí)行。這個(gè)過程可有兩種方式：編譯方式與解釋方式。編譯方式把高級(jí)語言所寫的程序作為一個(gè)整體進(jìn)行處理，使用編譯程序編譯后與子程序庫(kù)鏈接，形成一個(gè)完整的可執(zhí)行程序。這種方法的缺點(diǎn)是編譯和鏈接較費(fèi)時(shí)，但可執(zhí)行程序運(yùn)行速度很快。FORTRAN和C語言等都采用這種編譯方法。解釋方式則是使用解釋程序?qū)Ω呒?jí)語言程序逐句解釋執(zhí)行。這種方法的特點(diǎn)是程序設(shè)計(jì)的靈活性大，但程序的運(yùn)行效率較低。BASIC語言就采用這種編譯方法。

3)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

日常許多業(yè)務(wù)處理，都是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，所以計(jì)算機(jī)制造商也開發(fā)了許多數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序(DBMS)，如SQLServer、DB2、Oracle、Mysql和VisualFoxPro等。

4)其它軟件

此外，系統(tǒng)軟件還包括聯(lián)網(wǎng)及通信軟件、各類服務(wù)程序和工具軟件等。

2.應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件是用戶為解決各種實(shí)際問題而編制的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序及其有關(guān)資料。如微軟的Office系列，就是針對(duì)辦公應(yīng)用的應(yīng)用軟件。

計(jì)算機(jī)軟件已發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，軟件的應(yīng)用范圍也涵蓋了生活的方方面面，很多問題都可通過相應(yīng)的軟件來解決。以下是一些主要應(yīng)用領(lǐng)域的軟件。

辦公應(yīng)用：MicrosoftOffice、WPSOffice、OpenO、永中Office等。

平面設(shè)計(jì)：Photoshop、Illustrator、Freehand、CorelDRAW等。

網(wǎng)站開發(fā)：FrontPage、Dreamweaver等。

輔助設(shè)計(jì)：AutoCAD、Rhino、Pro/E等。

三維制作：3dsmax、Maya等。

多媒體開發(fā)：Authorware、Director、Flash等。

各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域也有自己的應(yīng)用軟件，比如神舟七號(hào)的指揮控制系統(tǒng)、超市里的銷售軟件、民航和鐵路的訂票系統(tǒng)和企業(yè)里的ERP軟件等。

微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體積小、價(jià)格低、可靠性高、應(yīng)用面廣，所以發(fā)展速度非常快，是現(xiàn)在最為普及的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。0.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)0.3.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展

1.微處理器的發(fā)展

微機(jī)的出現(xiàn)是以微處理器的產(chǎn)生為標(biāo)志的，微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)史實(shí)際就是微處理器的簡(jiǎn)史。微處理器(微CPU)是微型計(jì)算機(jī)的核心部件，是計(jì)算機(jī)的中樞，對(duì)計(jì)算機(jī)的所有控制都是由CPU完成的。CPU性能是計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)。

20世紀(jì)70年代初期，大規(guī)模集成電路投入市場(chǎng)，以大規(guī)模集成電路為主要器件的微型計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。短短的三十幾年，微型計(jì)算機(jī)或者說微處理器已經(jīng)歷了六個(gè)階段，大約每三四年或更短的時(shí)間就推出一代新產(chǎn)品。

第一代微處理器是Intel公司于1971年推出的，以4004(4位微處理器)、4040(4位微處理器)、8008(8位微處理器)為典型代表，采用PMOS工藝，集成度達(dá)到2000晶體管/片。

第二代微處理器是1974年推出的，典型代表是8080、M6800和Z80(均為8位微處理器)。它們采用NMOS工藝，集成度達(dá)到9000晶體管/片。

第三代微處理器出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代后期，由于超大規(guī)模集成電路投入使用，進(jìn)一步推動(dòng)微處理器向更高層次發(fā)展，以8086/8088、M68000和Z8000為代表的產(chǎn)品相繼問世，它們采用HMOS高密度工藝，集成度達(dá)到了29000晶體管/片，是16位微處理器，運(yùn)算速度比8位機(jī)快2～5倍。

第四代微處理器。1985年Intel公司又率先推出了32位微處理器80386。1989年又推出了在同一芯片中集成了數(shù)字協(xié)處理器80387的32位微處理器80486。

第五代微處理器。1993年Intel公司推出了Pentium(Pentium實(shí)際上應(yīng)該稱為80586，但I(xiàn)ntel公司出于宣傳競(jìng)爭(zhēng)方面的考慮，改變了“x86”傳統(tǒng)的命名方法)。1995年以來，CPU發(fā)展更為迅速，性能顯著提高，并采用許多新技術(shù)、新工藝，更新的、性能更好的PentiumPro、PentiumMMX、PentiumⅡ、PentiumⅢ、Pentium4等芯片相繼投入市場(chǎng)。其它公司推出的第五代CPU還有AMD公司的K5、K6、AthlonXP，VIA公司的C3處理器等。

第六代微處理器。2003年9月，AMD公司發(fā)布了面向臺(tái)式機(jī)的64位處理器Athlon64和Athlon64FX，標(biāo)志著64位微機(jī)時(shí)代的到來。

2.微型計(jì)算機(jī)與PC機(jī)

利用微處理器作為主要邏輯部件的電子計(jì)算機(jī)稱為微型計(jì)算機(jī)。在20世紀(jì)70年代，微處理器不斷發(fā)展，但微型計(jì)算機(jī)并沒有成型的產(chǎn)品。最初的微處理器(4004)用于布什內(nèi)爾發(fā)明的游戲機(jī)上。1974年，羅伯茨利用8080微處理器組裝了名為“阿爾泰”的計(jì)算機(jī)，勉強(qiáng)可稱為世界上第一臺(tái)微型電腦?！鞍柼辈⑽匆鹩?jì)算機(jī)企業(yè)的興趣，卻吸引了一批大學(xué)生，他們自發(fā)組織了一個(gè)微型電腦“協(xié)會(huì)”，自行組裝“阿爾泰”，為它編制程序。比爾·蓋茨為“阿爾泰”編寫過BASIC程序，進(jìn)而開創(chuàng)了Microsoft(微軟)公司，專門研制銷售計(jì)算機(jī)軟件。喬布斯開創(chuàng)了蘋果(Apple)公司，專營(yíng)“蘋果”微電腦。當(dāng)微電腦引起了“藍(lán)色巨人”美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司(IBM)的注意后，該公司在1981年8月推出了采用Intel公司8088微處理器作為CPU的16位個(gè)人計(jì)算機(jī)——PC(PersonalComputer)。IBM-PC推出以后，IBM公司又利用不斷更新的微處理器，相繼推出IBM-PC/XT、IBM-PC/AT等換代機(jī)型，從而形成了IBM-PC系列。

3.?PC機(jī)與兼容機(jī)、組裝機(jī)

隨著IBM-PC的興盛，其它一些公司也紛紛仿效，相應(yīng)生產(chǎn)了DELL(戴爾)、Compaq(康柏)、AST(宏志)、HP(惠普)等品牌的個(gè)人計(jì)算機(jī)。這些計(jì)算機(jī)以IBM-PC為參照標(biāo)準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件選用上與IBM-PC不盡一致，在性能上和軟件應(yīng)用上與IBM-PC沒有很大的差異，某些方面甚至優(yōu)于PC，故一般相對(duì)IBM-PC而言稱之為兼容機(jī)。

購(gòu)置計(jì)算機(jī)器件自行組裝的計(jì)算機(jī)稱為組裝機(jī)。0.3.2微型計(jì)算機(jī)的組成

1.中央處理器

微型計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的核心是中央處理器(CPU，CentralProcessingUnit)。CPU一般由邏輯運(yùn)算單元、控制單元和存儲(chǔ)單元組成。在邏輯運(yùn)算單元和控制單元中包括一些寄存器，這些寄存器用于CPU在處理數(shù)據(jù)過程中數(shù)據(jù)的暫時(shí)保存。簡(jiǎn)單地講，CPU是由控制器和運(yùn)算器兩部分組成的。

運(yùn)算器是計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的部件，包括算術(shù)運(yùn)算(加、減、乘、除等)和邏輯運(yùn)算(與、或、非、異或、比較等)。控制器的功能如下：①?gòu)拇鎯?chǔ)器中取出指令，并對(duì)指令進(jìn)行譯碼；②根據(jù)指令的要求，按時(shí)間的先后順序，負(fù)責(zé)向其它各部件發(fā)出控制信號(hào)；③保證各部件協(xié)調(diào)一致地工作，一步一步地完成各種操作?？刂破髦饕芍噶罴拇嫫?、譯碼器、程序計(jì)數(shù)器和操作控制器等組成。

2.主板

主板又叫主機(jī)板(Mainboard)、系統(tǒng)板(Systemboard)或母板(Motherboard)。它安裝在機(jī)箱內(nèi)，是微機(jī)最基本的也是最重要的部件之一。主板一般為矩形電路板，上面安裝了組成計(jì)算機(jī)的主要電路系統(tǒng)，一般有BIOS芯片、I/O控制芯片、鍵盤和面板控制開關(guān)接口、指示燈接插件、擴(kuò)展插槽、主板及插卡的直流電源供電接插件等元件。主板采用開放式結(jié)構(gòu)，一般上面都有幾個(gè)擴(kuò)展插槽，供PC機(jī)外圍設(shè)備的控制卡(適配器)接插。通過更換這些插卡，可以對(duì)微機(jī)的相應(yīng)子系統(tǒng)進(jìn)行局部升級(jí)，使廠家和用戶在配置機(jī)型方面有更大的靈活性?？傊?，主板在整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色?？梢哉f，主板的類型和檔次決定著整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的類型和檔次，主板的性能影響著整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的性能。

3.存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器是微機(jī)記憶或暫存數(shù)據(jù)的部件。微機(jī)中的全部信息，包括原始的輸入數(shù)據(jù)、經(jīng)過初步加工的中間數(shù)據(jù)以及最后處理完成的有用信息都存放在存儲(chǔ)器中。而且，指揮計(jì)算機(jī)運(yùn)行的各種程序，即規(guī)定對(duì)輸入數(shù)據(jù)如何進(jìn)行加工處理的一系列指令也存放在存儲(chǔ)器中。

存儲(chǔ)器分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。要執(zhí)行的程序和要使用的數(shù)據(jù)必須放在主存內(nèi)，CPU只能直接和主存交換數(shù)據(jù)。目前，計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用的主存都是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器有如下三種主要類型。

1)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器既可以讀取其中的數(shù)據(jù)也可以寫入數(shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)不能長(zhǎng)期保存，斷電后數(shù)據(jù)會(huì)很快丟失。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器又分為靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)。

(1)靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。SRAM是通過有源電路，即一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)電路來保持存儲(chǔ)器中的信息。只要存儲(chǔ)體的電源不斷，存放在它里面的信息就不會(huì)丟失。靜態(tài)存儲(chǔ)器的主要優(yōu)點(diǎn)是它與微處理器的接口很簡(jiǎn)單，所需要的附加硬件很少，使用方便，速度快。靜態(tài)存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)是它的功耗較大，集成度低，成本高。靜態(tài)存儲(chǔ)器從器件的原理上分，可分為雙極型和MOS型。

(2)動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器與靜態(tài)存儲(chǔ)器不同，如果沒有外部支持邏輯電路，它就不能長(zhǎng)期地保存數(shù)據(jù)。這是由于它的信息是以電荷形式保存在小電容器(無源器件)中，由于電容器的放電回路存在，超過一定的時(shí)間后，存放在電容器中的電荷就會(huì)消失，信息就會(huì)丟失。因此，為了保證數(shù)據(jù)不丟失，就需要對(duì)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器進(jìn)行周期性的刷新。

2)只讀存儲(chǔ)器(ROM)

只讀存儲(chǔ)器在正常的使用中只能從ROM中讀出數(shù)據(jù)，而不能寫入數(shù)據(jù)。它與微處理器的接口也很簡(jiǎn)單，總是處于讀的狀態(tài)。存放在ROM中的信息，就是在沒有電源的情況下也能保持。目前，常用的只讀存儲(chǔ)器包括：①可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，稱為EPROM。用戶可通過編程器將數(shù)據(jù)或程序?qū)懭隕PROM，如需重新寫入的話，可通過紫外線照射EPROM，將原來的信息擦除，然后再重新寫入。②電可擦除只讀存儲(chǔ)器，稱為EEPROM。它的擦除不像EPROM那樣用紫外線照射，它可以像RAM那樣，寫入時(shí)擦除原有的信息，但它需要一個(gè)擦除電壓，寫入時(shí)的速度也較慢。③快擦型存儲(chǔ)器(閃存)，稱為FlashMemory?？觳列痛鎯?chǔ)器具有EEPROM的特點(diǎn)，可在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行擦除和編程，它的讀取時(shí)間同DRAM相似，而寫入速度較慢。

3)高速緩沖存儲(chǔ)器Cache

隨著CPU工作頻率的不斷提高，CPU對(duì)RAM的讀寫速度要求也更快。因此，RAM讀寫速度成了系統(tǒng)運(yùn)行速度的關(guān)鍵。如果RAM的讀寫速度很慢，則CPU訪問RAM時(shí)不得不插入等待周期，這實(shí)際上是降低了CPU的工作速度，對(duì)CPU來說是很大的浪費(fèi)。為此，在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器系統(tǒng)時(shí)，一種可供選擇的方案是使用更為高速高性能的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器DRAM芯片。但目前的技術(shù)還無法生產(chǎn)出如此高速的DRAM。如能生產(chǎn)出的話，成本也會(huì)很高，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比降低。一種現(xiàn)實(shí)的解決方案就是采用高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)技術(shù)。Cache存儲(chǔ)器是由雙極型靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器構(gòu)成的。它的訪問速度是DRAM的10倍左右。它的容量相對(duì)主存要小得多，一般為128KB、256KB或512KB。Cache位于主存和CPU之間，可以看成是主存中面向CPU的一組高速暫存寄存器。

在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，除了有主存儲(chǔ)器外，一般還有輔助存儲(chǔ)器，用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)。目前，常用的輔助存儲(chǔ)器有軟盤、硬盤、磁帶和光盤存儲(chǔ)器。它們和內(nèi)存一樣，存儲(chǔ)容量也是以字節(jié)為基本單位。

1)軟盤存儲(chǔ)器

軟盤是用柔軟的聚酯材料制成的圓形底片，在兩個(gè)表面涂有磁性材料。常用的軟盤其直徑為3.5英寸。信息在磁盤上是按磁道和扇區(qū)來存放的。磁道即盤上一組同心圓環(huán)形的信息記錄區(qū)，它們由外向內(nèi)編號(hào)。每道被劃成相等的區(qū)域，稱為扇區(qū)。常見的3.5英寸的軟盤容量是1.44MB?，F(xiàn)在軟盤存儲(chǔ)器已經(jīng)很少使用了。

2)硬盤存儲(chǔ)器

硬盤是由涂有磁性材料的鋁合金圓盤組成的，每個(gè)硬盤都由若干個(gè)磁性圓盤組成。目前大多數(shù)微機(jī)上使用的硬盤是3.5英寸的。這些硬盤驅(qū)動(dòng)器通常采用溫徹斯特技術(shù)，其特點(diǎn)是把磁頭、盤片及執(zhí)行機(jī)構(gòu)密封在一個(gè)腔體內(nèi)，與外界環(huán)境隔絕。采用這種技術(shù)的硬盤也稱為溫盤。硬盤的兩個(gè)主要性能指標(biāo)是平均尋道時(shí)間和內(nèi)部傳輸速率。一般來說，轉(zhuǎn)速越高的硬盤，尋道的時(shí)間越短且內(nèi)部傳輸速率也越高，不過內(nèi)部傳輸速率還受硬盤控制器的Cache影響，大容量的Cache可以改善硬磁盤的性能。目前，硬盤的轉(zhuǎn)速有5400r/min、7200r/min、10000r/min等。

硬盤的每個(gè)存儲(chǔ)表面被劃分成若干個(gè)磁道(不同的硬盤磁道數(shù)不同)，每個(gè)磁道被劃分成若干個(gè)扇區(qū)(不同的硬盤扇區(qū)數(shù)不同)。每個(gè)存儲(chǔ)表面的同一道形成一個(gè)圓柱面，稱為柱面。柱面是硬盤的一個(gè)常用指標(biāo)。

3)磁帶存儲(chǔ)器

磁帶存儲(chǔ)器是順序存取設(shè)備，即磁帶上的文件依次存放。假如某文件存放在磁帶的尾部而磁頭的位置在磁帶的前部，則必須空轉(zhuǎn)磁帶到尾部才能讀取文件。因此，磁帶的存取時(shí)間比磁盤長(zhǎng)。磁帶存儲(chǔ)器由磁帶機(jī)和磁帶兩部分組成。磁帶分為開盤式磁帶和盒式磁帶兩種。在微型計(jì)算機(jī)中大多數(shù)采用的是盒式磁帶。微型計(jì)算機(jī)上的磁帶機(jī)基本上作為一個(gè)后備存儲(chǔ)裝置，用于資料保存、文件復(fù)制、備份等，以便在硬盤發(fā)生故障時(shí)用于恢復(fù)系統(tǒng)或數(shù)據(jù)。

4)光盤存儲(chǔ)器

光盤指的是利用光學(xué)方式進(jìn)行讀寫信息的圓盤。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所使用的光盤存儲(chǔ)器是在激光視頻唱片(又叫電視光盤)和數(shù)字音頻唱片(又叫激光唱片)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。應(yīng)用激光在某種介質(zhì)上寫入信息，然后再利用激光讀出信息的技術(shù)稱為光存儲(chǔ)技術(shù)。如果光存儲(chǔ)使用的介質(zhì)是磁性材料，亦即利用激光在磁記錄介質(zhì)上存儲(chǔ)信息，就稱為磁光存儲(chǔ)。人們把采用非磁性介質(zhì)進(jìn)行光存儲(chǔ)的技術(shù)稱為第一代光存儲(chǔ)技術(shù)，其缺點(diǎn)是不能像磁記錄介質(zhì)那樣把內(nèi)容抹掉后重新寫入新的內(nèi)容。磁光存儲(chǔ)技術(shù)是在光存儲(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，稱為第二代光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)，其主要特點(diǎn)是可擦寫。根據(jù)性能和用途的不同，光盤存儲(chǔ)器可分成以下幾種類型。

(1)

CD-ROM。CD-ROM(CompactDisc-ReadOnlyMemory)即只讀型光盤，這種光盤的內(nèi)容是由生產(chǎn)廠家預(yù)先寫入的數(shù)據(jù)或程序，出廠后用戶只能讀取，而不能寫入、修改。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，CD-ROM主要用于軟件的存放、檢索文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)或其它數(shù)據(jù)庫(kù)，也可用于計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等。

(2)

CD-R。CD-R是指CD-Recordable，即一次性可寫入光盤，它必須在專用的光盤刻錄機(jī)中運(yùn)行。通常光盤刻錄機(jī)既可以作刻錄機(jī)用，也可讀普通的CD-ROM盤片。光盤刻錄機(jī)有內(nèi)置和外置兩種，內(nèi)置采用IDE或SCSI接口，外置采用USB接口。

(3)

CD-RW。CD-RW即CD-ReWritable，這種光盤刻錄機(jī)既可以作刻錄機(jī)用，也可當(dāng)光驅(qū)用，而且可以對(duì)可擦寫的CD-RW光盤進(jìn)行反復(fù)操作。CD-RW盤片就像硬盤一樣，可以隨機(jī)刪除和寫入。

(4)

DVD-ROM。DVD-ROM(DigitalVersatileDisc-ReadOnlyMemory)是CD-ROM的后繼產(chǎn)品，DVD-ROM盤片的尺寸與CD-ROM盤片完全一致，不同之處是DVD-ROM采用較短的激光波長(zhǎng)，為650nm。DVD-ROM標(biāo)準(zhǔn)向下兼容，能讀目前的音頻CD和CD-ROM。DVD-ROM盤片單面單層的容量為4.7GB，單面雙層的容量為7.5GB，雙面雙層的容量為17GB。

其它常用的DVD產(chǎn)品還有DVD-R和DVD-RAM。DVD-R與CD-R相對(duì)應(yīng)，它允許一次性寫入。DVD-RAM是一種可重復(fù)讀寫的介質(zhì)，其工作原理基于相位變化技術(shù)。DVD的一倍速的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.35MB/s。

4.輸入設(shè)備

輸入設(shè)備是給計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備。它是重要的人機(jī)接口，負(fù)責(zé)將輸入的信息(包括數(shù)據(jù)和指令)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制代碼，并送入存儲(chǔ)器保存。常見的輸入設(shè)備有以下幾種。

1)鍵盤(Keyboard)

圖0-3鍵盤鍵盤是最常見的輸入設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)鍵盤上的按鍵可以分為3個(gè)區(qū)域：字符鍵區(qū)、功能鍵區(qū)和數(shù)字鍵區(qū)(數(shù)字小鍵盤)，如圖0-3所示。

(1)字符鍵區(qū)。由于鍵盤的前身是英文打字機(jī)，鍵盤排列已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，計(jì)算機(jī)的鍵盤最初就全盤采用了英文打字機(jī)的QWERTY排列方式。

(2)功能鍵區(qū)。鍵盤的最上一排主要包括F1～F12這12個(gè)功能鍵，通常人們稱其為熱鍵，因?yàn)橛脩艨梢愿鶕?jù)自己的需要來定義它們的功能，以減少重復(fù)擊鍵的次數(shù)，方便操作。

(3)數(shù)字鍵區(qū)。數(shù)字鍵區(qū)又稱小鍵盤區(qū)，安排在整個(gè)鍵盤的右部。它原來是為專門從事數(shù)字錄入的工作人員提供的。

計(jì)算機(jī)鍵盤中幾種鍵位的詳細(xì)功能如表0-2所示。

表0-2計(jì)算機(jī)鍵盤中幾種鍵位的功能

2)鼠標(biāo)(Mouse)

鼠標(biāo)的外形非常像一只老鼠，所以取名鼠標(biāo)。它在圖形界面環(huán)境中使用頻率相當(dāng)高，可以代替鍵盤的大部分功能。鼠標(biāo)分為機(jī)械式、光學(xué)式和光學(xué)機(jī)械式三種，對(duì)鼠標(biāo)的操作可分為左擊、右擊、雙擊及拖動(dòng)，這四種不同的操作可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

5.輸出設(shè)備

輸出設(shè)備是輸出計(jì)算機(jī)處理結(jié)果的設(shè)備。在大多數(shù)情況下，它將這些結(jié)果轉(zhuǎn)換成便于人們識(shí)別的形式。

1)顯示器(Display)

顯示器是微型機(jī)不可缺少的輸出設(shè)備，用戶通過它可以很方便地查看送入計(jì)算機(jī)的程序、數(shù)據(jù)和圖形等信息及經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后的中間和最后結(jié)果。顯示器是人機(jī)對(duì)話的主要工具。顯示器常用的有CRT陰極射線管顯示器和LCD液晶顯示器。顯示器上的字符和圖形是由一個(gè)個(gè)像素(Pixel)組成的。顯示器的分辨率一般用整個(gè)屏幕上光柵的列數(shù)與行數(shù)的乘積來表示，這個(gè)乘積越大，分辨率就越高。顯示器必須配置正確的顯示適配器(俗稱顯卡)才能構(gòu)成完整的顯示系統(tǒng)。

2)打印機(jī)(Printer)

打印機(jī)是微型機(jī)的另一種常用輸出設(shè)備，可以把文字或圖形在紙上輸出，供用戶閱讀和保存。打印機(jī)按工作原理可以分為擊打式打印機(jī)和非擊打式打印機(jī)兩類。現(xiàn)在使用的打印機(jī)多數(shù)都是非擊打式的噴墨打印機(jī)和激光打印機(jī)。

6.總線與接口

所謂總線(Bus)，一般指通過分時(shí)復(fù)用的方式，將信息以一個(gè)或多個(gè)源部件傳送到一個(gè)或多個(gè)目的部件的一組傳輸線，是計(jì)算機(jī)中傳輸數(shù)據(jù)的公共通道。

總線的工作原理：當(dāng)總線空閑(其它器件都以高阻態(tài)形式連接在總線上)且一個(gè)器件要與目的器件通信時(shí)，發(fā)起通信的器件驅(qū)動(dòng)總線發(fā)出地址和數(shù)據(jù)。其它以高阻態(tài)形式連接在總線上的器件如果收到(或能夠收到)與自己相符的地址信息后，即接收總線上的數(shù)據(jù)。發(fā)送器件完成通信后，將總線讓出(輸出變?yōu)楦咦钁B(tài))。

計(jì)算機(jī)中的總線按其功能可以分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。

接口：與外部設(shè)備、存儲(chǔ)器的連接和數(shù)據(jù)交換都需要通過接口設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，前者被稱為I/O接口，后者則被稱為存儲(chǔ)器接口。存儲(chǔ)器通常在CPU的同步控制下工作，接口電路比較簡(jiǎn)單；而I/O設(shè)備品種繁多，其相應(yīng)的接口電路也各不相同。因此，習(xí)慣上說到接口只是指I/O接口。I/O接口的功能是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)CPU通過系統(tǒng)總線把I/O電路和外圍設(shè)備聯(lián)系在一起，常見接口有并行接口、串行接口、磁盤接口、SCSI接口、USB接口等。0.3.3微型計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)

微型機(jī)的種類很多，根據(jù)計(jì)算機(jī)處理的字長(zhǎng)的不同分為16位、32位機(jī)和64位機(jī)等，下面列出一些主要的性能指標(biāo)。

1.字長(zhǎng)

字長(zhǎng)是指CPU能夠直接處理二進(jìn)制的位數(shù)。它標(biāo)志著計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的精度，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，精度越高。同時(shí)字長(zhǎng)與指令長(zhǎng)度有一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，因而指令系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱程度與字長(zhǎng)有關(guān)。

2.主頻

主頻是指計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘頻率，它在很大程度上決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。一般時(shí)鐘頻率越高，運(yùn)算速度就越快，但也不要認(rèn)為CPU的時(shí)鐘頻率就等于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。主頻的單位是MHz。如微處理器Pentium100的主頻為100MHz。

3.內(nèi)存容量

任何程序和數(shù)據(jù)的存取都要通過內(nèi)存，內(nèi)存容量的大小反映了存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的能力，從而反映了信息處理能力的強(qiáng)弱。存儲(chǔ)容量越大，所運(yùn)行的軟件越豐富。

4.存取周期

存儲(chǔ)器完成一次讀或?qū)懶畔⒉僮魉璧臅r(shí)間稱為讀寫時(shí)間，兩次讀/寫操作之間的時(shí)間間隔稱為存取周期。存取周期是衡量存儲(chǔ)器速度的重要標(biāo)志。

5.運(yùn)算速度

計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度是指計(jì)算機(jī)每秒鐘執(zhí)行的指令數(shù)。其單位為每秒百萬條指令(簡(jiǎn)稱MIPS)或者每秒百萬條浮點(diǎn)指令(簡(jiǎn)稱MFLOPS)，它們都是用基準(zhǔn)程序來測(cè)試的。

隨著微電子、計(jì)算機(jī)、通信和數(shù)字化聲像等技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。計(jì)算機(jī)處理的信息不僅包括文字、數(shù)字和圖形，還包括圖像和聲音等。因此，為了改善人與計(jì)算機(jī)的交互界面，集文、聲、圖、像于一體，就要開發(fā)多媒體技術(shù)。0.4多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)0.4.1多媒體技術(shù)簡(jiǎn)介

1.媒體和多媒體

現(xiàn)實(shí)生活中，信息的表現(xiàn)形式是豐富多彩的。媒體是指信息表示和傳播的載體。如人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫臄?shù)字、文字、聲音、圖形、圖像、幻燈片、視頻、交通信號(hào)燈等都可稱為媒體。所謂“多媒體”(Multimedia)，從字面上理解就是“多種媒體的集合”。目前，對(duì)多媒體還沒有一個(gè)權(quán)威性的定義，但這并不妨礙多媒體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。從應(yīng)用的角度來看，我們可以將多媒體定義為：多媒體是指把文本、聲音、圖形、圖像、視頻等多種媒體的信息通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字化加工處理，集成為一個(gè)具有交互性系統(tǒng)的一種技術(shù)。注意，這個(gè)定義中體現(xiàn)出了多媒體的兩個(gè)關(guān)鍵的特性：媒體的數(shù)字化及交互性。這也正是我們并不將彩色畫報(bào)、電視等稱為“多媒體”的緣由。

2.多媒體技術(shù)的特點(diǎn)

多媒體技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)把文本、聲音、圖形、圖像等綜合一體化，使它們建立起邏輯聯(lián)系，并能進(jìn)行加工處理的技術(shù)。這里說的“加工處理”主要是指對(duì)這些媒體的錄入、對(duì)信息進(jìn)行壓縮和解壓縮、存儲(chǔ)、顯示、傳輸?shù)?。多媒體技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

1)集成性

多媒體技術(shù)的集成性是指將多媒體有機(jī)地組織在一起，共同表達(dá)一個(gè)完整的多媒體信息，使聲音、文字、圖形、圖像一體化。

2)交互性

交互性是指人和計(jì)算機(jī)能“對(duì)話”，以便進(jìn)行人工干預(yù)控制。交互性是多媒體技術(shù)的關(guān)鍵特性。

3)數(shù)字化

數(shù)字化是指多媒體中的各媒體都是以數(shù)字形式存放在計(jì)算機(jī)中。

4)實(shí)時(shí)性

多媒體技術(shù)是多種媒體集成的技術(shù)，在這些媒體中，有些媒體(如聲音和動(dòng)態(tài)圖像)是與時(shí)間密切相關(guān)的，這就決定了多媒體技術(shù)必須支持實(shí)時(shí)處理。

多媒體技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合技術(shù)，它包括數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、音頻和視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)、人工智能和模式識(shí)別技術(shù)、通信和圖像技術(shù)。多媒體技術(shù)是正處于發(fā)展過程中的一門綜合性高新技術(shù)。

3.多媒體技術(shù)的應(yīng)用

隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛，已滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面。

多媒體應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)教育與培訓(xùn)

多媒體技術(shù)為教育與培訓(xùn)增添了豐富多彩的教學(xué)方式。多媒體技術(shù)可以將課文、圖表、聲音、動(dòng)畫、影像等組合在一起構(gòu)成教學(xué)課件，這種圖、文、聲、像并茂的場(chǎng)景將大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和接受能力，并且可以方便地進(jìn)行交互式的指導(dǎo)和因材施教。用于軍事、體育、醫(yī)學(xué)、駕駛等各方面培訓(xùn)的多媒體計(jì)算機(jī)，不僅可以使受訓(xùn)者在生動(dòng)、直觀、逼真的場(chǎng)景中完成訓(xùn)練過程，而且能夠設(shè)置各種復(fù)雜環(huán)境，提高受訓(xùn)人員對(duì)困難和突發(fā)事件的應(yīng)變能力，并能自動(dòng)評(píng)測(cè)學(xué)員的學(xué)習(xí)成績(jī)。

2)商業(yè)領(lǐng)域

多媒體技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也是十分廣泛的。例如，多媒體技術(shù)用于商品廣告、商品展示、商業(yè)演講等方面，使人們有一種身臨其境的感覺。

3)信息領(lǐng)域

利用CD-ROM大容量的存儲(chǔ)空間，與多媒體聲像功能結(jié)合，可提供大量的多媒體信息產(chǎn)品，如百科全書、地圖系統(tǒng)、旅游指南等電子工具和各種電子出版物，又如Internet上多媒體網(wǎng)頁(yè)、多媒體電子郵件、可視電話、多媒體遠(yuǎn)程會(huì)議、電子商務(wù)等都離不開多媒體技術(shù)。

4)娛樂與服務(wù)

多媒體技術(shù)用于計(jì)算機(jī)后，使聲音、圖像、文字融于一體，用計(jì)算機(jī)既能聽音樂，又能看影視節(jié)目，使家庭文化生活進(jìn)入一個(gè)更加美妙的境地。多媒體計(jì)算機(jī)還可以為家庭提供全方位的服務(wù)，如家庭教師、家庭醫(yī)療、家庭商場(chǎng)等。0.4.2多媒體計(jì)算機(jī)

所謂多媒體計(jì)算機(jī)是指能綜合處理多媒體信息，將文字、圖形、圖像、音頻、視頻、動(dòng)畫多種信息建立聯(lián)系，并具有交互性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在一臺(tái)普通計(jì)算機(jī)上添加一些多媒體卡件，如光驅(qū)、聲卡、視頻卡等就可以組成一臺(tái)多媒體計(jì)算機(jī)。多媒體計(jì)算機(jī)由多媒體計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和多媒體計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)組成。

1.多媒體計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)

多媒體計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)主要包括以下幾部分。

1)多媒體主機(jī)

多媒體主機(jī)可以是大、中型機(jī)，也可以是工作站，然而目前更為普遍的是PC機(jī)。工作站與PC機(jī)相比，它的CPU性能較高，存儲(chǔ)容量較大，因此具有很強(qiáng)的多媒體處理功能，可實(shí)現(xiàn)圖形、圖像實(shí)時(shí)處理，顯示分辨率高，速度快。

2)多媒體接口卡

多媒體接口卡根據(jù)多媒體系統(tǒng)獲取、編輯音頻或視頻的需要插接在計(jì)算機(jī)上，以解決各種媒體數(shù)據(jù)的輸入/輸出問題。多媒體接口卡是建立、制作和播放多媒體應(yīng)用程序必不可少的硬件設(shè)施。常用的接口卡有聲卡、視頻壓縮卡、視頻捕獲卡、視頻播放卡、圖像掃描儀接口卡、打印機(jī)接口卡等。

3)外部存儲(chǔ)設(shè)備

常規(guī)外部存儲(chǔ)設(shè)備有硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器、磁帶驅(qū)動(dòng)器等。

4)輸入設(shè)備

常規(guī)輸入設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)、操縱桿、觸摸屏等。

音頻/視頻輸入設(shè)備有話筒、錄像機(jī)、攝像機(jī)、掃描儀、激光視盤、光盤等。

5)輸出設(shè)備

常規(guī)輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、內(nèi)置揚(yáng)聲器等。

音頻/視頻輸出設(shè)備有耳機(jī)、音響設(shè)備、錄像機(jī)、電視機(jī)、可讀/寫光盤等。

在一個(gè)具體的多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件配置中，不一定都包括上述全部配置，但至少要在常規(guī)的微型機(jī)上再加配音頻適配卡和CD-ROM驅(qū)動(dòng)器。

圖0-4多媒體計(jì)算機(jī)理想的硬件配置圖

2.多媒體計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)

多媒體計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)是以操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。除此之外，還有多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、多媒體壓縮/解壓縮軟件、多媒體聲像同步軟件、多媒體通信軟件等。特別要指出的是，多媒體系統(tǒng)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域需要有不同的開發(fā)工具，而多媒體開發(fā)和創(chuàng)作工具為多媒體系統(tǒng)提供了方便、直觀的創(chuàng)作途徑。一些多媒體開發(fā)軟件包提供了圖形、聲音、圖像、動(dòng)畫以及各種媒體文件的轉(zhuǎn)換與編輯手段。

圖0-5多媒體系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)多媒體系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖0-5所示。它是一個(gè)層次結(jié)構(gòu)，可分為六層。

最底層是直接和多媒體底層硬件打交道的驅(qū)動(dòng)程序，在系統(tǒng)初始化引導(dǎo)程序作用下把它安裝到系統(tǒng)內(nèi)存中。

第二層是多媒體計(jì)算機(jī)的核心部件，即視頻/

音頻信息處理核心部件。它要完成的任務(wù)是：支持隨機(jī)移動(dòng)或掃描窗口下的運(yùn)動(dòng)及靜止圖像的處理和顯示，為相關(guān)的音頻和視頻數(shù)據(jù)流的同步問題提供需要的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度等。

第三層是多媒體操作系統(tǒng)，除一般的操作系統(tǒng)功能外，它還為多媒體信息處理提供媒體控制接口。例如Windows操作系統(tǒng)提供的媒體控制接口。第四層是多媒體素材制作軟件，它為多媒體開發(fā)環(huán)境(開發(fā)工具/創(chuàng)作語言)準(zhǔn)備素材。如圖像處理軟件Photoshop、三維動(dòng)畫制作軟件3DStudio等。

第五層是開發(fā)工具/創(chuàng)作語言。為了方便開發(fā)者和用戶編制應(yīng)用程序，不少?gòu)S商為多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)編制了工具軟件。如Authorware、北大方正的奧思多媒體寫作工具等。

第六層是多媒體應(yīng)用程序。包括一些系統(tǒng)提供的應(yīng)用程序，如Windows系統(tǒng)中的錄音機(jī)、媒體播放器和用戶開發(fā)的多媒體應(yīng)用程序等。

0.5.1計(jì)算機(jī)與信息化

人們所說的“計(jì)算機(jī)(computer)”并不僅僅是一臺(tái)代替人工完成復(fù)雜計(jì)算的機(jī)器，確切地講應(yīng)該是“信息處理機(jī)”，它將人們聽到的事實(shí)和看到的影像等進(jìn)入大腦的原始資料經(jīng)過處理后變成有用的信息(information)。信息同物質(zhì)和能源一樣，是人類社會(huì)賴以生存與發(fā)展的重要資源。0.5信息的表示及編碼

1.信息無處不在

1746年，英國(guó)工程師沃森(Watson)在兩英里長(zhǎng)的電線上傳遞了電信號(hào)，1832年S.F.B.莫爾斯發(fā)明了電報(bào)，1876年亞力山大·G·貝爾(GrahamBell)發(fā)明了通過電線傳遞聲音的電話裝置并獲得了專利，這些活動(dòng)意味著人們開始了對(duì)通信技術(shù)的一系列研究工作。1915年電傳打字機(jī)問世，電報(bào)員用它發(fā)送氣象公報(bào)給國(guó)家氣象服務(wù)臺(tái)。1924年尼奎斯特(Nyquist)發(fā)表了題為《影響電報(bào)速率因素的確定》的文章，1928年哈特萊(HartlayL.V.R)又發(fā)表了題為《信息傳輸》的文章，在這兩篇文章里給出了信息度量的方法，研究了通信系統(tǒng)傳輸信息的能力。1948年，美國(guó)工程師香農(nóng)(E.Shannon)發(fā)表了著名的《通信的數(shù)學(xué)理論》一文，給出了信息度量的數(shù)學(xué)公式，討論了信息源和信道的特性以及信息度量和信道容量與噪聲的關(guān)系，香農(nóng)也因此成為信息理論的奠基人。

信息就像空氣一樣，雖然摸不到，但卻不停地在我們身邊流動(dòng)，為人類服務(wù)。人們需要信息，研究信息，一時(shí)一刻也離不開信息。人類通過信息認(rèn)識(shí)各種事物，借助信息的交流來溝通人與人之間的聯(lián)系。著名的信息學(xué)家RafaelCapurro曾在他的著作中給出了一個(gè)關(guān)于信息的定義，他認(rèn)為信息并不僅僅是交流的過程，也不是從一個(gè)主體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)主體的物質(zhì)，信息是一種狀態(tài)，人類的生產(chǎn)和生活以及其它一切活動(dòng)都是在這種狀態(tài)中進(jìn)行的。的確如此，任何一個(gè)物種的存在，都依托于一個(gè)流通的信息環(huán)境，而當(dāng)人類這個(gè)生靈在地球上出現(xiàn)的時(shí)候，信息就注定要以比其它物種更高的智能形態(tài)伴隨著人類在艱難惡劣的自然環(huán)境中，從茹毛飲血的日子里一點(diǎn)一點(diǎn)走到今天。對(duì)信息的把握，成為人們認(rèn)識(shí)世界和改造世界的有利工具。語言的產(chǎn)生，文字的出現(xiàn)，各種各樣信息載體和媒介的不斷拓展，使人們生活的信息狀態(tài)越來越豐富和充盈?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)把想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的令人激動(dòng)的時(shí)刻。人們驚異地發(fā)現(xiàn)，無處不在的信息不僅是我們離不開的生存環(huán)境，同時(shí)也是一種具有深厚挖掘潛力的資源。于是，對(duì)信息資源的開發(fā)和利用，就成了人們提升生活質(zhì)量和工作效率的重要手段，在這個(gè)基礎(chǔ)上，人們的想象力被牽引到了一個(gè)無窮無盡的空間。

人類在古代就有了各種傳載信息的手段，如烽火臺(tái)、指南針、語言、文字、紙張、印刷術(shù)、風(fēng)標(biāo)、號(hào)角、郵傳驛站、瞭望塔樓等。到了近代，又有了各種信息技術(shù)的產(chǎn)物，如望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、算盤、手搖機(jī)械計(jì)算器等?，F(xiàn)代信息技術(shù)的產(chǎn)品就更多了，如計(jì)算機(jī)、人造衛(wèi)星、機(jī)器人、無人駕駛系統(tǒng)等等。信息的傳遞有兩種方式：通信和廣播。通信包括交換、傳輸；廣播包括發(fā)射、接收。信息的內(nèi)容包括聲音、數(shù)據(jù)、圖像等。信息傳遞方式包括點(diǎn)到點(diǎn)(專線)、一點(diǎn)到多點(diǎn)(組播)、點(diǎn)到面(廣播)和可選擇的點(diǎn)到點(diǎn)(交換)等。交換包括電路交換和分組交換(包交換)，這兩種交換方式還會(huì)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間并存。傳輸包括有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸主要是金屬線和光纖系統(tǒng)；無線傳輸可按照波長(zhǎng)來分，如長(zhǎng)、中、短波和微波等，也可按照方式來分，如地面、衛(wèi)星等。

信息的應(yīng)用非常廣闊。認(rèn)知、科學(xué)探索、知識(shí)傳播、生產(chǎn)流程的控制和管理(宏觀管理、微觀管理)、娛樂(與聲像設(shè)備結(jié)合)以及人與人之間的交流等，發(fā)展都很迅速。

2.信息的主要特征

1)不滅性

物質(zhì)是不滅的，能量也是不滅的，其形式可以轉(zhuǎn)化。信息不像物質(zhì)和能量，它不能單獨(dú)存在，必須借助某種符號(hào)才能表現(xiàn)出來，必須寄載于某種物體之上，即信息必須依附于載體。信息是事物運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和方式而不是事物本身。信息的不滅性是指一條信息產(chǎn)生后，其符號(hào)和物質(zhì)載體可以變換，甚至載體可以被毀掉，如一本書、一張光盤，但信息本身并不會(huì)被消滅。

2)可傳遞性和共享性

信息在空間上的傳遞稱為通信行業(yè)。在通信行業(yè)，通常我們把信息的通路稱為信道，如電話、微波、衛(wèi)星等；把信息的發(fā)布者稱為信源；把信息的接收者稱為信宿。同一信源可供給多個(gè)信宿，而信源自身的信息可秋毫無損，這就是信息的共享性。信息在時(shí)間上的傳遞稱為信息存儲(chǔ)。利用存儲(chǔ)介質(zhì)(如紙張、磁帶、磁盤、光盤等)，可將用文字、聲音和圖像等符號(hào)表示的信息記錄下來，使其永久為人類服務(wù)。信息的創(chuàng)造可能需要很大的投入，但復(fù)制只需要載體的成本，因此可以大量復(fù)制，廣泛傳播。當(dāng)然，無論是信息共享還是信息傳播，都不能侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這是信息社會(huì)必須遵守的信息道德。

3)可處理性

可以通過壓縮、存儲(chǔ)、排序、轉(zhuǎn)換形態(tài)等方法對(duì)信息進(jìn)行加工處理。經(jīng)過綜合、分析等處理，原有的信息可以實(shí)現(xiàn)增值，能夠更有效地服務(wù)于不同的人群或不同的領(lǐng)域。信息并不神秘，不斷獲取信息，不斷提高信息識(shí)別和加工處理能力，自覺抵制污染社會(huì)環(huán)境的有害信息，這些都是信息時(shí)代應(yīng)該倡導(dǎo)的信息意識(shí)。

3.信息處理與信息技術(shù)

計(jì)算機(jī)可接受和處理的信息也稱為“數(shù)據(jù)”。信息的壓縮、存儲(chǔ)、排序、轉(zhuǎn)換等加工處理要用計(jì)算機(jī)來完成。處理信息的計(jì)算機(jī)有兩大類。一類是單板機(jī)，即嵌入式設(shè)備。大量的嵌入式設(shè)備正應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。一輛新式汽車中的嵌入式計(jì)算機(jī)不少于10種；導(dǎo)彈中使用了相當(dāng)多的嵌入式計(jì)算機(jī)，其中有控制導(dǎo)彈初始狀態(tài)的，有控制導(dǎo)彈中間飛行的，也有控制導(dǎo)彈臨近目標(biāo)的等等。另一類計(jì)算機(jī)是獨(dú)立主機(jī)，如巨型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微機(jī)等。隨著生產(chǎn)力的日益發(fā)展和計(jì)算工具的不斷更新，人們對(duì)計(jì)算速度和精度越來越高的要求極大地促進(jìn)了現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)是人類計(jì)算史上一次具有深遠(yuǎn)意義的革命。

人類計(jì)算史上最大的變化莫過于計(jì)算機(jī)從“數(shù)字計(jì)算”到“信息處理”的轉(zhuǎn)變。信息壓縮與全數(shù)字化又帶來了豐富多彩的多媒體技術(shù)；而以多媒體技術(shù)為基礎(chǔ)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也正向我們走來。技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展為我們帶來了越來越多的變化：3S(GIS、GPS、RS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電子地圖系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感定位跟蹤監(jiān)控系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷系統(tǒng)；無線接入技術(shù)(藍(lán)牙技術(shù)、WAP)實(shí)現(xiàn)的手機(jī)上網(wǎng)、無線局域網(wǎng)(WLAN)；電腦卡已由早期的光電卡、條碼卡、磁卡發(fā)展到今天的IC卡、射頻卡，而卡式管理也在社會(huì)生活中得到了廣泛應(yīng)用；美國(guó)五角大樓(DoD)一直就是IBM的第一大用戶，現(xiàn)代軍事與信息技術(shù)已密不可分；1998年美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)柼岢隽恕皵?shù)字地球”的概念，接著數(shù)字化智能小區(qū)、數(shù)字化圖書館便雨后春筍般地不斷涌現(xiàn)；2001年1月1日，魏同悟教授在北京開辦了中國(guó)首家知識(shí)銀行。人在變，環(huán)境在變，世界在變，地球?qū)⒆兊酶褚粋€(gè)村落。信息技術(shù)包括信息的采集、傳遞、處理等技術(shù)?，F(xiàn)代信息技術(shù)包括四大類：①電子信息技術(shù)：電子感測(cè)技術(shù)、電子通信技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子控制技術(shù)；②量子信息技術(shù)：量子計(jì)算機(jī)；③激光信息技術(shù)：激光遙感、光導(dǎo)纖維通信、激光全息存儲(chǔ)、激光控制技術(shù)、激光計(jì)算機(jī)；④生物信息技術(shù)：生物開關(guān)器件、生物存儲(chǔ)器件、生物邏輯器件、生物計(jì)算機(jī)等等。0.5.2信息存儲(chǔ)單位

計(jì)算機(jī)中常用的信息存儲(chǔ)單位有位、字節(jié)和字。

1.位(bit)

計(jì)算機(jī)中最小的數(shù)據(jù)單位是二進(jìn)制的一個(gè)數(shù)位，每個(gè)0或1就是一個(gè)位。它也是存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的最小單位，通常用“b”來表示，中文叫做比特。

2.字節(jié)(Byte)

字節(jié)是計(jì)算機(jī)中表示存儲(chǔ)容量的基本單位。一個(gè)字節(jié)由8位二進(jìn)制數(shù)組成，通常用“B”表示。一個(gè)字符占一個(gè)字節(jié)，一個(gè)漢字占兩個(gè)字節(jié)。

存儲(chǔ)容量的計(jì)量單位有字節(jié)B、千字節(jié)KB、兆字節(jié)MB以及10億字節(jié)GB等。它們之間的換算關(guān)系如下：

1B

=

8bit

1KB

=

1024B

1MB

=

1024KB

1GB

=

1024MB

因?yàn)橛?jì)算機(jī)用的是二進(jìn)制，所以轉(zhuǎn)換單位是2的10次方。

3.字(Word)

字是指在計(jì)算機(jī)中作為一個(gè)整體被存取、傳送、處理的一組二進(jìn)制數(shù)。一個(gè)字由若干個(gè)字節(jié)組成，每個(gè)字中所含的位數(shù)是由CPU的類型所決定的，如64位微機(jī)的一個(gè)字是指64位二進(jìn)制數(shù)。運(yùn)算器是以字節(jié)為單位進(jìn)行運(yùn)算的，而控制器是以字為單位進(jìn)行接收和傳遞的。

0.5.3數(shù)制及數(shù)制轉(zhuǎn)換

1.進(jìn)位計(jì)數(shù)制

按進(jìn)位的方法進(jìn)行計(jì)數(shù)，稱為進(jìn)位計(jì)數(shù)制。

人們?nèi)粘Ａ?xí)慣使用十進(jìn)制數(shù)，實(shí)際上也經(jīng)常使用其它進(jìn)制數(shù)。如60秒為1分，60分為1小時(shí)；兩只鞋為一雙；中國(guó)舊制秤16兩為１斤等。

計(jì)算機(jī)中應(yīng)用的邏輯電子器件具有通、斷兩種穩(wěn)定狀態(tài)，與二進(jìn)制數(shù)的1、0對(duì)應(yīng)。因而在計(jì)算機(jī)中利用一系列的1、0來表示數(shù)字、圖形、符號(hào)、語音等信息，這種二進(jìn)制組合稱為二進(jìn)制編碼。

2.基數(shù)與位權(quán)

在一種數(shù)制中，只能使用一組固定的數(shù)字符號(hào)來表示數(shù)目的大小，而具體使用的數(shù)字符號(hào)的數(shù)目，就稱為該數(shù)制的基數(shù)。

在數(shù)制中還有一個(gè)規(guī)則，就是N進(jìn)制必須是逢N進(jìn)一。例如，十進(jìn)制數(shù)是由0～9十個(gè)數(shù)字符號(hào)組成的，基數(shù)為10，逢十進(jìn)一；二進(jìn)制數(shù)是由0、1兩個(gè)數(shù)字符號(hào)組成的，基數(shù)為2，逢二進(jìn)一。

對(duì)于多位數(shù)，處在某一位上的“1”所表示的數(shù)值的大小，稱為該位的位權(quán)。例如，十進(jìn)制第2位的位權(quán)為10，第3位的位權(quán)為100；而二進(jìn)制第2位的位權(quán)為2，第3位的位權(quán)為4；對(duì)于N進(jìn)制數(shù)，整數(shù)部分第i位的位權(quán)為Ni-1，而小數(shù)部分第j位的位權(quán)為N-j。位權(quán)與基數(shù)的關(guān)系是，各進(jìn)位制中位權(quán)的值恰好是基數(shù)的若干次冪。因此，任何一種數(shù)制表示的數(shù)都可以寫成按位權(quán)展開的多項(xiàng)式之和。例如：

(1101)10

=

1×103

+

1×102

+

0×101

+

1×100

(1101)2

=

1×23

+

1×22

+

0×21

+

1×20

=

(13)10

3.計(jì)算機(jī)中常用的數(shù)制

1)十進(jìn)制(Decimal)

十進(jìn)制的基數(shù)是10，它有10個(gè)數(shù)字符號(hào)，即0、l、2、3、4、5、6、7、8、9，其中最大數(shù)碼是基數(shù)減1，即9，最小數(shù)碼是0。

2)二進(jìn)制(Binary)

二進(jìn)制的基數(shù)是2，它只有兩個(gè)數(shù)字符號(hào)，即0和1。這就是說，如果在給定的數(shù)中，除0和1外還有其它數(shù)，例如1012，它就決不會(huì)是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。

3)八進(jìn)制(Octal)

八進(jìn)制的基數(shù)是8，它有8個(gè)數(shù)字符號(hào)，即0、l、2、3、4、5、6、7，其中最大的數(shù)碼也是基數(shù)減1，即7，最小的數(shù)碼是0。

4)十六進(jìn)制(Hexadecimal)

十六進(jìn)制的基