三级pc技术要点.docx
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三级pc技术要点.docx
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三级pc技术要点
1.计算机的发展历程
多年来,人们习惯于以计算机主机所使用的主要元器件为着眼点,把计算机的发展划分成为四代:
第一代(约1946~1957年)是电子管计算机的时代。
其特征是采用电子管作为运算和逻辑元件,数据表示主要是定点数,用机器语言和汇编语言编写程序,主要用于科学和工程计算。
第二代(约1958~1964年)是晶体管计算机的时代。
其特征是用晶体管代替电子管作为运算和逻辑元件,软件方面出现了FORTRAN、ALGOL和COBOL等高级程序设计语言,除了科学计算之外,计算机被广泛应用于数据处理领域,同时还开始用于过程控制。
第三代(约1965~1970年)是中、小规模集成电路计算机时代。
其特征是用集成电路代替了分立元件,用半导体存储器取代了磁心存储器,软件方面,操作系统日益成熟,多道程序、并行处理、多处理机、虚拟存储系统以及面向用户的应用软件的发展,大大提高了计算机的性能。
这一时期计算机在科学计算、数据处理、过程控制等领域都得到了更加广泛的应用。
第四代(约1971年开始)是大规模集成电路和超大规模集成电路计算机时代。
其特征是以大规模集成电路LSI(LargeScaleIntegration)和超大规模集成电路VLSI(VeryLargeScaleInteˉgration)作为计算机的主要功能部件;软件方面发展了数据库系统、分布式操作系统、网络软件等;特别是80年代个人计算机的出现,以及90年代计算机网络的迅猛发展,使计算机应用领域进一步向纵深发展。
学术界和工业界已不再沿用“第X代计算机”的说法。
人们正在研究开发的新一代计算机系统,主要着眼于机器的智能化,它以知识处理为基础,具有智能接口,它可以模拟或部分替代人的智能活动,并具有自然的人机通信能力。
2.计算机的发展趋势
(1)计算机的处理速度不断提高
(2)计算机体积不断缩小
(3)计算机的价格将持续下降
(4)计算机的信息处理功能走向多媒体化
(5)计算机与通信相结合,计算机应用进入“网络计算时代”
网络计算的应用模式对计算机、网络、乃至整个信息社会,将产生巨大的深远的影响。
3.计算机的应用
按照传统的说法,计算机的应用可以归纳为下述几个主要方面:
(1)科学计算
(2)数据处理
(3)自动控制
(4)计算机辅助设计与辅助制造(CAD/CAM)
(5)智能模拟
近几年来,随着计算机性能/价格比的迅速提高,光纤通信技术的飞速发展,计算机网络的逐步成熟,数据库应用的不断普及,许多发达国家竞相建设各种形式的信息基础设施,有效地开发利用信息资源,加快推进社会的信息化进程。
我国是发展中国家,工业化、信息化水平还不高,我们要面对挑战,不失时机地推进信息化进程,用信息化促进现代化,提高综合国力,参与世界竞争。
(二)计算机的组成与分类
1.计算机的组成
计算机硬件指有形的物理设备,是计算机系统中所有实际物理装置的总称,可以是电子的、电磁的、机电的或光学的元件/装置或者由它们所组成的计算机部件。
例如,计算机的处理器芯片、存储器芯片、底板(母板)、各类扩充板卡、机箱、键盘、鼠标器、显示器、打印机、软盘、硬盘等都是计算机的硬件。
计算机软件指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档,其中程序是让计算机硬件完成特定功能的指令序列,数据是程序处理的对象。
软件是计算机系统中不可缺少的组成部分。
(1)中央处理器(CPU)
处理器主要由运算器和控制器两部分组成。
运算器用来对数据进行各种
算术运算和逻辑运算,它也称为执行单元。
控制器是指挥中心,它能解释指令的含义,控制运算器及其他部件的工作,记录内部状态等。
另外,为了暂存运算的中间结果,处理器中还包含几十个甚至上百个“寄存器”,用来临时存放正在处理的数据。
大规模集成电路的出现,使得处理器的所有组成部分都能集成在一块半导体芯片上,这样的处理器称为“微处理器”。
例如Intel公司的Pentium(奔腾)处理器。
一台计算机中可能包含多个微处理器,它们各有不同的任务。
其中承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为中央处理器(CentralProcessingUnit,CPU),它是任何一台计算机必备的核心部件。
常用的PC机,其CPU仅由一个处理器组成,为了提高计算机的速度,CPU也可以由2个、4个、8个甚至几百个、几千个处理器组成,这种具有多个处理器同时执行程序的计算机系统称为多处理器系统。
依靠多个处理器并行地运行程序是实现超高速计算的一个重要方向,称为“并行处理”。
(2)主存储器和辅助存储器
计算机中的存储器分为两大类:
主存储器(简称主存)和辅助存储器(简称辅存)。
主存是存取速度快而容量相对较小(因容量太大,成本将十分昂贵)的一类存储器,辅存则是存取速度较慢但容量很大的一类存储器。
主存储器也称为内存储器(简称内存),它直接与CPU相连接,是计算机中的工作存储器,当前正在运行的程序与数据都必须存放在主存内。
CPU工作时,所执行的指令及操作数都是从主存中取出的,处理的结果也存放在主存中。
辅助存储器也称为外存储器(简称外存),其存储容量很大,存放着计算机系统中几乎所有的信息。
计算机执行程序和加工处理数据时,辅存中的信息需要先传送入主存后才能被CPU使用。
(3)输入/输出设备
输入/输出设备简称I/O(Input/Output)设备,这些设备是计算机与外界(人或其他设备,包括另一台计算机)联系和沟通的桥梁,用户通过输入/输出设备与计算机系统互相通信。
输入是把信息送入计算机的过程。
输入设备是指用户能向计算机输入信息的设备。
输出是从计算机送出信息的过程。
输出设备一般是指能从计算机中输出可直接识别的信息的设备。
由于有机械传动或物理移位等动作过程,相对而言,输入/输出设备是计算机系统中运转速度最慢的部件。
(4)总线
这是所说的总线指的是“系统总线”(也称为“底板总线”),它是CPU、存储器与各类I/O设备控制器之间相互交换信息的一组公用的信号线。
系统总线上有3类信号:
数据信号、地址信号和控制信号,负责传输这些信号的线路分别称为数据线、地址线和控制线,协调与管理计算机各部件通过总线传输信息还需要一个总线控制器。
2.计算机的分类
计算机的分类有两种。
一种是按其内部逻辑结构进行分类,如单处理机与多处理机(并行机)、16位机、32位机或64位计算机等。
另一种是按计算机的性能和作用进行分类。
1989年11月IEEE提出一个分类报告,它根据计算机在信息处理系统中的地位与作用,考虑到计算机分类的演变过程和可能的发展趋执,把计算机分成6大类。
(1)巨型计算机(Supercomputer)
(2)小巨型机(MiniSupercomputer)
(3)主机(Mainframe)
(4)超级小型计算机(SuperMinicomputer)
(5)工作站(Workstation)
(6)个人计算机(PersonalComputer)
由于计算机联网使用日益广泛,许多计算机应用系统设计成为基于计算机网络的客户机/服务器模式(Client/Server)。
在这种系统中,巨型机、小巨型机、主机均可作为系统的服务器使用,超级小型机及高档工作站则可用作部门级服务器,个人计算机和低档工作站则用作客户机,它们直接面向用户,通过联网共享后台服务器的数据资源和计算机资源。
鉴于客户机/服务器系统的盛行,一些计算机厂家专门设计生产了称为“服务器”的一类计算机产品,它们的存储容量大、网络通信能力强、可靠性好,运行网络操作系统,性能/价格比高。
其中有一类是由高档PC机提升而成的,称为PC服务器,很适合中小部门的计算机应用系统使用。
3.微处理器和PC机
微处理器(Microprocessor)简称μP或MP,通常是指以单片大规模集成电路制成的具有运算和控制功能的处理器。
如果把处理器、存储器、输入/输出接口电路等都集成在单块芯片上,则称之为单片计算机,也叫单片机,它们多半应用于嵌入方式的场合(如智能仪表、智能玩具)。
1992年Intel公司研制成Pentium微处理器是PC机世界中最重要的事件。
Pentium微处理器与80486完全兼容,它采用0.8μm的BiCMOS工艺,在一个芯片上集成了310万个晶体管,封装在273个引脚的PGA包装内。
Pentium微处理器的地址总线为36位,同时也支持64位物理地址空间,数据总线64位,内部有两个定点流水线和一个浮点流水线运算器,采用两个相互独立的可以同时访问的指令和数据超高速缓存,时钟频率可以是120MHz、133MHz、150MHz、166MHz、200MHz,运算速度已超过100MIPS。
近10年来,微处理器和PC机又有了新的发展,例如Intel公司先后推出了PentiumMMX(多能奔腾)、PentiumPro(高能奔腾)和PentiumII、PentiumIII、PentiumIV微处理器,以这些芯片为CPU的PC机,时钟频率更高,处理速度更快,不但能高速处理数值和字符信息,而且更加适合于三维图形显示、语言识别及视频信号压缩等多媒体信息处理方面的应用,使PC机的性能又提高到了一个新的水准。
4.PC机的性能参数
测量一台PC机的性能是极为复杂的任务,它与PC机的硬件、软件及处理对象都有密切的关系。
从硬件的角度来说,PC机的主要性能参数包括:
(1)CPU字长
(2)CPU速度
(3)主存容量与速度
(4)Cache存储器性能
(5)硬盘存储器性能
(6)系统总线的传输速率
(7)系统的可靠性
(三)PC机软件
1.软件的功能与分类
PC机软件与一般计算机软件没有本质的区别,它的功能主要有4个方面:
(1)对计算机硬件资源进行控制与管理,提高计算机资源的使用效率,协调计算机各组成部分的工作(操作系统)。
(2)向用户提供尽可能方便、灵活的计算机操作使用界面(操作系统)。
(3)为专业人员提供开发计算机应用软件的工具和环境(软件工具与环境)。
(4)为用户完成特定应用的信息处理任务(应用软件)。
软件的分类有多种。
粗略地分,可以把软件区分为两个大类:
系统软件与应用软件。
2.系统软件
系统软件中最重要的是操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、实用程序与工具软件等。
3.通用应用软件
流行的通用应用软件大致可分为:
文、表、图、网、统计等几大类。
下表列出了有代表性的通用应用软件,有代表性的通用应用软件分类名称
文字处理WPS,Word,Wordperfect,Amipro,PageMaker电子表格Excel,Lotus123,…
绘图软件Paintbrush,AutoCAD,Photoshop,CorelDraw,…网络通信OutlookExpress,InternetExplorer,FTP,…简报软件PowerPoint,ShowPartner,…统计软件SPSS,SAS,BMDP,…
三、字符和文本的表示
(一)西文字符的编码
西文是由拉丁字母、数字、标点符号及一些特殊符号所组成的,它们统称为“字符”(Characˉter)。
所有字符的集合叫做“字符集”。
字符集中每一个字符各有一个代码(即字符的二进制表示),它们互相区别,构成了该字符集的代码表,简称码表。
目前计算机中使用得最广泛的西文字符集及其编码是ASCII码,即美国标准信息交换码(AmericanStandardCodeforInformationInterchange)。
它已被国际标准化组织(ISO)批准为国际标准,称为ISO-646标准,它适用于所有拉丁文字字母,已在全世界通用。
我国相应的国家标准是GB1988(称为《信息处理交换用的七位编码字符集》标准)。
(二)汉字的编码
1.GB2312-80汉字编码
1981年我国颁布了《信息交换用汉字编码字符集·基本集》(GB2312-80)。
该标准选出6763个常用汉字和682个非汉字字符,为每个字符规定了标准代码,以供这7445个字符在不同计算机系统之间进行信息交换使用。
这个标准所收集的字符及其编码称为国际码,又叫做国际交换码。
2.BIG5汉字编码
BIG5汉字编码是我国台湾地区计算机系统中使用的汉字编码字符。
它包含了420个图形符号和13070个汉字(不使用简化汉字)。
3.汉字的输入/输出
(1)汉字的输入
汉字输入编码方法大体分成4类。
①数字编码,这是一类用一串数字来表示汉字的编码方法,例如电报码、区位码等,它们难以记忆,不易推广。
②字音编码,这是一种基于汉语拼音的编码方法,简单易学,适合于非专业人员。
缺点是同音字引起的重码多,需增加选择操作。
③字形编码,这是将汉字的字形分解归类而给出的编码方法,重码少、输入速度快,但编码规则不易掌握,五笔字形法和表形码就是这类编码。
④形音编码,它吸取了字音编码和字形编码的优点,使编码规则简化、重码减少,但掌握起来也不容易。
汉字输入编码与汉字内码、汉字交换码完全是不同范畴的概念,不能把它们混淆起来。
(2)汉字的输出
每一个汉字的字形都必须预先存放在计算机内,一套汉字(例如GB2312国标汉字字符集)的所有字符的形状描述信息集合在一起称为字形信息库,简称字库(font)。
不同的字体(如宋体、仿宋、楷体、黑体等)对应着不同的字库。
在输出每一个汉字的时假,计算机都要先到字库中去找到它的字形描述信息,然后把字形信息送去输出。
在计算机内汉字的字形主要有两种描述的方法:
点阵字形和轮廓字形。
Windows中使用的TrueType字库采用的就是典型的轮廓字形表示方法。
点阵字形和轮廓字形这两种类型的字库目前都广泛使用。
(三)通用编码字符集(UCS)与Unicode
1.通用编码字符集(UCS)
ISO/IEC10646,即“通用编码字符集”(UniversalCodedCharacterSet,即UCS),及等同采用该国际标准的中国国家标准GB13000的设计目标,就是实现所有字符在同一字符集中等长编码、同等使用的真正多文种信息处理。
UCS规定了全世界现代书面语言文字所使用的所有字符的标准编码。
2.Unicode
通用编码字符集是一个由各种大小字符集组成的编码体系。
能容纳足够多的各种字符集,四字节的编码(UCS-4)可以安排13亿个字符。
但是,四字节的字符编码太浪费存储空间了,它也给处理和传输带来了很大不便。
因此,在UCS编码空间中把00组的00平面称为基本多文种平面(BasicMultilingualPlane,BMP),并规定,当组编码、平面编码均为00H时可以省略,因此安排在基本多文种平面上的字符只需要使用两个字节来表示,这就形成了一个双字节编码的字符集,它是UCS的子集,记做UCS-2,又称做Unicode(统一码,或联合码)。
3.中日韩统一汉字编码字符集(CJK编码)
UCS(Unicode)中的表意文字部分采用的是中日韩统一汉字编码(称为CJK编码)。
所谓汉字的统一编码是指,不论国家和地区,不论汉字的字义有无区别,只要字形相同,该汉字就只有一个代码。
4.GB18030-2000编码
GB18030-2000编码标准在原来的GB2312-1980编码标准和GBK编码标准的基础上进行了扩充,增加了四字节部分的编码。
它可以完全映射国际标准ISO10646(UCS)的基本平面和所有辅助平面,共有160多万个码位。
(四)文本
1.简单文本(纯文本)
最简单的文本除了可显示/打印的ASCII字符(汉字)及“回车”、“换行”、“制表”等用于格式控制的有限几个ASCII字符之外,几乎不包含任何其他信息。
这种文本常常称为纯文本或ASII文本,文件的后缀名是.txt。
2.丰富格式文本
为了使文本能以整齐、醒目、美观、大方的形式展现给用户阅读,人们需要对纯文本进行必要的加工,这个过程称为文本的格式化,或者称为排版。
经过上述处理后的文本一般称为“丰富格式文本”(RichTextFormat)。
由于属性标志和控制命令并不统一,因此不同的文本处理软件得到的丰富格式文本互不兼容。
为了便于不同的丰富格式文本能在不同的软件和系统中互相交换使用,特地提出了一种中间格式,称为RTF格式,所有在PC机上流行的文字处理软件,都可以输入和输出RTF文件,从而达到了文件交换的目的。
超文本(Hypertext)采用一种网状结构(非线性结构)来组织信息。
采用这种网状结构,各信息块很容易按照其内容的关系加以组织。
它由若干文本块(或其他信息)组成,这些文本块可以是计算机的一个文件或文件的一部分,它们称为“节点”。
每个节点都有若干指向其他节点或从其他节点指向该节点的指针,这些指针称为“链”。
每个链连接着两个节点,它是有向的,从一个节点(称之为源节点)指向另一个节点(称之为目的节点。
链的数量与节点的内容有关,有些节点与其他节点有许多关联,因此它就有许多链;有些节点没有启程链,只能作为目的节点。
节点中的数据不仅可以是文字,而且可以是图形、图像、声音、动画或动态视频,这就把超文本的节点推广到了多媒体的形式,这种基于多媒体信息节点的超文本,有时称为“超媒体”(Hyˉpermedia)。
四、声音信息的表示
(一)数字声音基础1.波形声音的数字化
声音是一种物理信号,计算机要对它进行处理,其前提是必须用二进制数字的编码形式来表示声音。
最常用的声音信号数字化方法是取样-量化法,它分成如下3个步骤:
(1)取样(Sampling)
(2)量化
(3)编码(Encoding)
2.PC机中的声音
PC机中的数字声音有两种不同的表示方法。
一种称为“波形声音”,通过对实际声音的波形信号进行数字化(取样和量化)而获得,它可表示任何种类的声音。
另一种是“合成声音”,它使用符号(参数)对声音进行描述,然后通过合成(Synthesize)的方法生成声音,合成语音(用声母、韵母或清音、浊音、基音频率等参数描述的语音)等。
PC机中使用最广泛的波形声音文件采用wav作为扩展名,称为波形文件格式(WaveFileˉFormat).wav文件格式能支持多种取样频率和样本精度,并支持压缩的声音数据。
(二)波形声音
1.数字语音的压缩编码
数字语音的数据压缩方法很多,从原理上可以分成3类:
(1)波形编码
(2)参数编码或模型编码
(3)混合编码
2.全频带声音的压缩编码
(1)MPEG-1Audio(ISO/IEC11172-3)
MPEG-1声音压缩编码是国际上第一个高保真声音数据压缩的国际标准,它规定了高质量数字声音的编码方法、存储表示和解码方法,得到了极其广泛的应用。
它虽然是MPEG-1标准的一个组成部分,但完全可以独立应用。
(2)MPEG-2Audio(ISO/IEC13818-3)
MPEG-2Audio与MPEG-1Audio标准都使用相同类型的编/解码器,层1、层2和层3的结构也相同。
(3)MPEG-2AAC(ISO/IEC13818-7)
MPEG-2AAC(AdvancedAudioCoding)是MPEG-2标准中一种新的先进的声音编码标准。
AAC支持的取样频率可从8kHz到96kHz,AAC编码器的输入可以是单声道的、立体声的和多声道的声音。
(4)MPEG-4Audio(ISO/IEC14496-3)
MPEG-4Audio的编码对象既可以是自然音频信号(波形声音),也可以是合成的音频信号。
(三)合成声音1.合成音乐与MIDI
MIDI(MusicalInstrumentDigitalInterface)是乐器数字接口的缩写,它起源于数字式电子乐器,因为各种产品必须使用统一接口才能进行连接,因些必须规定一种数字乐器相互间的接口标准,特别是数字乐器与计算机的接口标准,这就是MIDI。
2.合成语音
语音合成目前主要指从文本到语音的合成(Text-to-Speech,简称TTS),也称为文语转换。
五、图像、图形与视频信息的表示
(一)图像
1.图像的获取与表示
图像获取的过程实质上是信号扫描和数字化的过程,它的处理步骤大体可分3步:
(1)取样;
(2)分色;(3)量化。
2.图像的压缩编码
一幅图像的数据量可按下面的公式进行计算(以字节为单位):
图像数据量=图像宽度×图像高度×图像深度/8
图像压缩方法很多,不同方法有不同的适用场合和范围。
评价一种压缩编码方法的优劣主要有下列几点:
(1)压缩倍数
(2)重建图像的质量
(3)算法复杂度(成本)
(4)时间延迟
ISO和IEO两个国际机构联合组成了一个专家组(JointPhotographicExpertsGroup,简称JPEG),负责制定静止较像数据压缩编码的国际标准,称为JPEG标准(ISO/IEC10918)。
3.图像文件格式
(1)JPEG文件交换格式(JPEGFileInterchangeFormat)
经JPEG算法压缩后的图像数据,按一定的语法规则组织成JPEG文件交换格式,以便存储或传输,需要时再通过解码器重建原来的图像。
(2)BMP文件格式
BMP(Bitmap-File)图像文件是Windows操作系统采用的图像文件格式,在Windows环境下运行的所有图像处理软件几乎都支持BMP图像文件格式。
它是一种与设备无关的位图格式(Device-IndependentBitmap,DIB),目的是为了让Windows能够在任何类型的显示设备上输出所存储的图像。
BMP位图文件默认的文件扩展名是.bmp。
(3)GIF文件格式
GIF(GraphicsInterchangeFormat)是CompuServe公司开发的图像文件交换格式,它以数据块(Block)为单位来存储图像的相关信息。
一个GIF文件由表示图像的数据块、数据子块以及显示图像的控制信息块组成,称为GIF数据流(DataStream)。
数据流中的所有控制信息块和数据块都必须在文件头(Header)和文件结束块(Trailer)之间。
(4)TIFF文件格式
TIFF文件是一种极其灵活易变的格式,能支持多种压缩方法,如RLC编码、LZW编码、CCITT格式的数据等。
它定义了4类不同的文件格式:
TIFF-B适用于二值图像、TIFF-G适用于黑白灰度图像、TIFF-P适用于带调色板的彩色图像以及TIFF-R适用于RGB的彩色图像。
TIFF-文件由4部分组成:
文件头、文件目录、目录表项和点阵图像数据。
像GIF文件一样,TIFF文件也支持多个图像,即在一个文件中包括多个图像,也称为子文件(Subfile),图像文件目录的最后一项如果是0000,表示文件结束,否则就指向下一个文件。
(5)PNG格式
PNG(PortableNetworkGraphicFormat)是一种图像文件的存储格式,读成“ping”。
它是20世纪90年代中期由W3C开发的,目的是想替代GIF和TIFF文件格式。
(二)图形
1.计算机合成图像的绘制
在计算机内建立了景物的模型之后,从景物的模型生成用户可见的具有高度真实感的该景物的图像,此即所谓的图像
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