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1、第2章 多媒体计算机系统组成结构,2.1 多媒体计算机的环境组成,多媒体计算机技术是集电子技术、计算机技术、工程技术于一体，能够完成数据计算、信息以及图像、声音处理及控制的一项新技术。应用多媒体计算机可以表现一些在普通条件下无法完成或无法观察到的科学实验过程；可以利用人们丰富的想像力把抽象的思维与现实存在的画面有机地结合在一起；可以制作或完成一些能反映物质结构的三维动画；可以进行工业、商业等方面新产品的设计；还可以实现人与机器的对话,2.1.1 多媒体计算机系统,多媒体计算机系统是对基本计算机系统的软、硬件功能的扩展，作为一个完整的多媒体计算机系统，它应该包括5个层次的结构,图2.1 多媒体计
2、算机系统层次结构,第一层为多媒体计算机硬件系统。其主要任务是能够实时地综合处理文、图、声、像信息，实现全动态视像和立体声的处理，同时还需对多媒体信息进行实时的压缩与解压缩。,第二层是多媒体的软件系统。它主要包括多媒体操作系统、多媒体通信软件等部分。操作系统具有实时任务调度、多媒体数据转换和同步控制、多媒体设备的驱动和控制以及图形用户界面管理等功能。为支持计算机对文字、音频、视频等多媒体信息的处理，解决多媒体信息的时间同步问题，提供了多任务的环境。目前在微机上，操作系统主要是Windows视窗系统和用于苹果机（Apple）的MAC OS。多媒体通信软件主要支持网络环境下的多媒体信息的传输、交互与
3、控制。,第三层为多媒体应用程序接口（API）。这一层是为上一层提供软件接口，以便程序员在高层通过软件调用系统功能，并能在应用程序中控制多媒体硬件设备。为了能够让程序员方便地开发多媒体应用系统，Microsoft公司推出了DirectX设计程序，提供了让程序员直接使用操作系统的多媒体程序库的界面，使Windows变为一个集声音、视频、图形和游戏于一体的增强平台。,第四层为多媒体著作工具及软件。它是在多媒体操作系统的支持下，利用图形和图像编辑软件、视频处理软件、音频处理软件等来编辑与制作多媒体节目素材，并在多媒体著作工具软件中集成。多媒体著作工具的设计目标是缩短多媒体应用软件的制作开发周期，降低对
4、制作人员技术方面的要求。,第五层是多媒体应用系统。这一层直接面向用户，是为满足用户的各种需求服务的。应用系统要求有较强的多媒体交互功能，良好的人-机界面。,图2.2多媒体计算机硬件体系,2.1.2 多媒体计算机硬件体系,主要分为下述几类。 1）芯片类：音频视频芯片组、视频压缩还原芯片组、数模转化芯片、网络接口芯片。数字信号处理芯片（DSP）、图形图像控制芯片等。 2）板卡类：音频处理卡、文一语转换卡、视频采集播放卡、图形显示卡、图形加速卡。光盘接口卡、VGA/TV转换卡、小型计算机系统接口（SCSI）、光纤连接接口（FDDI）等。 3）外设类：扫描仪、数码相机、激光打印机、液晶显示器、光盘驱动
5、器、触摸屏、鼠标传感器、话筒喇叭、传真机等、头盔显示器、显示终端机、光盘盘片制作机、传感器、可视电话机。,2.1.3多媒体计算机技术规范,MPC工业标准始于 1990年 11月，是由美国 Microsoft公司和一些计算机技术公司组成的“多媒体个人计算机市场协会（Multimedia PC Marketing Council）”对个人计算机的多媒体技术进行规范化管理而制定的相应标准。该协会后来与全球数千家计算机厂商共同组建“多媒体个人计算机工作组（Multimedia PC Working Group）”，继续从事制定各种MPC标准的工作。,2.1.4多媒体计算机性能的发展,从整个硬件技术的发
6、展过程来看，第一步总是先有板级产品，通过系统总线与主机交换数据；第二步是设计专用芯片，移植到主板上；第三步是将CPU芯片外的功能集成到CPU芯片内，这个发展过程被描述为系统级(On System)、主板级(On Board)和芯片级(On Chip)的集成，这三种级别的系统集成度越来越高，速度也越来越快。因此，将多媒体功能集成到芯片中、设计到主板上是新一代多计算机系统的发展趋势。,2.1.5多媒体计算机主要部件介绍,1. CPU,CPU是中央处理单元的缩写，或称为微处理器(Microprocessor)。微型计算机的CPU是由一块大规模集成电路芯片组成。CPU作为计算机系统的核心，其内部结构可
7、以分为控制器、运算器和寄存储器3个部分。其中运算器主要完成各种算术运算(如加、减、乘、除)和逻辑运算(如逻辑加、逻辑乘和逻辑非运算)；而控制器不具有运算功能，它只是读取各种指令，并对指令进行分析，做相应的控制动作。通常，在CPU中还有若干个寄存器，它们可直接参与运算并存放运算的中间结果。实际上，处理器的作用和人的大脑相似，负责处理、运算计算机内部的所有数据，而主板上的芯片组则更像是心脏，它控制着数据的交换。,图2.3 Intel公司生产的 Core 2 Quad和Core 2 Duo微处理器,2主板 计算机在运行时，对系统内存、存储设备和其他IO设备的操作与控制都必须通过主板来完成，因此计算机
8、的整体运行速度和稳定性在相当程度上取决于主板的性能。 主板是微机系统中最大的一块电路板如图2.4所示，它的英文名字叫做“Main board”或“Mother board”。主板上布满了各种电子元件、芯片及芯片组、插槽、接口等。它为CPU、内存和各种功能(声、图、通信、网络、TV、SCSI等)卡提供安装插座(槽)；为各种磁或光存储设备、打印和扫描等IO设备以及数码相机、摄像头、Modem等多媒体和通信设备提供接口，实际上微机通过主板将CPU等各种器件和外部设备有机地结合起来，形成一套完整的系统。,图 2.4微机主板,3.总线结构 计算机系统中各部件的协同工作直接关系到系统的整体性能，而部件间的
9、联系是通过总线(BUS)来实现的。总线是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。总线结构的发展是与CPU的发展相联的，其目的是为了让数据传输率与CPU的速度相匹配。总线的性能以总线的时钟、带宽及相应的总线数据传输速率来衡量。,用于连接CPU、主存和IO控制器的总线称为外部设备总线或外部总线，简称为总线。常见的总线有工业标准体系接口(ISA)总线、外部设备互连(Peripheral Component Inter connect，PCI)总线、小型计算机系统接口(SCSI)总线等。目前，ISA总统已逐步被淘汰。SCSI总线原来用于小型计算机中，后来被微型
10、计算机采用，现主要用于服务器中。 PCI是现代计算机最重要的接口之一(如图2.5所示)。它不仅用于PC机，而且还用于许多数字设备上。PCI在CPU和外设之间提供了一条独立的数据通道，让每种设备都能直接与CPU取得联系，使图形、视频、音频、通信设备都能同时工作。,图2.5主板中的白色扩展槽是PCI EXPRESS和PCI插槽,4.计算机与外部设备的接口及标准 接口，顾名思义就是设备与计算机或其他设备连接的端口。它其实是一组电气联接和信号交换标准。在计算机行业中最早出现的接口标准是RS232，这个标准直到现在还在个人计算机上使用，那就是用来外接鼠标或调制解调器(Modem)的COM1、COM2接口
11、。除了传统的接口标准外，随着计算机技术的发展，现在又出现了许多新的接口标准，如 USB和 FireWire(火线)等。 USB(Universal Serial Bus)是一种通用串行总线接口(如图 2.7所示)，它最大的好处是可支持多达127个外设，并且可独立供电(可从主板上获得500mA的电流)，并且支持热拔插(开机状态下插拔)，真正做到即插即用。USB接口可同时支持高速和低速USB外设的访问。目前可以通过USB接口连接的设备有扫描仪、打印机、鼠标、键盘、外置硬盘、数码相机、音箱，甚至还有显示器，具有很好的通用性。USB 2.0标准传输速率更高达480 Mbs。,图2.6 25芯的计算机并
12、行传输接口常用来连接打印机或扫描仪,图2.7 USB接口用来连接U盘等外设,5.内存储器 ROM与RAM 计算机有两种基本的内存储器类型。第一种类型是只读存储器(Read Only Memory，ROM)，为了存储数据的持久性，ROM常用于存储电脑重要的信息。理论上认为，此种类型的内存是只能读取，而不允许擦写。第二种类型就是随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，RAM允许随机地读写内存中的数据(图2.8所示)，临时存储运行程序需要的数据，如果电脑断电，这些数据将全部丢失。,图2.8内存储器RAM,6.高速缓存 主板上外部SRAM的速度比DRAM快两三倍，因此常称为
13、外部高速缓存(Cache)。 Cache的出现主要是为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，因为CPU运算速度要比内存读写速度快很多(虽然两者速度都在不断提高)，这样会使CPU花费很长时间等待数据到来或把数据写入内存。好比有一个仓库(内存)，如果运输能力(CPU运算能力)很强，有很多货车，但是装卸能力(内存读写速度)很差，那可能很多车会空等很长时间，这样就极大地浪费了资源和时间。 由于Cache的读写速度要比系统内存快很多，于是人们将Cache用于CPU和RAM之间传送数据，系统工作时，将运行时要经常存取的一些数据从系统内存读取到Cache中，而CPU会首先到Cache中去读取数据(
14、或写入数据)，如果Cache中没有所需数据(或Cache已满，无法再写入)，则再对系统内存进行读写，另外Cache在空闲时也会与内存交换数据。这就好比在仓库与货车之间增加了一条高速的运输带，大大提高了整体的效能。Cache的容量越大，运算性能提高越明显，这在图形、图像处理时特别有用。,7.磁存储系统及其工作原理 磁盘存储原理 磁盘(存储器)是一个精密的机电结合体，它的主要功能是将主机送来的电脉冲信号转换成磁记录信号保留在涂有磁介质的盘片上，或者从盘片上将被保留的磁记录信号再转换成电脉冲信号送往主机。 完成这一功能的关键部件就是磁头。磁头的基本结构是在一个环形导磁体上绕上线圈，导磁体面向磁盘方向
15、开一个漏磁缝隙，当磁头线圈中通以交变信号电流时，导磁体内的磁通量也随着变化，这个交变的磁场从磁头缝隙中泄漏出去，使做匀速运动的磁盘表面上的磁介质感应磁化。磁化后在磁盘上的“磁化点”(磁元)就代表了所要记录的数据。,7.磁存储系统及其工作原理 磁盘存储原理 磁盘(存储器)是一个精密的机电结合体，它的主要功能是将主机送来的电脉冲信号转换成磁记录信号保留在涂有磁介质的盘片上，或者从盘片上将被保留的磁记录信号再转换成电脉冲信号送往主机。 完成这一功能的关键部件就是磁头。磁头的基本结构是在一个环形导磁体上绕上线圈，导磁体面向磁盘方向开一个漏磁缝隙，当磁头线圈中通以交变信号电流时，导磁体内的磁通量也随着变
16、化，这个交变的磁场从磁头缝隙中泄漏出去，使做匀速运动的磁盘表面上的磁介质感应磁化。磁化后在磁盘上的“磁化点”(磁元)就代表了所要记录的数据。,图2.9 HIFD软盘驱动器,硬盘存储系统 硬盘仍是MPC系统最重要的数据存储设备(图2.10所示)。硬盘的用途主要是存储数据或程序以及数据的交换与暂存。由于多媒体应用的特点，对硬盘的要求首先是容量要足够大，以便存储大的应用程序和多媒体数据；其次是数据传输率要足够高，以便快速地实现数据的存取与交换。,图2.10硬盘的内部结构图-由磁头和盘片组成,磁带存储 磁带由于经济、可靠，是备份存储的首选介质(图 2.11所示)。从1952年第一台13 mm(0.5英寸)磁带机在IBM公司问世以来，积累了大量的使用经验和可靠性数据。实践证明，磁带可保存30年。现在磁带技术已经得到大大的发展，一盒磁带存储容量可达70 GB(压缩后)，磁带库可扩展至几十TB的水平。磁带存储设备可以在无人操作下自动进行备份，甚至可以在工作状态下自动为数据库建立备份。,图2.11磁带存储设备,1.显示适配器 显示适配器简称“显
