计算机硬件技术基础第1章微型计算机系统概述1.1 微型微型计算机的算机的发展展历程程1.2 微型微型计算机的基算机的基础知知识1.3 机内数据和指令的表示机内数据和指令的表示1.4 微型微型计算机性能算机性能1.5 计算机性能算机性能测试程序程序1.1微型计算机的发展历程1.1.1发展历史1946年世界第1台计算机诞生计算机硬件的发展历史（共4代）第1代第2代第3代第4代1.1微型计算机的发展历程1.1.2微型计算机定义微型机即个人计算机（PC机），按体积划分的计算机。微型计算机的发展历史（共6代）第1代（4位）第2代（8位）第3代（16位）第4代（32位）第5代（64位）第6代（高性能微处理器）1.1微型计算机的发展历程1.1.2微型计算机硬件发展规律（1）Moore定律（2）Bell定律（3）Gilder定律（4）Metcalfe定律（5）半导体存储器发展规律（6）硬盘存储技术发展规律1.1微型计算机的发展历程1.1.3微型计算机的应用和特点1.应用领域（1）科学计算（2）过程检测与控制（3）信息管理（4）计算机辅助系统（5）半导体存储器发展规律（6）硬盘存储技术发展规律1.1微型计算机的发展历程1.1.3微型计算机的应用和特点2.特点（1）高性能、低价格（2）体积小、功耗低（3）可靠性高（4）应用面广泛1.1微型计算机的发展历程1.1.4微型机的分类1按制造工艺2按机器组成3按机器字长1.1微型计算机的发展历程1.1.5一体机与平板电脑1一体机一体机又称一体台式机，是指将传统分体台式机的主机集成到显示器中，从而形成一体台式机。1.1微型计算机的发展历程1.1.5一体机与平板电脑1平板电脑计算机所有的部件集成到了一块平板上，以显示屏（触摸屏）作为基本的输入设备。触摸屏允许用户通过触控笔或数字笔来进行输入而不是传统的键盘或鼠标。1.2微型计算机基础知识1.2.1冯诺依曼计算机的基本结构计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大基本部件。1.2微型计算机基础知识1.2.2微型计算机的工作流程（1）取出指令（2）分析指令（3）执行指令（4）形成下一条指令的地址1.2微型计算机基础知识1.2.3 微型计算机系统的组成1.2微型计算机基础知识1.2.4 微型计算机系统的组成1.2微型计算机基础知识1.2.4 微型计算机系统的组成存储系统的容量1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB1.3计算机内数据和指令的表示1.3.1 计算机中的数制二进制、八进制、十进制与十六进制数制之间的转换计算机为何采用二进制1.3计算机内数据和指令的表示1.3.2 计算机中的数的表示1.符号位数字化2.符号位如何运算3.小数点的表示1）定点表示法2）浮点表示法1.3计算机内数据和指令的表示1.3.3 西文字符与汉字的编码1字符的编码ASC编码2汉字的编码1）机内码2）国标码3）输入码4）字形码5）地址码1.4微型计算机性能1.4.1 微型计算机性能的主要标准1CPU的字长2运算速度3内存容量4存取周期5.输入输出数据传输速率6.可靠性7.兼容性1.4微型计算机性能1.4.2 CPU性能1主频2多核3工作电压4协处理器5流水线技术与超标量6乱序执行和分支预测7高速缓存8制造工艺1.4微型计算机性能1.4.2 CPU性能9执行指令的时间MIPS（MillionInstructionPerSecond）MFLOPS（MillionFloatingPointOperationsPerSecond）1.4微型计算机性能1.4.3 总线的性能1总线宽度2总线时钟3最大数据传输速率（带宽）4信号线数5负载能力1.4微型计算机性能1.4.4 外设的性能1.硬盘的性能2.光盘驱动器的性能3.USB外设的性能4.1394总线外设的性能5.打印机的性能6.键盘和鼠标的性能1.4微型计算机性能1.4.5 计算机性能测试程序SiSoftSandra、HWiNFO、WinBench99、PCMark2002等测试程序以EVEREST为例进行说明1.5微型机性能测试程序1.4.5 计算机性能测试程序第2章微处理器及其管理l中央处理器即通常所谓的CPU（CentralProcessingUnit），是计算机的运算和控制核心。作为计算机中最核心的部件，CPU负责读取指令，对指令译码并执行指令。CPU通过执行指令，实现运算和控制过程。l在日常生活中人们通常以CPU的类型来判断计算机的档次，例如，装有Pentium4CPU的是P4计算机、装有PentiumIIICPU的是P3计算机等。虽然这种方法不太准确，但也说明了在计算机的性能指标中CPU起着决定性的作用。本章要点l2.1 微处理器的基本知识微处理器的基本知识l2.2 微处理器技术微处理器技术l2.3 典型的微处理器典型的微处理器l2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序习题习题2本章逻辑结构l2.1 微处理器的基本知识微处理器的基本知识2.1.1 微处理器的发展历程微处理器的发展历程2.1.2 微处理器的组成微处理器的组成2.1.3 微处理器的内部结构微处理器的内部结构2.1.4 微处理器的工作模式微处理器的工作模式2.1.5 微处理器的指令系统微处理器的指令系统2.1.5微处理器的接口类型微处理器的接口类型l2.2 微处理器技术2.2.1 流水线技术2.2.2动态执行技术2.2.3 多内核技术2.2.4 RISC技术2.2.5 多媒体和超线程技术本章逻辑结构l2.3 精简精简典型的微处理器2.3.1 Intel微处理器微处理器2.3.1 AMD微处理器微处理器l2.4 微处理器的性能测试程序2.4.1 MMX技术技术2.4.2 CPU的编号的编号2.4.3 微处理器性能测试微处理器性能测试2.1微处理器的基本知识 2.1.1 微处理器的发展历程微处理器的发展历程1974年，著名的美国Intel公司发明了世界上第一片微处理器Intel40041989年，Intel公司推出了80486芯片，这种芯片实破了100万个晶体管的的界限，集成了120万个晶体管。1999年，Intel公司发布了PentiumIII处理器。2000年，Intel公司发布了Pentium4CPU。随后的10年里，Intel公司在X86的体系架构上，发展了双核CPU、多核CPU，更快前端总线的CPU，低功耗高性能的移动处理平台CPU等等。2.1微处理器的基本知识2.1.2微处理器的组成微处理器的组成1控制器控制器 控制器是整个微机系统的指挥中心，对协调整个微机系统有序工作极为重要。其主要作用是控制程序的执行。包括对指令进行译码、寄存，并按指令要求完成规定的操作，即指令控制、时序控制和操作控制。l控制器主要由以下几个基本部分组成。l程序计数器（PC），又称指令计数器，用来确定下一条指令的地址。l指令寄存器（IR），用于暂存从内存中取出的将要进行译码处理的指令。l指令译码器（ID），用于解析获知指令的功能，并按规定格式将信息存储于寄存器。l时序和逻辑控制器，根据来自译码单元的指令，它会生成控制信号，告诉运算逻辑单元（ALU）和寄存器如何运算、对什么进行运算以及对结果进行怎样的处理。l控制器的主要功能有：l从内存中取一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置；l对指令进行译码，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。l指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间的数据流动方向。2.1微处理器的基本知识2.1.2微处理器的组成微处理器的组成2运算器运算器 控制器是运算器即算术逻辑单元（ALU，ArithmeticLogicUnit），是CPU芯片的运算部件。ALU主要由加法器组成，辅之以移位寄存器及相应控制逻辑组合而成的电路，它在控制信号的作用下可以对操作数进行算术或逻辑运算，输出运算结果。l运算器有两个主要功能：l执行各种算术运算；l执行各种逻辑运算，如两个值的比较等。2.1微处理器的基本知识2.1.2 微处理器的组成微处理器的组成3寄存器寄存器寄存器是CPU内部的高速存储单元，用于存放程序运行过程中所使用的各种数据和指令，除此外，它还负责存储指针跳转信息以及循环操作命令，是运算逻辑单元（ALU）直接接口的存储区域。在应用方面，“可编程”寄存器又可分为下面几种：（1）通用寄存器l通用寄存器在CPU中数量多，使用频率高，是数据调度的主要部件，其中既可以存放数据，也可存放数据的地址。（2）地址寄存器l地址寄存器用于存放数据的地址，用于存储器的寻址操作，或程序执行跳转地址，也称为地址指针寄存器。（3）标志寄存器l标志寄存器（FlagsRegister，FR）是一个存放条件标志、控制标志寄存器，主要用于反映处理器的状态和运算结果的某些特征及控制指令的执行。标志寄存器中存储的信息称为程序状态字(ProgramStatusWord，PSW)，所以标志寄存器也称为PSW寄存器。2.1微处理器的基本知识 2.1.3 微处理器的内部结构微处理器的内部结构l当前通用的微型计算机皆为x86体系结构，因此以Intel公司最早推出的8086/8088CPU为例，描述微处理器的内部结构。l8086/8088CPU从功能上划分成两个独立部件：总线接口单元BIU（BusInterfaceUnit）和执行单元EU（ExecutionUnit）。l执行单元EU是程序中各条指令执行的核心，完成指令译码、运算及其他操作的执行。执行单元EU从总线接口单元BIU的指令队列缓冲器中取出指令，由EU控制器的指令译码器译码产生响应的操作控制信号送给各部件。执行单元EU对操作数进行算术运算和逻辑运算，并将运算结果的状态特征保存到标志（状态）寄存器FR（FlagsRegister）中。EU并不直接与CPU外部系统相连，如果在指令执行过程中需要访问外部的主存储器或I/O设备取操作数，那么EU将访问地址送给BIU后，将要等待操作数据到来后才能继续操作。EU执行单元由算术逻辑单元（ALU）、标志寄存器、通用寄存器组和操作控制器电路等部件组成。l算术逻辑单元（ALU）主要完成算术运算、逻辑运算及数据传送等操作。2.1微处理器的基本知识2.1.3 微处理器的内部结构微处理器的内部结构图2.1Intel8086CPU的内部结构SPALAHBPBLBHSICLCHDIDLDH通用寄存器通用寄存器AXBXCXDXCSDSSSESIP内部寄存器内部寄存器21指令队列缓冲器指令队列缓冲器4365数数据据寄寄存存器器地地址址寄寄存存器器ALU?暂存寄存器暂存寄存器标志寄存器标志寄存器EU控制电路控制电路总线总线控制电路控制电路ALU数据总线数据总线（16位位）8086总线总线DB（16位位）DB（16位位）AB（20位位）地址地址加法器加法器8位位执行单元执行单元EU总线执行单元总线执行单元BIU2.1微处理器的基本知识2.1.4微处理器的工作模式微机中常用的Intel系列微处理器的主要发展历程是：8080，8086/8088，80186，80286，80386，80486，Pentium,PentiumII,PentiumIII,Pentium4等。除了8080、8086/8088具有两种工作模式外，其它都具有三种工作模式。18080、8086/8088微处理器微处理器8086/8088微处理器有两种工作模式：最大模式和最小模式。最小模式系统中只有8086（或8088）一个微处理器。最小模式是单处理器系统。系统中所需要的控制信号全部由8086（或8088）CPU本身直接生成。最大模式系统中有两个或两个以上的微处理器，即除了主处理器8086（或8088）以外，还有协处理器（8087算术协处理器或8089输入/输出协处理器）。最大模式可构成多处理器系统，系统中所需要的控制信号由总线控制器8288提供。2.1微处理器的基本知识2.1.4微处理器的工作模式。280X86、Pentium处理器实模式和虚拟86模式是为了兼容8086处理器而设置的。在实模式下，80X86、Pentium处理器就相当于一个运行频率更高，速度更快、功能更强的8086处理器。保护模式是80X86、Pentium处理器的主要工作模式。在此方式下，可以寻址4GB的地址空间，同时，保护模式提供了多任务、内存分页管理和优先级保护等机制。为了在保护模式下继续提供和8086处理器的兼容，80X86、Pentium又设计了一种虚拟86模式，以便可以在保护模式的多任务条件下，有的任务运行32位保护模式虚拟地址程序，有的任务运行16位的实地址程序。在虚拟86模式下，同样支持任务切换、内存分页管理和优先级，但内存的寻址方式和8086相同，也是可以寻址1MB的空间。2.1微处理器的基本知识2.1.5微处理器的指令系统。指令是微处理器执行某种操作的命令，微处理器全部指令的集合称为指令系统。例如IntelCPU的SSE、SSE2指令集，AMDCPU的3DNow!指令集，不同的CPU系列，有着不同的指令系统。8086指令系统是所有X86系列CPU的指令系统的基础，80286、80386乃至Pentium等新型CPU的指令系统仅仅是在这个基础上做了一些扩充。8086的指令为1-6个字节，一般用指令的第一个或前两个字节表示指令的操作码和寻址方式，通常称为操作码域。操作码指出执行该指令时CPU要做什么，寻址方式则表示执行指令时所用的操作数的来源。1数据传送指令数据传送指令是最基本、最重要、最常使用的一类指令，其基本功能是将数据从一个位置移动到另一个位置，完成寄存器与寄存器之间、寄存器与存储器之间以及寄存器与I/O端口之间的字节或字传送。它们所具有的共同特点是不影响标志寄存器的内容。数据传送指令又可细分为通用数据传送指令、输入输出传送指令、目标地址传送指令和标志传送指令等4类。2.1微处理器的基本知识2算术运算指令算术运算指令算术运算指令用于执行二进制的算术运算，即二进制数据的加、减、乘、除。表2.2给出了算术运算指令。3逻辑运算和移位指令逻辑运算和移位指令逻辑运算和移位指令用于对数据字节或字的二进制位进行操作。表2.3给出了逻辑运算和移位指令。4字符串操作指令字符串操作指令字符串可以是存储在存储器中的一组数据块或字节数据（例如，字母、数字），字符串操作指令用于字符串或数据块的处理。5控制转移指令控制转移指令程序中的指令通常是顺序执行的，在8086/8088中，指令的执行顺序由代码寄存器CS和指令寄存器IP决定，当执行一条指令时，IP的内容就自动进行调整。如果需要改变程序指令的执行顺序，必须改变IP的值（或同时改变CS与IP的值），控制转移指令就是通过改变CS和IP的值来进行程序的转移。2.1微处理器的基本知识6处理器控制指令处理器控制指令处理器控制指令用于控制CPU的状态，使CPU暂停、等待或执行空操作等。表2.6给出了处理器控制指令。2.1微处理器的基本知识2.1.3 微处理器的接口类型微处理器的接口类型在计算机中，主板是各个硬件设备的容器，CPU要进行工作也需要通过某个接口与主板连接。从第一颗8086诞生到386问世，CPU都是被直接焊接在主板上，用户要升级电脑就必须同时更换主板与CPU。到了386末期,部分CPU被压固在主板上，借助工具可以插拔。采用焊接方式连接在主板上的CPU不便于产品更换，而且随着CPU的发展，引脚增多，焊接方式也很难适应。1989年，英特尔发布了第一块Socket1接口的486DX，采用了ZIF（ZeroInsertionForce，零插拔力）设计，使得用户可以很方便的拆装处理器。Socket接口是由很多插针构成，主板上带有相同数目的插孔，CPU与主板连接时只需将插针对准插孔插入即可。需要注意的是一款CPU并不是在所有主板上都能连接，必须具有相匹配的插孔才行。伴随着微处理器的发展，CPU的接口方式也不断变化，大致有引脚式、卡式、触点式、针脚式等。下面介绍几种比较常用的CPU接口。2.1微处理器的基本知识1Socket 7Socket7接口最早应用在PentiumMMX系列CPU上，这种类型的CPU共有321个插针，CPU工作电压为2.5V3.5V。Socket7是方形多针脚ZIF（零插拔力）插座，插座上有一根拉杆，在安装和更换CPU时只要将拉杆向上拉出，就可以轻易地插进或取出CPU芯片。2Slot1SLOT1接口的出现取代了Socket7，它是英特尔公司为PentiumII系列CPU设计的插槽，其将PentiumIICPU及其相关控制电路、二级缓存都封装在一块子卡上，多数Slot1主板使用100MHz外频。SLOT1的技术结构比较先进，能提供更大的内部传输带宽和CPU性能。3Slot ASlotA和Slot1差不多，只是SlotA使用EV6总线协议，而Slot1使用P6GTL+总线协议，但二者不能混用。支持SLOTA接口结构的主板芯片组主要有两种，一种是AMD的AMD750芯片组，另一种是VIA的ApolloKX133芯片组。此类接口已被SocketA接口全面取代。2.1微处理器的基本知识4Socket370Intel推出Socket370接口取代了Slot接口，从外形上看，Socket370和更早的Socket7差不多，两者都采用零插拔力插槽。Socket370接口对应的CPU是370针脚，工作电压为2V1.475V。Socket370接口早期使用在Mendocino核心（PPEG封装）的Celeron333和Celeron366微处理器上，著名的Coppermine（铜矿）核心和Tualatin（图拉丁）核心系列CPU就是采用Socket370接口的代表产品。5SocketASocketA接口也称为Socket462，原因是该接口具有462个插孔，可以支持133MHz外频。AMD公司推出了多款SocketA接口CPU产品，比如Thunderbird（雷鸟）、Duron（毒龙）、AthlonXP（速龙XP）等。目前SocketA接口已经被淘汰。6Socket423Socket423接口最早使用在IntelPentium4处理器中，从外观看，Socket423前几种Socket类的接口近似。采用该接口的CPU具有423根针脚数，工作电压为1.75V。随着DDR内存的流行，英特尔开发了支持SDRAM及DDR内存的i845芯片组，Socket423接口也被Socket478接口彻底取代。2.1微处理器的基本知识7Socket478Socket478接口针脚数为478针，虽然在针脚数目上增加了不少，但是其封装面积却比Socket423接口处理器的封装面积小了不少，针脚排列非常紧密。这主要是在PGA-ZIF封装工艺上进行了改进，集成度更高。8Socket754Socket754是2003年9月AMD针对64位桌面平台最初发布时的接口，具有754个CPU针脚插孔，支持200MHz外频和800MHz的HyperTransport总线频率，但不支持双通道内存技术。9Socket940/939Socket940和Socket939都是AMD64位CPU的接口标准，Socket939是AMD公司于2004年6月推出。它们分别具有940根和939根CPU针脚，都支持双通道DDR内存，但不能混插。采用Socket940接口的有服务器/工作站所使用的Opteron以及最初的Athlon64FX。随着AMD从2006年开始全面转向支持DDR2内存，Socket940也会逐渐被SocketF所取代。2.1微处理器的基本知识10. LGA775LGA775，又称为Socket775或SocketT，是目前应用于IntelLGA775封装的CPU所对应的接口，目前采用此种接口的有LGA775封装的Pentium4、Pentium4EE、CeleronD等CPU。与以前的Socket478接口CPU不同，Socket775接口CPU的底部没有传统的针脚，取而代之以775个触点（其实是非常纤细的弯曲的弹性金属丝），即并非针脚式而是触点式。通过与对应的Socket775插槽内的775根触针接触，来传输信号。Socket775接口，不仅能够有效提升处理器的信号强度、提升处理器频率，同时也可以提高处理器生产的良品率，降低生产成本。11LGA1156LGA1156又叫做SocketH，是Intel在LGA775与LGA1366之后的CPU接口。它是当前主流产品IntelCorei3/i5/i7处理器（Nehalem系列）的标准接口，读取速度比LGA775高。图2.12所示是采用LGA1156接口的intelcorei5-750CPU及主板插座。2.2微处理器技术2.2.1 流水线技术流水线技术微处理器的流水线（pipeline）技术是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。这种技术借鉴了工业流水线制造的思想。在工业制造中采用流水线可以提高单位时间的生产量；同样在CPU中采用流水线设计也有助于提高CPU的工作效率。CPU的工作和汽车装配类似，大致可分为取指、译码、执行、访存、回写五个步骤，在CPU中由几个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条指令分别由这些电路单元流水线执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。2.2微处理器技术2.2.2指令流水线结构指令流水线结构CPU完成一条指令操作可分为取指、译码、执行、访存、回写五个步骤，即一个k=5级的流水线，假设CPU的时钟周期为T，那么完成n=4条指令操作需要8T，而如果不采用流水线技术则需要20T。完成过程如图2.13所示。图2.13指令流水线2.2微处理器技术2.2.2 多内核技术多内核技术多内核是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎（内核），外表看起来好像是一个CPU，但实际上是由多个CPU核心组成的，理论上其性能会变成原来的数倍，但须搭配支持多CPU的操作系统和应用程序才能发挥其性能。操作系统将每个执行内核视作具有所有相关执行资源的独立处理器。利用多内核技术可以在较低频率、较小缓存的条件下大幅提高性能。2.2微处理器技术2.2.3 动态执行技术动态执行技术为了提高处理器的并行处理能力和执行效率，微处理器设计中都会采用一系列动态执行技术。动态执行技术是一个总称，具体包括乱序执行、分支预测和推测执行等相关技术。 1.乱序执行技术乱序执行技术乱序执行（out-of-orderexecution，也可称为错序执行），是指CPU允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。这好比让四个人一起抄写一首古诗，每人抄一句，如果这时在一张大纸上按顺序由第一个人写好第一句后再交给第二个人写，以此类推，那么可以知道，在某一个人写的时候，其他的人必须等待。但如果让四个人分别用四张纸同时写，那么就可以同时各写各的，不用等待，甚至第二句比第一句先写好也没关系（就象乱序执行）。等大家都写完之后再按顺序贴在一起（就象CPU中乱序执行后的重新排列单元）。采用乱序执行技术的目的是为了使CPU内部电路满负荷运转并相应提高了CPU的运行程序的速度。CPU根据各个电路单元的状态和各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路单元执行，在这期间不按规定顺序执行指令，然后由重新排列单元将各执行单元结果按指令顺序重新排列。2.2微处理器技术2分支预测和推测执行技术分支预测和推测执行技术分支预测（BranchPrediction）是指在指令结果出来之前，能够预测到指令是否产生分支转移；推测执行（SpeculationExecution）建立在分支预测的基础上，在分支预测后进行推测执行。2.2微处理器技术2.2.4 RISC技术技术RISC的技术要点主要有以下几方面： 1. 采用精简指令集采用精简指令集RISC结构采用精简的指令集，总共大约100条左右。这些指令都是操作频率比较高的，比如选取运算指令、加载、存储指令和转移指令作主指令集。大部分复杂指令都被去掉，要实现复杂指令，则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。精简的指令集大大改善了处理器的性能，并推动了R1SC的设计。 2. 规范指令格式规范指令格式RISC对指令做了规范，将所有的指令设计成等长，绝大多数指令都能在一个时钟周期内执行完成。这些指令在长度、格式和执行时间上都是规整的。这样在流水线结构中不会产生取指令时间和译码时间不统一。因此，RISC指令和流水线配合使用，可以提高流水线的使用效率和指令执行的吞吐量。 3. 简化寻址方式，采用寄存器操作，尽量减少访存操作简化寻址方式，采用寄存器操作，尽量减少访存操作RISC的寻址方式很少，一般不超过4种，因为复杂的寻址方式需要对有效地址进行计算，降低了处理器的运算能力。CPU内有一个较大的通用寄存器组（通用寄存器数量至少为32个），RISC规定CPU内的所有操作，除了访问存储器的取数（Load）和存数（Store）两条指令外，其余指令的操作都在寄存器之间进行。2.2微处理器技术2.2.4 RISC技术技术4. 优化指令流水线技术优化指令流水线技术指令流水线的工作方式是将每条指令的执行分为几个部分，然后同时执行多条指令。理想情况是任何指令的取指和执行阶段占据相同时间，都是一个单周期。由于RISC指令系统简单，长度固定，寻址方式简单，规范了指令格式，使得流水线技术的优化成为可能，也使RISC指令得以在一个时钟周期内执行完成，提高了指令执行技术。所有从内存到CPU执行的指令，都遵循一种恒定的流的形式。每条指令都以同样的步调执行，无等待的指令，CPU始终处于忙碌状态。 5.优化编译程序来支持高级程序设计语言优化编译程序来支持高级程序设计语言RISC的精简指令集简化了编译工作。因为指令长度固定，寻址方式少，指令格式和执行时间都很规整，编译时避免了在具有相似功能的许多指令中进行选择，也不用选择寻址方式，所以更容易实现编译器优化，生成执行效率高的机器代码。2.2微处理器技术2.2.5 多媒体和超线程技术多媒体和超线程技术随着微型计算机在各行各业的广泛应用，计算机处理的数据在数量及复杂性方面都在迅速加大，比如多媒体、游戏、三维图形图像、虚拟现实等功能，这些都对微处理器的性能提出了更高的要求。 1. MMX技术MMX（MultiMediaeXtension，多媒体扩展）技术是在1996年Intel公司推出代号为P55C的Pentium处理器时首次采用的，之后就成为所有Intel处理器的一个基本标准和必备技术。增的57条MMX指令包括9条数学运算指令、2条数据比较指令、4条压缩数据还原指令、4条逻辑运算指令、3条移位指令、1条数据转换指令、1条FP/MMX状态转换指令和若干分支指令。此外，还将CPU芯片内的L1缓存由原来的16KB增加到32KB，因此MMXCPU比普通CPU在运行含有MMX指令的程序时，处理多媒体的能力上提高了60左右。即使不使用MMX指令的程序，也能获得15左右的性能提升。2.2微处理器技术2.2.5 多媒体和超线程技术多媒体和超线程技术1.SSE技术SSE(StreamingSIMDExtensions，单指令多数据扩展)技术是英特尔在PentiumIII处理器中首次引入的指令集，是继MMX指令集的扩充。MMX技术对性能提高主要针对整型数据，但实际应用中只采用整型数据并不可行，比如只用整型数据就不能精确地绘制3D图像等，处理器更多的是处理浮点型数据，所以SSE技术目的是提高处理器的浮点运算性能。SSE指令集提供了70条新指令，其中包含单指令多数据浮点计算、以及额外的SIMD整数和高速缓存控制指令。其优势包括：更高分辨率的图像浏览和处理、高质量音频、MPEG2视频、同时MPEG2加解密；语音识别占用更少CPU资源；更高精度和更快响应速度。AMD后来在AthlonXP中加入了对这个新指令集的支持。第二代SSE指令集SSE2是Intel在P4的最初版本中引入的，它新增了144条指令，还增加了对CPU的缓存的控制指令。AMD后来在Opteron和Athlon64中也加入了对它的支持。2.2微处理器技术2.2.5 多媒体和超线程技术多媒体和超线程技术3. 超线程技术超线程技术超线程技术(Hyper-ThreadingTechnology)是Intel在2002年发布的一项新技术，是一种利用特殊的硬件指令，把多线程处理器内部的两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，从而使单个处理器就能“享用”线程级的并行计算的处理器技术。多线程技术可以在支持多线程的操作系统和软件上，有效的增强处理器在多任务、多线程处理上的处理能力。Intel率先在Xeron处理器上得到应用。由于使用了该技术，Intel是世界上首枚集成了双逻辑处理器单元的物理处理器（其实就是在一个处理器上整合了两个逻辑处理器单元）的提供者。1）进程与线程）进程与线程程是程序在计算机上的一次执行活动。当运行一个程序，就启动了一个进程。进程是动态的，而程序是一组有序的指令集合，是一个静态的概念。进程是程序及其数据在计算机上的一次执行。离开了程序，进程就失去了存在的意义，但同一程序在计算机上的每次运行将构成不同的进程。2）超线程（）超线程（Hyper-Threading）超线程技术是利用特殊的硬件指令，把两个逻辑内核模拟成两个物理芯片，让单个处理器都能使用线程级并行计算，进而兼容多线程操作系统和软件，减少了CPU的闲置时间，提高的CPU的运行效率。2.3典型的微处理器2.3.1Intel微处理器微处理器1. 4位处理器：400428位处理器：位处理器：8008/8080316位处理器：位处理器：8086/8088/80286432位处理器：位处理器：80386/80486/Pentium系列系列/Celeron（赛扬）系列（赛扬）系列532/64位兼容处理器：位兼容处理器：Intel Core系列系列664位处理器位处理器: Itanium系列系列2.3典型的微处理器2.3.2AMD微处理器AMD（超微半导体）成立于（超微半导体）成立于1969年，总部位于年，总部位于加尼福利亚州加尼福利亚州桑尼维尔，目前桑尼维尔，目前AMD是唯是唯一能与一能与Intel抗衡的抗衡的CPU厂商厂商AMD的Am286是授权制造的Intel80286兼容品，虽然与Intel产品一模一样，但工作频率比Intel80286高。AMD于1991推出386处理器。1993年，AMD推出AMD486微处理器，最高工作频率为120MHz。1996年，AMD发布K5微处理器，因为研发问题，其上市时间比竞争对手 Intel 的Pentium处理器延迟很多，再加上性能并不十分出色，这个不成功的产品一度使得AMD的市场份额大量丧失。1997年，AMD发布了K6处理器，K6是与IntelPentiumMMX同档次的产品。1998年，AMD在K6的基础上做了大幅度的改进后推出K6-2系列微处理器，其中最主要的是加入了对“3DNow!”指令的支持。1999年，AMD推出了代号为“Sharptooth”（利齿）的K6-3系列微处理器，它是AMD推出的最后一款支持Super架构和CPGA封装形式的CPU。目前的AMD处理器从低端到高端的产品线有Sempron（闪龙）、Athlon（速龙）、AthlonFX（速龙FX）、Phenom（羿龙）、Opteron（皓龙）、Turion（炫龙）。2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序 2.4.1 CPU的编号的编号CPU编号具有不可替代的意义，类似人的身份证，每款CPU出厂时都标有一些编号，这些编号几乎包含了该CPU的所有信息。当我们接触散装CPU时，完全可以通过编号来了解CPU的真正身份，但是CPU的编号通常并不直观，不是专业人士很难直接从中得出CPU的性能参数。 1Intel CPU我们以IntelCore2DuoE8400型号的CPU为例来说明IntelCPU的编号识别，如图2.31就是该CPU的编号文字，总共有5行。图2.31IntelCore2DuoE8400CPU及其编号2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序第一行字符表示产品家族。字符“E”代表处理器TDP（热设计功耗）的范围，目前TDP共有E、T、L和U等四种类型。其中“E”代表处理器的TDP将超过50W，主要针对桌面处理器；“T”代表处理器的TDP介于25W-49W之间，大部分主流的移动处理器均为T系列；“L”代表处理器的TDP介于15W-24W之间，也就是低电压版本；“U”代表处理器的TDP低于14W，也就是超低电压版本。在前缀字母后面的四位数字里，左起第一位数字代表产品的系列，其中用奇数来代表移动处理器，例如5和7等等，在前缀字母相同的情况下数字越大就表示产品系列的规格越高，例如T7x00系列的规格就要高于T5x00系列；用偶数来代表桌面处理器，例如4、6和8等等，在前缀字母相同的情况下数字越大也同样表示产品系列的规格越高，例如E6x00系列的规格就要高于E4x00系列。后面的三位数字则表示具体的产品型号，数字越大就代表规格越高，例如E6700规格就要高于E6600，T7600规格也同样要高于T7400。第二行“IntelCore2Duo”字样表示该处理器是酷睿2双核处理器。2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序第三行有“SL89JMALAY”两组字符。其中“SL89J”字符是Intel的S-Spec编号，这是Intel为了方便用户查询其CPU产品所制定的一组编码，此编码通常包含了CPU的主频、二级缓存、前端总线、制造工艺、核心步进、工作电压、耐温极限、CPUID等重要的参数，且CPU和S-Spec编码是一一对应的关系。对于大多数人而言S-Spec的含义无法直接看出的，也没有必要深入地研究各字符所代表的参数规格，但它是选择Intel处理器的最有用工具，通过此编码到Intel的官方网站上查询。S-Spec编号通常都以SL开头，后面的字母和数字只对应某一特定频率、缓存、外频和步进的处理器。后面的MALAY表示CPU的加工地址为马来西亚，其他常见的还有CHINA（中国）和COSARICA（哥斯达黎加）等。第四行字符表示该处理器主频为3.0GHz、二级缓存6MB、前端总线频率为1333MHz，06则代表其核心步进号为L2。对于CPU制造商而言，步进编号可以有效地控制和跟踪所做的更改，也就是说可以对自己的设计、生产和销售过程进行有效的管理；而对于CPU的最终用户而言，通过步进编号则可以更具体的识别其系统所安装的CPU版本，确定CPU的内部设计或制作特性等等。步进编号就好比CPU的小版本号，而且步进编号与CPU编号和CPUID是密切联系的，每次步进改变之后其CPUID也可能会改变。一般来说步进采用字母加数字的方式来表示，例如A0，B1，C2等等，字母或数字越靠后的步进也就是越新的产品。一般来说，步进编号中数字的变化，例如A0到A1，表示生产工艺较小的改进；而步进编号中字母的变化，例如A0到B1，则表示生产工艺比较大的或复杂的改进。在选购CPU时，应该尽可能地选择步进比较靠后的产品。2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序最后一行数码表示的是该处理器的序列号，它表示的是生产编号等信息。序列号是全球唯一的，每个处理器的序列号都不相同，区域代理在进货时会登记这个编号，从这个编号也可以了解处理器到底是经过什么渠道进入零售或品牌机市场的。用户可以登录Intel的网址或者拨打Intel的免费800咨询热线来查询该CPU的真伪。2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序2AMD CPU图2.32就是一款AMD羿龙IIX61055T（盒）的CPU。图2.32AMD羿龙IIX61055T（盒）CPU编号2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序第一行“AMDPhenomII”就是这款CPU生产厂商和品牌。第二行字符“HDT55TFBK6DGR”（划线处）是CPU的核心规格定义，又叫“OPN码”，也是AMDCPU最重要的编码。它就好比我们身份证上的号码一样，通过它，我们便可掌握这款CPU的品牌、型号、核心数等必须的重要信息。其中：前2或前3个英文字母是CPU的品牌信息，第一个字母表示CPU所属系列，比如A代表是Athlon（速龙），H代表Phenom（羿龙）；第二个字母表示处理器类型，如D表示Desktop（桌面型处理器，普通台式机使用），M表示Mobile（移动型处理器）。HDX代表普通Phenom（羿龙）四核桌面型CPU，HDT表示的则是Phenom（羿龙）六核桌面型CPU等。2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序紧接着的3或4个数字和字符表示CPU的具体型号，如“55T”。再后面2个字符“FB”表示功耗为125W，接口类型为SocketAM3。后面的1个字符“K”表示938针脚的mirco-PGA封装形式。接下来的数字“6”表示核心数目，其他的如2为双核、3为三核、4就是四核。紧接着的字符“D”表示该CPU的L3Cache容量为6MB，其他的如“B”表示2MB，“F”表示4MB。最后的2位字符“GR”表示C3步进，其他的如“GI”表示C2步进等。第三行为核心周期定义，其中第三段字符的前四个数字“1008”（划线处），代表的便是此款CPU的生产周期，为2010年第8周。第四行的“9E21475C00241”是CPU的产品序列号。2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序2.4.2 微处理器性能测试微处理器性能测试可以使用一些专用的CPU测试软件显示微处理器的各项参数以及对它进行性能测试，目前这类软件比较多，常用的有CPUZ、SuperPI、wPrime、鲁大师等，这些软件功能通常都能针对于CPU性能的各个方面进行测试，并且本身也都很小，一般不超过1MB，下载和使用都很方便。1CPU-ZCPU-Z是一款很常用的CPU检测软件，它支持的CPU种类比较全面，软件的启动速度及检测速度都很快。CPU-Z能够显示CPU的各项详细信息，包括CPU名称、厂商、内核进程、内部和外部时钟、局部时钟监测、各级缓存大小、核心数、支持的指令集等。该软件可以测出CPU实际设计的FSB频率和倍频，对于超频使用的CPU可以非常准确地进行判断。2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序图2.33CPU-Z的运行界面2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序2.4.2 微处理器性能测试微处理器性能测试2Super PISuperPI是一款专用于检测CPU稳定性的软件，已经成为世界公认的考察计算机处理器浮点运算能力和计算机稳定性性能的标准之一，即使你的系统运行一天的Word、Photoshop都没有问题，而运行SuperPI也不一定能通过。可以说，SuperPI可以作为判断CPU稳定性的依据。2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序2.4.2 微处理器性能测试微处理器性能测试2Super PI图2.34SuperPI测试界面2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序2.4.2 微处理器性能测试微处理器性能测试现在还有很多测试软件都趋向于综合性能测试，在其中包含CPU测试模块，比如前面学习的SiSoftWareSandra也可以对CPU进行性能测试。图2.35就是使用SiSoftWareSandra精简版2010SP3进行CPU测试的界面，其中还可以选择其他型号CPU和当前CPU的性能进行对比分析，也可以选择只显示当前CPU的性能测试数据。2.4 微处理器的性能测试程序微处理器的性能测试程序2.4.2 微处理器性能测试微处理器性能测试图2.35SiSoftWareSandraCPU测试及性能对比习题习题1名词解释名词解释CPU执行单元总线接口单元指令系统流水线技术乱序执行分支预测MMX技术进程线程超线程RISCCISC2填空填空（1）按照CPU处理信息的字长，可以把它分为：_、_、_、_以及_微处理器。（2）运算器的两个主要功能是：_和_。（3）3Dnow!指令集是_公司提出的，并被广泛应用于_处理器上。（4）CPU是CentralProcessingUnit（中央处理器）的缩写，它是计算机中最重要的部件，主要由_、_和_组成，主要用来进行分析、判断、运算并控制计算机各个部件协调工作。（5）CPU的主频又称_，即CPU正常工作时在一个单位时钟周期内完成的指令数多少。从理论上讲，主频越高，运算速度就越_。（6）_又称SocketT，是Intel公司推出的一种最新的接口方式。习题习题（7）IntelPentiumMMXCPU使用_接口，AMDK6使用_接口，Athlon64FX使用_接口。（8）现代计算机处理器结构按照_划分，可分为复杂指令集计算机和精简指令集计算机。（9）MMX的含义是_，SSE的含义是_。（10）进程是由_、_和_三部分组成。具有_、_和_三种基本状态。（11）动态执行技术是一个总称，具体包括_、_和_等相关技术。3简答简答（1）微处理器有哪几个部分组成？简述各个部分的功能。（2）EU与BIU各自的功能是什么？如何协调工作？（3）什么是流水线技术？流水线技术怎样提高处理器的性能？（4）什么是进程？它有哪些特征？什么是线程？习题习题（5）简述超线程的定义及主要内容。（6）什么是MMX技术？什么是SSE技术？（7）简述RISC的技术的特点。有人认为RISC技术将全面替代CISC技术，这种观点是否正确？说明理由。（8）某AMD处理器的编号为“HD9500WCJ4BGD”，请分析各部分的含义并写出该处理器的各项技术参数。第3章内部存储器l存储器是计算机硬件系统的重要组成部分，是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。有了存储器，计算机才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，而自动完成信息处理的功能。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。本章要点本章要点l3.1 存储系统的基本概念存储系统的基本概念l3.2 典型的内部存储器典型的内部存储器l3.3 微型计算机的存储调度管理微型计算机的存储调度管理l3.4 高速缓冲存储器高速缓冲存储器l3.5 常见的微机内存常见的微机内存l3.6 内存性能测试程序内存性能测试程序 习题习题本章逻辑结构l3.1 内部存储器概述3.1.1存储系统的基本概念存储系统的基本概念3.1.2存储器的分类存储器的分类3.1.3 存储系统的性能指标存储系统的性能指标3.1.4存储器的体系结构存储器的体系结构l3.2 典型的内存储器典型的内存储器3.2.1随机存储器随机存储器RAM3.2.2只读存储器只读存储器ROM3.2.3非易失读写存储器非易失读写存储器本章逻辑结构l3.3 微型计算机的存储调度管理微型计算机的存储调度管理3.3.1扩展存储器及其管理扩展存储器及其管理3.3.2DOS/Windows环境下的内存管理环境下的内存管理l3.4 高速缓冲存储器高速缓冲存储器3.4.1高速缓冲存储器的原理与结构高速缓冲存储器的原理与结构3.4.2Cache的分级体系结构的分级体系结构本章逻辑结构l3.5 常见的微机内存常见的微机内存3.5.1内存条的主要标准内存条的主要标准3.5.2内存条的选用内存条的选用3.5.3常见内存及其型号常见内存及其型号l3.6 内存性能测试程序内存性能测试程序习题习题3.1 内部存储器概述内部存储器概述l3.1.1存储系统概念l计算机的存储器可以分为内部存储器和外部存储器。内部存储器简称内存，也可称为主存，它位于主机内部，它包括主存储器和高速缓冲存储器，通常存放正在使用或经常被使用的程序和数据。内存储器由半导体芯片组成，依赖于电来维持信息的保存状态，CPU可以直接对其中的单元进行读/写操作。外存储器即辅助存储器，简称外存，通常是磁性介质（软盘、硬盘、磁带）或光盘，能长期保存信息，并且不依赖于电来维持信息的保存状态。外存一般存放当前不处于活动状态的程序和数据。CPU对外存进行的存/取操作，必须通过内存才能进行。l存储器和存储系统是两个概念，存储系统是指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备（硬件）和算法（软件）所组成的系统。存储器系统其实是一个由不同存储器组成的存储器整体。对于一个计算机系统来说，存储系统性能的优劣，关系到整个计算机系统的优劣。3.1 内部存储器概述内部存储器概述l现代微型计算机通常具有两种存储系统，一种是Cache存储系统，由主存储器和高速缓冲存储器构成，主要作用是提高存储器的速度，Cache存储系统速度接近Cache，容量接近存储器，每单位的价格跟存储器相近，这个存储系统全部用硬件来调度，因此，它不仅对应用程序员是透明的，而且对系统程序员也是透明的。另一种是虚拟存储系统，由主存储器和磁盘存储器构成，主要作用是增加存储器的容量。虚拟存储系统采用硬件与软件相结合的方法来调度。由于虚拟存储系统需要通过操作系统的存储管理系统来调度，因此，对系统程序员来说它是不透明的，但对于在操作系统之上编程的应用程序员来说是透明的。虚拟存储系统的访问速度与主存储器很接近，存储容量是一个很大的虚拟地址空间，许多计算机的虚拟地址空间为4GB，这个空间的大小比主存储器的实际存储容量要大得多，整个存储系统的每位的价格仍然接近于磁盘存储器。3.1 内部存储器概述内部存储器概述3.1.2 存储器的分类存储器的分类1按存储介质分类（1）半导体存储器（2）磁表面存储器（3）光存储器2按CPU的访问关系分类（1）高速缓冲存储器（Cache）（2）内部存储器（InternalMemory）（3）外部存储器（ExternalMemory）3按存取方式分类（1）随机访问存储器（RandomAccessMemory，RAM）（2）只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）（3）顺序存储器（SerialAccessMemory，SAM）（4）直接访问存储器（DirectAccessMemory，DAM）3.1 内部存储器概述内部存储器概述3.1.3 存储系统的性能指标存储系统的性能指标一般来说，衡量存储系统中每一种存储器的性能有以下4种指标。1存储容量存储容量是指存储器中可以容纳的存储单元总数。存储单元可分为字存储单元和字节存储单元。字存储单元是指一个机器字（bit，一个二进制位）的存储单元，相应的单元地址称为字地址；而字节存储单元，是指存放一个字节B（Byte）的单元，每字节为8位二进制数，相应的地址称为字节地址，如存储容量为16KB，则表示能存储1610248个二进制代码。可编址的最小单位是字存储单元的计算机称为按字编址的计算机；可编址的最小单位是字节存储单元的计算机称为按字节编址的计算机。现在大多数计算机采用字节为单位。在按字节寻址的计算机中，存储容量的最大字节数可由地址码的位数来确定。3.1 内部存储器概述内部存储器概述2存取时间存取时间存取时间又称存储器访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的时间。具体地说，存取时间从存储器收到有效地址开始，经过译码、驱动，直到将被访问的存储单元的内容读出或写入为止，用TA表示。存储器的存取时间和存储介质的物理特性和访问机构的类型有关系，它也决定了CPU进行一次读写操作所必须等待的时间，目前大多数计算机存储器的存储时间在纳秒（ns）级，1ns10-9s。其中主存储器的存取时间通常在微秒（s）级，1s10-6s，Cache的存取时间在纳秒级。3.1 内部存储器概述内部存储器概述3存取周期存取周期存储周期（MemoryCycleTime）又称访内周期，是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间，用TC表示。它是衡量主存储器工作性能的重要指标。存储周期时间越短，速度就越快，也就标志着内存的性能越高。存储周期的倒数，称为存储速度。它表示每秒从存储器进出信息的最大数量，其单位用字/秒或字节/秒。TC常被标记在内存芯片上，例如标记“7”，“15”，“45”，分别表示7ns，15ns，45ns等，这个数值越小，表明内存芯片的存取速度越快，同时价格也越高。4存储器带宽内存储器每秒钟访问二进制位的数目称为存储器带宽，用Bm表示。它标明了一个存储器在单位时间内处理信息的能力。例如，总线宽度为32位，存储周期为250ns则存储器带宽=32b/250ns=32*109b/250ns=128Mbps=32MBps3.1 内部存储器概述内部存储器概述5性能价格比性能与价格的比值是衡量存储器经济性能好坏的综合性指标。这项指标与存储器的结构和外围电路以及用途、要求、使用场所等诸多因素有关。性能是前述四项性能的综合，价格是存储器的总价格。因为各种机型的存储器类型和容量等差别很大，所以通常以每位成本，即折合到每一位的存储器造价来描述存储器的经济性。4可靠性可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障工作的时间。通常用平均无故障时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）来衡量。MTBF越长，说明存储器的可靠性越高。存储器的可靠性直接与构成它的芯片有关。目前所用的半导体存储器芯片的平均无故障间隔时间（MTBF）约为51061108小时。3.1 内部存储器概述内部存储器概述3.1.4存储器的体系结构存储器的体系结构1存储器的分级结构存储器的分级结构计算机系统中CPU的运算速度要比存储器快很多，由于速度的不匹配，CPU在运行过程中会等待存储器供给数据从而导致其高速的性能优势难以发挥，由此看出，存储器的运算速度对计算机系统整体速度提高形成了制约。于存储器和CPU速度的差异，为了能达到相对的平衡，发挥计算机系统的最大性能，实际的存储系统往往采用多级存储器体系结构，即将速度、容量和价格不同的存储器组合在一起，将经常使用的数据放在速度快的存储器中，形成一个速度上接近最快，容量上接近最大，价格上接近最低廉的存储器的存储系统，以解决CPU与存储器之间速度差异的问题。现代计算机的存储系统包括两种：高速缓存（Cache）存储系统和虚拟存储器（VirtualMemory）存储系统。3.1 内部存储器概述内部存储器概述2存储器访问的局部性存储器访问的局部性程序局部性包括程序的时间局部性（TemporalLocality）和程序的空间局部性（SpatialLocality）。程序的时间局部性是指程序即将用到的信息可能就是目前正在使用的信息。或者说最近被访问的内存内容（指令或数据）很快还会被访问；程序的空间局部性是指程序即将用到的信息可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。也就是说靠近当前正在被访问内存的内存内容很快也会被访问。访问的局部性是保证存储系统层次结构技术可行性的基础。在此基础上，才可能把计算机频繁访问的信息放在速度高但容量小、单位成本高的存储器中，把不频繁访问的信息放在速度低但容量大、单位成本低的存储器中。由于访问的局部性原理，如果集中在访问速度高的存储器，那么整个存储系统的平均访问时间接近速度高的存储器的访问时间。3.1 内部存储器概述内部存储器概述2多级存储系统的性能两级存储系统的第一级为M1，第二级为M2，T1、T2分别表示两级存储器的存取时间， S1、S2表示容量，B1、B2表示传输速率和带宽，C1、C2表示单位成本。与第二级存储器相比，第一级存储器M1最靠近CPU，速度最高，价格最高，容量也最小。当访问存储器时，CPU首先访问M1，如果成功，M1直接与CPU进行信息交换，那么这次访问是快速的。如果CPU要访问的信息不在M1，则向比它低一级的M2中寻找，找到以后将信息块调入M1。因为M2中的信息主要向M1中传递，而不直接被CPU访问，所以M2的存取速度较低，相应价格也低些，容量也就大些。因为程序的局部性原理，一旦一个信息块放入M1，将会对这个块单元存取很多次，这样会使整个系统的速度得到提高。3.1 内部存储器概述内部存储器概述2多级存储系统的性能（1）访问效率在多级存储系统中，存储器的访问效率由所有层次存储器的有效存取时间（EffectiveAccessTime）决定。为了表示访问一个项的平均时间，不但必须要考虑两级存储器的速度，还要考虑某次访问能在M1中找到的概率，这一概率就是命中率（HitRatios），用H表示，那么：其中N1是某次访问能在M1中找到的次数，N2是某次访问能在M2中找到的次数。那么系统的平均存取时间Ts可以表示为：3.1 内部存储器概述内部存储器概述M1的命中率越高越好，这样可以避免CPU对下一级存储器的访问，以节省时间。而提高M1的命中率有两个途径：其一是扩大M1的容量以尽可能多地装入有用信息。但M1的容量受性能价格比的限制，增大容量将导致存储系统每位平均价格上升，降低系统的性能价格比。这种方法一般不可取；其二是改善实现层次间信息自动调度功能的辅助软硬件的性能，预先判断出CPU准备访问的内容，并将其调入M1中，使CPU希望的信息尽可能已经在M1中准备好，以此提高M1的命中率。3.1 内部存储器概述内部存储器概述2多级存储系统的性能（1）容量和价格整个两级存储系统的每位平均价格Cs可用以下公式算出：其中C1是第一级存储器M1的每位平均价格，C2是第二级存储器M2的每位平均价格，S1是M1的容量，S2是M2的容量。3.2典型的内部存储器3.2.1随机存储器随机存储器RAM随机存取存储器RAM(RandomAccessMemory)在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读/写操作。根据存储信息原理的不同，随机存储器可分为静态随机存储器（StaticRAM，SRAM）和动态随机存储器（DynamicRAM，DRAM）。半导体存储器满足以上条件。1静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）静态随机存储器的组成静态MOS存储器一般由存储体、地址译码电路、读写电路和控制电路等几部分组成。其结构框图如图3.4所示。3.2典型的内部存储器3.2.1随机存储器随机存储器RAM图3.4静态存储器结构图3.2典型的内部存储器2动态随机存储器的工作原理动态随机存储器的工作原理（1）动态随机存储器的特点动态随机存储器DRAM(DynamicRandomAccessMemory)是利用场效应管的栅极对其衬底间的分布电容来保存信息，以存储电荷的多少，即电容端电压的高低来表示“1”和“0”,所以也叫电荷存储型记忆元件。DRAM每个存储单元所需的场效应管较少，常见的有4管，3管和单管型DRAM。因此它的集成度较高，功耗也较低，但缺点是保存在DRAM中的场效应管栅极分布电容里的信息随着电容器的漏电而会逐渐消失，一般信息保存时间为2ms左右。为了保存DRAM中的信息，必须每隔12ms给栅极进行充电，补足栅极信息，这就是所谓的“再生”或“刷新”。（2）动态随机存储器的种类快速页面模式动态随机存储器（FastPageModeDRAM，FPMDRAM）扩充数据输出动态随机存储器（ExtendedDataOutputDRAM，EDODRAM）多段式动态随机存储器（MultiBankDRAM，MDRAM）同步动态随机存储器（SynchronousDRAM，SDRAM）双数据速率同步动态随机存储器（DoubleDataRateSDRAM，DDRSDRAM）第二代双倍数据率同步动态随机存取存储器（Double-Data-RateTwoSynchronousDynamicRandomAccessMemory，DDRIISDRAM）3.2典型的内部存储器2动态随机存储器的工作原理动态随机存储器的工作原理（3）动态随机存储器记忆元件动态RAM基本单元主要有四MOS管动态存储元和单MOS管动态存储元。（4）动态随机存储器的芯片实例现以Intel2164为例，说明DRAM芯片的内部结构及引脚情况。DRAM2164的简化结构框图，如图3-7所示。图3-72164DRAM芯片的结构框图3.2典型的内部存储器2动态随机存储器的工作原理动态随机存储器的工作原理（5）动态随机存储器的刷新方式所谓刷新，就是不断地每隔一定时间（一般每隔2ms）对DRAM的所有单元进行读出，经读出放大器放大后再重新写入原电路中，以维持电容上的电荷，进而使所存信息保持不变。动态随机存储器的刷新方式有很多种。按照动态刷新是否由CPU统一控制、协调的方式，可分为集中式、分散式和异步式3种刷新方式。集中式刷新（BurstRefresh）所谓集中式刷新，是指在允许的最大刷新周期内，根据存储容量的大小和存取周期的长短，集中安排一段刷新时间，在刷新时间内停止读写操作。分布式刷新（DistributedRefresh）分散式刷新是指把每行存储单元的刷新分散到每个读写周期内进行，即把一个存储系统周期tc分为两半，周期前半段时间tM用来读/写操作或维持信息，周期后半段时间tR作为刷新操作时间，经过128个系统周期时间，整个存储器便全部刷新一遍。异步刷新（AsynchronousRefresh）异步刷新是上述两种方法的结合，这种方式将刷新操作平均分配到整个刷新间隔时间内进行，充分利用最大间隔时间并使“死区”缩短。对于128128存储矩阵的芯片来说，每行的刷新间隔时间是2ms/128，即每隔15.6s刷新一行。在2ms内分散地对128行轮流刷新一遍，刷新一行是只停止一次读写操作时间。这样，对每一行来说，刷新时间仍为2ms，而“死区”的长度则缩短为0.5s。这对CPU的影响不大，而且不降低存储器的访问速度，控制上也并不复杂，是一种比较实用的方式。3.2典型的内部存储器3.2.2只读存储器只读存储器ROM通常把使用时只读出不写入的存储器称为只读存储器（ROM）。ROM中的信息一旦写入就不能进行修改，其信息断电之后仍然保留。因制造工艺和功能不同，可分为掩膜ROM（MROM）、可编程ROM（PROM）、可擦写可编程ROM（EPROM）和电可擦可编程ROM（E2PROM）。1掩模只读存储器（掩模只读存储器（Mask Read Only Memory，MROM）掩膜只读存储器是指生产厂家根据用户需要在ROM的制作阶段，通过“掩膜”工序将信息做到芯片里，适合于批量生产和使用。2一次性可编程只读存储器（一次性可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）可编程只读存储器买回时为全0或全1状态，用户可根据自己的需要进行一次性写入编程。在PROM中，常采用二极管或双极型三极管作为存储单元。PROM是将熔断丝或熔合丝串联在ROM单元电路中。用户在使用时，按照自己的需要，编程写入1或者0使其通过一个大的电流，让熔丝烧断开路或者熔合丝熔合短路。3.2典型的内部存储器3可重写只读存储器（可重写只读存储器（Erasable PROM，EPROM）其特点是可以根据用户的要求用工具擦去ROM中存储的原有内容，重新写入新的编码。擦除和写入可以多次进行，同其它ROM一样，其中保存的信息不会因断电而丢失。按照擦除方法的不同，EPROM可以分为电可擦除只读存储器（ElectricallyErasablePROM，EEPROM）和紫外线可擦除只读存储器（UltravioletEPROM，UVEPROM）两种。（1）紫外线可擦除只读存储器将EPROM放在12mV/cm2紫外线光源下相距3cm照射30分钟（一般为15分钟，视具体型号而异）后，会促使电容失去电荷，EPROM中的内容就会抹除，于是，就可以重新对它编程。（2）电可擦除只读存储器原理上，EEPROM单元就是一个可以充电或放电的小电容。充电的状态可以由读出逻辑来询问。充了电的电容代表逻辑“1”，而放了电的电容表示逻辑“0”。为了存储一个数据字节，就需要8个这样的小电容，再加上一些适当的读出电路。3.2典型的内部存储器3.2.3非易失读写存储器非易失读写存储器非易失性存储器NVM（Non-VolatileMemory）的特点是在断电时不会丢失内容。包括铁电介质存储器（FRAM或FeRAM）、磁介质存储器（MRAM）、奥弗辛斯基效应一致性存储器（OUM）以及聚合物存储器（PFRAM）等。闪速存储器（FlashMemory）就是一类非易失性存储器，即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息。（1）闪速存储器的特点固有的非易失性经济的高密度可直接执行固态性能3.2典型的内部存储器（2）闪速存储器的典型逻辑结构闪速存储器的内部结构主要由存储体、地址缓冲器、译码器、命令用户接口CUI、状态标示寄存器、写状态机WSM、复接器和数据输入/输出电路等逻辑电路构成，如图3.12所示。图3.12闪速存储器内部结构图3.2典型的内部存储器（2）闪速存储器的工作模式读操作模式写操作模式在线等待模式输出禁止操作模式关闭电源模式3.3微型计算机的存储调度管理3.3.1扩展存储器及其管理扩展存储器及其管理1存储器的扩展存储器的扩展单块芯片的容量有限，远远不能满足用户同样快速增长的对存储容量的需求。因此，在计算机中，要组成一定容量和一定字长的存储器，必须把若干个片不同的半导体存储器芯片连组成，以扩展存储容量。（1）位扩展法位扩展是指用多个存储器器件对字长进行扩充。位数的扩展是利用芯片的并联方式来实现的，各存储芯片地址线、片选端和读写控制线并联，数据端单独引出。（2）字扩展法字扩展法是指增加存储器中的字数量，而位的数量保持不变。方法是将各芯片的地址线、数据线、读写控制线并联，与系统总线相应的地址线、数据线、读写控制线连接，而片选信号用来区分各芯片的地址范围。（3）字、位同时扩展在存储器扩展时，通常在字向和位向都要扩展。这种扩展方式是前两种扩展方式的混合方式。3.3微型计算机的存储调度管理3.3.1扩展存储器及其管理扩展存储器及其管理2存储芯片的地址分配和片选存储芯片的地址分配和片选存储器与CPU连接是指CPU通过地址总线、数据总线及控制总线实现与存储器的连接。这时有一个重要的问题那就是主存的地址分配。而确定地址分配后，又有一个选择存储芯片的片选信号的产生问题。（1）线选法线选法就是用除片内寻址外的高位地址线不经过译码，直接分别接至各个存储芯片的片选端来区别各芯片的地址，当某地址线信息为0时，就选中与之对应的存储芯片。（2）全译码法这种方法除了将低位地址总线直接连至各芯片的地址线外，余下的高位地址总线全部参加译码，译码输出作为各芯片的片选信号。（3）部分译码法该方法只对高位地址线中某几位（而不是全部高位）地址经译码器译码，以产生片选信号，剩余高位线或空着，或直接用作其他存储芯片的片选控制信号。对被选中的芯片而言，未参与译码的高位地址线可以为“0”，也可以为“1”，即每个存储单元将对应多个地址。所以，它是介于全译码法和线选法之间的一种选址方法。3.3微型计算机的存储调度管理3.3.1扩展存储器及其管理扩展存储器及其管理3存储管理存储管理存储管理即是对主存的管理，它是操作系统的重要功能之一。主存储器是计算机系统中的一种宝贵资源，对主存的管理和有效使用是操作系统中十分重要的内容。为了便于对主存进行有效的管理，应该将主存分成若干个区域，以便同时存放多个用户程序和系统软件。因此，存储管理应具有如下功能：（1）存储分配和回收：计算机系统中一般情况下有多个程序要共享内存，必须采用合理的策略给申请者从空闲的内存空间中分配合适的存储区域，程序使用完毕还必须采用策略及时收回释放的内存。（2）地址变换：用软件进行存储空间管理以及程序编译时所使用的逻辑地址系统，与物理地址系统有可能不一致，虚拟地址和物理地址之间有相互映射。（3）内存扩充：通过内存管理使得用户使用的内存比实际的内存空间要大。（4）内存保护：各程序之间互不干扰和破坏，更不会干扰和破坏整个系统的正常工作。3.3微型计算机的存储调度管理3.3.2DOS/Windows环境下的内存管理环境下的内存管理1DOS环境下的内存管理环境下的内存管理（1）存储空间的分配在DOS下，系统中存在以下四种内存：常规内存(ConventionalMemory)高端内存(UpperMemory)扩充内存(ExpandedMemory)扩展内存(ExtendedMemory)2Windows环境下的内存管理环境下的内存管理虚拟存储器虚拟存储器虚拟存储器（VirtualMemory）又称为虚拟存储系统，是以存储器访问的局部性为基础，建立在主存一辅存物理体系结构上的存储管理技术。它是为了扩大存储容量，把辅存当作主存使用，在辅助软、硬件的控制下，将主存和辅存的地址空间统一编址，形成个庞大的存储空间。3.3微型计算机的存储调度管理2Windows环境下的内存管理环境下的内存管理虚拟存储器虚拟存储器（1）虚拟存储器原理虚拟存储器的工作原理是：在执行程序时，允许将程序的一部分调入主存，其他部分保留在辅存。即由操作系统的存储管理软件先将当前要执行的程序段（如主程序）从辅存调入主存，暂时不执行的程序段（如子程序）仍保留在辅存，当需要执行存放在辅存的某个程序段时，由CPU执行某种程序调度算法将它们调入主存。（2）虚拟存储器的管理方式段式虚拟存储器在段式存储管理中，将程序的地址空间划分为若干个段（segment），各个段的长度因程序而异。这样每个进程有一个二维的地址空间。页式虚拟存储器页式存储管理的主要思路是把虚拟（逻辑）地址空间和主存实际（物理）地址空间，都分成大小相等的页，并规定页的大小为2的整数次方个字。段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的结合结合起来的一种折中方案。它首先将程序按其逻辑结构划分为若干个大小不等的逻辑段，然后再将每个逻辑段划分为若干个大小相等的逻辑页。主存空间也划分为若干个同样大小的物理页。程序对主存的调入调出是按页面进行的，但它又可以按段实现共享和保护。3.3微型计算机的存储调度管理2Windows环境下的内存管理环境下的内存管理虚拟存储器虚拟存储器（3）替换算法和保护替换算法虚拟存储器发生缺页中断时，需要调新的页进入主存，如果内存已无空闲块，就需要将最不经常用的页替换出去。所谓页面替换算法，就是采取什么办法淘汰掉内存中的某些页为必须进入内存的页面腾出空间的策略。在虚拟存储器中常用的替换算法有随机算法（RAND）、先进先出算法（FIFO）、最近最少使用法（LRU）和最久没有使用算法（LFU）等。由于虚拟存储器技术的理论依据与高速缓冲存储器相同，都是程序局部性原理，所以替换策略基本上是相同的。以上各种算法及其实现将在高速缓冲存储器一节中详细叙述。虚拟存储器的性能分析主存容量页面调度方式存储保护界限寄存器保护方式键保护方式环保护方式3.4高速缓冲存储器3.4.1高速缓冲存储器的原理与结构高速缓冲存储器的原理与结构微机系统中的内部存储器通常采用动态RAM构成，具有价格低，容量大的特点，但由于动态RAM采用MOS管电容的充放电原理来表示与存储信息，其存取速度相对于CPU的信息处理速度来说较低。这就导致了两者速度的不匹配，从而限制了高速CPU的性能，影响了微机系统的运行速度，并限制了计算机性能的进一步发挥和提高。高速缓冲存储器就是在这种情况下产生的。为了解决存储器系统的容量、存取速度及单位成本之间的矛盾，可以采用Cache-主存存储结构，即在主存和CPU之间设置高速缓冲存储器Cache，把正在执行的指令代码单元附近的一部分指令代码或数据从主存装入Cache中，供CPU在一段时间内使用，由于存储器访问的局部性，在一定容量Cache的条件下，我们可以做到使CPU大部分取指令代码及进行数据读写的操作都只要通过访问Cache，而不是访问主存而实现，从而使程序的执行速度大大提高。3.4高速缓冲存储器3.4.1高速缓冲存储器的原理与结构高速缓冲存储器的原理与结构1Cache的基本结构的基本结构图3.22CPU、Cache与主存的关系3.4高速缓冲存储器3.4.1高速缓冲存储器的原理与结构高速缓冲存储器的原理与结构2地址映象与转换地址映象与转换地址映像的功能是应用某种函数把CPU发送来的主存地址转换成Cache的地址。地址映象方式通常采用直接映象、全相联映象、组相联映象三种方式。（1）全相联方式（2）直接相联方式（3）组相联映象方式3.4高速缓冲存储器3.4.2Cache的分级体系结构的分级体系结构1Cache的分体的分体采用多体并行存储器技术可以拓宽存储体的频带宽度，在Cache的实用中也采用了多体存储器的结构。Cache分体技术是将Cache分为数据体Cache与指令体Cache。2Cache的分级的分级当前CPU的速度越来越快，与主存的速度差距也越大，如果采用一级Cache的结构，其命中率往往不能满足要求，这样就形成了二级或三级Cache的结构。3.5常见的微机内存3.5.1内存条的主要标准内存条的主要标准完整的内存条是将内存芯片焊接在一定规格的印刷电路板（PCB）上所组成的完整的模块，通常形状为条形，故称内存条。主机板上有安装内存的插槽，常见的内存模块有以下几种封装形式。1DIP双列直插式芯片双列直插式芯片2SIP单排直插内存条单排直插内存条3SIMM内存条内存条4DIMM内存条内存条5RIMM内存条内存条3.5常见的微机内存3.5.2内存条的选用内存条的选用1内存的选择内存的选择选择内存时一般主要考虑以下几个方面：（1）平台是否支持（2）选择合适的内存容量和频率（3）产品做工要精良（4）注意SPD隐藏信息（5）小心假冒或返修产品2内存的性能指标内存的性能指标内存性能对整机的影响很大，主要有以下几个指标：（1）速度（2）容量。（3）数据宽度和带宽。（4）CL3.5常见的微机内存3.5.3常见内存及其型号常见内存及其型号1SDRAM内存内存SDRAM（SynchronousDynamicRAM）内存，即同步动态随机存储器。2DDR内存内存DDR全称是DDRSDRAM（DoubleDateRateSDRAM，双倍速率SDRAM）。3RDRAM内存内存RDRAM是RambusDynamicRandomAccessMemory（存储器总线式动态随机存储器）的简称，是Rambus公司开发的具有系统带宽、芯片到芯片接口设计的内存，它能在很高的频率范围下通过一个简单的总线传输数据，同时使用低电压信号，在高速同步时钟脉冲的两边沿传输数据。3.6内存性能测试程序很多计算机性能综合测试软件中都带有内存模块部分，可以对内存进行测试。如图3.34和图3.35所示分别为使用SiSoftwareSandra2010进行内存对比测试的结果以及使用CPU-Z显示当前内存的信息。图3.34使用SiSoftwareSandra2010进行内存对比测试图3.35内存信息习题习题1名词解释名词解释随机存储器只读存储器位扩展 全译码法相联存储器地址映象Cache虚拟存储器存储器带宽存取时间逻辑地址物理地址2填空题填空题（1）随机存储器RAM主要包括_和_两大类。（2）构成64K的存储系统，需8K1的芯片_片。（3）某存储模块的容量为64K，它的起始地址若为20000H，则末地址应为_。（4）半导体动态存储器的刷新方式一般有_种。（5）用2K8的SRAM芯片组成32K16的存储器，共需SRAM芯片_片，产生片选信号的地址至少需要_位。习题习题（6）内存的主要性能指标有：_、_、_、_、和_。（7）内存的数据带宽的计算公式是：数据带宽=_。（8）内存的工作频率表示的是内存的传输数据的频率，一般使_为计量单位。（9）常用的页面调度算法有_调度算法、_调度算法和_调度算法。（10）一般微型计算机存储器系统主要由_高速缓冲存储器、辅助存储器以及管理这些存储器的硬件和软件组成。（11）高速缓冲存储器是介于_和主存储器之间的一个容量小、但速度接近于_的存储器，一般装在CPU内部。习题习题（12）RAM是一种既能写入又能读出的存储器。RAM只能在电源电压正常时工作，一旦断电，_。（13）ROM是一种_的存储器，通常用来存放那些固定不变、不需要修改的程序。（14）虚拟存储器具有辅存的容量，而又具有接近_的存取速度。（15）只读存储器（ReadOnlyMemory）的重要特点是只能_，不能_。其刷新原理与SRAM类似，但消耗能量_，所以通常关闭计算机电源之后，其中数据还被保留。3选择题选择题（1）下列存储器中，断电后信息不会丢失的是（）。A）DRAMB）SRAMC）CACHED）ROM（2）计算机系统中的存储器主要用来（）。A）存放数据和程序B）存放微程序C）存放数据D）存放程序习题习题（3）内存储器的特点是（）。A）速度快、成本低、容量小B）速度慢、成本高、容量大C）速度快、成本高、容量小D）速度快、成本低、容量大（4）半导体只读存储器(ROM)与半导体随机存取存储器(RAM)的主要区别在于（）。A）在掉电后，ROM中存储的信息不会丢失，RAM信息会丢失B）掉电后，ROM信息会丢失，RAM则不会C）ROM是内存储器，RAM是外存储器D）RAM是内存储器，ROM是外存储器（5）下列（）存储方式不能实现虚拟存储器。A）分区B）页式C）段式D）段页式（6）微型计算机配置高速缓冲存储器是为了解决（）。A）主机与外设之间速度不匹配问题B）CPU与辅助存储器之间速度不匹配问题C）内存储器与辅助存储器之间速度不匹配问题D）CPU与内存储器之间速度不匹配问题习题习题（7）SRAM指的是（）。A）静态随机存储器B）静态只读存储器C）动态随机存储器D）动态只读存储器（8）下面有关存储器存取速度快慢的表述中正确的是。（）A）RAMCache硬盘软盘B）CacheRAM硬盘软盘C）Cache硬盘RAM软盘D）硬盘RAM软盘Cache（9）下列叙述中，错误的是（）A）内存储器RAM中主要存储当前正在运行的程序和数据B）高速缓冲存储器（Cache）一般采用DRAM构成C）外部存储器（如硬盘）用来存储必须永久保存的程序和数据D）存储在RAM中的信息会因断电而全部丢失（10）能直接与CPU交换信息的存储器是（）。A）硬盘存储器B）CD-ROMC）内存储器（CACHE）D）软盘存储器（11）把硬盘上的数据传送到计算机内存中去的操作称为（）。A）读盘B）写盘C）输出D）存盘习题习题（12）下列有关内存说法中错误的是。（）A）内存容量是指内存储器中能存储数据的总字节数B）内存容量越大，计算机的处理速度就越快C）内存不能与硬盘直接交换数据D）内存可以通过Cache与CPU交换数据（13）我们通常所说的内存是指。（）A）ROMB）ROM和RAMC）RAMD）ROM的一部分（14）LRU页面调度算法淘汰（）的页。A）最近最少使用B）最近最久未使用C）最先进入主存D）将来最久使用（15）分页虚拟存储管理中，缺页中断时，欲调度一页进入主存中，内存己无空闲块，如何决定淘汰已在主存的块时，（）的选择是很重要的。A）地址变换B）页面调度算法C）对换方式D）覆盖技术习题习题4问答题及计算题问答题及计算题（1）半导体存储器分为哪些类型？简述它们各自的特点。（2）半导体存储器的性能指标有哪些？对微机有何影响？（3）存储器扩展设计的三种基本方法是什么？（4）存储系统分为几个层次？各层次有什么作用？（5）简述什么是静态RAM以及它的使用特点。（6）存储芯片中片选信号的产生方法有哪几种？各有什么特点？（7）一个1K8b的存储芯片需要多少根地址线？多少根数据线？（8）若某微机有16条地址线，现用SRAM2114（1K4）存储芯片组成存储系统，问采用线选译码时，系统的存储容量最大为多少？需要多少个2114存储器芯片？（9）某RAM芯片的存储容量为10248位，该芯片的外部引脚应有几条地址线？几条数据线？若已知某RAM芯片引脚中有15条地址线，8条数据线，那么该芯片的存储容量是多少？（10）RAM和ROM有什么不同的工作特点？习题习题（11）用下列RAM组成存储矩阵，各需要多少个RAM芯片？多少个芯片组？多少根片内地址选择线？多少根芯片组选择地址线？5121bRAM组成16K8b存储矩阵。10241bRAM组成64K8b存储矩阵。2K4bRAM组成64K8b存储矩阵。8K8bRAM组成64K8b存储矩阵。（12）现有存储芯片：2K1b的ROM和4K1b的RAM，若用它们组成容量为16KB的存储器，前4KB为ROM，后12KB为RAM，问各种存储芯片分别需用多少片？（13）在对存储器芯片进行片选时，有哪几种方式？各有什么特点？（14）什么是高速缓冲存储器？它与主存是什么关系？其基本工作原理是什么？（15）什么是虚拟存储器？采用虚拟存储技术能解决什么问题？（16）虚拟存储器的管理方式有哪几种？简述它们的特点。习题习题（17）片选控制译码有哪几种常用方法？其中哪几种方法存在地址重叠问题？（18）内存条有哪些性能指标？它们对内存条的整体性能有什么影响？（19）动态RAM为什么要进行定时刷新？EPROM存储器芯片在没有写入信息时，各个单元的内容是什么？（20）用10241位的RAM芯片组成16K8位的存储器，需要多少个芯片？分为多少组？共需多少根地址线？地址线如何分配？试画出与CPU的连接框图。第4章外部存储器本章要点本章要点l4.1 磁盘存储器磁盘存储器l4.2 磁带磁带l4.3光盘光盘l4.4 移动式存储器移动式存储器l4.5 硬盘性能测试程序硬盘性能测试程序l习题习题本章逻辑结构l4.1 磁盘存储器磁盘存储器4.1.1 磁盘存储原理磁盘存储原理4.1.2 软盘驱动器软盘驱动器4.1.3 硬盘驱动器硬盘驱动器l4.2 磁带磁带4.2.1 磁带存储器概述磁带存储器概述4.2.2 磁带机的工作原理和结构磁带机的工作原理和结构4.2.3 磁带的应用领域磁带的应用领域本章逻辑结构l4.3 光盘光盘4.3.1 光盘概述光盘概述4.3.2 CD-ROM和可写入和可写入CD-ROM4.3.3 DVD与可写入与可写入DVD4.3.4 蓝光光盘（蓝光光盘（Blu-ray Disc）l3.4 移动式存储器移动式存储器4.4.1 U盘盘4.4.2 可移动硬盘可移动硬盘4.4.3 盒式磁带备份机盒式磁带备份机l4.5 硬盘性能测试程序硬盘性能测试程序l习题习题4.1磁盘存储器4.1.1 磁盘存储原理磁盘存储原理 1. 电磁原理电磁原理磁记录的基本原理电磁感应，磁头由绕有线圈的U型片状导体构成，相当于一个电磁铁，线圈通电后会产生相应极性的磁场，磁场方向随电流方向的变化而快速变化，磁场会影响到盘面的磁记录物质。磁盘读写操作是一个电磁信息的转换过程。数字信息以电流的形式输入到写磁头线圈中并转换成磁场去磁化记录介质，从而将数字信息以磁化状态记录在介质上，这样就完成了写入操作过程。反之，磁头将磁化状态转换成电信号并转换为数字信息输出就完成了读出操作过程。1记录介质2磁头4.1磁盘存储器2. 在磁盘上读写文件在磁盘上读写文件磁表面存储器的读写是通过磁头与记录介质之间相对运动进行的，一般都采用磁头固定，记录介质做高速运动。1写入过程2读出过程3磁表面存储器的技术指标存储密度存储容量平均存取时间数据传输率误码率4.1磁盘存储器4.1.2 软盘驱动器软盘驱动器 1软盘存储器概述软盘存储器概述软盘存储器是个人计算机（PC）中最早使用的可移介质，它的读写是通过软盘驱动器完成的。软盘存取速度慢，容量也小，但可装可卸、携带方便。软盘现在已经不作为主要的存储媒体，但在绝大多数系统中还有使用价值，尤其是在故障处理时。当要在新的硬盘上安装或建立一个系统时，我们可以用软盘来载入分区和格式化硬盘的软件。现在使用的软盘大都是3.5英寸、1.44MB的。在一些早期的PC系统上还曾经广泛使用过5.25英寸、1.2MB的软盘。（1）软盘片（2）软盘信息分布和寻址4.1磁盘存储器2磁道记录格式磁道记录格式一个磁道被软划分为若干扇区，每个扇区又分为标志区和数据区，每个区包含若干项。记录的有效数据或程序，位于数据区的DATA项之中。其他信息则是为了识别有效数据而设置的格式信息。每条磁道分为前置区、扇区及后置区3部分。4.1磁盘存储器4.1.3 硬盘驱动器硬盘驱动器1硬盘的基本结构与分类硬盘的基本结构与分类硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器（适配器）、硬盘驱动器以及连接电缆。硬盘控制器（HardDiskController，简称HDC）对硬盘进行管理，并在主机和硬盘之间传送数据。硬盘控制器以适配卡的形式插在主板上或直接集成在主板上，然后通过电缆与硬盘驱动器相连。硬盘驱动器（HardDiskDrive，简称HDD）中有盘片、磁头、主轴电机、磁头定位机构、读写电路和控制逻辑等。其中盘片用来存储信息，而磁头用来读写盘片上的信息，盘片旋转依靠主轴电机的驱动，速度可达到3600转/分钟以上。2硬盘的信息分布在硬盘中信息分布呈如下层次：记录面、圆柱面、磁道、信息块扇区4.1磁盘存储器4.1.3 硬盘驱动器硬盘驱动器1硬盘的基本结构与分类硬盘的基本结构与分类（1）按硬盘驱动器各部件是否密封分类硬盘存储器可分为温彻斯特盘和非温彻斯特盘两类。（2）按磁头是否可以移动分类硬盘存储器又可分为固定头存储器和移动头存储器两类。（3）按盘组是否可拆卸分类硬盘存储器可分为可换盘片式与固定盘片式两类。（4）按磁盘的尺寸分类国内常用的磁盘存储器有360mm（14in）、200mm（8in）和130mm（5.25in）三类，360mm（14in）的应用得最多。（5）按磁层分类根据磁层的不同，可分为颗粒型涂敷磁盘和连续膜磁盘两类。4.1磁盘存储器4.1.3 硬盘驱动器硬盘驱动器2硬盘的信息分布硬盘存储信息的区域按层次可以分为：磁面、圆柱面、磁道、扇区4.1磁盘存储器3磁头定位系统磁头定位系统为了在磁盘径向方向的某一磁道完成读写，必须驱动磁头移到并定位在那里，实现这一功能的部件就是磁头定位驱动系统，它由磁头小车和驱动部件组成，磁头被安装在小车上，小车的运动带动磁头沿磁盘的径向方向前进或后退。4寻址过程寻址过程（1）磁盘地址（2）定位（寻道）（3）寻找起始扇区5磁盘存储器参数的计算磁盘存储器参数的计算4.2磁带4.2.1 磁带存储器概述磁带存储器概述磁带存储器也称为顺序存取存储器（SequentialAccessMemory，简称SAM）即磁带上的文件依次存放。磁带存储器存储容量很大，但查找速度慢，在微型计算机上一般用做后备存储装置，以便在硬盘发生故障时，恢复系统和数据。磁带存储器属于磁表面存储器，是以磁带为存储介质，由磁带机及其控制器组成的存储设备，它是计算机的一种辅助存储器。磁带是一种柔软的带状磁性记录介质，它由带基和磁表面层两部分组成，带基多为薄膜聚酯材料，磁表面层所用材料多为-Fe2O3和CrO2等。磁带机由磁带传动机构和磁头等组成，能驱动磁带相对磁头运动，用磁头进行电磁转换，在磁带上顺序地记录或读出数据。1磁带存储器分类磁带存储器分类按其宽度分类，有1/4in、1/2in、1in和3in几种；按磁带外形分类，有开盘式和盒式磁带两种；按其长度分类，带长有2400ft、1200ft和600ft等；按记录位密度分类，有800bpi、1600bpi、6250bpi、8000bpi等几种；按磁带表面并行记录信息的磁道数分类，有4道、7道、9道等。在现代计算机系统中，普遍采用1/2in开盘式磁带和1/4in盒式磁带，这两种都是标准磁带。根据读写磁带的工作原理，磁带可分为螺旋扫描技术、线性记录技术、DLT技术和LTO技术几类。4.2磁带2磁带存储器的主要技术指标磁带存储器的主要技术指标衡量磁带存储器的技术指标主要有以下几个方面。磁带速度，是指磁带在单位时间内相对于磁头移动的长度，也称为额定磁带速度，单位是in/s或cm/s。带速主要影响数据的读写速度，带速越快，数据传输率越高。记录间隙，指相邻两个记录块间的间隔距离，单位是英寸或毫米。启停距离，启停距离为启动走带到达正常带速时磁带所走过的距离。停止距离是指从正常带速到完全停止磁带所走过的距离。启停距离和记录间隙直接有关，应该适合记录间隙的要求，以保证数据信息的准确读出和写入。反绕时间，是指一定长度的满盘磁带的反绕时间，以秒为单位。磁带宽度和磁道数，磁带宽度是区别磁带类型的主要指标，不同宽度的磁带不能互换。磁带宽度和磁带上的磁道数密切相关，在相同的磁道密度下，磁带宽度大的磁道多，磁带容量也就大。常见的磁道数为9道。存储容量，指磁带能存储的二进制数据总量。如1/4英寸的磁带存储容量在60MB到26GB之间。4.2磁带4.2.2 磁带机的工作原理和结构磁带机的工作原理和结构1磁带机的工作原理磁带机的工作原理下面以开盘式磁带机为例来阐述磁带机的读/写工作原理。（1）数据的写入过程（2）数据的读出过程2磁带机的结构磁带机的结构磁带机的种类很多，不同种类的磁带机结构也有差异，下面讨论一下开盘启停式磁带机和数据流磁带机的结构。（1）开盘启停式磁带机开盘式磁带指的是磁带缠绕在圆形的带盘上，而且磁带的首端可以取出的磁带。根据所装磁带的长短不同，带盘的直径不一样，但是都可以通用。走带和导向机构磁带缓冲机构带盘驱动机构磁头4.2磁带4.2.2 磁带机的工作原理和结构磁带机的工作原理和结构2数据流式磁带机数据流式磁带机数据流式磁带机是将数据连续地写在磁带上，每个数据块间插入记录间隙，使磁带机在数据块间不启停，从而简化了磁带机的结构。因为启停式磁带机的技术关键是既要保证快速的传输速率，又要求在数据块之间准确地启动、停止，所以设置了摆杆等磁带缓冲机构。数据流磁带机简化了启停机构，省去了摆杆、真空积带箱以及机械张力控制部件，用电子控制代替机械控制。这样不仅降低了成本，而且使可靠性大为提高。数据流磁带机有l/2英寸开盘式和1/4英寸盒式两种，微型小型计算机系统中的后备存储器多采用1/4英寸盒式数据流磁带机(quarter-inch-cartridge简称QIC)。4.2磁带4.2.3 磁带的应用领域磁带的应用领域虽然磁盘存储和光存储也能实现高容量存储，都可以作为备份方式。但考虑到单位成本与高容量，只有磁带技术才真正适合数据存储备份领域。磁带介质不仅能提供高容量、高可靠性以及可管理性，而且价格比光盘、磁盘便宜很多。通常只有在原始数据出问题时才使用备份数据恢复，所以备份数据的使用频率一般不是很高，而且备份数据的存取速度不是要求很高，不必要为了追求备份高速度而增加高额成本，存储介质的容量是备份技术中最看重的。从上述可知，虽然磁盘存储器和光盘存储器有很大的速度优势，但磁带的良好性价比和高容量优点使它成为很多领域备份设备的首选，在以后依旧有很多的应用空间。4.3光盘4.3.1 光盘概述光盘概述光盘是近年来新开发的一种新型大容量存储器，它是一种不同于磁性载体的光学存储介质，用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信息，又称激光光盘。由于软盘的容量太小，而大容量的固定硬盘存储器，其造价较高，且不便于携带，而光盘凭借记录密度高、存储容量大和使用安全可靠等优点，在实际中得到了广泛使用。4.3光盘1光盘存储器的工作原理光盘存储器的工作原理（1）只读光盘的读原理只读光盘由碳酸脂做成，中心带有直径15mm的孔洞。在盘基上浇铸了一个螺旋状的物理磁道，从光盘的内部一直螺旋到最外圈，磁道内部排列着一个个蚀刻的“凹陷”，由这些“凹坑”和“平地”构成了存储的数据信息。光道深0.12m，宽0.6m。螺旋形轨迹中一条与下一条的间距为1.6m。只读光盘既可以记录模拟信息，也可以记录数字信号。光道上凹坑或凸区的长度是0.3m的整数倍。凹凸交界的正负跳变沿均代表数字1，两个边缘之间代表数字0，0的个数是由边缘之间的长度决定的。4.3光盘（2）一次写多次读光盘（WORM）的读写原理一次写多次读光盘（WORM）是利用聚焦成1m左右的激光束的热能，使记录介质的形状发生永久性变化来进行记录的，这是一种记录后不能在原地址重新写入信息的不可逆记录方式，所以只能写入一次，不能擦除和改写。写入数据时，先将要写入的数据在光盘控制器内调制成记录序列，然后变成相应的记录脉冲信号。该脉冲信号在电流驱动电路内变为电流后被送到激光器。激光器以20mW左右的功率发光，并聚焦成1m左右的微小光点，落在记录介质表面上，对其微小的区域进行加热，打出微米级的凹坑，有凹坑代表写入“l”，无凹坑代表写入“0”。读取数据时，用比写入功率低的激光连续照射在光盘上，当读取激光照射在凹坑上时，反射光的光强度降低，从而在光盘轨道上产生了光反射系数高与低的两种不同状态，再由光检测器将介质上反射率的变化转变为电信号，经过数据检测、译码后送入到计算机中。4.3光盘（3）可读写型光盘（CD-Rewritable，CD-RW）的读写原理目前常用的可读写型光盘有磁光材料记录介质（MO）和相变型（PC）两种。MO是以磁性光盘为数据存储介质，以激光读写方式进行数据操作的存储设备，这种光盘也称磁光盘。相变型（PC）光盘是利用记录介质的两个稳态，即反射率高的稳态和反射率低的稳态之间的互逆相结构的变化来实现信息的记录和擦除。写过程是把记录介质的信息点从晶态转变为非晶态。擦写过程是写过程的逆过程，即把激光束照射的信息点从非晶态恢复到晶态。4.3光盘2光盘的技术指标光盘的技术指标（1）存储容量（2）平均存取时间（3）数据传输率4.3光盘4.3.2 CD-ROM和可写入和可写入CD-ROM1CD-ROMCD-ROM驱动器是从光盘中把信息和数据读取出来的一个输入设备。CD-ROM驱动器又称光驱，一般有外接和内置两种形式。现在的微型机都采用内置光驱固定在主机箱中。CD-ROM驱动器由主轴驱动机构、定位机构、光头装置、驱动电路等组成。光驱中的关键部件是激光头。激光头产生一束激光束，通过对准直透镜变成平行光束，再通过分光棱镜，经过反射后再由物镜将激光束准确地汇聚在光盘上。由于光盘上的凹坑和平面的反射，不同强度的光束沿原来的光路返回，通过分光棱镜转向光电检测器，并转换为电信号输出。再经过解调和纠错处理，即可获得从光盘上读出的原始数据。4.3光盘4.3.2 CD-ROM和可写入和可写入CD-ROM2可写入可写入CD-ROM可写入CD-ROM的简称为CD-R光驱，或CD-R刻录机。其特点是可以将数据写入一次性刻写的CD-R光盘，CD-R光盘写入数据后，该光盘就不能再刻写了。刻录得到的光盘可以在CD-DA或CD-ROM驱动器上读取。CD-R与CD-ROM的工作原理相同，都是通过激光照射到盘片上的“凹陷”和“平地”其反射光的变化来读取的；不同之处在于CD-ROM的“凹陷”是印制的，而CD-R是刻录机烧制而成。在刻录CD-R盘片时，通过大功率激光照射CD-R盘片的染料层，在染料层上形成一个个平地和凹陷，光驱在读取这些平地和凹陷时就能够将其转换为0和1。由于这种变化是一次性的，不能恢复到原来的状态，所以CD-R盘片只能写入一次，不能重复写入。4.3光盘4.3.3 DVD与可写入与可写入DVD1DVDDVD诞生之初名为DigitalVideoDisk，即数字视频光碟或数字影碟，是利用MPEG-2的压缩技术来存储影像，希望以更小的体积、更大的储存容量，取代12in的LD影碟。然而，DVD不仅可以储存影像，作为其他用途，还可以存储计算机数据和音频。DVD集计算机技术、光学记录技术和影视技术等为一体，满足了人们对大存储容量、高性能的存储媒体的需求，所以DVD又称为DigitalVersatileDisk，即数字多用途光盘。4.3光盘4.3.3 DVD与可写入与可写入DVD1DVDDVD有五种格式即DVD-Video(又可分为电影格式及个人计算机格式)、DVD-ROM、DVD-R、DVD-RAM、DVD-Audio。DVD-Video，用于观看电影和其他可视娱乐。如果采用双面且每面又双层，总容量可达17GB。DVD-ROM，基本技术与DVDVideo相同，但它包含与计算机兼容的文件格式。用于存储数据。DVD-R，其容量是4.7GB。实际上又用于专业创作和一般用户使用两个的版本。用户使用DVD-R只能写一次。DVD-RAM，这使DVD可以用做虚拟硬盘，能随机存取。原始是2.6GB的驱动器，容量可以增至每面4.7GB。可以重写100000次。DVD-Audio，最新的音频格式，比标准CD的保真度好一倍。4.3光盘4.3.3 DVD与可写入与可写入DVD（1）DVD的特点高密度高兼容性高可靠性高画质高音质（2）DVD驱动器根据读盘方式的不同，也可以把DVD分为单光头单聚焦镜、单光头双聚焦镜、双光头双聚透镜、单光头双波长几类。单光头单聚焦镜单光头双聚焦镜双光头双聚透镜单光头双波长4.3光盘4.3.3 DVD与可写入与可写入DVD2可写入可写入DVDDVD-RAM的全称为DVD-RandomAccessMemory（DVD随机存储器）。是由松下、日立与东芝（简称MHT）三家公司联合开发的。业界对其定义为Re-WritableDVD（可重写式DVD）。DVD-RAM所使用的技术源于松下自己的PD（Phase-changeDual，双相变）光盘技术。并结合了硬盘、MO（Magneto-Optical，磁光盘）的部分存储技术，针对于数据存储应用而开发。4.3光盘4.3.4 蓝光光盘（蓝光光盘（Blu-ray Disc）蓝光光盘（Blu-rayDisc，缩写为BD），即蓝光DVD，是DVD光碟的下一代光碟格式，主导者为索尼与东芝，以索尼、松下、飞利浦为核心，又得到先锋、日立、三星、LG等巨头的鼎力支持。蓝光光盘的存储原理为沟槽记录方式，采用传统的沟槽进行记录，然而通过更加先进的抖颤寻址实现了对更大容量的存储与数据管理，目前已经达到惊世骇俗的100GB。与传统的CD或是DVD存储形式相比，BD光盘显然带来更好的反射率与存储密度，这是其实现容量突破的关键。蓝光光盘的命名是来自其利用波长较短（405nm）的蓝色激光读取和写入数据（DVD采用的是650nm波长的红光读写器，CD采用的是780nm波长），通过广角镜头上比率为0.85的数字光圈，成功地将聚焦的光点尺寸缩得极小程度。此外，蓝光DVD的盘片结构中采用了0.1mm厚的光学透明保护层，以减少盘片在转动过程中由于倾斜而造成的读写失常，这使得盘片数据的读取更加容易，并为极大地提高存储密度提供了可能。4.4 移动式存储器移动式存储器4.4.1 U盘盘U盘，又称优盘，中文全称“USB(通用串行总线)接口的闪存盘”，英文名“USBflashdisk”，是一种小型的移动存储设备。它是一个USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，可以通过USB接口与电脑连接，实现即插即用。USB接口就连到电脑的主机后，U盘的资料可与电脑交换。闪存盘接口有RS-232、USB、SCSI、IEEE-1394、E-SATA等多种，严格地说只有USB接口的闪存盘才能叫U盘。U盘一般用于存储照片、资料、影像，实现便携式移动存储，大大提高了办公效率，使人类生活更便捷。一般的U盘容量有1G、2G、4G、8G、16G、32G、64G等，早期的还有128MB、256MB和512MB等。U盘的组成很简单，一般由外壳、USB接口、控制电路、闪存模块几个部分组成。4.4 移动式存储器移动式存储器4.4.2 可移动硬盘可移动硬盘移动硬盘是以硬盘为存储介质，用于计算机之间交换大容量数据，强调便携性的存储系统。因为采用硬盘为存储介质，因此移动硬盘在数据的读写模式与标准IDE硬盘是相同的。移动硬盘具有容量大、体积小、传输速率高、使用方便等特点。移动硬盘可以提供相当大的存储容量，.8英寸移动硬盘大多提供10GB、20GB、40GB、60GB、80GB，2.5英寸的还有120GB、160GB、200GB、250GB、320GB、500GB、640GB、1000GB（1TB）的容量，3.5英寸的移动硬盘盒还有500GB、640GB、750GB、1TB、1.5TB、2TB的大容量，除此之外还有桌面式的移动硬盘，容量更达到4TB的超大容量。随着技术的发展，移动硬盘将容量越来越大。移动硬盘（盒）的尺寸分为1.8、2.5寸和3.5寸三种。体积小重量轻，便于携带，一般没有外置电源。4.4 移动式存储器移动式存储器4.4.3 盒式磁带备份机盒式磁带备份机磁带备份是一种低成本的、长期的数据存储方式。虽然性能相对来讲较低，但磁带适合各类存储架构，这些存储架构可以让用户用相对较少的钱来存储大量的数据。虽然硬盘存储的价格在不断下降，使得很多公司选择磁盘备份的产品，因为磁盘备份的方法更快并且需要更少的恢复时间。但是磁带仍然在很多档案和灾难恢复应用中成为适用的平台。计算机上使用最广泛的磁带机采用的是盒式磁带，其尺寸和标准有很多种。根据磁带的规格可以分为以下几种。QIC（QuarterInchCartridge，1/4英寸带卷）DAT（DigitalAudioTape，数字式音频磁带）1/2英寸磁带8mm磁带4.5 硬盘性能测试程序硬盘性能测试程序能够测试硬盘性能的工具软件有很多，在这里介绍SiSoftwareSandra2010和HDTune两种硬盘性能测试工具。1使用使用SiSoftware Sandra 2010进行硬盘性能测试进行硬盘性能测试SiSoftwareSandra2010可以对硬盘内存等计算机很多性能进行测试。图4.8所示是硬盘功能测试。4.5 硬盘性能测试程序硬盘性能测试程序图4.8SiSoftSandra中的硬盘性能测试4.5 硬盘性能测试程序硬盘性能测试程序除了以上功能外，还可以使用“硬件”模块查看硬盘的型号、实际容量等数据，如图4.9所示。图4.9硬盘的型号、实际容量信息4.5 硬盘性能测试程序硬盘性能测试程序2使用使用HD Tune进行磁盘性能测试进行磁盘性能测试HDTune是一款小巧易用的硬盘检测工具软件，其主要功能有硬盘传输速率检测，健康状态检测，温度检测及磁盘表面扫描等。图4.10查看硬盘信息4.5 硬盘性能测试程序硬盘性能测试程序HDTune还可以测量硬盘的传输速率、突发数据传输率(Burstdatatransferrate)、cpu使用率、序列号、温度等，是不可多得的硬盘检测工具。如图4.11所示。图4.11测量硬盘传输速率4.5 硬盘性能测试程序硬盘性能测试程序HDTune还可以检测硬盘坏道，如图4.12所示。图4.12检测硬盘坏道习题习题1名词解释名词解释磁表面存储器存储密度寻址时间圆柱面蓝光光盘单倍速数据传输率磁道可读写式光盘存储介质2填空题填空题（1）硬盘上采用的磁头类型，主要有_和_两种。（2）硬盘的动作时间主要指硬盘的_、_、_、_和_等。（3）硬盘的内部数据传输率是指_。（4）硬盘是计算机主要的存储设备，最先由_发明，它具有_、_、_等特点。（5）硬盘的平均访问时间=_+_。（6）相对于DVD-ROM驱动器来讲，1倍速约等于CD-ROM倍速的_倍。（7）DVD是_的缩略语。（8）CD-R记录机的性能指标是_、_、_、_、和_等。习题习题（9）存储设备除了软驱、硬盘外，还包括_、_、和_。（10）硬盘浮动磁头组件是硬盘中最精密的部件之一，由、_和_三部分组成，是硬盘技术中最重要、最关键的一环，它类似于“笔尖”。（11）硬盘工作时，通过_的转动将盘片上用户需要的数据所在扇区转动到磁头下方供磁头读取。马达转速越快，用户存取数据的时间就越_。（12）硬盘数据传输率衡量的是硬盘读写数据的速度，一般用_作为计算单位。它又可分为_和_。（13）微型计算机上两种流行的盒式磁带是和DAT。3选择题选择题（1）台式电脑中经常使用的硬盘多是（）英寸的。A）5.25英寸B）3.5英寸C）2.5英寸D）1.8英寸习题习题（2）硬盘的性能指标包括（）。A）平均寻址空间B）数据传输率C）转速D）单碟容量E）数据缓存（3）硬盘标称容量为40G，实际存储容量是（）。A）39.06GB）40GC）29GD）15G（4）计算机在往硬盘上写数据时从（）磁道开始。A）外B）内C）0D）1（5）通常，台式电脑中使用的硬盘的尺寸是（）。A）4.5英寸B）2.5英寸C）1.8英寸D）3.5英寸（6）选购硬盘时，主要参考的性能指标有等（）几种。A）容量B）转速C）缓存大小D）接口类型（7）生产硬盘的著名厂商主要有（）。A）希捷B）日立C）三星D）西部数据E）迈拓（8）下列关于软盘写保护的说法中，正确的是（）。A）软盘写保护后，不能向软盘中复制文件。B）软盘写保护后，不能向软盘中复制文件，但可以在软盘中修改文件C）软盘写保护后，可以将软盘中的文件复制出来D）软盘写保护后，不能在“我的电脑”中看到软盘中的文件习题习题（9）关于移动硬盘，下列说法正确的是（）。A）购买移动硬盘时，硬盘和硬盘盒可以分开购买。B）USB2.0接口的数据传输速度比USB1.0接口的数据传输速度快。C）移动硬盘价格较贵，因而不易损坏，不怕摔碰。D）IEEE1394接口的移动硬盘比USB接口的移动硬盘的数据传输速度快。（10）硬盘连同驱动器是一种（）。A）内存储器B）外存储器C）只读存储器D）半导体存储器4问答题及计算题问答题及计算题（1）简述磁表面存储器的存储原理和技术指标。（2）磁带存储器根据读写磁带的工作原理可以分为几类？磁带存储器的主要技术指标有哪些？（3）简述光盘的工作原理和技术指标。（4）根据其制造材料和记录信息的方式不同，光盘可以分为哪些类别。（5）什么是磁面？什么是磁道？什么是柱面？简述硬盘的信息分布。（6）若某磁盘有两个记录面，每面80个磁道，每磁道18扇区，每扇区存512字节，试计算该磁盘的容量。习题习题（7）设磁盘组有11个盘片，每片有2个记录面；存储区域内直径2.36英寸，外直径5.00英寸；道密度为1250tpi，位密度52400bpi，转速为2400rpm。问：共有多少存储面可用？共有多少柱面？每个磁道存储多少字节？磁盘组总存储容量是多少？每扇区存储2KB数据，有多少扇区？在寻址命令中如何表示磁盘地址？该磁盘的平均等待时间是多少？数据传输率是多少？如果某文件长度超过了一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？说明原因。微型机输入微型机输入微型机输入微型机输入/ /输出与接口技术输出与接口技术输出与接口技术输出与接口技术CompanyLogo5.1 5.1 输入输入/ /输出系统概述输出系统概述 5.2 5.2 中断系统中断系统 5.3 5.3 输入输入/ /输出方法输出方法 5.4 5.4 微型机接口技术微型机接口技术 5.5 5.5 计算机接口信息获取计算机接口信息获取 5.1 输入输入/输出系统概述输出系统概述一、输入/输出系统特点1.实时性处理器必需能够及时处理I/O设备请求2.设备无关性够适应各种外设的不同要求3.异步性I/O设备通常不使用统一的中央时钟CompanyLogo二、输入/输出接口的基本功能接口是指两个不同部件或系统之间的交换部分。主机、接口、外部设备的连接如图所示：CompanyLogo接口基本功能：1数据缓冲2数据类型和格式的转换3控制功能4传送主机命令5程序中断6地址译码7反应设备的工作状态CompanyLogo三、I/O端口端口是指I/O接口中供CPU直接存取访问的那些寄存器或某些特定电路。一个I/O接口可以包括若干个端口，如数据端口、命令端口、状态端口、方式端口、操作端口及地址索引端口等。端口的多少及相应的功能取决于一个I/O接口所关联的外设。CompanyLogoI/O端口的寻址方式I/O接口的端口进行编址的目地在于确定哪个端口被主机访问。1.统一编址：将每个端口视为一个存储单元，并赋以相应的存储地址。2.独立编址：把所有的I/O端口看成一个独立于存储空间的I/O空间，每个端口都被分配一个地址与之对应。CompanyLogoI/O端口地址的译码常用的译码方法有以下两种：1.固定式端口地址译码：接口中用到的端口地址不能更改。2.可选式地址译码：通过开关使接口芯片的地址根据要求加以改变，无需改变硬件线路。CompanyLogo微型计算机系统中I/O端口的布局1.I/O端口的寻址特点:端口地址空间为1KB，在微型计算机中设置1024个I/O端口地址，其编号为000H3FFH。使用专门的控制信号访问。使用I/O指令对端口编程。CPU通过I/O指令对端口编程，可实现I/O数据的传输。CompanyLogo2.I/O端口的地址分配在微型计算机系统的1024个端口中，前256个（000H0FFH）专供I/O接口芯片使用，后面的供各种不同的I/O接口卡使用。CompanyLogo5.2 中断系统中断系统状态驱动的程序控制方式中，CPU和I/O交换数据时，由于I/O的速度很慢，采用程序中断方式可以解决低速外围设备与高速CPU之间的矛盾，可以解决多台外设与CPU通信的矛盾，以及机器故障、实时处理等临时突发事件提出的处理要求。CompanyLogo5.2中断系统一、中断的概念与工作过程中断是计算机中一个非常重要的概念，在现代计算机中都采用了中断技术。在计算机执行程序的过程中，由于出现某个特殊情况（或称为“事件”），使得CPU暂时中止现行程序，而转去执行处理特殊事件的处理程序，处理完毕之后再回到原来程序的中断点继续向下执行，这个过程就是中断。CompanyLogo二、中断的分类1.内部中断：也叫做软件中断，是由CPU执行软中断指令引起的。这些中断的产生与外部无关，是编程人员事先在程序中安排好的，类似于普通子程序的调用。2.外部中断：也叫做硬件中断，是由外部中断源向CPU提出中断请求而引起的。CompanyLogo三、中断的优先级1.软件排优：软件排优是指各中断源的优先权主要由软件安排，与硬件电路关系不大。软件排优节省硬件，优先权安排灵活，但查询需要耗费时间，影响中断响应的实时性。CompanyLogo2硬件排优链式硬件排优电路：采用链式排优电路各个外设的中断优先权就由其在链中的位置决定，处于链条前端的比处于链条后端的优先权高。CompanyLogo可编程中断控制器：中断控制器包括下列部件：中断优先权管理电路、中断请求锁存器、中断类型寄存器、当前中断服务寄存器以及中断屏蔽寄存器。CompanyLogo四、中断的屏蔽和中断处理程序按照是否可以被屏蔽，可将中断分为两大类：不可屏蔽中断(又叫非屏蔽中断)和可屏蔽中断。不可屏蔽中断源一旦提出请求，CPU必须无条件响应，而对可屏蔽中断源的请求，CPU可以响应，也可以不响应。CompanyLogo中断处理过程：保存现场、中断服务、恢复现场。1.保存现场关中断保留断点保存原程序现场中断源识别转向该中断请求的中断服务程序的入口开中断CompanyLogo2.中断服务根据中断源提供的中断类型号，可以在中断向量表中查出要执行的中断服务程序的入口地址，从而执行相应的中断服务程序。该中断服务程序既可以是系统提供的程序，也可以是用户自己编写的程序。不同的中断源，中断服务是不同的，中断源是事先规定的，中断服务程序的内容也是事先编好的。用户不能随意增加中断源的种类。CompanyLogo3.恢复现场关中断恢复现场开中断。允许新的中断请求。恢复断点。返回断点处，继续执行原程序。CompanyLogo五、中断的断点断点就是原程序中止现行指令的地址，也就是程序计数器PC的内容。断点是最重要的现场，通常一条指令做完，PC的内容加1来给出下一条指令的地址，因此保留的断点就是中断服务处理完毕时应该返回主程序的指令的地址。CompanyLogo六、8086/8088的中断系统向量中断：指通过中断向量来寻找中断入口地址进而转向中断服务程序的一种方法；而中断向量是用来提供中断入口地址的一个地址指针。中断优先权：CPU按多个中断源的优先权由高至低依次来响应中断请求；同时，当CPU正在处理中断时，还要能响应更高级的中断请求，而屏蔽掉同级或低级的中断请求。CompanyLogo8086/8088中断系统CompanyLogo5.3输入输入/输出方法输出方法常用I/O传送方式有：中断控制方式程序控制方式I/O通道控制方式直接存储器存取方式。CompanyLogo一、中断控制方式中断是指外设如果需要CPU为它服务时，它“主动”地通知CPU，准备送出输入或输出数据的一种方法。中断请求是由外设发出的。中断控制方式一般适用于随机出现的服务，其硬件结构相对复杂，服务的时间开销较大。CompanyLogo二、程序控制方式程序控制方式是指CPU与外设之间的数据交换是在程序控制之下进行，它也是主机与外设之间进行数据交换最简单、最基本的方式。CompanyLogo三、I/O通道控制方式CPU将部分权力下放给通道。通道是一个特殊功能的处理器，它有自己的指令和程序专门负责数据输入/输出的传输控制，CPU将“传输控制”的功能下放给通道后只负责“数据处理”功能。这样，通道与CPU分时使用内存，实现了CPU内部运算与I/O设备的平行工作。CompanyLogo通道功能：1.接受CPU的I/O指令，与指定的外设取得联系，并将其启动使之开始工作。2.从内存中选取该通道程序的通道指令，经译码后向设备控制器发送各种命令。3.组织外设和内存之间的数据传送，并根据需要提供数据缓存的空间以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量。4.从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单元，供CPU使用。5.将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求，按次序及时报告CPU。CompanyLogo四、直接存储器存取方式直接存储器访问（DMA）方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式，它的关键是另外构造一个控制器，代替CPU管理与主存间的数据交换CompanyLogo1.DMA的一般步骤。从外设发出DMA请求。CPU响应请求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器从CPU中接管总线的控制权。由DMA控制器对内存寻址，即决定数据传送的内存单元地址及数据传送个数的计数，并执行数据传送的操作。向CPU报告DMA操作的结束。CompanyLogo2DMA的特点DMA控制器建立了外设与内存之间数据交换的直接通道。由DMA控制数据的传送过程。主存中需要开辟专用的缓冲区，及时供给和接收数据。为了解决CPU和DMA同时访问内存发生的冲突，DMA传送常采用周期挪用方式。CompanyLogo3.DMA的操作过程传送前的预处理数据传送阶段数据传送后的处理工作CompanyLogo4.DMA的3种工作方式CPU暂停访问主存方式：主机响应DMA请求后，直到一组数据传送完毕，DMA控制器才把总线控制权交还给CPU。周期窃取方式：DMA控制器与主存储器之间传送一个数据，占用一个CPU周期。DMA与CPU交替使用总线访问存储器方式:CPU和DMA按照事先规定的时间间隔轮渡访问存储器。CompanyLogo5.DMA控制器的组成字数计数器内存地址计数器数据缓冲寄存器“控制/状态”逻辑“DMA请求”标志中断控制逻辑CompanyLogo5.4微型机接口技术微型机接口技术接口技术就是解决微型计算机与外部世界联系的技术。常用的接口类型有并行接口、串行接口和通用串行总线（USB）等。CompanyLogo1.常用接口标准图形显示接口标准。传统串并行接口标准。外存设备接口标准。通用外设接口标准。测试仪器接口标准。CompanyLogo2.USB接口标准USB(UniversalSerialBus)，通用串行总线。优点：可以热插拔携带方便标准统一可以连接多个设备CompanyLogo3.RS-232-C串行接口标准RS-232-C规定标准接口有25条线，根据功能可分为如下3类：联络控制信号线数据发送与接收线地线CompanyLogo4.并行接口的标准并行接口的接口特性可以从两个方面加以描述：以并行方式传输的数据通道的宽度，也称接口传输的位数；用于协调并行数据传输的额外接口控制线或称交互信号的特性。CompanyLogo5.DA和AD转换接口技术数/模转换：将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量。模/数转换：将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。CompanyLogo6.微型机接口信息输入输出设备指的是CPU与外界联系所用的装置。人们是通过外部设备来使用计算机的，而大多数外部设备往往是不能直接与CPU相连，它们之间的信息交换需要加一个中间环节的电子系统接口电路。CompanyLogo常用接口:硬盘接口光纤通道IDESCSISATACompanyLogo7.无线接口技术常见的无线接口有红外线接口和蓝牙接口红外线接口:是计算机的一种短距离、无线、点对点传输接口，目前主要应用在笔记本和掌上电脑上。红外线接口的标准是由IrDA(InfraRedDataAssociation，红外线数据协会)制定的，所以红外线接口也被称为IrDA。蓝牙接口：“蓝牙”（Bluetooth）实质内容就是一种无线电空中接口及其控制软件的公开标准。其开发目的是克服红外通信存在的遮挡和方向性方面的缺陷。CompanyLogo蓝牙技术优点：使用范围广设备范围广应用简单规格统一CompanyLogo微型机总线微型机总线CompanyLogo6.1 6.1 总线的概述总线的概述 6.2 6.2 总线技术总线技术 6.3 6.3 常见局部总线常见局部总线总线是一组信号线的集合，它是系统与系统之间或系统内部各电气部件之间，进行通信传输所必需的所有信号线的总和。它是PC芯片之间、各电气部件之间和I/O设备之间进行通信和数据交换的标准通道。CompanyLogo6.1 总线的概述总线的概述总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。CompanyLogo总线上的任何一个部件发出的信息，计算机系统内所有连接到总线上的部件都可以接收得到。但在进行信息传输时，每一次只能有一个称为主控设备的部件可以利用总线给一个称为从属设备的部件发送信息。CompanyLogo一、总线的分类总线分类的方式有很多，如被分为外部和内部总线、系统总线和非系统总线等等，下面是几种最常用的分类方法：1按功能分：地址总线、数据总线、控制总线2按传输方式分：串行总线和并行总线CompanyLogo3按时钟信号方式分：同步总线和异步总线4按总线的规模、用途和应用场合分片内总线：微处理器芯片内部的总线主板局部总线：电路板上连接各插件的公共通路系统总线：模块式微型计算机机箱内的底板总线通信总线：用于微型计算机系统与系统之间，微型计算机系统与外部设备CompanyLogo二、总线的功能系统总线又称内总线或板级总线，是用来连接各种插件板，以扩展系统功能的总线。传送的信息：数据信息、地址信息、控制信息。系统总线：数据总线、地址总线AB、和控制总线CB。CompanyLogo1数据总线：用于传送数据信息，双向三态形式总线，既可以把CPU的数据传送到存储器或输入输出接口等其它部件，也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理的字长相一致。2地址总线：用来传送地址，单向三态式总线，只能从CPU传向外存或输入输出端口。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小。CompanyLogo3控制总线：用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和输入输出接口电路的，因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。CompanyLogo三、总线的性能指标总线宽度标准传输率时钟同步/异步总线复用信号线数总线控制方式其他指标：如负载能力等CompanyLogo四、微机的总线结构面向总线的结构主要有以下优点：简化了系统结构，便于系统设计制造；大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性；便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口；便于系统的扩充、更新与灵活配置，易于实现系统的模块化；便于设备的软件设计，所有接口的软件就是对不同的口地址进行操作；便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。CompanyLogo总线结构大致分为单总线结构和双/多总线结构1.单总线结构：系统的各个部件均接在系统总线上，构成微型计算机的硬件系统，所以它又称为面向系统的单总线结构。CompanyLogo2.面向CPU的双总线结构：设置一条连接CPU与存储器的专用总线来解决CPU与存储器之间数据传送问题。这就是面向CPU的双总线结构。CompanyLogo3.面向主存储器的双总线结构：在CPU与主存储器之间，又专门设置了一组高速总线，使CPU可以通过它直接与主存储器交换信息。CompanyLogo4.多总线结构：将不同类型的设备划分到不同的总线层次中，这样做的目的是兼顾速度和成本的要求。CompanyLogo6.1 总线技术总线技术接到总线上的部件有两种工作方式：主方式和从方式。部件工作于主方式时，可以控制总线并启动信息传送；工作于从方式时，只能按主部件的要求工作。有的部件既可工作于主方式也可工作于从方式，但不能同时工作于两种方式。能作总线主部件的设备叫做总线主控设备。CompanyLogo一、总线的数据传送源部件：送出数据的部件。目的部件：接收数据的部件。定时方式：同步方式、异步方式、半同步方式。CompanyLogo1同步方式：总线上的数据传送用一个公共的时钟控制，发送和接收信号都在固定的时刻发出。CompanyLogo总线上的部件通过总线进行信息传送时，用一个公共的时钟信号进行同步，这种方式成为同步通信。这个公共的时钟可以由CPU总线控制部件发送到每一个部件（设备），也可以让每个部件有各自的时钟发生器，然而它们都必须有总线控制部件发出的时钟信号进行同步。CompanyLogo2异步方式异步通信允许总线上的各部件有各自的时钟，在部件之间进行通信时没有公共的时间标准，而是靠发送信息时同时发出本设备的时间标志信号，用“应答方式”来进行。优点是任何速度的设备之间都能互相进行通信。缺点是延迟较大，而且当源端速度和目的端速度差异很大时，有可能造成状态错误，使传送失败。CompanyLogo3半同步方式采用半同步总线定时方式时，每个动作只能在固定时钟确定的时刻发生。控制信号间的间隔时间仍然是可变的，必须是时钟周期的整倍数。优点是减少了干扰信号的影响缺点是定时信号的响应时间都必须是时钟周期的整倍数，加长了时间的间隔。CompanyLogo二、总线控制总线仲裁也称为总线判优。目的：为了正确地实现多个部件之间的通信，避免各部件同时往总线发送信息造成的冲突。当多个部件同时要求使用总线，总线控制机构根据一定的判决原则，决定首先由哪个部件使用总线。只有获得了总线使用权的部件，才能开始传送数据。CompanyLogo1链式查询方式链式查询方式的总线控制部件在单总线系统和三总线系统中常常是CPU的一部分。在双总线系统的I/O总线中，它是通道的一部分。CompanyLogo优点：只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，很容易扩充设备。缺点：对询问链的电路故障很敏感、查询链的优先级是固定的。CompanyLogo2计数器查询方式总线上任何设备要求使用总线时，都通过BR线发出总线请求。CompanyLogo3独立请求方式每一个设备均有独立的总线请求线BRi和总线回答线BGi。CompanyLogo优点：响应速度快，即为确定优先响应设备所花费的时间少；对优先次序的控制也是相当灵活。缺点：控制线数目多。CompanyLogo三、总线驱动及出错处理1总线驱动三态总线驱动器来驱动总线，为减轻总线上的负载，在设备接口电路中通常采用缓冲器来进行隔离。CompanyLogo2出错处理解决的方法：在传输的数据中增加一些冗余位，使冗余位与传送的数据具有某种特殊的关系错误处理：纠错电路纠正错误CPU进行错误处理CompanyLogo6.3 常见局部总线常见局部总线为了将不同厂家生产的各部件组装成一台完整的计算机，就需要各厂家按一定的标准进行生产。特别是系统总线和局部总线，由于外设接口卡都要通过系统总线接入系统，主板上的各插件都要通过局部总线进行连接，所以总线标准的制订显得尤为重要。CompanyLogo一、PCI总线PCI（PeripheralComponentInterconnect）即外围元件互联，它是一种先进的局部总线，已成为局部总线的新标准，是目前应用最广泛的总线结构。CompanyLogo1.PCI总线特点：高性能PCI总线还支持突发工作方式，并且后面可跟无限个数据周期。减少存取延迟采用总线主控和同步操作不受处理器限制CompanyLogo适用于各种机型成本低兼容性好，易于扩展自动配置（即插即用，PlugandPlay）规范严格CompanyLogo2.PCI总线的主要性能：总线时钟频率33.3MHz/66.6MHz。总线宽度32位/64位。最大数据传输率132MB/s(264MB/s)。支持64位寻址。适应5V和3.3V电源环境。CompanyLogo二、通用串行总线通用串行总线（UniversalSerialBus，USB），是计算机系统连接外围设备的新型输入/输出串行接口标准。CompanyLogo1.USB的主要技术指标CompanyLogo2.USB特点：热即插即用性能当用户连接USB外设到一个正在运行的系统时，Windows操作系统能自动地检测外设，加载合适的驱动程序。外设第一次连接到系统时，Windows可能会提示用户插入驱动程序磁盘，但是除此以外，其他安装步骤都是自动的，不需要定位并运行安装程序，也无须重启系统。用户也可以在任何时候连接和断开外设，不管系统和外设是否开机都不会损坏计算机或外设。CompanyLogo采用“级联”方式连接各个外部设备主控器具有根集线器的功能，通常根集线器集成在主控器中，具有24个USB接口，连接采用“级联”方式CompanyLogo三、IEEE1394总线IEEE1394是一种串行接口标准，俗称火线接口，主要用于视频的采集。主要技术特点：支持高速应用并且有可升级性能分层的主控制器结构同时支持同步和异步数据传输方式CompanyLogo采用基于内存的地址编码，具有高速传输能力采用点对点（Peer-to-Peer）结构安装方便且容易使用其他性能指标：信号线条数：6（电源2、信号4）/4（无电源）。支持系统：Windows98以上。支持特性：PnP，热插拔。CompanyLogo三、图形加速端口（AGP）Intel公司为了提高图形和视频（尤其是3D图形）性能而设计的高带宽总线规范。基于PCI总线设计，但是在电器特性、逻辑上都独立于PCI总线。AGP是专为系统中一块视频卡设计的点到点高性能连接，只有一个AGP插槽可以插入单块视频卡。CompanyLogoAGP总线性能特点：采用了数据读写操作的流水线技术采用直接内存执行（DIME）技术地址信号与数据信号分离并行操作CompanyLogo四、外部设备总线用于实现计算机主机和外部设备之间的连接。外部设备总线是通用的，可连接不同的外部设备，并且允许在一个总线上连接多个设备。CompanyLogo五、IDE接口与SCSI接口IDE与SCSI是目前应用最广泛的硬盘的两个接口标准。IDE：IntegratedDrivelectronics，电子集成驱动器SCSI：SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口CompanyLogo1.IDE接口特点：把控制器集成到驱动器内，从而可以避免驱动器和控制器之间的数据丢失，使数据传输十分可靠。CompanyLogo2.SCSI接口具备与多种类型的外设进行通信。CompanyLogoSCSI总线有如下主要特点。可以采用异步传送，也可以采用同步传送SCSI的启动设备和目标设备通过高级命令进行通信，不涉及外设的物理层如磁头、磁道、扇区等物理参数可挂接多台总线设备（包括适配器和控制器），但在任何时刻只允许两个总线设备进行通信。CompanyLogo六、微型机系统中的总线应用总线的任务就是进行信息交换，主要包括读和写操作。对于CPU-存储器总线，“读”是将存储器的数据送到CPU或外围设备，“写”是将数据写入存储器。一次总线传输分为两个部分：地址操作和数据传送。CompanyLogo六、微型机系统中的总线应用总线的任务就是进行信息交换，主要包括读和写操作。对于CPU-存储器总线，“读”是将存储器的数据送到CPU或外围设备，“写”是将数据写入存储器。一次总线传输分为两个部分：地址操作和数据传送。CompanyLogo1.同步总线的数据传送读操作CompanyLogo2.异步总路线上主设备执行写操作CompanyLogo3.总线的主要可选特性CompanyLogo第7章常用微机外部设备本章要点本章要点l7.1 键盘键盘l7.2 鼠标鼠标l7.3 显卡、光笔与显示器显卡、光笔与显示器l7.4 打印机打印机l7.5 网卡网卡l7.6 扫描仪扫描仪l7.7 语音系统语音系统l7.8 其他输入其他输入/输出设备输出设备l7.9 接口信息及性能测试程序接口信息及性能测试程序l习题习题本章逻辑结构l7.1 键盘键盘7.1.1 键盘的工作原理及接口键盘的工作原理及接口7.1.2 常见的键盘常见的键盘l7.2 鼠标鼠标7.2.1 鼠标的工作原理鼠标的工作原理7.2.2 常见的鼠标常见的鼠标l7.3 显卡、光笔与显示器显卡、光笔与显示器7.3.1 显卡显卡7.3.2 CRT显示器与液晶显示器显示器与液晶显示器7.3.3 光笔光笔本章逻辑结构l7.4 打印机打印机7.4.1 打印机的分类打印机的分类7.4.2 打印机的基本分类打印机的基本分类7.4.3 安装网络打印机安装网络打印机l7.5 网卡网卡7.5.1 网卡的工作原理网卡的工作原理7.5.2 网卡的分类网卡的分类7.5.3 网卡的安装与配置网卡的安装与配置l7.6 扫描仪扫描仪7.6.1 扫描仪原理扫描仪原理7.6.2 扫描仪性能指标扫描仪性能指标7.6.3 三维扫描仪三维扫描仪本章逻辑结构l7.7 语音系统语音系统7.7.1 声卡声卡7.7.2 音箱音箱7.7.3 麦克风设备麦克风设备7.7.4 语音识别语音识别l7.8 其他输入其他输入/输出设备输出设备7.8.1 手写板与字符自动识别手写板与字符自动识别7.8.2 视频设备与人脸识别系统视频设备与人脸识别系统7.8.3 全球定位系统全球定位系统7.8.4 指纹识别系统指纹识别系统7.8.5 数码相机数码相机l7.9 接口信息及性能测试程序接口信息及性能测试程序l习题习题7.1键盘7.1.1 键盘的工作原理及接口键盘的工作原理及接口1. 工作原理工作原理键盘的基本功能是及时发现被按下的键，并将该按键的信息送入计算机，由CPU进行识别。此过程是这样的：当有键被按下时，键下的发现下按键位置的键扫描电路，就会产生被按下键代码的编码电路，将产生代码送入计算机的接口电路，最后被送入CPU识别，CPU根据代码进行相应处理。2. 键盘接口键盘接口键盘接口是指键盘与电脑主机之间相连接的接口方式或类型。市面上出现过的常见键盘接口有三种：老式AT接口、PS/2接口以及USB接口，分别如图7.2、7.3以及7.4。图7.2AT接口图7.3PS/2接口图7.4USB接口7.1键盘7.1.2 常常见的的键盘常见的键盘可以根据按键数、工作原理、外形进行分类。键盘的按键数有83键、93键、96键、101键、102键、104键、107键等。其中又以104键键盘最为常见，它是在101键键盘的基础上为WINDOWS9X平台提供增加了三个快捷键（有两个是重复的），所以也被称为WINDOWS9X键盘，如图7.5。按照键盘的工作原理和按键方式的不同，可以划分为四种:机械式键盘、塑料薄膜式键盘、导电橡胶式键盘和电容式键盘。此外，常见的键盘根据外形可以分为标准键盘和人体工程学键盘。图7.5104键键盘图7.6人体工程学键盘7.2鼠标7.2.1 鼠鼠标的工作原理的工作原理常见鼠标主要由采样机构、专用微处理器和位置传感器组成，如图7.7所示。工作时，鼠标相对桌面移动，会产生水平和竖直方向的位置和距离信息即X和Y方向的位移变化由采用机构获取，并将其转成相对应的X、Y脉冲信号，传递给鼠标专用的微处理器，然后经过处理的信号通过与接口（异步并口或串口）相对应的通讯协议，以相应的数据格式传送到计算机主机，以此来控制屏幕上光标箭头的移动。图7.5104键键盘7.2鼠标7.2.2 常常见的鼠的鼠标常见的鼠标按其与计算机传递信号的方式可以分为有线与无线两种；而无线鼠标又可分为红外鼠标和蓝牙鼠标两类；有线鼠标根据接口类型的不同，可以分为PS/2鼠标和USB鼠标。按照按键数量，鼠标又有单键、双键、三键、三键滚轮、五键滚轮和多键滚轮等。按使用功能还可以分为2D和3D（如任天堂游戏主机wii的控制手柄WiiRemote）。最后，也是最常用的分类方法按照移动感应技术，鼠标可以分为机械鼠标和光学鼠标两大类。图7.8机械鼠标的内部构造图7.10红外鼠标图7.11蓝牙鼠标图7.12蓝影鼠标7.3显卡、光笔与显示器7.3.1 显卡卡显卡的作用是将计算机系统所需要的显示信息进行转换，并向显示器提供行扫描信号，即在CPU的控制下，将主机送来的显示数据转换为视频和同步信号传送给显示器，最后再由显示器输出各种各样的图像，是连接显示器和个人电脑主板的重要元件，是“人机对话”的重要设备之一。早期的显卡只起信号转换（数字信号模拟信号）的作用，而现在的显卡都带有3D画面运算和图形加速功能，已不再是早期纯粹意义上的显卡，故而也形象地称为“图形加速卡”或“3D加速卡”。显卡通常由总线接口、PCB板、显示芯片（GPU，GraphicsProcessingUnit，图形处理器）、显存、RAMDAC（RAMDigitalAnalogConverter，随机读写存储模数转换器）、VGABIOS、VGA功能插针、VGA插座（D-sub接口）及其他外围组件构成，现在的显卡大多还具有DVI显示器接口或者HDMI接口及S-Video端子接口。7.3显卡、光笔与显示器1.总线接口总线是CPU与GPU进行数据交换的通道。2.PCB版PCB，PrintedCircuitBoard，即印刷电路板。显卡的支撑体3.显示芯片即GPU（图形处理器），它是一种专门用来处理在个人电脑、工作站或游戏机上那些图像运算工作的微处理器，是显卡的核心，直接决定了显卡的档次和性能，同时也是2D显卡和3D显卡的区别。所谓2D显卡即是在处理3D图像和特效时起“软加速”作用，主要依赖CPU的处理能力；而3D显卡则具备独立处理3D图像和特效的“硬件加速”功能4.显存显示内存（VideoRAM）的简称。显存和主板内存一样，执行存贮的功能，但它存贮的对像是显卡芯片处理过或者即将提取的渲染数据，即显卡输出到显示器上的每个像素的信息。显存是显卡非常重要的组成部分，也是衡量显卡性能的一个重要指标。7.3显卡、光笔与显示器5.RAMDACRAMDAC的作用是把数字图像数据转换成计算机显示需要的模拟数据。显示器收到的是RAMDAC处理过后的模拟型号。由于RAMDAC是一块单项不可逆电路，因此经过RAMDAC处理过后的模拟信号不可能再被转换成数字信号。RAMDAC的重要意义在于可以保证显卡的颜色级数和较高的刷新率，从而保护我们的眼睛，提供更好的视觉体验。目前，主流显卡的RAMDAC的时钟频率已经达到400MHz。6.VGABIOS显卡上的BIOS与主板上的BIOS所起的作用是一样的。它也执行一些基本的函数，并存放显示芯片与驱动程序之间的控制程序。另外还存放有显示卡型号、规格、生产厂家、出厂时间等信息，并在开机时对显示卡进行初始化设定。7.最大分辨率显卡能支持的最大分辨率。目前，主流显卡可以支持的最大的分辨率为2560x1600。7.3显卡、光笔与显示器7.3.2 CRT显示器与液晶示器与液晶显示器示器1.CRT显示器显示器CRT显示器是一种使用阴极射线管（CathodeRayTube）的显示器，如图7.14所示。阴极射线管主要有五部分组成：电子枪，偏转线圈，荫罩，荧光粉层及玻璃外壳。CRT显示器是利用阴极电子枪发射电子，在阳极高压的作用下，射向萤光屏，使萤光粉发光，同时电子束在偏转磁场的作用下，作上下左右的移动来达到扫描的目的。早期的CRT技术仅能显示光线的强弱，展现黑白画面。而彩色CRT具有红色、绿色和蓝色三支电子枪，三支电子枪同时发射电子打在屏幕玻璃上磷化物上来显示颜色，如图7.15。图7.14CRT显示器图7.15CRT显示器电子枪工作原理示意图CRT显示器的主要技术参数：1.CRT尺寸即显像管实际尺寸，也是通常所说的显示器尺寸，其单位为英寸（1英寸=25.4毫米）。2.荫罩（ShadowMask）显像管的造色机构，是安装在荧光屏内侧的上面刻有40多万个孔的薄钢板。3.像素（Pixel）CRT显示器显示图像的最小单位，由一个红、绿、蓝（RGB）三种颜色的荧光点组成。4.点距（DotPitch）主要是对使用孔状荫罩来说的，是荧光屏上两个同样颜色荧光点之间的距离。5.光栅间距（GratingSpacing）也叫线间距，主要对条栅状荫罩来说，是指荧光屏上荧光条之间的水平距离。7.3显卡、光笔与显示器6.场频（VerticalScanFrequency）又称为“垂直扫描频率”，也就是屏幕的刷新频率。指每秒钟屏幕刷新的次数，通常以赫兹(Hz)表示，它可以理解为每秒钟重画屏幕的次数7.行频（HorizontalScanFrequency）电子枪每秒在荧光屏上扫过的水平线数量，等于“行数场频”。8.视频带宽（BandWidth）视频带宽指每秒钟电子枪扫描过的总象素数，等于“水平分辨率垂直分辨率场频”。9.分辨率（Resolution）分辨率就是屏幕图像的密度，分辨率的表示方式就是每一条水平线上面的点的数目乘上水平线的数目。10.最大可视区域屏幕上可以显示画面的最大范围，为屏幕的对角线长度。7.3显卡、光笔与显示器7.3显卡、光笔与显示器2.液晶显示器液晶显示器液晶显示器，也称LCD（LiquidCrystalDisplay），如图7.16。LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置介于固态与液态的有机化合物（即“液晶”），两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。根据液晶分子的排布方式，常见的液晶显示器分为：窄视角和宽视角两大类。窄视角类包括TN-LCD（TwistedNematic，扭曲向列型），STN-LCD（SuperTN，超扭曲向列型），DSTN-LCD（DoublelayerSTN，双层超扭曲向列型）。宽视角模式包括IPS（In-PlaneSwitching，平面转换），VA（VerticalAlignment，垂直取向)，FFS（FringeFieldSwitching，广视角技术）等。其中，宽视角模式多用于液晶电视。根据液晶面板的驱动方式，液晶显示器又可分为被动式矩阵LCD和主动式矩阵LCD。前面提到的窄视角的TN-LCD、STN-LCD、DSTN-LCD均属于被动式矩阵LCD。图7.16液晶显示器液晶显示器的主要技术参数：1.可视面积与可视角度液晶显示器所标示的尺寸就是实际可以使用的屏幕范围一致。液晶显示器的可视角度是指站在始于屏幕法线的某个角度的位置时仍可清晰看见萤幕图像所构成的最大角度。可视角度左右对称，而上下则不一定对称。一般说，上下角度要小于或等于左右角度。2.对比度与亮度对比度是定义最大亮度值（全白）除以最小亮度值（全黑）的比值。亮度是指液晶显示器的最大亮度，通常由冷阴极射线管（背光源）来决定。3.响应时间响应时间是指液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，此值越小越好。其他诸如分辨率、点距等技术参数与CRT显示器相类似。7.3显卡、光笔与显示器7.3显卡、光笔与显示器与CRT显示器相比，液晶显示器具有如下的优点：机身薄，节省空间；省电，不产生高温；低辐射，有益健康；画面柔和不伤眼。当然，LCD也存在着缺点：色域不够宽，颜色不逼真；早期产品可视角度不够广；早期产品响应速度偏低，玩游戏或播放影片时或出现残影；假如长时间显示同一画面，该画面会永久以残影形式留在画面；长时间使用可能会产生了亮点、暗点、坏点；长时间使用寿命不及CRT。3.下一代显示器下一代显示器OLED全称为OrganicLight-EmittingDiode，即有机发光二极管，是指有机半导体材料和发光材料在电流驱动下而达到发光并实现显示的技术。OLED相比LCD有许多优势：超轻、超薄（厚度可低于1mm）、亮度高、可视角度大（可达170度）、由像素本身发光而不需要背光源，功耗低、响应速度快（约为LCD速度的1000倍）、清晰度高、发热量低、抗震性能优异、制造成本低、可弯曲。3mm厚的AMOLED电视7.3显卡、光笔与显示器7.3.3 光笔光笔光笔是一种依靠计算机内的光笔程序向计算机输入显示屏幕上的字符或光标位置信息的光敏传感器。光笔的外形象一支圆珠笔，由笔体、透镜组、光导纤维、开关和导线等组成，如图7.18。它是计算机的一种输入设备，结构简单、价格低廉、响应速度快、操作简便，常用于交互式计算机图形系统中。在图形系统中光笔将人的干预、显示器和计算机三者有机地结合起来，构成人机通信系统。利用光笔能直接在显示屏幕上对所显示的图形进行选择或修改。光笔的工作方式有选点和跟踪两种。通常，光笔有三种用途：利用光笔可以完成作图、改图、使图形旋转、移位放大等多种复杂功能，这在工程设计中非常有用；进行“菜单”选择，构成人机交互接口；辅助编辑程序，实现编辑功能。在计算机辅助出版等系统中光笔是重要的输入设备。图7.18光笔打印机（Printer）是计算机的输出设备之一，是一种将计算机的运算结果或中间结果以人所能识别的数字、字母、符号和图形等，依照规定的格式印在纸或其他介质上的设备。打印机正朝着轻、薄、短、小、低功耗、高速度和智能化方向发展。7.4.1 打印机的分类打印机的分类打印机的种类很多，按工作原理，即打印元件对介质是否有击打动作，分为分击打式打印机与非击打式打印机。按打印字符结构，分全形字打印机和点阵字符打印机。而按一行字在纸上形成的方式，又可分为串式打印机与行式打印机。按所采用的技术，分柱形、球形、喷墨式、热敏式、激光式、静电式、磁式、发光二极管式等打印机。按用途分类，又可分为办公和事务通用、商用、专用、家用、便携式、网络打印机。最后，按照工作方式分类，可分为点阵式打印机、针式打印机、喷墨式打印机、激光打印机等，其中后三者是目前市面上最为常见的打印机类型。7.4打印机7.4打印机7.4.2 打印机的基本知打印机的基本知识衡量打印机好坏的指标有三项：打印分辨率，打印速度和噪声。1.打印分辨率打印分辨率指的是打印机的打印质量、打印清晰度。打印分辨率的单位是dpi（dotperinch），即指每英寸打印多少个点，它直接关系到打印机输出图像和文字的质量好坏。2.打印速度打印速度是指打印机每分钟打印输出的纸张页数，单位用PPM（PagesPerMinute）表示。目前所有打印机厂商为用户所提供的标识速度都以打印速度作为标准衡量单位。3.噪声噪声大是击打式打印机共有的缺点，如串式全形字符、串式点阵、行式全形字符、行式点阵击打打印机等。而非击打式打印机则大都噪声小，甚至无噪声。7.4打印机还应了解的一些打印机的性能指标：4.预热时间受打印机工作原理的限制，有些类型的打印机（如激光打印机）在使用前需要有预热时间。5.接口传输速度打印机接口数据传输率的高低、容量传递的多少对打印速度的影响也较明显6.内存速度和大小打印机内存的速度和大小，也是决定打印机打印速度的重要指标7.控制语言打印机语言是控制打印机工作的命令。8.处理器速度打印机处理器速度的高低直接影响打印快慢。最后，影响打印机性能的还有：进纸方式、走纸速率等。网卡，网络接口卡，英文全称为“NetworkInterfaceCard”，简称“NIC”，又称网络适配器。网卡是局域网的最基本部件之一，它是连接计算机与网络的硬件设备。7.5.1 网卡的工作原理网卡的工作原理网卡工作在数据链路层，在局域网中作为连接计算机和传输介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。工作时，网卡收到传输来的数据，网卡内的单片程序先接收数据头的目的MAC地址，根据计算机上的网卡驱动程序设置的接收模式判断该不该接收，认为该接收就在接收后产生中断信号通知CPU，认为不该接收就丢弃不管，所以不该接收的数据网卡就截断了，计算机根本就不知道。CPU得到中断信号产生中断，操作系统就根据网卡驱动程序中设置的网卡中断程序地址调用驱动程序接收数据，驱动程序接收数据后放入信号堆栈让操作系统处理。7.5网卡7.5.2 网卡的分类网卡的分类在计算机网络技术的发展历程中，由于应用环境和应用需求的不同，出现了许多不同类型的网络，如以太网、令牌环、FDDI、ATM及无线网络等，而不同的网络类型需要对应不同的网卡。但是，日常生活中接触最多的是以太网，且局域网大多是以太网，因而下文着重介绍以太网网卡的分类。1按照网络接口分类按照网络接口分类 2按照总线接口分类按照总线接口分类3其他分类方式其他分类方式7.5网卡7.5.3 网卡的安装和配置网卡的安装和配置网卡的安装一般包括：网卡硬件的安装、安装网卡驱动程序以及配网卡的安装一般包括：网卡硬件的安装、安装网卡驱动程序以及配置网卡三个步骤。置网卡三个步骤。首先，要先根据网卡的总线接口类型，网卡插入计算机主板上对应的插槽内，这样就完成了网卡硬件的安装。其次，安装网卡驱动程序。现在的计算机的外部设备几乎都具有即插即用的功能，网卡也不例外，且目前主流的操作系统如WindowsXP及更高版本的Windows操作系统都具有强大的即插即用的支持能力，因而基本不需要手动安装网卡驱动程序，系统在检测到新硬件后会自动为其搜索并安装驱动程序。7.5网卡在WindowsXP操作系统中，许多网卡的驱动程序都已内置，所以通常是不需要另外安装驱动程序的，当进入WindowsXP后即可检测到硬件，然后自动安装WindowsXP中自带的相应的驱动程序，真正实现“即插即用”。但为了实现网卡的真正性能，如果有网卡厂家的驱动程序，建议还是安装厂家提供的驱动程序（直接运行厂家提供的CD上的可执行程序即可）；如果没有，使用Windows系统自带的驱动程序也可正常工作。最后，进行网卡的配置：网卡安装成功后还要对网卡进行配置才能正常地使用网卡实现网络连接，网卡的配置简单来说可分为下列几步：（1）安装网络客户端；（2）安装网络协议；（3）配置客户机网卡的IP地址。7.5网卡扫描仪（Scanner）是一种高精度的光电一体化的高科技产品，是继键盘和鼠标之后的第三代计算机输入设备，它是一种捕获图像并将之转换成计算机可以显示、编辑、存储和输出的数字化输入设备。7.6.1 扫描仪原理扫描仪原理扫描仪扫描图像的步骤是：首先将欲扫描的原稿正面朝下铺在扫描仪的玻璃板上，原稿可以是文字稿件或者图纸照片；然后启动扫描仪驱动程序后，安装在扫描仪内部的可移动光源开始扫描原稿。在扫描仪获取图像的过程中，有两个元件起到关键作用。一个是CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合器件），它将光信号转换成为电信号；另一个是A/D变换器，它将模拟电信号变为数字电信号。这两个元件的性能直接影响扫描仪的整体性能指标，同时也关系到我们选购和使用扫描仪时如何正确理解和处理某些参数及设置。7.6扫描仪7.6.2 扫描仪的性能指标扫描仪的性能指标衡量扫描仪性能优劣的主要性能指标：1. 光学分辨率光学分辨率光学分辨率是扫描仪最重要的性能指标之一，它直接决定了扫描仪扫描图像的清晰程度。扫描仪的分辨率通常用每英寸长度上的点数，即DPI来表示。2. 色彩深度、灰度值色彩深度、灰度值较高的色彩深度位数可以保证扫描仪反映的图像色彩与实物的真实色彩尽可能的一致，而且图像色彩会更加丰富，目前主流的扫描仪的色深一般为48bit。灰度值是指进行灰度扫描时对图像由纯黑到纯白整个色彩区域进行划分的级数，编辑图像时一般都使用到8bit。3. 感光元件感光元件感光元件是扫描图像的拾取设备，相当于人的眼球，其重要性不言而喻。目前主流扫描仪所使用的感光器件一般有两种：电荷偶合器（ChargeCoupledDevice，CCD），接触式感光器件（ContactImageSensor，CIS）。7.6扫描仪4. 扫描仪的接口扫描仪的接口扫描仪的接口是指与电脑主机的连接方式，通常分为SCSI、EPP、USB三种。目前，主流扫描仪的接口大都为USB，它的优势在于安装简便、价格相对低廉，而且不需要设置中断、地址等，不会与其他硬件发生冲突（这些与EPP并口相同），且它的速度比EPP并口更快（USB接口最高传输速率2Mbps/S），使用更方便（即插即用）。7.6.3 三维扫描仪三维扫描仪三维扫描仪（3DScanner）是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，常见的电影制片、游戏创作素材等都可见其应用。三维扫描仪分类为接触式（contact）与非接触式（non-contact）两类，后者又可分为2类，被动扫描（passive）与主动扫描（active）。使用可见光图像达成重建的方法，又称作基于机器视觉（vision-based）的方式，是今日机器视觉研究主流之一。7.6扫描仪7.7.1 声卡声卡声卡（SoundCard）也叫音频卡，是语音系统最基本的组成部分，是实现声波和数字信号相互转换的一种硬件。声卡的基本功能是把来自麦克风设备、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，或通过音乐设备数字接口（MIDI）或高清晰度多媒体接口（HDMI）传送信号。目前，由于内建有AC97音效的All_in_One主板的推广，中低档声卡已较少见。7.7.2 音箱音箱音箱是将音频信号还原成声音信号的一种设备。按照发声原理及内部结构不同，音箱可分为倒相式、密闭式、平板式、号角式、迷宫式等几种类型，其中最主要的形式是密闭式和倒相式。密闭式音箱就是在封闭的箱体上装上扬声器，效率比较低；而倒相式音箱与它的不同之处就是在前面或后面板上装有圆形的倒相孔。它是按照赫姆霍兹共振器的原理工作的，优点是灵敏度高、能承受的功率较大和动态范围广。7.7语音系统7.7.3 麦克风设备麦克风设备麦克风，学名为传声器，是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，由Microphone音译而来，也称话筒、微音器，它在计算机系统中扮演着将用户的声音传入计算机的角色。按信号传输类型，麦克风分为有线和无线两种。7.7.4 语音识别语音识别语音识别，也被称为自动语音识别（AutomaticSpeechRecognition,ASR），通俗地说就是让计算机听懂用户的语言，是让计算机通过识别和理解把语音信号转变为相应的文本或命令的高技术。语音识别主要包括特征提取、模式匹配及模型训练三个方面。下图示一个经典的语音识别的实现模型。7.7语音系统7.8.1 手写板与字符自动识别手写板与字符自动识别手写板，也叫手写仪，如图7.50，是一种最常见的手写绘图输入设备。它在日常使用上，除用于文字、符号、图形等输入外，还可提供光标定位功能，从而可以同时替代键盘与鼠标，成为一种独立的输入工具。从技术上将，手写板可以分为电阻压力板、电容板以及电磁压感板等。在笔的设计上，又分为压感和无压感两种类型，有压感的手写板可以感应到手写笔在手写板上的力度，从而产生粗细不同的笔画，其被广泛的应用在美术绘画和银行签名等专业领域，成为了不可缺少的工具之一。字符自动识别，即使计算机自动识别字符的技术，是模式识别应用的一个重要领域。字符自动识别一般包括文字信息的采集、信息的分析与处理、信息的分类判别等几个过程。属于字符自动识别范围的有光学字符识别（OCR，OpticalCharacterRecognition）、手写体文字识别（如手写板）等。7.8其他输入/输出设备图7.50写字板7.8.2 视频设备与人脸识别系统视频设备与人脸识别系统计算机的视频设备，一般是指摄像头（CAMERA），也叫电脑相机、电脑眼等，属于输入设备的一种。摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。数字摄像头（如图7.51）可以将视频采集设备产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可以转换到计算机上运用。人脸识别系统以人脸识别技术为核心，是一项新兴的生物识别技术，是当今国际科技领域攻关的高精尖技术。它广泛采用区域特征分析算法，融合了计算机图像处理技术与生物统计学原理于一体。人脸识别系统的主要功能模块包括人脸捕获与跟踪功能、人脸识别对比、人脸的建模与检索、真人鉴别功能以及图像质量检测等。7.8其他输入/输出设备图7.51数字摄像头7.8.3 全球定位系统全球定位系统全球定位系统，目前一般特指由美国国防部研制和维护的全球卫星定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）。GPS结合了卫星及通讯技术，利用卫星进行测时测距，是具有海陆空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，由美国从上世纪70年代开始研制，历时20余年，耗资200亿美元，于1994年全面建成。GPS的六大特点：全天候，不受任何天气的影响；全球覆盖（高达98%）；三维定点定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位。目前，正在运行的全球定位系统只有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS（GLObleNAvigationSatelliteSystem）系统。此外，由欧盟主导的伽利略卫星导航系统将于2014年投入运营，我国自主研制的北斗星导航系统也将于2015年扩充为全球卫星定位系统。7.8其他输入/输出设备7.8.4 指纹识别系统指纹识别系统指纹识别系统是一套以指纹识别技术为核心、包括指纹图像获取、处理、特征提取和比对等模块的模式识别系统，通过采集到的指纹来识别出人的身份。它的理论依据是指纹属于人体的身体特征，具有不可复制性、唯一性和稳定性，可以作为识别一个人的标志。指纹识别系统按识别器可分为光学识别、电容传感器识别、生物射频识别和数字化光学识别等。相较传统安全系统，指纹系统大大提升了安全性，但相较另一个生物识别系统人脸识别系统来说，指纹识别系统存在使用寿命较短、使用成本较高、且其几乎不能在露天户外使用等劣势。由此可以预见指纹识别系统将逐渐为日益成熟的人脸识别系统所取代。7.8其他输入/输出设备7.8.5 数码相机数码相机数码相机，英文全称：DigitalStillCamera(DSC)，简称：DigitalCamera(DC)，如图7.52。它是一种利用电子传感器把光学影像转换成电子数据的照相机。按用途分为：单反相机，卡片相机，长焦相机等。传统照相机使光线通过镜头，在底片上靠溴化银的化学变化来记录图像；数码相机则利用电子传感器把光学影像转换成电子数据，其传感器是一种光感应式的CCD或CMOS，用来取代底片的化学感光功能。在图像传输到电脑以前，通常会先储存在相机内部数码存储设备中（通常是规格化的存储卡）。由于数码相机具有许多传统相机不具备的优点它可以“即拍即见”，照相后立即看到图像、可以方便地对相片进行管理，如编辑、冲洗、删除等、实现了“无胶卷”化色彩及感光度不再依赖胶卷而由数码相机内部元件来决定，使得它投入市场后，就迅速取代了传统相机的霸主地位。7.8其他输入/输出设备图7.52数码（单反）相机7.9.1 获取接口信息获取接口信息此处讲解使用EVERESTUltimateEdition5.50（AIDA32）获取系统接口信息的方法。1.下载安装最新稳定版本的EVEREST，也可以使用免安装版。2.找到安装目录下的everest.exe双击运行，首先弹出软件初始化画面，如图7.53，初始化后，会进入EVEREST的软件界面，如图7.54，点击菜单的计算机系统摘要，可以得到如图7.55的结果，通过拖动右边的滑块，可以获得系统的主板、显示设备、多媒体、存储设备、硬盘分区、输入设备、网络设备、外围设备、DMI以及EVEREST针对当前系统情况给出的“问题和建议”。此外，要想获得更详细的信息，可以分别点击左边的系统树的各个子系统。7.9接口信息及性能测试程序图7.53EVEREST软件初始化7.9接口信息及性能测试程序图7.54EVEREST软件界面除了此处提到的EVEREST可以获得系统的接口信息外，还可以使用针对单个部件的工具，如获取CPU信息的CPU-Z、GPU的GPU-Z、硬盘的HDTunePro、内存的MemTest以及另一个获取系统信息的工具HWiNFO32等。7.9接口信息及性能测试程序图7.55EVEREST软件获得的系统摘要7.9.2 性能测试程序性能测试程序1. HWiNFO32HWiNFO32是一款电脑硬件检测软件。它不仅可以显示出处理器、主板及芯片组、PCMCIA接口、BIOS版本、内存等信息，而且还提供了对处理器、内存、硬盘（WIN9X里不可用）以及CD-ROM的性能测试功能。这里使用HWiNFO32对处理器、内存、硬盘进行性能测试，具体步骤如下：1.下载安装运行HWiNFO32，运行程序，在弹出的对话框中，点击Run按钮；2.程序会弹出一个SystemSummary的窗口，即是本机的一些主要硬件信息，点右下角的Close按钮关闭，找到HWiNFO32主窗口的菜单栏的Benchmarks，在弹出的窗口SelectBenchmark(s)ToPerform中可以对要测试的处理器、内存、硬盘进行选择，一般默认即可。3.需特别注意的是，开始Benchmarks前，要把所有打开的程序都关掉，且测试时不能移动鼠标。关掉所有打开的程序后，点击窗口SelectBenchmark(s)ToPerform里的Start!按钮开始测试。测试结果一般会很快出现，如图7.56；此外，还可以在弹出的结果页面，点击Compare与其他硬件的测试结果进行比较，如图7.57。7.9接口信息及性能测试程序7.9接口信息及性能测试程序图7.56处理器、内存、硬盘性能测试结果图7.57CPU的结果与其他CPU进行比较2. 3DMark3DMark一直以来都是最受欢迎的显卡3D图形性能基准测试软件。但是需注意不同3DMark所能测试的显卡是不同的，具体如下所示：3DMark11DirectX113DMarkVantageDirectX103DMark06DirectX9.0c3DMark05DirectX9.0b3DMark03DirectX9.03DMark2001/SEDirectX8.0/8.1下面使用3DMarkVantage对测试平台的DirectX10显卡进行测试，具体步骤如下：1.下载安装运行3DMarkVantage，弹出程序界面如图7.58所示，点击PRESETS可以选择要进行预设测试；2.若需进行自定义测试，可以点击右侧的OPTIONS进行自定义设置，如图7.59所示；3.在设置完成后，回到MAIN页面点击RUNBENCHMARK，即可进行测试。需提醒的是，不同计算机、不同级别的测试所需的时间是不一样的，需耐心等候测试完成。测试完成后，会给出所得分数，以及各项测试结果，如图7.60所示。7.9接口信息及性能测试程序7.9接口信息及性能测试程序图7.573DMarkVantage程序界面7.9接口信息及性能测试程序图7.59测试选项设置页面7.9接口信息及性能测试程序图7.603DMarkVantage测试的结果页面此外，3DMarkVantage亦可利用SYSTEM INFO获得系统信息。当然，除了此处提到的程序外，还有其他的基准测试程序如PCMark等，它们可以使我们对系统的接口信息和系统的性能有更好地了解，使我们更好地使用计算机。1.简述键盘的工作原理。2.常见的键盘接口类型有哪些？键盘的分类方法有哪些？3.简述鼠标的工作原理。4.鼠标的种类有哪些？5.简述显卡的作用、工作原理和性能指标。6.试着比较CRT和LCD的技术参数以及优缺点。7.如何给计算机安装网络打印机？请试着描述出来。8.打印机的分类方法以及打印机的性能参数。9.简述网卡的工作原理以及分类方法。10.试着写出网卡的安装和配置的步骤。11.试说说扫描仪的种类和性能指标。12.计算机语音系统的由哪几部分组成？各个部分有什么特点？13.什么是GPS？14.试着总结本章提到的几个识别系统。15.试着获取个人计算机系统接口信息，并对其进行性能测试。习题第8章多媒体技术本章要点本章要点l8.1多媒体技术概述多媒体技术概述l8.2 音频技术音频技术l8.3 数字视频技术数字视频技术l8.4 虚拟现实虚拟现实l8.5 视频制作实例视频制作实例l习题习题本章逻辑结构l8.1多媒体技术概述多媒体技术概述8.1.1 多媒体及相关名词的定义多媒体及相关名词的定义8.1.2 多媒体计算机多媒体计算机8.1.3 多媒体数据压缩和编码技术多媒体数据压缩和编码技术8.1.4 多媒体系统的数据和文件格式多媒体系统的数据和文件格式本章逻辑结构l8.2 音频技术音频技术8.2.1 数字音频的基本概念数字音频的基本概念8.2.2 音频数据采样与处理音频数据采样与处理8.2.3 语音识别技术语音识别技术8.2.4 音频处理硬件和软件音频处理硬件和软件l8.3 数字视频技术数字视频技术8.3.1视频的基本概念视频的基本概念8.3.2 视频采集卡视频采集卡8.3.3 视频数据的采集和处理视频数据的采集和处理8.3.4 流媒体流媒体8.3.2 视频处理软件视频处理软件本章逻辑结构l8.4 虚拟现实虚拟现实8.4.1 虚拟现实设备虚拟现实设备8.4.2 虚拟现实技术的分类虚拟现实技术的分类8.4.3 3D环境的建立环境的建立l8.5 视频制作实例视频制作实例l习题习题8.1多媒体技术概述多媒体技术概述 8.1.1 多媒体及相关名词的定义多媒体及相关名词的定义1媒体的定义我们通常所说的“媒体”（Media）包括两层含义。一是指信息的物理载体（即存储和传递信息的实体），如书本、挂图、磁盘、光盘、磁带以及相关的播放设备等；另一层含义是指信息的表现形式（或者说传播形式），如文字、声音、图像、动画等。l2多媒体的定义l多媒体的英文单词是Multimedia，它由multi和media两部分组成。可以理解为多种媒体的综合。但是，多媒体并不是简单地将多种媒体组合，而是有机的结合在一起，以达到和用户进行互动和交流的系统；如电视节目包含图像、声音等信息，但人们并不把电视称为多媒体。8.1多媒体技术概述多媒体技术概述l3多媒体技术的定义l多媒体技术不是各种信息媒体的简单复合，它是一种把文本（Text）、图形（Graphics）、图像（Images）、动画（Animation）和声音（Sound）等形式信息结合在一起，并通过计算机进行综合处理和控制，能支持完成一系列交互式操作的信息技术。多媒体技术的发展改变了计算机的使用领域，使计算机由办公室、实验室中的专用品变成了信息社会的普通工具，广泛应用于工业生产管理、学校教育、公共信息咨询、商业广告、军事指挥与训练，甚至家庭生活与娱乐等领域。l4多媒体技术的特点。l（1）数字化l（2）集成性l（3）交互性l（4）实时性8.1多媒体技术概述多媒体技术概述 5多媒体技术的应用多媒体技术的应用l目前，多媒体技术的应用领域已经十分广泛，它不仅覆盖了绝大部分的计算机应用领域，而且还拓展了新的应用领域。借助日益普及的高速信息网，被广泛应用在咨询服务、图书、教育、通信、军事、金融、医疗等诸多行业，并正潜移默化地改变着我们生活的面貌。（1）多媒体视频会议系统多媒体视频会议系统是以会议的形式实现在不同地理位置上的人们的交流，包括语言、图像、动画、视频、数据等的传递和交流。可以大大提高工作效率。l（2）多媒体远程教育l多媒体远程教育实现了学员在家中进行学习的愿望，为人们提供了更多、更好的学习机会。而且还可以利用多媒体的多种表现形式及网络的即时特点，让学员打破传统的教学模式，增加师生互动，自己调整学习的进度，无疑增加了学习的时间、延伸了学习的空间（3）多媒体远程医疗系统多媒体远程医疗系统可以为偏远地区的人们提供医疗服务；如请医学专家进行远程会诊、指导当地的医生进行复杂手术等。8.1多媒体技术概述多媒体技术概述（4）多媒体数据库系统多媒体数据库是数据库技术与多媒体技术相结合的产物。它可以将文本、数据、图形、图像、声音、视频等多种媒体的信息集成管理和表示，而且可以对多媒体数据库信息进行检索和查询，使之应用到更为广泛的领域中。（5）多媒体图书馆和电子出版物近年来，电子出版物以其信息容量大、易于检索、成本低等优点得到了迅速的发展。并且取代了一些传统的出版物。利用CDROM大容量的存储空间与多媒体声像功能的结合还可以提供百科全书、旅游指南系统、地图系统等电子工具和电子辞典、技术手册和电子书刊等电子出版物。8.1多媒体技术概述多媒体技术概述8.1.2多媒体计算机1多媒体计算机的定义多媒体计算机的定义多媒体计算机的英文全称为MultimediaPersonalComputer，简称MPC。相对于一般的PC（个人计算机），多媒体计算机增加了一些多媒体部件（包括硬件和软件），使得计算机具有多媒体处理能力。2多媒体计算机系统多媒体计算机系统多媒体系统是一个能处理多媒体信息的计算机系统。它是在现有PC计算机基础上加上硬件板卡和相应的软件，使其能对多媒体信息进行获取、编辑、加工、处理、存取和输出。多媒体计算机系统与普通计算机一样，也是由多媒体硬件和多媒体软件两部分组成。其核心是一台计算机，外围主要是视听等多种媒体设备。因此，简单地说，多媒体系统的硬件是计算机主机及可以接收和播放多媒体信息的各种输入/输出设备，其软件是音频/视频处理核心程序、多媒体操作系统及各种多媒体工具软件和应用软件。8.1多媒体技术概述多媒体技术概述8.1.3 多媒体数据压缩和编码技术多媒体数据压缩和编码技术在多媒体计算机系统中，为了达到令人满意的图像、视频画面质量和听觉效果，必须解决视频、图像、音频信号数据的大容量存储和实时传输问题。解决的方法，除了提高计算机本身的性能及通信信道的带宽外，更重要的是对多媒体进行有效的压缩。图形、视频动画和音频等多媒体数据一般都存在大量的冗余，比如常用的位图格式的图像数据中，像素与像素之间无论在行方向还是在列方向都具有很大的相关性，因而整体上数据的冗余度很大，使用数学方法来表示这些重复数据就可以减少数据量。这种采用去掉冗余的压缩方法叫做无损压缩。还可以利用人的视觉对于边缘急剧变化不敏感和对图像的亮度信息敏感、对颜色分辨率弱的特点，舍弃一些非主要的细节，在允许一定限度失真的前提下，对图像数据进行压缩。这种压缩方法叫做有损压缩。8.1多媒体技术概述多媒体技术概述1文本文件的压缩文本文件的压缩文本文件的压缩是因为文本文件中有大量的空格和重复的词组，采用自适应模式替换和指针压缩等方法就可以大幅度减少文本的大小。自适应的模式替换扫描整个文本并且寻找相同模式，用一个符号代替这种模式。比如用“#”来替代“the”，“the”占用了三个字节，但“#”只有一个字节。每次替代会节省两个字节。采用自适应模式替换技术时，当文档中含有大量重复信息时，压缩的效果越好。文件越长，更有可能包含重复信息，压缩效果也越好。2图形文件压缩图形文件压缩原始位图图像文件很大，但是它们通常包含有可以压缩的重复的数据，如一大块同一种颜色的区域等，这就可以采用游程编码的技术进行压缩。游程编码又称“运行长度编码”或“行程编码”，是一种统计编码，该编码属于无损压缩编码，是栅格数据压缩的重要编码方法。游程编码的基本原理是：用一个符号值或串长代替具有相同值的连续符号，使符号长度少于原始数据的长度。只在各行或者各列数据的代码发生变化时，一次记录该代码及相同代码重复的个数，从而实现数据的压缩。8.1多媒体技术概述多媒体技术概述3视频文件压缩视频文件压缩视频压缩技术是将某个视频格式的文件转换成另一种视频格式文件的方式。目前视频流传输中最为重要的编解码标准有国际电联的H.261、H.263，运动静止图像专家组的M-JPEG和国际标准化组织运动图像专家组的MPEG系列标准，此外在互联网上被广泛应用的还有Real-Networks的RealVideo、微软公司的WMV以及Apple公司的QuickTime等。8.1.4 多媒体系统的数据和文件格式多媒体系统的数据和文件格式1图形图像和视频表示图形图像和视频表示（1）位图（2）矢量图（3）灰度图和彩色图（4）数字视频8.1多媒体技术概述多媒体技术概述2常见的图形图像和视频文件格式常见的图形图像和视频文件格式（1）BMP文件（静态图像文件）（2）PCX文件（静态图像文件）（3）GIF文件（静、动态图像文件）（4）JPEG文件（静态图像文件）（5）PNG文件（静态图像文件）（6）TIFF文件（静态图像文件）（7）WMF文件（静态图像文件）（8）RIFF文件（资源交换文件格式）（9）AVI文件（动态影像文件）（10）Indeo文件（动态影像文件）（11）MPEG文件（动态影像文件）（12）MOV文件（动态影像文件）（13）MIDI文件（音乐文件）8.2音频技术声音是由振动产生的。所谓的声音频率，就是发声源的振动频率。频率的单位是赫兹（HERZ，以证实电磁波存在的德国物理学家赫兹的名字命名），也就是1秒内振动的次数。大自然及人类可能制造出的声音，从1赫兹，到几十万赫兹，范围跨度极大，但并不是所有的声波振动人耳都能听到。音频是指人类能够听到的所有声音，正常人耳的音频范围一般约为20Hz20kHz。声音被录制下来以后，无论是说话声、歌声、乐器都可以通过数字音乐软件处理，或是把它制作成CD，这时候所有的声音没有改变，因为CD本来就是音频文件的一种类型。而音频只是储存在计算机里的声音。如果有计算机再加上相应的音频卡就是我们经常说的声卡，我们可以把所有的声音录制下来，声音的声学特性如音的高低等都可以用计算机硬盘文件的方式储存下来。反过来，我们也可以把储存下来的音频文件用一定的音频程序播放，还原以前录下的声音。8.2 音频技术音频技术8.2.1 数字音频的基本概念数字音频的基本概念1声音的定义用物理学的方法分析，声音是一种波。描述声音特征的物理量有声波的振幅（Amplitude）、周期（Period）和频率（Frequency）。因为频率和周期互为倒数，因此，一般只用振幅和频率两个参数来描述声音。其中，频率反映声音的高低，振幅反映声音的大小。声音中含有高频成分越多，音调就越高，也就是越尖，反之则越低；声音的振幅越大，声音则越大，反之则越小。需要指出的是，现实世界的声音不是由某个频率或某几个频率组成，而是由许多不同频率不同振幅的正弦波叠加而成。2声音的分类（1）亚音频（Infrasound）0Hz20Hz（2）音频（Audio）20Hz20KHz（3）超音频（Ultrasound）20KHz1GHz（4）过音频（Hypersound）1GHz1THz8.2 音频技术音频技术3音频音频（Audio）是用声音的频率界定的，指频率在20Hz20KHz范围内的声波。音频所覆盖的声音频率是人的耳朵所能听到的声音。4模拟音频人们从自然界中获得的声音信号和通过传声器得到的声音电信号等在时间和幅度上都是连续变化的，这样的信号称为模拟信号。模拟音频是指随时间连续变动的声音波形的模拟记录形式，通常采用电磁信号对声音波形进行模拟记录。5数字音频数字音频是模拟声音进入计算机后的一种记录和存储形式。模拟声音在时间和幅度上是连续的，声音的数字化是通过采样、量化和编码，把模拟量表示的音频信号转换成由许多二进制数1和0组成的数字音频信号。数字音频是一个数据序列，在时间和幅度上是断续的。计算机内的基本数制是二进制，在处理声音时必须进行数字化。为此要把声音数据写成计算机的数据格式。将连续的模拟音频信号转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化），使时间上连续变化的波形声音变为一串0、1构成的数字序列，这种数字序列就是数字音频。在这一处理技术中，涉及到音频的采样、量化和编码。光盘、硬盘都可以作为数字音频的记录媒体。8.2 音频技术音频技术8.2.2 音频数据采样与处理音频数据采样与处理1采样采样采样（sampling）是在某个特定的时刻对模拟信号进行测量。一般是每隔一定时间对模拟信号的幅值进行测量，得到离散的幅值，用它代表两次采样之间的模拟值。每一次采样都记录下了原始模拟声波在某一时刻的状态，称之为样本。2量化量化采样把模拟信号变成了时间上离散的样值序列，但每个样值的幅度仍然是一个连续的模拟量，因此还必须对其进行离散化处理，将其转换为有限个离散值，才能最终与数码来表示其幅值。也就是还需要用某种数字化的方法来反映某一瞬间声波幅度的电压值的大小，该值的大小影响音量的高低。我们把声波波形幅度的数字化表示称为量化。量化过程是将采样值在幅度上再进行离散化处理的过程。先将采样后的信号按整个声波的幅度划分为有限个区段的量化阶集合，把落入某个量化阶内的采样值都赋予相同的值，即量化值。8.2 音频技术音频技术8.2.2 音频数据采样与处理音频数据采样与处理3编码编码音频编码方法有三种类型：波形编码、参数编码、混合编码。波形编码是尽量保持输入波形不变，即重建的语音信号基本上与原始语音信号波形相同，压缩比较低；参数编码是要求重建的信号听起来与输入语音一样，但其波形可以不同，它是以语音信号所产生的数学模型为基础的一种编码方法，压缩比较高；混合编码是综合了波形编码的高质量潜力和参数编码的高压缩效率的混合编码的方法，这类方法也是目前低码率编码的方向。4模模/数转换质量的技术指标数转换质量的技术指标（1）采样频率。（2）采样精度。（3）声道数。5数字音频的存储空间数字音频的存储空间存储容量（字节）=采样频率（采样精度/8）声道数时间8.2 音频技术音频技术8.2.3 语音识别技术语音识别技术语音识别技术（AutomaticSpeechRecognition，ASR)，又称为自动语音识别，其目标是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入。也就是让机器听懂人类的语音。它是语音信号处理的一个重要研究方向，是模式识别的一个分支，涉及到生理学、心理学、语言学、计算机科学以及信号处理等诸多领域，甚至还涉及到人的体态语言（如人在说话时的表情、手势等行为动作可帮助对方理解），其最终目标是实现人与机器进行自然语言通信。1 语音识别系统的分类语音识别系统的分类2 语音识别系统的工作原理语音识别系统的工作原理（1）语音识别单元的选取（2）特征参数提取（3）模式匹配及模型训练技术8.2 音频技术音频技术3 语音识别技术的应用领域语音识别技术的应用领域语音识别技术应用于需要以语音作为人机交互手段的场合，主要是实现听写和命令控制功能。语音识别技术的应用主要有以下两个方面。一是用于人机交流。使用键盘、鼠标与电子计算机进行交流的这种方式，使许多非专业人员，特别是不懂英语或不熟悉汉语拼音的人被拒之于门外，影响到电子计算机的进一步普及。语音识别技术的采用，改变了人与计算机的互动模式，人们只需动动口，就能打开或关闭程序，改变工作界面。这种使电脑人性化的结果是使人的双手得到解放，使每个人都能操作和应用计算机。另外，电话仍是目前使用最为普遍的通信工具，通过电话与语音识别系统的协同工作，可以实现语音拨号、电话购物以及通过电话办理银行业务、炒股、上网检索信息或处理电子件等。不久，能根据主人口令接通电话、打开收音机，以及通过声纹识别来者身份的安全系统也将获得应用。现在越来越多的功能处理器和先进的软件已经实现把声音和语音功能集成到微机系统中，借助于具有命令识别能力的多媒体操作系统和具有语音识别能力的数据库系统，语音可以命令和控制计算机像代理一样为用户处理各种事务，从而极大地提高用户的工作效率。8.2 音频技术音频技术8.2.4 音频处理硬件和软件音频处理硬件和软件1. 声音处理硬件声音处理硬件音频卡（声卡）音频卡（声卡）声卡(SoundCard)也叫音频卡，是多媒体技术中最基本的组成部分，它是实现声波数字信号相互转换的一种硬件。（1）声卡的工作原理通过声卡及相应的驱动程序的控制，采集来自话筒、收录机等音源的信号，压缩录制成数字声音文件后被存放在计算机系统的内存或硬盘中；将硬盘或激光盘压缩的数字化声音文件还原成高质量的声音信号，放大后通过扬声器放出；对数字化的声音文件进行加工，以达到某一特定的音频效果；控制音源的音量，对各种音源进行组合，实现混响器的功能；利用语言合成技术，通过声卡朗读文本信息；具有初步的音频识别功能，让操作者用口令指挥计算机工作；提供MIDI功能，使计算机可以控制多台具有MIDI接口的电子乐器。8.2 音频技术音频技术8.2.4 音频处理硬件和软件音频处理硬件和软件（2）声卡的类型目前市场的声卡主要分为板卡式、集成式和外置式三种接口类型。（3）声卡的结构）声卡的结构（4）声卡的性能指标采样位数采样频率MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface，音乐设备数字接口）功能信噪比(SignaltoNoiseRatio，SNR)支持的声道数数字信号处理8.2 音频技术音频技术（5）声卡的选购选择集成声卡还是独立声卡注意声卡的做工兼容性试听2. 声音处理软件声音处理软件（1）录音、混音和音频编辑软件Windows自带的录音机多声道录放和特效处理软件（2）音乐创作、编曲、音源合成软件（3）效果器软件（4）音频文件格式转换软件8.3 数字视频技术数字视频技术视频（Video）泛指将一系列的静态影像以电信号方式加以捕捉、纪录、处理、储存、传送和重现的各种技术。视频是多媒体应用的基本元素。视频其实是由许多幅单一的画面构成的，每一幅画面称为帧。当快速播放帧时，由于人眼的滞留效应而产生连续运动的效果，所以帧是视频信息构成的最基本单位。8.3.1 视频的基本概念视频的基本概念1视频的制式（1）PAL制式（2）NTSC制式2视频数字化标准的NTSC和PAL等制式视频信号都是模拟信号，而计算机采用二进制数据表示，所以要让计算机处理视频信息，必须先对视频信号进行数字化处理。视频信号的数字化和音频信号数字化相同，也是对视频信号进行采样捕获，将采样数值加以保存。视频数字化其实是在一定时间以一定的速度对视频信号进行捕获并加以采样后形成数字化数据。8.3 数字视频技术数字视频技术3视频编辑视频信号采样后，就可以进行加工和编辑，比如删除、改变视频格式等，常用的视频编辑软件有Adobe公司的Premiere和Microsoft公司的VideoForWindows（VFW）。Premiere软件功能比较强，可以编辑和组接各种视频片段，添加过渡效果、字幕、图标和配音等。常用的视频格式有.avi、.mov、.mpg、.rm等。8.3.2 视频采集卡视频采集卡视频采集卡又称视频捕捉卡，是安装在计算机扩展槽上的硬卡，可以从电视、硬碟、摄像机等视频源捕捉采集视频信号并进行数字化、存储、输出和其他处理操作。1视频采集卡的工作原理视频采集卡的工作原理多通道的视频输入用来接收视频输入信号，视频源信号首先经A/D（模/数）转换器将模拟信号转换成数字信号，然后由视频采集控制器对其进行剪裁、改变比例后压缩存入帧存储器。输出模拟视频时，帧存储器的内容经D/A（数/模）转换器把数字信号转换成模拟信号输出到电视机或录像机中。8.3 数字视频技术数字视频技术2视频采集卡的分类视频采集卡的分类按照视频采集的图像指标和用途不同，视频采集卡可分为广播级视频采集卡、专业级视频采集卡和民用级视频采集卡。3视频采集卡的性能指标视频采集卡的性能指标（1）总线接口（2）实时压缩功能（3）采集分辨率和帧频8.3.3 视频数据的采集与处理视频数据的采集与处理1视频采集视频采集模拟视频信号从模拟视频输出源输出，比如录像机、电视机、摄像机等，视频采集卡对这些模拟信号进行采集、量化和编码，转换为二进制数字信息。2视频编辑视频编辑模拟视频数字化以后，可以直接使用和播放，但通常还需要利用一些编辑软件进行编辑，比如加入字幕、老电影效果、删除等操作。视频编辑一般分为线性编辑和非线性编辑两种。8.3 数字视频技术数字视频技术3视频输出视频输出有时候需要把数字视频文件转换成模拟视频信号输出到电视机上进行显示，或输出到录像机记录到磁带上。数字视频输出是数字视频采集的逆向过程，需要专门设备来完成数字信号到模拟信号的转换。有的视频采集卡带有视频输入和输出接口，可以直接实现视频输出。8.3.4 流媒体流媒体流媒体（StreamingMedia）是一种可以使音频、视频和其它多媒体能在网络上以实时的、无需下载等待的方式进行播放的技术。流媒体文件格式是指采用流式传输的方式在网络上播放的媒体格式。1流媒体系统的组成流媒体系统的组成一个流媒体系统一般由三部分组成：流媒体开发工具，用来生成流媒体格式的媒体文件；流媒体服务器组件，用来通过网络服务器发布流媒体文件；流媒体播放器，用于客户端对流媒体文件的解压和播放。8.3 数字视频技术数字视频技术2流媒体常见的文件格式流媒体常见的文件格式（1）ASF格式（2）FLV格式（3）RA/RM/RMVB格式（4）MOV格式（5）SWF格式（6）WMA格式（7）MP3格式（8）3GP格式8.3.5 视频处理软件视频处理软件1视频编辑软件视频编辑软件（1）AdobePremiere（2）会声会影2视频文件格式转换软件视频文件格式转换软件 8.4虚拟现实虚拟现实（VirtualReality）一词源于1989年，由美国的JaronLanier提出。虚拟现实简称VR，也称为“人工现实”、“临境”等，是多媒体发展的更高境界，就是用计算机技术生成一个逼真的，集视、听、触、嗅觉等为一体的感觉世界(或称实体)，用户通过其感观与这一生成的虚拟实体进行交互沟通，如同处理真实物体一样对待由计算机生成的虚拟实体。概括地说，虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境，它可以是实际上可实现的，也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此，虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境，人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中，并操作、控制环境，实现特殊的目的，即人是这种环境的主宰。8.4虚拟现实从本质上来说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度地方便用户的操作。根据虚拟现实技术所应用的对象不同，其作用可表现为不同的形式，例如将某种概念设计或构思可视化和可操作化，实现逼真的遥控现场效果，达到任意复杂环境下的廉价模拟训练目的等。该技术的主要特征有以下几方面：1多感知性（Multi-Sensory）2浸没感（Immersion）3交互性（Interactivity）4构想性（Imagination）8.4虚拟现实8.4.1 虚拟现实设备虚拟现实设备在VR系统中，有许多有趣的、功能不同的专用设备，如图8.15所示。下面选一些代表性的设备加以介绍。BOOM可移动式显示器：它是一种半投入式视觉显示设备。使用时，用户可以把显示器方便地置于眼前，不用时可以很快移开。BOOM使用小型的阴极射线管，产生的像素数远远小于液晶显示屏，图像比较柔和，分辨率为12801024像素，彩色图像。数据手套：数据手套是一种输入装置，它可以把人手的动作转化为计算机的输入信号。它由很轻的弹性材料构成。该弹性材料紧贴在手上，同时附着许多位置、方向传感器和光纤导线，以检测手的运动。光纤可以测量每个手指的弯曲和伸展，而通过光电转换，手指的动作信息可以被计算机识别。TELETACT手套：它是一种用于触觉和力觉反馈的装置，利用小气袋向手提供触觉和力觉的刺激。这些小气袋能被迅速地加压和减压。当虚拟手接触一件虚拟物体时，存储在计算机里的该物体的力模式被调用，压缩机迅速对气袋充气或放气，使手部有一种非常精确的触觉。 8.4虚拟现实8.4.2 虚拟现实技术的分类虚拟现实技术的分类根据用户参与VR的不同形式以及沉浸的程度不同，可以把各种类型的虚拟现实技术划分四类：1桌面虚拟现实桌面虚拟现实桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。通过各种输入设备实现与虚拟现实世界的充分交互，这些外部设备包括鼠标，追踪球，力矩球等。它要求参与者使用输入设备，通过计算机屏幕观察360度范围内的虚拟境界，并操纵其中的物体，但这时参与者缺少完全的沉浸，因为它仍然会受到周围现实环境的干扰。桌面虚拟现实最大特点是缺乏真实的现实体验，但是成本也相对较低，因而，应用比较广泛。常见桌面虚拟现实技术有：基于静态图像的虚拟现实QuickTimeVR、虚拟现实造型语言VRML、桌面三维虚拟现实、MUD等。8.4虚拟现实2沉浸的虚拟现实沉浸的虚拟现实高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。它利用头盔式显示器或其它设备，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，并提供一个新的、虚拟的感觉空间，并利用位置跟踪器、数据手套、其它手控输入设备、声音等使得参与者产生一种身临其境、全心投入和沉浸其中的感觉。常见的沉浸式系统有：基于头盔式显示器的系统、投影式虚拟现实系统、远程存在系统。3增强现实性的虚拟现实增强现实性的虚拟现实增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。典型的实例是战机飞行员的平视显示器，它可以将仪表读数和武器瞄准数据投射到安装在飞行员面前的穿透式屏幕上，它可以使飞行员不必低头读座舱中仪表的数据，从而可集中精力盯着敌人的飞机或导航偏差。8.4虚拟现实4分布式虚拟现实分布式虚拟现实如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。在分布式虚拟现实系统中，多个用户可通过网络对同一虚拟世界进行观察和操作，以达到协同工作的目的。目前最典型的分布式虚拟现实系统是SIMNET，SIMNET由坦克仿真器通过网络连接而成，用于部队的联合训练。通过SIMNET，位于德国的仿真器可以和位于美国的仿真器一样运行在同一个虚拟世界，参与同一场作战演习。 8.4虚拟现实8.4.33D环境的建立总的来说，实物虚化、虚物实化和高性能的计算处理技术是VR技术的3个主要方面。实物虚化是现实世界空间向多维信息化空间的一种映射，主要包括基本模型构建、空间跟踪、声音定位、视觉跟踪和视点感应等关键技术，这些技术使得真实感虚拟世界的生成、虚拟环境对用户操作的检测和操作数据的获取成为可能。它具体基于以下几种技术：（1）基本模型构建技术。它是应用计算机技术生成虚拟世界的基础，它将真实世界的对象物体在相应的3D虚拟世界中重构，并根据系统需求保存部分物理属性。例如车辆在柏油地、草地、沙地和泥地上行驶时情况会有所不同，或对气象数据进行建模生成虚拟环境的气象情况（阴天、晴天、雨、雾）等等。（2）空间跟踪技术。主要是通过头盔显示器、数据手套、数据衣等常用的交互设备上的空间传感器，确定用户的头、手、躯体或其他操作物在3D虚拟环境中的位置和方向。 8.4虚拟现实（3）声音跟踪技术：利用不同声源的声音到达某一特定地点的时间差、相位差、声压差等进行虚拟环境的声音跟踪。（4）视觉跟踪与视点感应技术。使用从视频摄像机到X-Y平面阵列、周围光或者跟踪光在图像投影平面不同时刻和不同位置上的投影，计算被跟踪对象的位置和方向。 8.5 视频制作实例视频制作实例以同三维的T10001394采集卡为例，介绍DV转换为VCD的操作过程。第一步：安装采集卡。安装分以下步骤完成：首先关闭计算机电源，打开机箱，将视频采集卡安装在一个空的PCI插槽上。从视频采集卡包装盒中取出螺丝，将视频采集卡固定在机箱上。将摄像头的信号线连接到视频采集卡上。第二步：采集。采集是把摄像机DV带上的图象全部采集到硬盘上。最好要有大点的硬盘空间（一个小时的录像需要大约15G空间）。如果已正确安装了1394卡，则会声会影软件功能列表会显示出“捕获”菜单项，否则它会是灰色不可用的。第三步：编辑。按照自己需求对视频文件进行编辑，比如场景切换、添加字幕、背景音乐、录制旁白等，会声会影软件自身带了很多素材，可以直接利用。第四步：压缩。压缩成需要的格式，比如DVD、VCD等。可将编辑好的视频文件输出为AVI、MPEG、RM等格式，还可以根据会声会影提供的摸板方便地生成符合VCD、DVD、SVCD格式的视频文件。最后一步：刻盘。根据需要刻录成DVD或VCD。会声会影提供的刻录功能，无需再安装其他刻录软件。习题习题1名词解释名词解释多媒体计算机位图矢量图有损压缩无损压缩模拟信号数字信号采样量化语音识别技术音频卡视频采集卡流媒体虚拟现实2填空题填空题（1）声音定义是：声音是振动波，具有_、_和_。（2）数字音频采样和量化过程所用的主要硬件是_。（3）我们制作的动画和电影正是利用人眼的视觉暂留特性，如果动画或电影的画面刷新率为每秒_幅左右，则人眼看到的就是连续的画面。（4）通常，声音用和中模拟的连续波形表示。波形描述了空气的振动，波形最高点（或最低点）与基线间的距离为_，表示声音的强度。波形中两个连续波峰间的距离称为_。波形_由1S内出现的周期数决定。（5）CMYK模式是针对印刷而设计的模式。C代表_、M代表_、Y代表_、K代表_，是构成印刷上的各种油墨的原色。（6）媒体中的_指的是能直接作用于人们的感觉器官，从而能使人产生直接感受的媒体。习题习题（7）RGB颜色空间中的R、G、B分别是_、_、_。（8）若采样频率为44100Hz，16bit(2Byte)，立体声(2声道)，则1分钟的总数据量为_。（9）RGB模式主要用于_，CMYK模式主要用于_。（10）声音是振动波，具有_、_和_。（11）声卡也叫音频卡，是多媒体技术中最基本的组成部分，它是实现_的一种硬件。（12）语音识别技术目标是将_转换为计算机可读的输入。（13）常见的电视信号制式有_和_两种。（14）按照视频采集的图像指标和用途不同，视频采集卡可分为_、_和_。（15）一个流媒体系统一般由三部分组成：_，用来生成流媒体格式的媒体文件；_，用来通过网络服务器发布流媒体文件；_，用于客户端对流媒体文件的解压和播放。（16）数字音频主要包括两类：_和_。习题习题3选择题选择题（1）数字音频采样和量化过程所用的主要硬件是（）。A）数字编码器B）数字解码器C）模/数转换器（A/D转换器）D）数/模转换器（D/A转换器）（2）下列采集的波形声音，（）质量最好。A）单声道、8位量化、22.05khz采样频率B）双声道、8位量化、44.1khz采样频率C）单声道、16位量化、22.05khz采样频率D）双声道、16位量化、44.1khz采样频率（3）对于同一幅图像，（）格式占存储空间较少。A）TIFFB）BMPC）JPGD）PSD（4）下列文件格式中，（）是常用的动画文件格式。A）swfB）gifC）aviD）vcd（5）将电视台播放的模拟信号节目存入计算机，使用的设备是（）。A）显卡B）声卡C）视频采集卡D）光驱（6）下列文件的扩展名中，表示声音文件的是（）。A）.docB）.wavC）.xlsD）.psd（7）下列文件的扩展名中，含有视频信息的是（）。A）.midB）.wavC）.mp3D）.avi习题习题（8）5分钟双声道、16位采样位数、44.1kHz采样频率的声音，不压缩文件的数据量是（）。A）50.47MBB）52.92MBC）201.87MBD）25.23MB（9）一般说来，要求图像的质量越高，则（）。A）采样频率越低和量化等级越低B）采样频率越高和量化等级越高C）采样频率越高和量化等级越低D）采样频率越低和量化等级越高（10）由许多点组成的点阵图称为位图，构成位图的点称为像素。位图多用于表达真实的景物和创作富于层次、色彩和光感的作品。它突出的缺点之一是数据量大，另一个缺点是（）。A）缩放时会产生失真B）放大时会产生失真C）缩小时会产生失真D）缩放时不会产生失真（11）体现音频数字化质量的参数有三个，它们分别是：声道数、采样频率和（）。A）采样等级B）声道等级C）量化等级D）音量等级（12）（）随意改变其大小不会产生失真，所占存储空间小，一般多用于计算机辅助设计。A）机械制图B）矢量图C）模拟图D）扫描图习题习题（13）动画的基本原理与电影、电视一样，都是利用了人眼的（）特性。利用这一原理，在一幅画还没有消失前播放出下一幅画，就会给人造成一种动的视觉变化效果。A）视觉暂留B）视觉角度C）视觉曲线D）视觉分辨（14）计算机通过视频采集设备对视频信号进行扫描，然后通过采样、量化和编码生成数字视频。数字视频由一系列帧组成，每帧是一幅（）图像，A）静止的B）移动的C）变化的D）跳跃的（15）在数字音频信息获取与处理的过程中，下列顺序正确的是（）。A）模/数转换、采样、压缩、存储、解压缩、数/模转换B）采样、压缩、模/数转换、存储、解压缩、数/模转换C）采样、模/数转换、压缩、存储、解压缩、数/模转换D）采样、数/模转换、压缩、存储、解压缩、模/数转换（16）将录音带上的模拟信号节目存入计算机，使用的设备是（）。A）声卡B）网卡C）显卡D）光驱（17）在图像像素的数量不变时，增加图像的宽度和高度，图像分辨率会发生（）的变化。A）降低B）增高C）不变习题习题（18）以下关于流媒体说法正确的是（）。A）多媒体就是流媒体B）只有视频才有流媒体C）多媒体与流媒体是同时发展的D）流媒体指在因特网或者局域网中使用流式传输技术，由媒体服务器向用户实时传送音频或多媒体文件（19）关于图像数字化，以下说法错误的是（）。A）数字化图像不能直接观看，必须借助播放设备及软件才能观看B）数字化图像不会失真C）数字化图像传输非常方便D）图像的数字化就是将图像用二进制编码的形式来表示（20）国际上常用的视频制式有：（）（1）pal制（2）ntsc制（3）secam制（4）mpegA）（1）B）（1）（2）C）（1）（2）（3）D）全部（21）视频采集卡能支持多种视频源输入，下列哪些是视频采集卡支持的视频源：（）（1）放像机2）摄象机（3）影碟机（4）CD-ROMA）仅（1）B）（1）（2）C）（1）（2）（3）D）全部习题习题（22）下列数字视频中哪个质量最好：（）A）240180分辨率、24位真彩色、15帧/秒的帧率B）320240分辨率、30位真彩色、25帧/秒的帧率C）320240分辨率、30位真彩色、30帧/秒的帧率D）640480分辨率、16位真彩色、15帧/秒的帧率4问答题和计算题问答题和计算题（1）什么是媒体和多媒体？它们各自有哪些类别？（2）简述多媒体技术的定义和特点。（3）简述一个完整的多媒体计算机层次结构（4）通过对比分析点阵图与矢量图的原理和特点。（5）试述JPEG编码的特点、原理和适用场合。（6）音频卡的功能、结构和工作原理如何？它有哪些类型？（7）请说出数字电话音质、AM音质、FM音质、CD音质的数字化采样频率？（8）请计算存储5分钟的44.1k采样频率下16位立体声音频数据至少需要多少K字节?（9）简述MIDI的含义。习题习题（10）视频采集卡的工作原理是什么？一般有哪些分类？（11）如何理解虚拟现实的含义？虚拟现实技术有哪些特征？（12）简要说明采用视频采集卡如何把DV摄像机拍摄的视频采集到计算机内并刻录成一张VCD碟片？可以采用什么软件进行视频编辑？