2.2 计算机系统平台

2.2.1 什么是计算机

电子数字计算机是一种能够自动、高速、精确地进行信息处理的现代化数字电子设备，能够实现高速数据运算和大量数据的存储。

电子计算机在最初问世时仅作为一种计算工具，随着科学技术的不断发展，现在计算机已经应用于人类生产和生活的各个方面。对计算机的科学研究日益成为与人们生活、生产密切相关的重要学科。

在人类历史上，曾出现过算盘、机械式计算器等计算工具，它们的一个共同特点是在人的直接操作下进行计算。电子计算机的主要特点却是能够自动进行计算。只要人们预先将计算的程序存储在计算机内部的存储器中，计算机就能够根据程序对输入的数据进行指定的计算。

20世纪中期，新兴的电子学和深入发展的数学带来了第一台电子数字计算机的诞生。在此后的半个多世纪里，计算机技术及产品迅速发展，性能不断提高，价格不断下降，应用领域不断扩展。科学计算、数据处理、过程控制和人工智能是计算机的主要功能。如今的计算机已经成为一个复杂的智能系统，由多种软硬件设备组成。图2—1显示的就是典型计算机系统的组成。

2.2.2 计算机的体系结构

美籍匈牙利科学家冯·诺伊曼被称为“计算机之父”，他最早提出了“程序存储”的思想以及采用二进制作为数字计算机的数制基础，使计算机按照人预先编制的程序进行工作。这一思想被成功运用到计算机的设计之中，根据其理念设计出的计算机被称为冯·诺伊曼结构计算机，世界上第一台冯·诺伊曼结构计算机是1949年研制的EDSAC，目前广泛使用的仍然是基于冯·诺伊曼体系结构的计算机。根据冯·诺伊曼体系结构制成的计算机必须具有如下功能。

● 把需要的程序和数据送至计算机中；

图2—1 典型计算机系统的组成

● 必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；

● 能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；

● 能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；

● 能够按照要求将处理结果输出给用户。

为了完成上述功能，计算机必须具备五大基本组成部件 (如图2—2所示)。

图2—2 冯·诺伊曼的“程序存储”结构

这五大基本组成部件分别是。

● 输入数据和程序的输入设备；

● 记忆程序和数据的存储器；

● 完成数据加工处理的运算器；

● 控制程序执行的控制器；

● 输出处理结果的输出设备。

程序存储的体系结构在过去的几十年中也不断发展改进，如增加了浮点数、字符串等新的数据类型；采用了虚拟存储器，方便了高级语言编程；引入堆栈，支持过程调用、递归机制；支持多处理机；采用自定义数据表示；使程序和数据空间分开；等等，这使得计算机的功能和性能都有了极大的提高。

2.2.3 计算机的发展过程及方向

从世界第一台计算机ENIAC诞生到现在，计算机经历了五个发展阶段，或者说已经发展了五代。这五代是按照计算机核心运算部分所采用的基本器件来划分的，每一代的计算机在体系结构、软件技术、产品类型等方面都具有明显的特征。计算机发展的五个阶段及其特点如表2—1所示。

表2—1 计算机发展的五个阶段及其特点

计算机系统设计中的软硬件所占比重，也是计算机发展的一个重要标志。许多实际问题的解决，既可以用软件的方法，又可以用硬件的方法，软件速度较慢，硬件速度较快。在计算机发展的早期阶段，由于硬件成本居高不下，在实际应用中更多地采用软件来实现相应的功能。随着集成电路技术的不断进步，硬件设备的成本越来越低，功能越来越强大，因此在计算机设计的过程中，采用硬件实现计算机功能也逐渐成为主要的设计思想。很多实际功能可以嵌入硬件设备，从而产生了大量的专用芯片 (如数字信号处理芯片DSP等)，用于诸如电子产品、工业机械、交通工具等各种设备。而随着软件系统的不断复杂化，开发成本也大大提高，所以在很多领域都采用硬件实现来代替。这种软硬件成本的对比可以从图2—3中看出。

图2—3 计算机软硬件成本的变化情况

早期的计算机根据体积和成本通常可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机，而现在这种划分已经很难反映计算机的实际情况。今后计算机技术将朝着高性能化、微型化、大众化、智能化与人性化、功能综合化的方向发展，处理器速度将继续加快，个人电脑将具有原来的巨型机和大型机才具有的处理能力，一台计算机将使用多个处理器进行并行运算；同时，计算机的体积将进一步缩小，携带使用起来将更加方便，笔记本、PDA、智能手机等都是新的计算机产品形式。计算机的存储将采用更先进的介质和技术 (如光学、永久性半导体、磁性存储等)，容量和速度都大大提高；外设将走向高性能、网络化和集成化并且更易于携带；输出输入技术将更加智能化、人性化，随着手写输入、语音识别、生物测定、光学识别等技术的不断发展和完善，人与计算机的交流将更加便捷。

2.2.4 多媒体技术及多媒体计算机

计算机最初的功能是进行科学计算，现在计算机的功能已经大大丰富，其中多媒体处理和应用就是最重要的一个方面。可以说，提供更加强大的多媒体服务是当前计算机软硬件设计的核心任务。

“多媒体”一词源自英文“multimedia”。“媒体”在计算机领域中有两个含义：一个是指用来存储信息的实体，如软盘、硬盘和光盘等；另一个是指信息的载体，如文本、图形、图像、动画、音频和视频等。

多媒体的实质是将以自然形式存在的各种媒体数字化，然后利用计算机对这些数字信息进行加工或处理，并以一种最友好的方式提供给用户使用。因此，多媒体是一个丰富多彩的感官世界，它能使人的眼睛、耳朵、手指、大脑充分活跃起来。

多媒体技术是一种发展迅速的综合性电子信息技术，它给传统的计算机系统、音频和视频设备带来了方向性的变革，并对大众传播媒介产生了深远的影响。它是计算机技术、音频视频技术、图像压缩技术、多媒体网络技术、超媒体技术、文字处理技术等多种技术的一种结合，是多种高科技综合的产物。

多媒体技术的实现是将文本、图形、图像、动画、音频和视频等多种媒体信息通过计算机进行数字化采集、获取、压缩或解压缩、编辑、存储等加工处理，使多种媒体信息建立逻辑连接，集成为一个系统并具有交互性。从研究和发展的角度来看，多媒体技术具有以下特征。

(1)多样性。多样性是指综合处理多种媒体信息，包括文本、图形、图像、动画、音频和视频等。

(2)集成性。集成性是指将不同的媒体信息有机地组合在一起，形成一个完整的整体以及与这些媒体相关的设备集成。

(3)交互性。交互性是指人可以介入各种媒体的加工、处理过程，从而使用户更有效地控制和应用各种媒体信息。

(4)实时性。实时性是指当多种媒体集成时，其中的音频信息和视频信息与时间密切相关，甚至是实时的。在加工、存储和播放它们时，需要考虑时间特性，存取数据的速度、解压缩的速度以及最后播放速度的实时处理。

总之，多媒体技术是一种基于计算机技术的综合技术，包括信号处理技术、音频和视频技术、计算机硬件和软件技术、通信技术、图像压缩技术、人工智能和模式识别技术等，是处于发展过程中的一门跨学科的综合性高新技术。

2.2.5 多媒体的关键技术

1．数据压缩与编码技术

数据压缩与编码技术是多媒体技术的关键技术之一。如果每一幅图像都不经过任何压缩而直接进行数字化编码，那么其文件将需要非常大的存储容量，现有计算机的存储空间和总线的传输速度都很难适应。比如在一张容量为700 MB的光盘上存放了动态视频信息，以NTSC制式的30帧/秒的速率播放时，最长的播放时间也只有3分多钟，可以设想一部3 0分钟的短剧将需要7 GB的存储容量。所以要把音频和视频信号存储在有限的空间上或在现行的个人电脑总线上正确传输，必须采用数据压缩与编码技术。数据压缩是多媒体计算机发展的关键技术，是利用现实世界的信息普遍具有统计冗余这一特点而实现的。

目前所采用的多媒体数字信息图像压缩标准分为静态JPEG 和动态 MPEG 两个标准，这两个标准是由国际标准化组织 (ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)于1986年成立的联合图片专家组 (Joint Photographic Expert Group, JPEG)、运动图像专家组 (Moving Picture Expert Group, MPEG)完成的。

(1)静态图像信息压缩标准。静态图像专家组的主要任务是研究静态图像压缩算法的标准化，到1992年正式完成了用于各种分辨率和格式的连续色调图像的ISO/IEC 10918标准，简称JPEG 标准。JPEG 标准是用于静态图像压缩的标准算法，可用于灰度图像和彩色图像的压缩。JPEG 标准广泛地应用于彩色图像传真、多媒体 CD-ROM、图文档案管理等领域，可用硬件、软件或两者相结合的方法实现。

(2)动态图像信息压缩标准。动态图像专家组的主要任务是制定各种动态图像及其伴音信号的数字压缩编码国际标准。MPEG 从1988年成立至今已颁布了四个国际标准，即MPEG-1标准、MPEG-2标准、MPEG-4标准和MPEG-7标准。每个MPEG标准都有其特定的应用背景，如 MPEG-1标准用于多媒体存储和 VHS质量的广播电视，使得VCD取代了传统的录像带，MPEG-1标准的压缩比规定为5 0∶1; MPEG-2标准用于常规数字电视和高清晰度电视，使人们逐渐迈进数字或高清晰度电视时代，同时高品质的DVD取代了VCD; MPEG-4标准用于无线窄带多媒体通信和可视电话，并将基于内容的检索与编码结合起来考虑；MPEG-7标准则用于建立多媒体数据库和相应的搜索引擎之间的接口。

2．数字图像技术

在图像、文字和声音这三种形式的媒体中，图像所包含的信息量是最大的。人们的绝大部分知识是通过视觉获得的。图像的特点是只能通过人的视觉感受，并且非常依赖于人的视觉器官。数字图像技术就是对图像进行计算机处理，使其更适合人眼或仪器的分辨，并提取其中的信息。

数字图像处理的过程包括输入、处理和输出。输入即图像采集和数字化，就是对模拟图像信号进行抽样、量化处理后得到数字图像信号，并将其存储到计算机中以便进一步处理。处理是按一定的要求对数字图像进行诸如滤波、锐化、复原、重现和矫正等一系列处理，以提取图像中的主要信息。输出则是将处理后的数字图像通过显示、打印等方式表现出来。

3．数字音频技术

多媒体技术中的数字音频技术包括声音采集及回放技术、声音识别技术和声音合成技术三部分。这三部分的技术在计算机的硬件上都是通过“声卡”实现的。声卡具有将模拟的声音信号数字化的功能，数字化后的信号可作为计算机文件进行存储或处理。同时，声卡还具有将数字化音频信号转换成模拟音频信号回放出来的功能。数字声音处理、声音识别和声音合成则是通过计算机软件实现的。

4．数字视频技术

数字视频技术与数字声频技术相似，只是视频的带宽更大，大于6 MHz，而声频的带宽只有20 kHz。数字视频技术一般应包括视频采集及回放、视频编辑和三维动画视频制作。视频采集及回放与音频采集及回放类似，需要有图像采集卡和相应软件的支持。视频采集数据在磁盘上存放时的文件格式多为 AVI 和 MPG，其中MPG文件的存储量大约为AVI文件的1/5~1/1 0。

5．多媒体通信技术

多媒体通信技术突破了计算机、通信、广播和出版的界限，使它们融为一体，利用通信网络综合性地完成文本、图片、动画、音频、视频等多媒体信息的传输和交换。这些媒体对通信网各有不同的要求。

文本和图片要求的平均速率较低，但对准确性要求很高，即不能容忍数据的丢失；音频和视频则需要很高的传输速率，且实时性要求高，对数据丢失不敏感。分析多媒体业务的特点，为各种业务提供不同的服务是目前网络技术研究的重点。

6．多媒体数据库技术

多媒体数据库是一种包括文本、图形、图像、动画、声音、视频等多种媒体信息的数据库。由于一般的数据库管理系统处理的是字符、数值等结构化的信息，无法处理图形、图像、声音等大量非结构化的多媒体信息，因此需要一种新的数据库管理系统对多媒体数据进行管理。这种多媒体数据库管理系统 (MDBMS)能对多媒体数据进行有效的组织、管理和存取。

7．虚拟现实技术

虚拟现实 (virtual reality, VR)技术又称人工现实或灵境技术，是在许多相关技术 (如仿真、计算机图形学、多媒体等)的基础上发展起来的一门综合技术，是多媒体技术发展的更高境界。虚拟现实技术提供了一种完全沉浸式的人机交互界面，用户处在计算机产生的虚拟世界中，无论看到的、听到的还是感觉到的，都像在真实的世界里一样，通过输入和输出设备可以同虚拟现实环境进行交互。虚拟现实的本质是人与计算机之间或人与人借助计算机进行交流的一种方式，这种方式具有相当逼真的三维虚拟世界，即具有三维交互接口。虚拟现实技术推动了通用计算机中多媒体设备的发展，在输入输出方面也由普通的键盘和二维鼠标器发展为三维球、三维鼠标器、数据手套、数据衣服以及头盔显示器等。虚拟现实技术正在科研、医疗、文化娱乐等领域逐步推广。

2.2.6 多媒体系统

多媒体系统是一种复杂的硬件和软件有机结合的综合系统。它把音频、视频等媒体与计算机系统融合起来，并由计算机系统对各种媒体进行数字化处理。多媒体系统按其物理结构可分为多媒体硬件和多媒体软件两大部分。

1．多媒体硬件

(1)多媒体计算机。多媒体计算机是整个多媒体硬件系统的核心，通常，在CPU速度、内外存容量、扩展总线等方面满足一定条件的计算机都可以称为多媒体计算机。在80386电脑之前的计算机还不具备多媒体信息的处理能力，而目前市场上主流个人电脑的配置都远远超过了多媒体计算机的最低要求。当然，硬件性能越高，处理多媒体信息的能力就越强，比如许多专业领域的图形工作站、非线性编辑器等还需要更高配置的计算机产品。多媒体计算机内部配置有扩展总线，能提供若干扩展槽，使多媒体硬件接口板与计算机连成一体。同时，输入输出接口能够将计算机与外部多媒体设备相连。

(2)多媒体板卡。多媒体计算机的特征部件是多媒体板卡，多媒体板卡是根据多媒体系统获取或处理各种媒体信息的需要插接在计算机扩展槽上，以解决输入和输出问题的部件。多媒体板卡是建立多媒体应用程序工作环境必不可少的硬件设备。常用的多媒体板卡有显示卡、声音卡、视频卡和网卡等。

显示卡又称显示适配器，是计算机主机与显示器之间的接口。它的作用是将主机中的数字信号转换成图像信号，并在显示器上显示出来。显示卡的性能指标包括显示屏幕的分辨率和显示器可以显示的颜色。

音频卡又称声音卡，是计算机处理声音信息的专用功能卡。声音卡上都预留了话筒、录放机、激光唱机等外界设备的插孔，可以用来录制、编辑和回放数字音频文件，控制各声源的音量并加以混合。

视频卡是一种基于PC机的多媒体视频信号处理平台，它可以汇集视频源和音频源的信号，经过捕获、压缩、存储、编辑和特技制作等处理，产生非常靓丽的视频图像画面。

网卡又称网络接口适配器 (NIC)，是计算机与传输介质的接口。每一台服务器和网络工作站都至少配有一块网卡，把网线连到网卡的端口上，这样计算机与网络之间就有了实际的物理连接。

(3)多媒体设备。多媒体设备十分丰富，其工作方式一般为输入或输出。常用的多媒体设备有显示器、光存储系统、音箱 (耳机、话筒)、摄像机、扫描仪、数码相机、触摸屏和投影机等。

显示器是一种计算机输出显示设备，它由显示器件 (如 CRT, LCD)、扫描电路、视放电路和接口转换电路组成，目的是清晰地显示出字符、汉字和图形。目前的数字电视机也可以作为多媒体计算机的显示器来使用，从而获得更好的显示效果。

光存储系统由光盘驱动器和光盘片组成。驱动器是用于读/写信息的设备，而光盘片是用于存储信息的介质。

音箱和耳机是一种能将模拟脉冲信号转换为机械性的振动，并通过空气的振动再形成人耳可以听到的声音的输出设备。话筒的功能则是将以上的过程反向执行。

扫描仪是一种静态图像采集设备。它内部有一套光电转换系统，可以把各种图片信息转换成数字图像数据并传送给计算机，然后借助计算机对图像进行加工处理。

数码相机目前已经逐渐取代传统的胶片相机，是一种能够进行拍摄，并通过内部处理把拍摄到的景物转换成以数字格式存放图像的照相机。数码相机利用电荷耦合器件 (charge coupled device, CCD)进行图像传感，将光信号转变为电信号记录在存储器或存储卡上。数码相机可以直接 (或通过其存储卡)连接到计算机、电视机或打印机上，对图像进行加工处理、浏览和打印。

触摸屏是一种定位设备。当用户用手指或者其他设备触摸安装在计算机显示器前面的触摸屏时，所摸到的位置 (以坐标形式)被触摸屏控制器检测到，并通过接口送到CPU，从而确定用户输入的信息。

2．多媒体应用的软件系统

构建一个多媒体系统，硬件是基础，软件是灵魂。多媒体软件的主要任务是将硬件有机地组织在一起，使用户能够方便地使用多媒体信息。多媒体软件按功能可分为多媒体系统软件和多媒体应用软件。

(1)多媒体系统软件。多媒体系统软件主要包括 Windows 98/2000/XP/NT, UNIX, Linux等多媒体操作系统，各种相应的多媒体驱动程序和多媒体开发工具。其中，多媒体开发工具是多媒体开发人员用于获取、编辑和处理多媒体信息，编制多媒体应用程序的一系列工具软件的统称。它可以对文本、图形、图像、动画、音频和视频等多媒体信息进行控制和管理，并把它们按要求连接成完整的多媒体应用软件。多媒体开发工具大致可分为多媒体素材制作工具、多媒体著作工具和多媒体编程语言等三类。

多媒体素材制作工具是为多媒体应用软件进行数据准备的软件，其中包括文字特效制 作 软 件 Word (艺 术 字), COOL 3D；图 形 图 像 处 理 与 制 作 软 件CorelDRAW, Photoshop, FreeHand；音 频 编 辑 与 制 作 软 件 Wave Studio, Cakewalk, Sound Forge；二维和三维动画制作软件 Animator Studio,3D Studio MAX等；视频和图像采集编辑软件 ArcSoft 公司的 ShowBiz, Ulead 公司的VideoStudio, Adobe公司的Premiere等；制作地图软件MapInfo professional。

多媒体著作工具又称多媒体创作工具，是利用编程语言调用多媒体硬件开发工具或函数库来实现功能的，可以使用户方便地编制程序，组合各种媒体，最终生成多媒体应用程序的工具软件。常用的多媒体创作工具有 PowerPoint, Authorware, ToolBook等。

也可用多媒体编程语言来直接开发多媒体应用软件，不过这对开发人员的编程能力要求较高。但它有较大的灵活性，适用于开发各种类型的多媒体应用软件。常用的多媒体编程语言有Visual Basic, Visual C++, Delphi等。

(2)多媒体应用软件。多媒体应用软件又称多媒体应用系统或多媒体产品，是由各种应用领域的专家或开发人员利用多媒体编程语言或多媒体创作工具编制的最终多媒体产品，是直接面向用户的。如各种多媒体教学软件，培训软件，声像俱全的电子图书、视频资料，等等。