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1、第1章 计算机基础1.1 计算机系统的组成1.1.1 计算机发展阶段计算机经过50多年的发展，共经历了5个比较重要的发展阶段。1.1.1.1 大型机阶段（20世纪5060年代）1946年，第一台数字电子计算机在美国宾夕法尼亚大学问世。大型机经历了第一代电子管计算机、第二代晶体管计算机、第三代中小规模集成电路计算机、第四代超大规模集成电路计算机的发展过程。1.1.1.2 小型机阶段（20世纪6070年代）这一时期，小型机得到了发展。小型机是大型机的小型化，它能满足中小型企事业单位的信息处理要求，而且成本较低，其价格可被中小部门接受。1.1.1.3 微型机阶段（20世纪7080年代）这一时期，微型
2、机得到了发展，它比小型机更小。1981年，IBM公司推出了第一台PC，从此PC得到了快速的发展。1.1.1.4 客户机/服务器阶段（20世纪8090年代）早期的局域网一般采用对等网的结构，如今则一般采用客户机/服务器模式，即某些计算机是服务器，其余则是客户机。早期的服务器主要是为其他客户机提供资源共享的磁盘服务器和文件服务器，后来的服务器主要是数据库服务器和应用服务器等。1.1.1.5 互联网阶段（20世纪90年代至今）1969年美国国防部研发的ARPANET是互联网的前身。1983年TCP/IP（传输控制与网际互联协议）正式成为阿帕网的标准协议。1991年我国第一条与国际连接的专线建成，实现
3、者是中国科学院的高能物理所。1994年我国才实现了采用TCP/IP的国际互联网的全功能连接。1.1.2 计算机系统的结构计算机由硬件和软件两部分组成。计算机的硬件主要包括运算单元、存储单元、控制单元和I/O接口单元（即输入设备和输出设备），这些单元通过总线传递信息。控制器和运算器组成了我们常说的CPU，即中央处理器。控制器控制各基本单元之间的数据交流。运算器进行算术运算和逻辑运算。计算机通过存储在存储器中的程序完成工作，存储器包括内存和外存。内存速度比外存快，但是价格比外存高。计算机软件分为系统软件和应用软件，比如Windows是操作系统，属于系统软件；Excel是电子表格软件，属于应用软件。
4、应用软件又可以分为通用软件和专用软件两种。1.1.3 计算机的分类传统分类将计算机分成6类：大型主机、小型计算机、个人计算机、工作站、巨型计算机和小巨型计算机。现实分类把计算机分成服务器、工作站、台式机、便携机和手持设备等5种类型。1.1.4 计算机的指标计算机的技术指标包括位数、速度、容量、数据传输率和可靠性。1.1.4.1 位数计算机有8位、16位、32位和64位之分，这里的位(bit)数不是指十进制数，而是指二进制数。位是指CPU能够存储多少位的数据，位数越多，CPU一次能够处理的信息量就越大。通常，我们称8位是一个字节(Byte)，16位是一个字(Word)，因此32位是一个双字长，6
5、4位是两个双字长。奔腾芯片已经是32位，用于服务器的Alpha芯片和安腾芯片是64位。二进制数只有0和1两个数字，按逢二进一的规律计数。例如，A表示为1010，B表示为1011(1010+1)，C表示为1100(1011+1)，以此类推可计算出其他字母的二进制数。一条指令CD21可以表示为00001。1.1.4.2 速度衡量CPU处理速度的指标主要有两个：MIPS和MFLOPS。CPU处理速度的快慢可以用每秒钟处理的指令数来表示。MIPS(Million Instruction Per Second)表示单字节长定点指令的平均执行速度。用MFLOPS(Million Floation Inst
6、ruction Per Second)来表示单字节浮点指令的平均执行速度。此外，由于运算快慢与微处理器的时钟频率紧密相关，所以人们也用主频来表示CPU的处理速度。1.1.4.3 容量存储容量的单位是字节，常用B代表。KB表示千字节，MB表示兆字节，GB表示吉字节。存储器除了容量这个指标外，还有些指标也比较重要，如平均寻道时间、平均等待时间、数据传输速率等。（1）平均寻道时间是指磁头沿着盘径移动到需要读写的那个磁道所花费的平均时间。（2）平均等待时间是指需要读写的扇区旋转到磁头下面所花费的平均时间。（3）数据传输速率是指磁头找到所需读写的扇区后，每秒钟可以读出或写入磁盘的字节数。1.1.4.4
7、数据传输率数据传输率也称为带宽，它反映计算机的通信能力。单位是bps，表示每秒传输的位数或比特数。常用的单位还有kbps、Mbps、Gbps等。1.1.4.5 可靠性表示系统的可靠性的两个指标：平均无故障时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)。MTBF(Mean Time Between Failure)是一段时间内系统发生相邻两次故障的平均间隔时间。MTTR(Mean Time To Repair)指修复一次故障所需要时间的平均值。1.2 计算机硬件组成1.2.1 CPU芯片的发展历史在计算机系统中，CPU是最重要的，它直接影响着计算机的性能。早期的CPU都是8位机，如Intel 808
8、0，它是第一台微型计算机的CPU。当时的8位芯片还有摩托罗拉的6800和Zilog公司的Z80。近期的CPU则是32位的，如Intel公司的奔腾芯片，它的诞生是计算机史上的一大革命，它为运行大型应用软件提供了重要的硬件平台，此时其他公司的芯片有AMD公司的K6、Cyrix公司的M及IDT公司的WinChip芯片等。如今的CPU已经进入了64位时代，如AMD公司的速龙64芯片。1.2.2 奔腾芯片的技术特点1.2.2.1 超标量技术超标量技术的实质是牺牲空间换取时间，它通过内置多条流水线同时执行多个处理。奔腾的多条流水线由U指令流水线和V指令流水线，以及一条浮点指令流水线组成，这两条整数指令流水
9、线都包括ALU、地址生成电路及与高速缓冲器的接口。流水线U可以执行精简指令，也可以执行复杂指令，而流水线V只能执行精简指令。这两条流水线如果同时工作，则它们必须都执行精简指令。1.2.2.2 超流水线技术超流水线技术的实质是牺牲时间换取空间，它在一个机器周期内完成一个或者多个操作。奔腾的流水线一般分为整数流水线和浮点流水线。整数流水线分为4级，即指令预取、译码、执行、写回结果；浮点流水线可以分为8级，除了与整数流水线相同的4级以外，还包括2级浮点操作、1级四舍五入及写回浮点运算结果和1级出错报告。1.2.2.3 分支预测在奔腾芯片上内置了一个分支目标缓存器，用来动态地预测程序分支的转移情况，从
10、而使流水线的吞吐率能保持较高的水平。1.2.2.4 双Cache的哈佛结构哈佛结构的特点是CPU有两个缓存：一个用于缓存指令，另一个用于缓存数据。这就大大提高了访问Cache的命中率，从而不必搜寻整个存储器，就能得到所需的指令与数据。哈佛结构对于保持流水线的持续流动有重要意义。1.2.2.5 固化常用指令因为硬件的速度比软件快得多，所以奔腾把一些常用指令固化，用硬件来实现，这使指令的速度进一步加快。1.2.2.6 增强的64位数据总线虽然我们说奔腾是32位的，这是因为它的内部总线是32位的。但是它与存储器之间的外部总线却是64位的，这大大提高了其处理数据的能力。1.2.2.7 总线周期通道技术
11、总线周期通道技术能使CPU在第一周期内完成之前就开始第二周期，这样内存子系统就有更多的时间对地址进行译码。1.2.2.8 采用局部总线技术局部总线技术有两个标准，一个是PCI标准，另一个是VESA标准。奔腾采用了PCI标准，采用该标准能容纳较先进的硬件设计，能支持多处理、多媒体及数据量很大的应用。采用该标准以后，主板与芯片集的设计将大大简化。1.2.2.9 能源效率技术当系统不工作时，出于节省能源的考虑，CPU被设计为自动进入低耗电的睡眠模式。而且系统恢复到全速状态只需毫秒级的时间。1.2.2.10 错误检测及功能冗余校验技术奔腾具有内部错误检测功能和功能冗余校验技术。前者可以在内部多处设置奇
12、偶校验，保证了数据传送的正确性；后者能通过比较双工系统的运算结果，判断系统是否出现异常操作。1.2.2.11 支持多重处理奔腾支持几个CPU同时工作。由于奔腾提供了数据一致性及存储器的定序存取功能，使它适合于多机环境下数据的交换和任务的分配，从而通过多机合作能够共同解决一些比较复杂的问题。1.2.3 安腾芯片技术特点从奔腾到安腾(Itanium)，标志着英特尔体系结构从IA-32向IA-64推进。两者的区别在于：奔腾是32位芯片，主要用于台式机和笔记本电脑;而安腾是64位芯片，主要用于服务器和工作站。286、386采用传统的CISC技术，奔腾采用RISC技术，安腾采用了EPIC技术，即简明并行
13、指令计算技术。1.2.4 主板技术1.2.4.1 主板的组成主板是计算机主机的主要部件，由5部分组成：CPU、存储器、总线、插槽和电源。CPU是最重要的部分，控制着整个机器的运行；存储器用来存储临时数据和一些需要执行的程序；总线则负责各个部件之间信息的传递；插槽用来扩展计算机的功能；电源则为各个部件提供能源。1.2.4.2 主板的分类主板的分类方法有很多，下面介绍几种常用的分类方法。（1）按CPU芯片分类，如386主板、P主板、P主板、P4主板等。（2）按CPU插座分类，如Socket 7主板、Slot 1主板等。（3）按主板的规格分类，如AT主板、BabyAT主板、ATX主板等。（4）按芯片
14、集分类，如TX主板、LX主板、BX主板等。（5）按数据端口分类，如SCSI主板、EDO主板、AGP主板等。（6）按是否即插即用分类，如PnP主板、非PnP主板等。（7）按扩展槽分类，如EISA主板、PCI主板、USB主板等。1.2.4.3 网卡网卡又叫网络适配器，它的主要功能包括：实现与主机总线的通信连接，解释并执行主机的控制命令；实现数据链路层的功能，如形成数据帧、差错校验、发送、接收等；实现物理层的功能，如对发送信号的传输驱动、对进来信号进行侦听与接收、对数据的缓存及串行或并行转换等。1.3 计算机软件组成计算机系统是由硬件和软件组成的。计算机软件包括系统软件和应用软件。1.3.1 软件的
15、种类根据不同的分类方法，软件的种类也不同。1.3.1.1 按照用途分类按照用途的不同，软件可以分为系统软件和应用软件两大类。系统软件是贴近硬件的低层软件，应用软件是运行在系统软件之上的高层软件。系统软件中最核心的部分是操作系统，特别是支持网络技术的网络操作系统。网络操作系统运行于服务器端的称为服务器操作系统；运行于客户端的称为客户机或工作站操作系统。应用软件按照具体用途的不同，可分为数据库软件、字处理软件、搜索引擎软件、压缩软件、防病毒软件、多媒体软件等。这些都是通用的应用软件。针对具体的工程项目开发的软件则是特殊的应用软件。1.3.1.2 按照授权分类按照软件的授权方式，可以分为商业软件、共
16、享软件和自由软件三大类。（1）商业软件（Commercial-ware）：顾名思义，必须购买才能使用，称为正版软件，例如Windows、Microsoft Office等；如果复制，则为盗版软件。（2）共享软件（Shareware）：软件作者保留版权，但允许他人自由复制试用。Internet上有许多共享软件，大多数有日期限制和功能限制，有的还限制用户只能安装一次，删除后重新安装无效。试用后再决定是否注册或购买，如一些杀毒软件、ACDSee软件等。（3）自由软件（Freeware）：版权虽然仍属于原作者，但使用者可以自由复制、自由修改，如著名的Linux操作系统。1.3.2 软件开发程序由指令序
17、列组成，告诉计算机如何完成一个具体任务。文档是软件开发、使用和维护的必备资料。软件的生命周期可以分为三大阶段，即计划阶段、开发阶段和运行阶段。1.3.2.1 计划阶段计划阶段分为问题定义和可行性研究两个子阶段。计划阶段主要是设定软件系统的目标，确定研制要求，提出可行性分析，对各种可能方案做出成本效益分析，作为使用单位是否继续该项工程的依据。1.3.2.2 开发阶段在开发初期分为需求分析、总体设计、详细设计3个阶段。在前期必须完成软件需求说明书和软件设计规格说明书。软件设计规格说明书包括反映系统总体结构的软件结构图，该图反映该结构中每个模块的内部过程和详细结构。在开发后期分为编码、测试两个子阶段
18、。在编码子阶段，要选定编程语言，将模块的过程性描述变成程序。在测试子阶段，要发现并排除上一个阶段所产生的各种错误。后期必须形成的文档有产品发布的批准报告、有效性审查报告、项目小结报告、经过严格审查的一整套用户文档、安装手册、测试报告及资料清单。1.3.2.3 运行阶段运行阶段的主要任务是软件维护。为了排除软件系统中仍然可能隐含的错误，适应用户需求及系统操作环境的变化，继续对系统进行修改和扩充。1.3.3 编程语言编程语言可以分为三大类，即机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言编写的程序能被计算机直接执行，它是由0、1等能被计算机识别的符号组成的。机器语言因为不需要翻译，所以其执行速度快，但是这
19、种语言难记难学。汇编语言则用人们熟悉的英文助记符和十进制数代替二进制码。汇编语言和机器语言都属于低级语言，但计算机不能识别英文助记符和十进制数，所以计算机不能直接执行汇编语言，必须通过汇编程序把汇编语言翻译成机器语言，计算机才能执行。高级语言和自然语言差不多，计算机不能直接执行，必须通过解释程序翻译成机器语言才能执行。1.4 多媒体、超媒体和流媒体1.4.1 多媒体基本概念多媒体技术就是对文本、声音、图形和图像进行处理、传输、存储、播放的技术。多媒体技术是20世纪80年代发展起来的计算机技术，它包含了计算机许多方面的技术，如数据处理、文字处理、图像处理和声音处理等技术，在此基础上，又引入新的技
20、术与设备，如影视处理技术、CD-ROM、各种专用芯片和功能卡等。多媒体技术为扩展计算机的应用范围、应用深度和表现能力提供了极好的支持。多媒体技术可划分为偏硬件技术和偏软件技术两部分。偏硬件技术侧重接口和硬件技术，它将各种电子媒体连成一个相互作用的整体，如把投影屏幕、视频光盘、录像机、CD-ROM、语音及音响合成器等连接起来。偏软件技术则是应用数字化技术，以交互控制方式，把文件、图形、图像和声音集成于一体，将结果综合地、实时地表现出来，并通过多媒体实现人机对话。这种方法侧重于算法和软件技术。1.4.2 多媒体硬件系统特征具有以下特征的硬件系统，可以称为多媒体硬件系统：（1）具有光驱CD-ROM，
21、这是多媒体硬件系统的一个重要标志。（2）具有模数转换和数模转换功能，能让语音的模拟信号和数字信号相互转换，从而使多媒体硬件系统有高质量的数字音响功能。（3）具有清晰度比较高的显示器。（4）具有数据压缩与解压缩的硬件支持。1.4.3 数据压缩与解压缩技术1.4.3.1 压缩方法的种类按照压缩前后图像的差别可分为：无损压缩和有损压缩。无损压缩是可逆的，而有损压缩是不可逆的。有损压缩会产生一些失真，但它有比较大的压缩比，只要误差在一定范围内，仍然能满足某些具体的应用。按照压缩的原理可分为：熵编码（无损压缩）、源编码（有损压缩）和混合编码。（1）信息熵编码法（Entropy Coding）：它根据信息
22、熵理论，编码时只压缩冗余而不损伤信息熵，它是一种无损压缩。常见的熵编码有哈夫曼编码（Huffman Coding）、游程编码（Run Length Coding）和算术编码（Arithmetic Coding）。其中哈夫曼编码，是将出现概率大的信源符号用短码表示，而出现概率小的信源符号用长码表示，于是平均码长接近信息熵的理论值。信息熵编码是一种统计编码。（2）预测编码法（Prediction Coding）：指去除相邻像素之间的相关性和冗余性，只对新的信息进行编码。例如，像素的灰度是连续的，所以在一片区域中，相邻像素之间灰度值的差别可能很小。如果只记录第一个像素的灰度，其他像素的灰度都用它与前
23、一个像素灰度的差来表示，就能起到压缩的目的。例如248，2，1，0，1，3，实际上这6个像素代表的灰度是248，250，251，251，252，255。表示250需要8个比特，而表示2只需要2个比特，这样就实现了压缩。常用的预测编码有：调制（Delta Modulation,DM）和微分脉码调制（Differential Pulse Code Modulation，DPCM）等。（3）变换编码法（Transformation Coding）：将给定的图像信号进行某种函数变换，例如，将时域信号变换到频域上，使得大量的信息能用较少的数据来表示，从而达到压缩的目的。变换编码有很多，如离散余弦变换（D
24、iscrete Cosine Transfrom，DCT）、离散傅立叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）等。（4）矢量量化编码法（Vector Quantization Coding）：量化时对数据进行分组，每组数据构成一个矢量，然后以矢量为单位进行量化。以上介绍的预测编码法、变换编码法及矢量量化编码法均属于源编码（Source Coding），即有损编码。1.4.3.2 国际压缩标准由于计算机总线达不到数字化后的多媒体数据量，因此，必须对数据进行压缩以达到使用要求。常用的压缩标准有3种。(1)JPEG标准：定义了连续色调、多级灰度、彩色或单色静止图像等国际标
25、准。(2)MPEG标准：包括视频、音频和系统3部分，它要考虑到音频和视频的同步。(3)国际电信联盟ITU-T的H.26x系列：包括H.261、H.262、H.263、H.264等标准。其中H.261的目标是在ISDN（综合业务数字网）上开展可视电话和电视会议业务，因为ISDN的传输率是64 kbps，所以H.261的标准速率为P64 kbps。当P=1或2时，只支持每秒帧数较少的视频电话，当P6时可支持电视会议。H.262等同于MPCG-2标准，H.263适合可视电话，H.264则与MPEG-4类似。1.4.4 超文本、超媒体和流媒体基于超文本技术的多媒体数据技术是一种适合于多媒体数据管理的技
26、术。超媒体技术在数据管理上与多媒体数据库管理系统可以相互补充。1.4.4.1 超文本概念传统文本是线性的，而超文本是非线性的，读者可以根据自己的需要和兴趣阅读内容。超文本就是收集、存储和浏览离散信息，以及建立和表现信息之间关系的技术；当信息不限于文本时，称为超媒体。1.4.4.2 超媒体组成超媒体是一种典型的数据管理技术，它是由节点和表示节点之间联系的链组成的有向图（网络），用户可以对其进行浏览、查询、修改等操作。其中节点是表达信息的基本单位，节点可以是程序，也可以是文本、图形、图像、音频、视频和动画。链是建立节点之间信息联系的指针，它定义了超媒体的结构。1.4.4.3 超媒体系统的组成（1）
27、编辑器：可以帮助用户建立、修改信息、网络中的节点和链。（2）导航工具：超媒体提供基于条件的查询方式和交互式沿链走向的查询方式。（3）超媒体语言：能以一种程序设计的方法描述超媒体网络的构造、节点和其他各种程序。1.4.4.4 流媒体技术（1）流媒体技术的概念：流媒体（Streaming Media）又称流式媒体，是指在数据网络上按时间先后次序传输和播放的连续音频/视频数据流。流媒体技术是一种对多媒体文件边下载边播放的传输技术。它是把整个音频/视频（A/V）及3D等多媒体文件经特殊压缩，用户的计算机上利用解压设置对压缩的音频/视频、3D等多媒体文件连续解压、连续播放和观看。（2）流媒体技术的特点：
28、流媒体数据流有3个特点：连续性、实时性、时序性，即其数据流具有严格的前后时序关系。由于流媒体的这些特点，它已经成为在Internet上实时传输音频/视频的主要方式。本质上，流媒体技术是一种在数据网络上传递多媒体信息流的技术。流媒体技术的主要目标就是：通过一定的技术手段实现在数据网络上有效地传递多媒体信息流。（3）流媒体服务模式：传统的流媒体服务大多是客户机/服务器（C/S）模式，近年来，人们把P2P技术引入到流媒体传输中，从而形成了P2P流媒体服务模式。1.4.4.5 媒体应用软件（1）多媒体播放软件：常用的多媒体播放软件有Windows XP系统本身自带的Windows Media Play
29、er、苹果公司的QuickTime Player等。此外还有目前流行的RealPlayer、RealONE Player、暴风影音、豪杰超级解霸、金山影霸等。（2）多媒体制作软件：多媒体制作软件包括文字编辑软件、图像处理软件、动画制作软件、音频处理软件、视频处理软件及多媒体创作或著作软件等。 文字编辑软件：如Word等。 图像处理软件：如处理矢量图形的CorelDraw、处理位图图像的Photoshop等。 动画制作软件：一类是绘制和编辑动画的软件，如Animator Pro（平面动画制作软件）、Cool 3D（三维文字动画制作软件）、3D Studio MAX（三维动画造型软件）；另一类是动
30、画处理软件，如Animator Studio（动画加工处理软件）、Premiere（电影影像与动画处理软件）、GIF Construction Set（网页动画处理软件）。 音频处理软件：一是声音数字化转换软件，如Easy CD-DA Extractor（把光盘音轨转换为WAV格式的数字化音频文件）、Real Jukebox（在互联网上录制、编辑、播放数字音频信号）；二是声音编辑软件，如Goldwave（数字录音、编辑、合成软件）、Cool Edit Pro（声音编辑处理软件）；三是声音压缩软件，如Windac 32、L3Enc（把WAV格式的音频文件压缩为MP3格式的文件）。 视频处理软件：其作用是对摄像机、电影电视录像机等采集的影视资料进行整理，或者直接进行视频设计。例如，Windows XP自带的Movie Maker、Ulead公司的VideoStuaio、Adobe公司的Premiere Pro等。 多媒体创作软件：其作用是在完成多媒体素材的采集、编辑后，最后通过创作平台把多种素材集成在一起。例如，PowerPoint（演示软件）、Authorware（创作软件）等。