第1章 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)基礎(chǔ)(下)(精)

第1章計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)基礎(chǔ)教師:蔡勇電話:663575(移動)Email:ybxycy@126.com1.9計(jì)算機(jī)的工作原理1．計(jì)算機(jī)指令和指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能識別并能執(zhí)行某種基本操作的命令稱為指令。指令就是指揮機(jī)器工作的指示和命令程序就是一系列按一定順序排列的指令執(zhí)行程序的過程就是計(jì)算機(jī)的工作過程每條指令明確規(guī)定了計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)必須完成的一次基本操作，即一條指令對應(yīng)著一種基本操作。（1）機(jī)器指令機(jī)器指令是指計(jì)算機(jī)能直接識別并執(zhí)行的指令。它是一個(gè)按照一定的格式構(gòu)成的二進(jìn)制代碼串，是計(jì)算機(jī)硬件真正可以“執(zhí)行”的命令。（1）機(jī)器指令一條指令通常分為操作碼和操作數(shù)兩大部分。操作碼：描述操作的性質(zhì)，表示當(dāng)前指令所要完成的操作類型，如加、減、數(shù)據(jù)傳送等。操作數(shù)：描述操作的對象，就是當(dāng)前指令所要處理的對象，這些對象是參加操作的數(shù)本身或操作數(shù)所在的地址，即操作數(shù)或操作數(shù)地址。操作數(shù)（或操作數(shù)地址）一般分為源操作數(shù)和目的操作數(shù)，指令的基本格式:操作碼源操作數(shù)（或地址）目的操作數(shù)地址4機(jī)器指令示例:某個(gè)指令系統(tǒng)的指令長度為32位，操作碼長度為8位，地址長度也為8位，且第一條指令是加，第二條指令是減。當(dāng)它收到一個(gè)“00000010000001000000000100000110”的指令時(shí):先取出它的前8位操作碼，即00000010，分析得出這是一個(gè)減法操作;有3個(gè)地址，分別是兩個(gè)源操作數(shù)地址和一個(gè)目的地址。于是，CPU就到內(nèi)存地址00000100處取出被減數(shù)，到00000001處取出減數(shù)，送到ALU中進(jìn)行減法運(yùn)算，然后把結(jié)果送到00000110處。

（2）指令系統(tǒng)一臺計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令的集合稱為計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)或指令集合。指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)基本功能具體而集中的體現(xiàn)，不同型號的計(jì)算機(jī)有不同的指令系統(tǒng)，這也是為什么機(jī)器語言和匯編語言沒有通用性的原因。2．程序程序是為解決某一問題而設(shè)計(jì)的一系列有序的指令或語句的集合。程序是由指令序列組成的，計(jì)算機(jī)的工作過程就是自動執(zhí)行指令的過程。通常編程是根據(jù)要解決的問題，先確定解題的步驟（算法），然后用相應(yīng)的計(jì)算機(jī)語言將算法實(shí)現(xiàn)，然后將程序和數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)利用語言處理程序?qū)⒊绦蜻M(jìn)行相關(guān)處理，比如編譯、鏈接等，最后運(yùn)行程序，完成程序設(shè)計(jì)好的任務(wù)。一個(gè)指令規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個(gè)基本操作。一個(gè)程序規(guī)定計(jì)算機(jī)完成一個(gè)完整的任務(wù)。73計(jì)算機(jī)的工作原理3．馮諾依曼原理“存儲程序控制”原理是1946年由美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮諾依曼提出的，所以又稱為“馮諾依曼原理”。該原理確立了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基本組成的工作方式，直到現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與制造依然沿著“馮諾依曼”體系結(jié)構(gòu)，都稱為：“馮.諾依曼計(jì)算機(jī)”。83計(jì)算機(jī)的工作原理“存儲程序控制”原理的基本內(nèi)容：①采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令。②將程序（數(shù)據(jù)和指令序列）預(yù)先存放在主存儲器中（程序存儲），使計(jì)算機(jī)在工作時(shí)能夠自動高速地從存儲器中取出指令，并加以執(zhí)行（程序控制）。③由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大基本部件組成計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)。93.計(jì)算機(jī)的工作原理圖1-45“存儲程序控制”原理105．計(jì)算機(jī)工作過程計(jì)算機(jī)的工作過程，就是執(zhí)行程序的過程。第一步：將程序和數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備送入存儲器。第二步：啟動運(yùn)行后，計(jì)算機(jī)從存儲器中取出程序指令送到控制器去識別，分析該指令要做什么事。第三步：控制器根據(jù)指令的含義發(fā)出相應(yīng)的命令（如加法、減法），將存儲單元中存放的操作數(shù)據(jù)取出送往運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，再把運(yùn)算結(jié)果送回存儲器指定的單元中。第四步：當(dāng)運(yùn)算任務(wù)完成后，就可以根據(jù)指令將結(jié)果通過輸出設(shè)備輸出。1.10.1多媒體技術(shù)概述“媒體”是指信息傳遞和存儲的最基本的技術(shù)和手段，即信息的載體。媒體有兩重含義，一是指存儲信息的實(shí)體，如磁盤、光盤、磁帶、半導(dǎo)體存儲器等，中文常譯作媒質(zhì)；二是指傳遞信息的載體，如數(shù)字、文字、聲音、圖形等，中文譯作媒介，它們只是一種信息表示方式。多媒體:使用計(jì)算機(jī)交互式綜合技術(shù)和數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)處理多種表示媒體——文本、圖形、圖像和聲音，使多種信息建立邏輯連接，集成為一個(gè)交互式系統(tǒng)。1.10.1多媒體技術(shù)概述2．多媒體信息的類型多媒體技術(shù)所處理的信息不是單一的信息類型，通常是多種信息的組合，可能應(yīng)用于多媒體技術(shù)中的信息包括文本、圖形、圖像、動畫、聲音和視頻影像等。3．多媒體技術(shù)多媒體技術(shù)（MultimediaTechnology）是利用計(jì)算機(jī)對文本、圖形、圖像、聲音、動畫、視頻等多種信息綜合處理、建立邏輯關(guān)系和人機(jī)交互作用的技術(shù)。多媒體技術(shù)朝二個(gè)方向發(fā)展：一是網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展；二是多媒體終端的部件化、智能化和嵌入化。4．多媒體的特點(diǎn)交互性。在多媒體系統(tǒng)中，用戶可以主動編輯、處理各種信息，具有人-機(jī)交互功能。集成性。多媒體技術(shù)集成了許多單一的技術(shù)，如：圖像處理技術(shù)、聲音處理技術(shù)等，多媒體能夠同時(shí)表示和處理多種信息。1.10.2多媒體信息的數(shù)字化多媒體技術(shù)在對各種媒體信息處理方面一般主要采取轉(zhuǎn)換、集成、管理和控制以及傳輸?shù)确绞健＾D(zhuǎn)換可以分為兩個(gè)階段——信息采集和信息回放。信息采集是將這些媒體信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字信號；信息回放則是把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字信息還原成人們所能接受的各種媒體信息，用于信息的再現(xiàn)。1.音頻數(shù)字化技術(shù)(1)聲音聲波有兩個(gè)重要參數(shù)：振幅和周期，振幅反映聲音的音量大小，周期指聲音振動一次的時(shí)間。(2)聲音媒體的要素聲音效果的三個(gè)要素是：音調(diào)、音色、音強(qiáng)。聲音的頻率決定音調(diào)。聲音的振幅決定音強(qiáng)。而音色是由混入基音的泛音所決定的，每個(gè)基音又有固定的頻率和不同音強(qiáng)的泛音，從而使每種聲音具有特殊的聽覺效果。(3)聲音的數(shù)字化就要將模擬信號（如語音、音樂等）轉(zhuǎn)換成由二進(jìn)制數(shù)1和0組成的數(shù)字信號，這一轉(zhuǎn)換過程稱為模擬音頻的數(shù)字化。模擬音頻數(shù)字化過程涉及到音頻的采樣、量化、編碼，其過程如圖所示。①采樣采樣指每隔一個(gè)時(shí)間間隔在聲音的波形上截取一個(gè)振幅值，把時(shí)間上的連續(xù)信號變成時(shí)間上的離散信號。②量化量化是將每個(gè)采樣點(diǎn)得到的表示聲音強(qiáng)弱的模擬電壓的幅度值以數(shù)字存儲。量化位數(shù)（也即采樣精度）表示存放采樣點(diǎn)振幅值的二進(jìn)制位數(shù)，它決定了模擬信號數(shù)字化以后的動態(tài)范圍同，采樣頻率和量化參數(shù)比較18③編碼編碼是將采樣和量化后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以一定的格式記錄下來。編碼的方式很多，常用的編碼方式是脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation，PCM），其主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，失真小，傳輸特性穩(wěn)定。④聲道數(shù)聲道指聲音的通道數(shù)，是一次采樣記錄產(chǎn)生的聲音波形的個(gè)數(shù)。記錄聲音時(shí)，如果每次生成一個(gè)聲道數(shù)據(jù)，稱為單聲道；每次生成兩個(gè)聲道數(shù)據(jù)，稱為雙聲道。(4)音頻文件格式①波形音頻文件常見的波形音頻文件格式有.WAV和.VOC兩種。②聲音合成技術(shù)——MIDI文件③MP3文件如一分鐘的CD音質(zhì)的音樂，未經(jīng)壓縮需要10MB的存儲空間，而經(jīng)過MP3壓縮編碼后只有1MB左右。2.圖像數(shù)字化技術(shù)(1)圖像概念圖像是指自然界中的客觀景物通過某種系統(tǒng)的映射，使人們產(chǎn)生的感受。如照片、圖片等。圖像根據(jù)它們在計(jì)算機(jī)中生成的原理不同，又分為位圖（光柵）圖像和矢量圖形兩種。①圖形圖形也稱為矢量圖，它使用點(diǎn)、直線和曲線來描述，這些直線和曲線由計(jì)算機(jī)通過某種算法計(jì)算獲得。②圖像圖像又稱為光柵圖像或點(diǎn)陣圖像，是由一個(gè)個(gè)像素點(diǎn)（能被獨(dú)立賦予顏色和亮度的最小單位）排成矩陣組成的，圖像文件中所涉及到的圖形元素均由像素（Pixel）點(diǎn)來表示，這些點(diǎn)可以進(jìn)行不同的排列和染色以構(gòu)成圖樣(2)圖形與圖像信息表示圖形是用計(jì)算機(jī)繪圖軟件生成的，存儲的是描述生成圖形的指令，這種通過數(shù)學(xué)方法生成的圖像稱為矢量圖形。在實(shí)際應(yīng)用中，所碰到的矢量圖形通常以插圖、剪貼畫圖像是一種模擬信號，如掃描、數(shù)碼照相機(jī)所得到的圖片。圖像的數(shù)字化是指將一幅真實(shí)的圖像轉(zhuǎn)變成為計(jì)算機(jī)能夠接受的數(shù)字形式，這涉及到對圖像的采樣、量化以及編碼等，如圖所示。圖像數(shù)字化過程

24①采樣圖像采樣就是將連續(xù)的圖像轉(zhuǎn)換成離散點(diǎn)的過程，采樣實(shí)質(zhì)就是要決定在一定面積內(nèi)取多少個(gè)點(diǎn)來描述一幅圖像，或者叫多少個(gè)像素點(diǎn)，稱為圖像的分辨率，用點(diǎn)的“列數(shù)×行數(shù)”表示，分辨率越高，圖像越清晰，存儲量也越大，②量化量化則是在圖像離散化后，將表示圖像色彩濃淡的連續(xù)變化值離散化為整數(shù)值（即灰度級）的過程，從而實(shí)現(xiàn)圖像的數(shù)字化。圖像深度值越大，所能表示的顏色數(shù)越多，顯示的圖像色彩越豐富，但存儲圖像所需的空間也越大。一般用8位、16位、24、32位二進(jìn)制來表示圖像的顏色，24位可以表示224=16777216種顏色③編碼：圖像的分辨率越大，顏色數(shù)越多，數(shù)據(jù)量就越大，當(dāng)然圖像的效果也會越好，但存儲圖像所需的空間也越大，消耗的計(jì)算機(jī)資源也越多。由于圖像數(shù)字化后得到的數(shù)據(jù)量非常巨大，必須采取編碼技術(shù)來壓縮信息，常見的編碼方法有預(yù)測編碼、變換編碼、分形編碼、小波變換編碼等，它是圖像存儲與傳輸?shù)年P(guān)鍵。(3)圖像的文件格式圖像文件格式是圖像數(shù)據(jù)在文件中的存放形式①BMP（Bitmap，位圖）格式②JPEG（JointPhotographicExpertsGroup，聯(lián)合圖像專家組）格式③GIF（GraphicsInterchangeFormat，圖形交換文件格式）格式④TIFF（TaggedImageFileFormat，位映射圖像文件格式）格式⑤PNG格式（PortableNetworkGraphicFormat，可攜帶的網(wǎng)絡(luò)圖像格式）3.視頻數(shù)字化技術(shù)(1)視頻概述視頻是由一幅幅靜止圖像序列組成，其中每幅圖像稱為一幀，這些幀以一定的速率播放。由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，即物體的映像在眼睛的視網(wǎng)膜上會保留大約0.1秒的短暫時(shí)間。因此，只要將一系列連續(xù)的圖像以足夠快的速度播放，可以產(chǎn)生連續(xù)的視頻顯示效果。如果再把音頻信號加進(jìn)去，便可實(shí)現(xiàn)視頻，音頻信號的同步播放。3.視頻數(shù)字化技術(shù)組成視頻的每一幅圖像稱為幀，圖像播放的速度稱為幀率，單位是fps（framepersecond，幀/秒）。常見的幀率有24fps、25fps和30fps，一般要保證幀率在15fps以上，人眼才不會感覺視頻畫面有明顯停頓。(2)視頻信息的表示視頻按照處理方式不同，可以分為模擬視頻和數(shù)字視頻兩種。(2)視頻信息的表示在模擬視頻中，常用兩種視頻標(biāo)準(zhǔn)：NTSC制式（30幀/秒，525行/幀）和PAL制式（25幀/秒，625行/幀），其中使用NTSC制式的國家：美國、加拿大和日本等；使用PAL制式的國家：我國及歐洲大部分國家。早期的電視等視頻信號的記錄、存儲和傳輸都是采用模擬方式；存儲介質(zhì)是磁介質(zhì)，通常是錄像帶。(2)視頻信息的表示數(shù)字視頻是將模擬視頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理后得到的視頻信號?，F(xiàn)在出現(xiàn)的VCD、SVCD、DVD、數(shù)字式便攜攝像機(jī)都是數(shù)字視頻。(3)視頻信息的數(shù)字化視頻數(shù)字化過程同音頻相似，在一定的時(shí)間內(nèi)以一定的速度對單幀視頻信號進(jìn)行采樣、量化、編碼等過程，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換、彩色空間變換和編碼壓縮等，這通過視頻采集卡和相應(yīng)的軟件來實(shí)現(xiàn)。目前常用的視頻卡

主要有DV卡和

視頻采集卡等。(4)視頻編碼技術(shù)由于視頻數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量十分巨大，通常采用特定的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，根據(jù)壓縮算法的不同，目前最常用的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)是MPEG標(biāo)準(zhǔn)和H.26x標(biāo)準(zhǔn)兩大類。(5)視頻文件若按照數(shù)字視頻的用途分類，視頻文件可以分為影像視頻文件和流式視頻文件兩大類。1)影像視頻文件由于視頻文件的編碼標(biāo)準(zhǔn)、編輯軟件、應(yīng)用領(lǐng)域和設(shè)計(jì)公司的不同，格式也就不同，其中常見的幾種格式如下：①AVI格式②MOV格式③MPG格式④DAT格式2)流媒體文件流媒體技術(shù)（StreamingMediaTechnology）是為解決以Internet為代表的中低帶寬網(wǎng)絡(luò)上多媒體信息（以視音頻信息為主）傳輸問題而產(chǎn)生的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它能克服傳統(tǒng)媒體傳輸方式的不足，有效突破帶寬瓶頸，實(shí)現(xiàn)大容量多媒體信息在Internet上的流式傳輸。采用流媒體技術(shù)時(shí)，流媒體在播放前并不下載整個(gè)文件，只將開始部分內(nèi)容存入內(nèi)存，在計(jì)算機(jī)中對數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存并使媒體數(shù)據(jù)正確的輸出，達(dá)到用戶一邊下載一邊觀看、收聽。廣泛應(yīng)用于應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)直播、視頻點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教育、視頻會議系統(tǒng)等領(lǐng)域。2)流媒體文件常見的影視視頻文件有以下幾種：①RealMedia格式②QuickTime(Apple)格式③ASF與WMA(Microsoft)格式1.10.3數(shù)據(jù)壓縮和編碼概述多媒體信息所占有的存儲空間開銷很大。同時(shí)，這樣大的數(shù)據(jù)量不僅超出了計(jì)算機(jī)的存儲和處理能力，更是當(dāng)前通信信道的傳輸速率所不及的。為了存儲、處理和傳輸這些數(shù)據(jù)，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。壓縮后的多媒體數(shù)據(jù)必須按照—定的存儲格式進(jìn)行存儲，這種特定格式就是多媒體信息的編碼方式。1．?dāng)?shù)據(jù)壓縮概念所謂數(shù)據(jù)壓縮就是用最少的數(shù)碼來表信號。數(shù)據(jù)之所以能被壓縮，首先，數(shù)據(jù)中間常存在一些多余成分，即冗余度。其次，數(shù)據(jù)中間尤其是相鄰的數(shù)據(jù)之間，常存在著相關(guān)性。有可能利用某些變換來盡可能地去掉這些相關(guān)性。但這種變換有時(shí)會帶來不可恢復(fù)的損失和誤差，因此稱為不可逆壓縮（有損壓縮），或稱有失真編碼、摘壓縮等。(1)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)數(shù)據(jù)壓縮是通過編碼技術(shù)減少數(shù)據(jù)冗余來降低數(shù)據(jù)存儲時(shí)所需空間，當(dāng)數(shù)據(jù)使用時(shí)，再進(jìn)行解壓縮。根據(jù)對壓縮數(shù)據(jù)經(jīng)解壓縮后是否能準(zhǔn)確地恢復(fù)壓縮前的數(shù)據(jù)來分類，分為無損壓縮和有損壓縮兩類①無損壓縮是指利用信息相關(guān)性進(jìn)行的數(shù)據(jù)壓縮，這種壓縮并不損失原有信息的內(nèi)容，是一種可逆壓縮，即經(jīng)過文件壓縮后可以將原有的信息完整保留的一種數(shù)據(jù)壓縮方式。典型的無損壓縮編碼有哈夫曼編碼、行程編碼、Lempelzev編碼和算術(shù)編碼等。(1)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)數(shù)據(jù)壓縮是通過編碼技術(shù)減少數(shù)據(jù)冗余來降低數(shù)據(jù)存儲時(shí)所需空間，當(dāng)數(shù)據(jù)使用時(shí)，再進(jìn)行解壓縮。根據(jù)對壓縮數(shù)據(jù)經(jīng)解壓縮后是否能準(zhǔn)確地恢復(fù)壓縮前的數(shù)據(jù)來分類，分為無損壓縮和有損壓縮兩類①無損壓縮是指利用信息相關(guān)性進(jìn)行的數(shù)據(jù)壓縮，這種壓縮并不損失原有信息的內(nèi)容，是一種可逆壓縮，即經(jīng)過文件壓縮后可以將原有的信息完整