11 第十一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

1、1,第11章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述,2,11.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述一、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類 目前常用的是1966年弗林根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流數(shù)量進(jìn)行分類的方法。其中指令流是機(jī)器執(zhí)行的指令序列，數(shù)據(jù)流是由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列。可將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分成下列四類。1.單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 通常由一個(gè)運(yùn)算器和一個(gè)存儲(chǔ)器組成。典型的SISD計(jì)算機(jī)每次執(zhí)行一條指令。每次從存儲(chǔ)器取（或存）一個(gè)數(shù)據(jù)。為了提高運(yùn)算速度有些SIS

2、D計(jì)算機(jī)設(shè)置了指令流水線和運(yùn)算操作流水線,有些還設(shè)置了多個(gè)功能部件和多體交叉存儲(chǔ)器。,3,,2. 單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 通常由一個(gè)指令控制部件多個(gè)運(yùn)算器和多個(gè)存儲(chǔ)器組成。各運(yùn)算器和各存儲(chǔ)器之間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。在程序運(yùn)行時(shí)由指令控制部件向各個(gè)運(yùn)算器‘播送’同一條指令，所有‘活動(dòng)的”處理器在同一時(shí)刻執(zhí)行同樣的指令，這就是單指令流；各活動(dòng)的”運(yùn)算器執(zhí)行指令時(shí)所需的數(shù)據(jù)是從它本身專用的存儲(chǔ)器中取的，所以各運(yùn)算

3、器所處理的數(shù)據(jù)是各不相同的，這就是多數(shù)據(jù)流。為各個(gè)運(yùn)算器所專用的存儲(chǔ)器又叫局部存儲(chǔ)器。3.多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng) MISD計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻執(zhí)行多條指令，但處理同一個(gè)數(shù)據(jù)。大多數(shù)人認(rèn)為能列在這一系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)很少或根本不存在。4.多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 典型的MIMD計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由多臺(tái)運(yùn)算器（包括指令控制部件和運(yùn)算器）和多個(gè)存儲(chǔ)器組成，并有一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各運(yùn)算器和各存儲(chǔ)器之間的通

4、信。每個(gè)運(yùn)算器執(zhí)行各自的指令，存取各自的數(shù)據(jù)。,4,,二、提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算速度的方法 提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算速度的方法可歸納為兩種: 1.改進(jìn)器件工藝減少芯片線寬，提高集成度與工作頻寬 2.改進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并使各部件之間的速度匹配。 針對(duì)單機(jī)系統(tǒng)已介紹過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法有: (1)采用多個(gè)通用寄存器來(lái)暫存運(yùn)算的中間結(jié)果,以減少訪問(wèn)存儲(chǔ)器次數(shù)。 （2）采用多體

5、交叉存儲(chǔ)器和cache以協(xié)調(diào)CPU和存儲(chǔ)器之間的速度匹配。 （3） CPU和輸入輸出設(shè)備并行工作，以減少 CPU等待和空閑時(shí)間。 （4）操作重疊的流水線工作方式。 在本章中，我們將介紹多種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其發(fā)展的最終目的是增強(qiáng)計(jì)算機(jī)處理能力和提高運(yùn)算速度。,5,,三、開(kāi)放系統(tǒng) 開(kāi)放系統(tǒng)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)用戶和制造商的熱門話題，也是計(jì)算機(jī)工業(yè)最重要的發(fā)展趨勢(shì)。至今對(duì)開(kāi)放系統(tǒng)還沒(méi)有一個(gè)確切的定義，因此討論

6、一下開(kāi)放系統(tǒng)是很有必要的。 專有系統(tǒng)與開(kāi)放系統(tǒng) 1.專有系統(tǒng)。硬件和軟件都由一家公司提供，并不向外提供技術(shù)。從歷史上看，一些有名的大計(jì)算機(jī)公司，如 IBM、DEC都是靠獨(dú)家專利的計(jì)算機(jī)發(fā)跡的。 2.開(kāi)放系統(tǒng)。硬件和軟件可由多家公司提供，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有部分，如計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總線、操作系統(tǒng)、窗口系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形用戶接口、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信服務(wù)等都是開(kāi)放的，符合與制造商無(wú)關(guān)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。這樣

7、廠商之間很容易進(jìn)行分工，用戶可以選用市場(chǎng)上最好的、適合應(yīng)用的軟件、硬件組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或信息系統(tǒng)。,6,,四、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè) 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研制、選型、選購(gòu)、引進(jìn)談判以及對(duì)已有計(jì)算機(jī)的改進(jìn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能評(píng)測(cè)，是一項(xiàng)不可缺少的重要工作。 1.評(píng)測(cè)性能的幾種方法 計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘頻率在一定程度上反映了機(jī)器速度，一般來(lái)講，主頻越高，速度越快。但是相同頻率不同體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器，其速度可能會(huì)相差很

8、多倍，因此還需要有其他方法來(lái)測(cè)試速度。 早期的計(jì)算機(jī)速度是通過(guò)計(jì)算得來(lái)的，當(dāng)時(shí)根據(jù)各類指令的執(zhí)行頻率按一定的比例估算，得到平均運(yùn)算速度、這種方法很不精確，因?yàn)樵诓煌绦蛑?，不同指令的使用頻率是不同的，而且數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、指令系統(tǒng)功能、Cache、流水線等與機(jī)器的性能有很大關(guān)系。在計(jì)算時(shí)不能得到充分反映。,7,,另外有一種通過(guò)計(jì)算處理速率’（processing data rate，簡(jiǎn)稱PDR）值的方法來(lái)衡量機(jī)器性能。PDR值大機(jī)

9、器性能好。PDR是指令操作數(shù)的平均位數(shù)和指令平均速度的比值（加權(quán)）。PDR值主要對(duì)CPU和主存儲(chǔ)器的速度進(jìn)行度量，與真正的機(jī)器運(yùn)行速度有不少差別。 等效乘法速率（equivalent multiply rate，簡(jiǎn)稱EMR）曾是美國(guó)政府確定計(jì)算機(jī)出口許可證浮點(diǎn)性能的限制性指標(biāo)。 核心程序法是把程序中應(yīng)用得最頻繁的那部分核心程序作為評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)程序。但因程序短，以致訪存的局部性大Cache命中率偏高。

10、 基準(zhǔn)程序法（benchmark）是目前一致承認(rèn)的較好的測(cè)試方法。在下面我們將講到各種基準(zhǔn)測(cè)試程序，測(cè)試的結(jié)果通常整數(shù)性能用 MIPS（百萬(wàn)次整數(shù)運(yùn)算指令／秒）；浮點(diǎn)性能用 MFLOPS（百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算指令／秒）等表示。通常將 VAX l l／78的運(yùn)算速度定為 1MIPS。,8,,2. 基準(zhǔn)測(cè)試程序 1）整數(shù)測(cè)試程序 2）浮點(diǎn)測(cè)試程序 3）計(jì)算機(jī)綜合測(cè)試程序SPEC

11、 4）事務(wù)處理測(cè)試程序 5）行業(yè)基準(zhǔn)測(cè)試 3.準(zhǔn)測(cè)試的公正性和準(zhǔn)確性 所有基準(zhǔn)測(cè)試組織都是中立的，一般是非贏利的。測(cè)試結(jié)果一般來(lái)說(shuō)是公正的，但是外界的干擾可能會(huì)沖擊基準(zhǔn)測(cè)試的公正性。 因此基準(zhǔn)測(cè)試所獲得的局部結(jié)論是基本可信的，但不足以準(zhǔn)確反映實(shí)際使用效果。,9,11.2.1 微處理器及微型計(jì)算機(jī)概述 目前，微處理器和微機(jī)正在向著更微型化、更高速、更廉價(jià)和多圖形、超媒體、更

12、強(qiáng)功能的方向發(fā)展。其結(jié)果是，一方面各種便攜式微機(jī)(筆記本、掌上微機(jī)等）將大量涌現(xiàn)；另一方面將超級(jí)微機(jī)和巨型機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合、融為一體的“微巨機(jī)”也將不斷問(wèn)世。今天，伴隨著分布式計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用將以前所未有的速度發(fā)展。,11.2 微機(jī)系統(tǒng),10,,微機(jī)的核心是微處理器。當(dāng)前世界上影響最大的半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家是 Intel公司。 Intel公司創(chuàng)建于 1968年開(kāi)始主要生產(chǎn)存儲(chǔ)器芯片，后來(lái)轉(zhuǎn)向微處理器。自

13、從1981年IBM公司選擇Intel的微處理器推出它的第一臺(tái)PC后，獲得了極大成功使Intel公司毫不費(fèi)力地登上芯片之王的寶座。 微處理器沿著增加字長(zhǎng)、提高主頻、提高集成度的方向發(fā)展。微處理器的性能指標(biāo)有地址總線位數(shù)，內(nèi)部總線位數(shù)，外部數(shù)據(jù)總線位數(shù)，物理地址總線空間，時(shí)鐘頻率，芯片集成度和制造工藝。但是以上的指標(biāo)反映的是芯片的性能，還不能完全代表微機(jī)系統(tǒng)的性能。影響系統(tǒng)性能的還有微處理器與內(nèi)存之間的總線速度，地址總線寬度，數(shù)據(jù)

14、總線寬度，芯片內(nèi)部是否設(shè)置浮點(diǎn)協(xié)處理器，是否設(shè)置Cache（一級(jí)和二級(jí)）等。,11,,下面介紹一下總線速度 開(kāi)始時(shí)微處器芯片內(nèi)部的時(shí)鐘頻率與總線頻率一致，后來(lái)出現(xiàn)了倍頻技術(shù)使微處器內(nèi)部時(shí)鐘頻率可以高于總線頻率。例如，133MHz的Pentium其主頻為133MHz，而總線為66MHz，這是因?yàn)樾酒瑑?nèi)部更容易提高工作頻率的緣故。如倍頻設(shè)為3.5主板的外頻總線設(shè)為100MHz，那么CPU就將以350MHZ的頻率工作?，F(xiàn)在的Int

15、el CPU通常將倍頻鎖死，所以只能調(diào)整外頻進(jìn)行超頻了。值得注意的是超頻過(guò)高會(huì)損壞CPU。目前一些主板采用了無(wú)跳線方式，它通常在BIOS里面用軟件的方法來(lái)設(shè)置CPU的倍頻和外頻，這樣使用戶超頻更方便了。,12,11.2.2 微型計(jì)算機(jī)的分類 按微處理器的位數(shù),可分為:4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī) 、32位機(jī)和64位機(jī)等。 按外形和使用特點(diǎn)，可分為臺(tái)式微機(jī)和筆記本式微機(jī)。 按結(jié)構(gòu)可分為單片機(jī)、單板機(jī)和多板機(jī)。,13

16、,1.單片機(jī)是最簡(jiǎn)單的微型機(jī),它僅由一塊超大規(guī)模集成電路組成。CPU、存儲(chǔ)器、I／0接口電路和總線制作在一塊很小的芯片上，使用簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)裝置可以對(duì)它進(jìn)行在線開(kāi)發(fā)。單片機(jī)在智能化儀器儀表、家用電器和其它各種嵌入式系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。 2.單板機(jī)規(guī)模比單片機(jī)大,它的CPU、存儲(chǔ)器和I／0接口電路都各是一塊大規(guī)模集成電路芯片。這些芯片再加上若干附加邏輯電路和簡(jiǎn)單的鍵盤／數(shù)碼顯示器裝在一塊印刷電路板上，便構(gòu)成一個(gè)單板機(jī)。單板機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

17、單，價(jià)格低廉，性能較好。常用作過(guò)程控制和各種儀器、儀表、裝置的控制部件。,14,3. 多板機(jī)即通常所說(shuō)的臺(tái)式微機(jī)， CPU、ROM、RAM、I／0接口都裝在系統(tǒng)板(又叫主板)上。系統(tǒng)板上另外還有一些擴(kuò)展插槽和接口，用于插入存儲(chǔ)板和I／0適配板以擴(kuò)充存儲(chǔ)器容量和增加外設(shè)。系統(tǒng)板、擴(kuò)充板、磁盤、光盤驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)電源等一起裝在一個(gè)方形機(jī)箱中，稱之為主機(jī)。主機(jī)再外加一個(gè)鍵盤、鼠標(biāo)和CRT顯示器，便構(gòu)成了一臺(tái)完整的微機(jī)。 4. 筆記本式

18、微機(jī)是一種體積極小、重量極輕，但又功能很強(qiáng)的便攜式完整微機(jī)，通常裝放在一個(gè)公文包式的小盒中。從筆記本式微機(jī)又衍生出掌上微機(jī)和膝上微機(jī).,15,,11.2.3 個(gè)人數(shù)字助理 (簡(jiǎn)稱PDA) PDA(personal digital assistant)的概念是Apple公司于1992年提出來(lái)的，1993年Apple公司發(fā)布了第一個(gè)PDA產(chǎn)品。PDA、掌上電腦以及各類視頻游戲機(jī)實(shí)際上是配備有特殊圖形顯示設(shè)備的普通計(jì)算機(jī)，只是在軟件上

19、的擴(kuò)展能力有限，常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和Web終端也屬于這個(gè)檔次。他們都配備有一個(gè)處理器、數(shù)兆內(nèi)存，一般帶有圖形顯示設(shè)備（游戲機(jī)經(jīng)常要借用電視機(jī)作為顯示設(shè)備），但沒(méi)有更多其他的配置。這樣，才能保證它們相對(duì)廉價(jià)。 1、PDA的特點(diǎn) PDA是一個(gè)面向廣大用戶的計(jì)算和通信的設(shè)備，它不同于其他類型計(jì)算機(jī)，具有以下特點(diǎn)。 ①體積小，重量輕便于握在手中或放在口袋里。集計(jì)算和通信于一體適合于移動(dòng)辦公人員使用。 ②具

20、有適用的應(yīng)用軟件具有電子記事簿的功能，如日程管理、地址管理和電話號(hào)碼管理等、同時(shí)還提供文字處理軟件和電子表格軟件等。 ③具有通信能力、PDA可外接或內(nèi)置modem（調(diào)制解調(diào)器）通過(guò)有線或無(wú)線方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 ④以筆輸入為主，并逐步向語(yǔ)音輸入發(fā)展。,16,,⑤降低電源功耗，配備高容量電池。 ⑥價(jià)格低廉。 目前世界上有許多公司推出了PDA產(chǎn)品，美國(guó)和日本處于領(lǐng)先地位，但還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)產(chǎn)品

21、具有各自的特點(diǎn)。 2、 PDA的類型 由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同。各種PDA產(chǎn)品在性能上有較大差異，大致可分為以下四類 ①筆式掌上機(jī)，有著與微機(jī)完全不同的使用對(duì)象，主要特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)筆輸入（一般不帶鍵盤），配有良好的手寫體識(shí)別軟件并內(nèi)置有字處理和電子表格軟件；有的還具有Internet聯(lián)網(wǎng)功能。,17,,②掌上PC機(jī)，是微縮的便攜式計(jì)算機(jī)。它的特點(diǎn)是與微型機(jī)兼容，以鍵盤作為主要輸入設(shè)備（或

22、兼有筆輸入），以DOS作為操作系統(tǒng)或以windows CE（consulter electronic。）作為操作系統(tǒng)。 Window CE是Microsoft公司研制的,是Windows的袖珍版。 ③個(gè)人通信機(jī)，主要特點(diǎn)是帶有modem和通信軟件，可通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)發(fā)送或接收E－mall（電子郵件）和Fax（傳真）。 ④電子組織機(jī)（electronic organizer）在PDA中，組織機(jī)的功能最簡(jiǎn)單,沒(méi)有操作系統(tǒng)

23、，只能運(yùn)行一些固定的應(yīng)用軟件用于管理和存放資料。例如，計(jì)劃管理、日程安排等不具有通信功能，耗電量較少，電池壽命較長(zhǎng)，價(jià)格較低。 以上的分類只是粗略的，某些PDA很難歸到某一類中，因它兼有多種功能。,18,,3、 PDA的硬件 ①PDA的微處理器（MPU） 要求 MPU芯片低成本、低功耗、小尺寸。因此其工作電壓低，多數(shù)工作在 3.3V或更低的電壓。一般帶有電源管理單元，若一定時(shí)間不用PDA，可自動(dòng)關(guān)掉顯示器或某些部件的電源

24、。 PDA的MPU芯片上一般包含多種功能部件。例如，有的芯片上包含有圖形處理部件、電源管理部件、存儲(chǔ)控制部件和LCD顯示接口等。由于 PDA推出于 20世紀(jì) 90年代，當(dāng)時(shí) RISC結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)，因此有的公司推出的 MPU采用RISC結(jié)構(gòu)，有的仍采用CISC結(jié)構(gòu)。 ②存儲(chǔ)器 由于受尺寸限制PDA中沒(méi)有內(nèi)置軟盤或硬盤驅(qū)動(dòng)器。所有的軟件和數(shù)據(jù)都存放在RAM和ROM中，因此容量有限。要解決PDA的存儲(chǔ)容量問(wèn)題同時(shí)滿

25、足體積小、容量大、耗電低、非易失、價(jià)格低的要求，快閃存儲(chǔ)器（flash RAM）是PDA的一個(gè)解決方案。,19,,③通信部件 影響PDA通信功能的因素是無(wú)線通信網(wǎng)、通信部件和通信軟件。所有通信部件，包括modern可制在一張PCMCIA卡上。需要注意的是，PDA對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)提出了更高的要求，因?yàn)闊o(wú)線通信網(wǎng)當(dāng)初建立時(shí)不是為數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)的。在傳送語(yǔ)音時(shí)，短暫的傳輸中斷并不影響效果，而在傳送E－mal、Fax或數(shù)據(jù)文件時(shí)則不允許。另外

26、，無(wú)線通信網(wǎng)種類很多，缺乏標(biāo)準(zhǔn)、傳輸率低、服務(wù)的覆蓋范圍有限，這些缺點(diǎn)還有待于克服。通信軟件的發(fā)展還更滯后一些，相對(duì)來(lái)說(shuō)，通信部件還解決得比較好一些。 ④電池 便攜機(jī)和PDA等移動(dòng)計(jì)算和通信的設(shè)備中都需要配備有電池，對(duì)電池的要求是輕便、小巧和使用時(shí)間長(zhǎng)。目前常用的電池主要有鎳隔電地、鎳金屬氫化物電池和鋰離子電池。,20,,表11.3列出幾種電池的性能比較。 說(shuō)明：記憶效應(yīng)明顯指的是在電池使用

27、過(guò)程中，如多次不完全放電，將出現(xiàn)電池中的電能在耗盡之前電壓就開(kāi)始下降的問(wèn)題。,21,,手持計(jì)算機(jī)（HPC） 自windows CE成為PDA的主流操作系統(tǒng)之后，在該領(lǐng)域出現(xiàn)了新的名詞HPC，形成了筆式掌上機(jī)和掌上PC兩類分支，集通信功能、個(gè)人信息處理和計(jì)算功能于一體。在中文windows CE推出后，解決中文信息處理中人機(jī)交互問(wèn)題將是 HPC技術(shù)難點(diǎn)之一，HPC存放軟件的ROM的容量也要擴(kuò)大，至少需要8MB.,22,,11.2.

28、4 嵌入式計(jì)算機(jī)(工業(yè) PC和軍用計(jì)算機(jī)) 嵌入式計(jì)算機(jī)和片上計(jì)算機(jī)SOC（System On Chip）已經(jīng)成為我們當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。那些已經(jīng)存在于電話、電視、微波爐等家用電器中的嵌入式計(jì)算機(jī)，正為我們提供著便利?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，所有的電器中都將嵌入計(jì)算機(jī)，并能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和我們進(jìn)行交互。也許，嵌入式計(jì)算機(jī)能成為生活中數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)，它們內(nèi)部有一個(gè)處理器、少量的內(nèi)存和有限的輸入/輸出能力，集成在一片價(jià)格低廉的芯片上，有簡(jiǎn)單的

29、操作系統(tǒng)。 嵌入式計(jì)算機(jī)是嵌入應(yīng)用系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)。例如，嵌入到醫(yī)療儀器、工業(yè)機(jī)器人、高級(jí)音響、通信設(shè)備、坦克潛艇、飛機(jī)等系統(tǒng)中使用的計(jì)算機(jī)都是嵌入式計(jì)算機(jī)。 嵌入式微處理器和通用微處理器最大的不同就是嵌入式微處理器多數(shù)工作在用戶自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，CPU廠商設(shè)計(jì)了許多具有外國(guó)電路的16位／32位微處理器。例如，Motorola 68360是一個(gè)32位內(nèi)核的CPU。片內(nèi)除集成了CPU、存儲(chǔ)器、DMA控制、DRAM 控制、

30、時(shí)鐘、異步串口和中斷等電路外，還集成了一個(gè)通信系統(tǒng)?？芍С侄喾N通信協(xié)議，還提供一個(gè)10Mb以太網(wǎng)接口，為嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的連接提供了方便。,23,,嵌入式微處理器最大并且增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)是手持設(shè)備、電子記事本、PDA、手機(jī)等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。這些產(chǎn)品除了高性能外還要求很低的功率消耗，這是考慮到散熱和供電電池的工作壽命而提出的。 由于嵌入式微處理器應(yīng)用范圍極為廣泛，要求各異，因此沒(méi)有一種結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器能滿足不同

31、設(shè)計(jì)師的所有要求。 通過(guò)采用高質(zhì)量的開(kāi)發(fā)工具，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商可以減少軟件開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。開(kāi)發(fā)工具的供應(yīng)商在提供高效的編譯器和調(diào)試器方面加大了投資。80X86 具有多種可互換的調(diào)試器可以和不同的編譯器、仿真器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)配合使用。用戶往往用C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫程序，因此需要通過(guò)編譯器將其翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，同時(shí)需要在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上調(diào)試程序，并修正其中的錯(cuò)誤。 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)提供的編譯、調(diào)試環(huán)境可以仿真用戶所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，稱之為仿真器。嵌入

32、式系統(tǒng)所服務(wù)的對(duì)象往往需要實(shí)時(shí)控制。,24,,嵌入式計(jì)算機(jī)一般具有以下特征 ①功能和結(jié)構(gòu)符合應(yīng)用系統(tǒng)的要求。嵌人式計(jì)算機(jī)往往直接嵌入到所服務(wù)的對(duì)象（如武器）中，因此其功能與結(jié)構(gòu)（體積、形狀、重量）要符合服務(wù)對(duì)象的要求及其所提供的環(huán)境。 ②高可靠性和高安全性，維護(hù)簡(jiǎn)單。 ③實(shí)時(shí)性——實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)。 ④直接與傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接。嵌入式計(jì)算機(jī)的輸入端一般與傳感器相連以獲取各種實(shí)時(shí)信息（

33、諸如溫度措度等），并將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能接收的輸人信號(hào)；經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后輸出的信息用于控制驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 ⑤硬件一般多用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；在軟件方面，因程序固定，往往被固化在機(jī)內(nèi)，人機(jī)界面簡(jiǎn)單。,25,,嵌入式工業(yè)PC以其小型化體積，模塊化和組合化的靈活結(jié)構(gòu)，豐富的過(guò)程控制能力，特殊的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力，良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，方便的聯(lián)網(wǎng)能力和高可靠性，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。 一般的PC，如應(yīng)用于環(huán)境條件差的工廠中，尚存在

34、以下問(wèn)題①主板尺寸大，散熱差；②不能承受工廠中的震動(dòng)和沖擊；③輸入輸出（I／O）種類少，可擴(kuò)展能力差④不能防塵；⑤抗電網(wǎng)干擾能力差；⑥抗電磁干擾能力差；⑦溫度范圍窄；⑧MTBF（平均無(wú)故障時(shí)間）短；⑨故障檢測(cè)和自動(dòng)排除故障的能力差等。,26,,軍用嵌入式計(jì)算機(jī) 前面講到的嵌人式計(jì)算機(jī)特征以及有關(guān)嵌入式工業(yè)PC的描述同樣適用于軍用嵌入式計(jì)算機(jī)、以下僅對(duì)關(guān)鍵技術(shù)作一些補(bǔ)充。 1）軍用加固技術(shù) 過(guò)去5

35、0年中，通用計(jì)算機(jī)所采用的技術(shù)與工藝不斷得到發(fā)展，軍用計(jì)算機(jī)很多都是以民用的計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行加固后而成的。按軍用標(biāo)準(zhǔn)加固的嵌人式計(jì)算機(jī)能承受戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中對(duì)沖擊、振動(dòng)、加速度溫度、濕度、泥水煙霧、塵埃和輻射（宇宙射線和核爆輻射等）以及敵方的電磁干擾等考驗(yàn)。 2）容錯(cuò)技術(shù) 在很多軍用場(chǎng)合，對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)的可靠性要求很高。例如，衛(wèi)星要在太空連續(xù)運(yùn)行數(shù)月或數(shù)年，運(yùn)行環(huán)境非常嚴(yán)酷，運(yùn)行期間又不能進(jìn)行維護(hù)。所以除了采取加固

36、技術(shù)和抗輻射元器件外，還要采用容錯(cuò)技術(shù)。,27,,容錯(cuò)技術(shù)可在芯片級(jí)實(shí)施，也可在模塊和部件級(jí)實(shí)施或在系統(tǒng)級(jí)實(shí)施。 3）數(shù)據(jù)融合技術(shù) 數(shù)據(jù)融合技術(shù)是指計(jì)算機(jī)把來(lái)自許多傳感器的信息以及其他信息源的數(shù)據(jù)加以分析和綜合，從而做出決策。以緩解武器操作人員、情報(bào)分析人員和指揮決策人員的負(fù)擔(dān)并提高決策和操作的正確性和實(shí)時(shí)性。 4）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng) 嵌入式計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)性由其硬件、軟件提供保證，其中硬件運(yùn)

37、算速度、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序起主導(dǎo)作用。從計(jì)算機(jī)接收到傳感器／信息源提供的信息開(kāi)始，到輸出各種控制信息或決策信息，其時(shí)間必須小于給定值。如超過(guò)給定值，其輸出信息可能已毫無(wú)價(jià)值。,28,,智能卡 將微控制器芯片鑲嵌入到形似名片的卡片中，即為智能卡。從用途來(lái)分類，該卡可分為金融卡和非金融卡兩類。例如，信用卡、儲(chǔ)蓄卡、電子錢包等為金融卡，而身份證、駕駛證、會(huì)員卡主要用來(lái)證明身份的，可稱之為非金融卡。 智能卡中微控制器（

38、或微處理器）包括以下內(nèi)容，CPU、ROM、RAM、EEPROM和I／O接口。其中 ROM主要存放卡的操作系統(tǒng)（chip operating system，簡(jiǎn)稱COS）。 RAM主要存放卡操作過(guò)程中的一些中間數(shù)據(jù)。EEPROM主要存放應(yīng)用數(shù)據(jù)。例如，金融卡的賬號(hào)、金額及交易記錄等。非金融卡（例如駕駛證）的證件號(hào)碼、持卡人姓名、地址和違章記錄等?？ㄖ兄挥幸粋€(gè)I／O接口，用來(lái)與外界交換信息，而工業(yè)控制MCU則有多個(gè)I／O接口。,29,,根據(jù)

39、智能卡與外界交換信息的方式不同，可分為接觸式IC卡和非接觸式IC卡。 接觸式IC卡：卡通過(guò)觸點(diǎn)與外界交換信息并取得能源（外加電壓）。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 7816）規(guī)定卡上可以有8個(gè)觸點(diǎn)，并規(guī)定了卡的尺寸和觸點(diǎn)在卡上的位置。一般只用其中的5個(gè)觸點(diǎn)，分別為電壓、地、Reset（復(fù)位）、CLK（時(shí)鐘）和I／O端口，ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電信號(hào)及傳輸特性作出了明確的規(guī)定。 非接觸式IC卡:卡上不帶觸點(diǎn)，信號(hào)與電源都依靠讀寫器發(fā)射的

40、電磁波取得。當(dāng)卡與讀寫設(shè)備在一定距離范圍內(nèi)（一般為1cm到10cm）時(shí)可交換信息，因此在公交（例如公共汽車）上使用時(shí)，不必將卡插入讀寫機(jī)具而帶來(lái)了方便，同時(shí)因避免了接觸不良的問(wèn)題而帶來(lái)了可靠性。,30,,（1）讀寫器 向卡上寫信息或從卡上讀出信息的設(shè)備稱為‘讀寫器’或“讀寫機(jī)具”?？ㄟ\(yùn)行所需的電源是由讀寫器提供的工作時(shí)由讀寫器向卡發(fā)出命令和數(shù)據(jù)（如果有數(shù)據(jù)），卡執(zhí)行命令后向讀寫器發(fā)回應(yīng)答和數(shù)據(jù)（如果有數(shù)據(jù)）。 （2）卡

41、操作系統(tǒng)（COS） 卡內(nèi)有專用操作系統(tǒng)，稱為COS。由于卡的應(yīng)用性質(zhì)決定了卡的安全性非常重要，卡要防止被偽造，卡內(nèi)數(shù)據(jù)要防止被非法篡改，有些數(shù)據(jù)要保密，甚至不允許被讀寫器所讀?。ɡ缑艽a）。為保證安全，卡的一切操作都在卡內(nèi)操作系統(tǒng)的控制下進(jìn)行。讀寫器發(fā)送來(lái)的命令，也是經(jīng)過(guò)COS的分析后執(zhí)行的。也就是說(shuō)從讀寫器向卡供電開(kāi)始，直到斷電為止所有操作都受COS監(jiān)控。斷電后，卡內(nèi)操作系統(tǒng)以及卡上的數(shù)據(jù)都不能丟失，為此分別采用ROM和 E

42、EPROM來(lái)保存 COS和數(shù)據(jù)。,31,,卡所能執(zhí)行的命令以及執(zhí)行命令后所發(fā)的應(yīng)答也在ISO 7816標(biāo)準(zhǔn)中有所規(guī)定。 （3）卡的安全策略 為了保證安全，除了卡的操作都在COS監(jiān)控下進(jìn)行以外，卡的密碼、密鑰系統(tǒng)也是關(guān)鍵。密碼通常用來(lái)驗(yàn)證發(fā)行人或持卡人的身份（必要時(shí)）。例如，在銀行存款時(shí)聲明采用密碼，則取款人必須輸人正確密碼才能取款，密鑰用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。產(chǎn)生密文或用來(lái)驗(yàn)證卡或讀寫器的真／偽，具體措施

43、清查閱本書后面的參考文獻(xiàn)。書名為《智能卡技術(shù)》。,32,,綠色計(jì)算機(jī) 人類賴以生存的環(huán)境受到嚴(yán)重污染，為滿足環(huán)保要求而設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)稱為綠色計(jì)算機(jī)、一般指對(duì)環(huán)境無(wú)害的計(jì)算機(jī)及其配套設(shè)備（如打印機(jī)、顯示器等），不僅要求其本身符合省電、低噪聲、低輻射、可回收等規(guī)范和要求，而且要求在生產(chǎn)、制造和銷售過(guò)程中無(wú)污染（環(huán)保）、省能源。生產(chǎn)廠商已經(jīng)采取了很多措施，主要有 （1）采用節(jié)電的電源管理技術(shù)。在計(jì)算機(jī)不處于真正的工作狀態(tài)

44、時(shí)降低時(shí)鐘頻率、停止時(shí)鐘或降低電源電壓。例如從5V降到3. 3V；自動(dòng)關(guān)閉某些部件的電源，使磁盤機(jī)、顯示器和打印機(jī)自動(dòng)處于休眠狀態(tài)。,33,,（2）降低機(jī)器各部分電源電壓，以減少計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)的功耗。 （3）采取各種屏蔽措施，減少高頻的電磁輻射，減少打印機(jī)的噪音等。 （4）滿足計(jì)算機(jī)操作人員工作舒適以及減少顯示器的閃爍等。 （5）在計(jì)算機(jī)生產(chǎn)的工藝過(guò)程中選用無(wú)害的化學(xué)材料和清洗劑等。 （6）易回收。包括計(jì)算

45、機(jī)本身的材料、包裝材料以及使用時(shí)的消耗材料等容易被分解或可再生。,34,,11.3 工作站和服務(wù)器一、 工作站 工作站是個(gè)人使用的臺(tái)式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一種具有高速數(shù)據(jù)處理能力、高性能的圖形處理系統(tǒng)。它具有良好的人機(jī)界面和通用的操作系統(tǒng)（UNIX、windows NT等）,標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)接口和標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口。并擁有豐富的應(yīng)用軟件用于工程、科研、管理等應(yīng)用場(chǎng)合。很強(qiáng)的圖形處理能力是工作站的最大特點(diǎn)之一。 在20世紀(jì)

46、80年代后期出現(xiàn)了以通用性、開(kāi)放性為特征的工作站，并在20世紀(jì)80年代得到了飛速發(fā)展。,35,,工作站系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括中央處理器CPU、主存儲(chǔ)器、總線系統(tǒng)、圖形子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、輸入輸出子系統(tǒng)、大容量外設(shè)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。 1、中央處理器CPU 早期的工作站采用CISC作為CPU（諸如M0torola 65000系列芯片)。目前各大工作站廠商（IBM，SUN，SGI，HP，Compaq／DEC等）都選用RISC處

47、理器芯片，如Power PC，HP－PA和 Alpha等，這些高性能芯片代表了當(dāng)前微處理器的最高水平，也保證了工作站在計(jì)算和處理能力方面的優(yōu)勢(shì)。在高檔工作站中往往采用多個(gè)微處理器來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)以提高性能。 2、存儲(chǔ)器：采用Cache一主存一外存三級(jí)存儲(chǔ)體系，其容量根據(jù)應(yīng)用需要而定。由于硬件發(fā)展很快，隨著操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的發(fā)展，存儲(chǔ)器容量也日趨龐大。,36,,3、總線系統(tǒng)：在工作站中，總線是影響系統(tǒng)性能的主要瓶頸之一，為提高系統(tǒng)性

48、能可采用主橋（host bridge）等組成的多總線結(jié)構(gòu)。 圖形處理和顯示功能是工作站的一個(gè)重要指標(biāo)。 CAD，CAM，CAE和三維動(dòng)畫處理對(duì)圖形處理提出了要求，工作站將復(fù)雜的三維圖形／圖像處理轉(zhuǎn)移到專用的圖形處理器中以達(dá)到加速圖形處理的目的。 4、網(wǎng)絡(luò)接口：工作站一般提供傳輸率為10Mb／S的局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）接口。目前100Mb／S 和1000Mb／S的高速網(wǎng)絡(luò)已投入應(yīng)用，這對(duì)圖形、圖像和視頻信號(hào)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸

49、的瓶頸問(wèn)題提供了解決方案。,37,,5、輸入輸出接口： 在工作站上，基本的對(duì)外輸入輸出接口有鍵盤、鼠標(biāo)、串口、并口和SCSI接口。 6、操作系統(tǒng)： 目前UNIX操作系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于工作站中，由于市場(chǎng)的需求，Windows NT操作系統(tǒng)逐漸在工作站中推廣。 7、應(yīng)用軟件： 在工作站上運(yùn)行的軟件非常豐富，已規(guī)模較大，主要包括：在電子、機(jī)械、建筑、化工和軍事領(lǐng)域中的CAD，CAM和CAE；三維動(dòng)畫和多媒體

50、軟件設(shè)計(jì)、地理信息系統(tǒng)、氣象和地震等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理；大型系統(tǒng)仿真控制和作戰(zhàn)模擬等。,38,,二、服務(wù)器 20世紀(jì)7O年代及其之前。計(jì)算機(jī)對(duì)信息和數(shù)據(jù)的處理以集中模式為主，即數(shù)據(jù)的處理和保存集中在一臺(tái)計(jì)算機(jī)（主機(jī)）上，用戶通過(guò)掛在主機(jī)上的各個(gè)顯示終端向主機(jī)發(fā)出處理請(qǐng)求，并接收和顯示主機(jī)的處理結(jié)果。進(jìn)人 20世紀(jì) 80年代以后出現(xiàn)了 PC。PC的普及加速了信息處理技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，但獨(dú)立的信息處理方式和信息的交換以及資源共享

51、發(fā)生了矛盾，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和客戶／服務(wù)器這種分布處理模式的產(chǎn)生和發(fā)展。,39,,在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，服務(wù)器根據(jù)客戶機(jī)提出的服務(wù)請(qǐng)求完成所需的計(jì)算和管理任務(wù)，客戶機(jī)接收到計(jì)算結(jié)果后，進(jìn)一步進(jìn)行后處理。在這種系統(tǒng)中，一臺(tái)服務(wù)器要面向多個(gè)客戶的服務(wù)請(qǐng)求。它的作用是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)按客戶的要求提供各種服務(wù)，包括共享文件、共享數(shù)據(jù)庫(kù)、共享硬盤驅(qū)動(dòng)器共享打印機(jī)、應(yīng)用計(jì)算、通信服務(wù)等，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行集中管理。用做服務(wù)器的計(jì)算機(jī)可以是一臺(tái)PC臺(tái)式機(jī)

52、，直到一臺(tái)巨型機(jī)。 服務(wù)器更加重視可靠性、可用性和可擴(kuò)展性，例如采用對(duì)稱多處理器（SMP）、磁盤陣列、熱插拔、電源備份等技術(shù)。,40,,11.4 多媒體計(jì)算機(jī) 多媒體計(jì)算機(jī)是集聲音、文字、圖形、圖像、動(dòng)畫和通信于一體的信息處理工具。11.4.1 概述 媒體（Medium）原指承載信息的載體，在這里是指信息的表示形式，文字、圖形、圖像、聲音等表示的是信息不同的表示形式，也就是媒體。 多媒體（Multi

53、 Mediurn）技術(shù)是指對(duì)多種媒體信息進(jìn)行處理和傳送的技術(shù)，是將音像技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)的一種綜合技術(shù)。 由于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)（特別是視頻數(shù)據(jù)）方面還達(dá)不到實(shí)時(shí)要求，因此多媒體計(jì)算機(jī)必須要有相應(yīng)的硬件支持，其中音頻、視頻的專用處理芯片以及新型體系結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵技術(shù)。,41,,Philips和Sony公司公布了CD－ROM的文件格式以后被ISO采納為標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)在650MB的只讀光盤上存放著高質(zhì)量的聲音、

54、文字、圖形、圖像和計(jì)算機(jī)程序，用戶可通過(guò)遙控器、鍵盤、鼠標(biāo)或操縱桿選擇視聽(tīng)材料進(jìn)行播放。 后來(lái)Intel公司又推出了帶有多媒體功能的 Pentium MMX和 PentiumⅡ等微處理器。 多媒體計(jì)算機(jī)可以是將通用計(jì)算機(jī)配置專用硬件和相應(yīng)軟件，從而能對(duì)文本、圖形、圖像、動(dòng)畫、音頻、視頻等多種媒體進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)挠?jì)算機(jī)。,42,,圖11.2,11.4.2 多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 多媒體計(jì)算

55、機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖11．2所示。,43,,1．多媒體硬件組成 （1）功能強(qiáng)、速度快的 CPU和專用的集成電路芯片。 （2）大容量主存和外存，支持音頻／視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳送。 （3）高分辨率的顯示設(shè)備和性能佳的顯示適配器。 （4）音頻卡，應(yīng)具有立體聲合成、模擬混音、樂(lè)器數(shù)字接口（Musical instrument digital interface，簡(jiǎn)稱MIDI）、CD－ROM接口和輸出功率放大器等。

56、 （5）通信部件（調(diào)制解調(diào)器）。2．多媒體軟件結(jié)構(gòu) （1）多媒體設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和音頻／視頻壓縮與解壓縮軟件。多媒體驅(qū)動(dòng)程序完成多媒體設(shè)備的初始化、設(shè)備的打開(kāi)和關(guān)閉等操作。,44,,多媒體計(jì)算機(jī)要實(shí)時(shí)綜合處理各種文、圖、聲、影等大量數(shù)據(jù)，為了解決存儲(chǔ)與傳送量大的問(wèn)題，必須先將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，然后再存儲(chǔ)或傳送；當(dāng)使用這些數(shù)據(jù)時(shí)要將其恢復(fù)成原來(lái)數(shù)據(jù)，稱為“還原”或“解壓”。 （2）操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)多媒體系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度

57、、音頻／視頻信息的同步控制與處理，要求實(shí)時(shí)性好，目前流行的是視窗軟件（Windows 95／98 / 2000）。 （3）多媒體編輯工具和寫作工具，用于多媒體數(shù)據(jù)采集（如聲音錄制、視頻采集等）和編輯，并將其聯(lián)接成完整的視聽(tīng)資料。 （4）多媒體應(yīng)用軟件，在多媒體系統(tǒng)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的面向應(yīng)用的軟件，已廣泛應(yīng)用于教育 培訓(xùn)、電子出版、動(dòng)畫制作、影視特技、電視會(huì)議以及播放影視節(jié)目等。,45,,11.4.3 多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵

58、技術(shù) 關(guān)鍵技術(shù)有數(shù)據(jù)壓縮／解壓，多媒體通信、多媒體硬件和軟件等。1．多媒體數(shù)據(jù)壓縮／解壓 數(shù)字化視頻／音頻信號(hào)的數(shù)據(jù)量非常大。例如，一幅 640X480分辨率、24位真彩色圖 像，其數(shù)據(jù)量約為7.37MB，若要達(dá)到每秒30幀動(dòng)態(tài)顯示，其數(shù)據(jù)量約為221MB；對(duì)于聲音如采樣頻率為44.1KHZ，采樣值為16位，雙聲道立體聲，則每秒的數(shù)據(jù)量為1.4MB。在影視系統(tǒng)中,無(wú)論是存儲(chǔ)量或傳輸率，計(jì)算機(jī)都難以滿足要求，為

59、此要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。 圖像數(shù)據(jù)存在很大的相關(guān)性和冗余度，因此在允許存在一定失真度的情況下，可進(jìn)行大比例的壓縮。一種較好的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)應(yīng)盡量做到壓縮比大、實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單和還原（解壓）效果好，即重建的圖像難以觀察出圖像的損傷。,46,,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO已為之制定了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其中影響最大的是用于視頻圖像壓縮的MPEG標(biāo)準(zhǔn)。 MPEG已在1993年成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，把視頻及其伴音信號(hào)壓縮到1.5Mb／S的單一位流，完成每

60、秒30幀，360X240分辨率的實(shí)時(shí)彩色電影的播放。MPEG－2在1994年11月成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每秒30幀720X480分辨率的視頻及其伴音壓縮到 4-10Mb／S。 MPEG－2的擴(kuò)展模式可對(duì)1440XI 152（PAL）的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，因此可應(yīng)用于高清晰度電視中。 MPEG－4計(jì)劃用最少量的數(shù)據(jù)來(lái)傳輸影像和聲音，傳輸率低于64kb／S，并在接收端重建精確的畫面和逼真的聲音。MPEG－4將提供新的音頻視頻編碼技術(shù)

61、。 MPEG技術(shù)廣泛用于影像編輯、多媒體演示、影像電子郵件、電視會(huì)議、電子出版物、遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)、游戲、有線電視機(jī)頂盒（set－top box）和Internet的WWW應(yīng)用。,47,,2．多媒體通信技術(shù) 實(shí)現(xiàn)信息共享，通常需要傳送文本、圖形、圖像、影視、動(dòng)畫、聲音等，其傳輸速率從幾個(gè)bPS到幾十Mb／S（例如HDTV），在很多場(chǎng)合要求實(shí)時(shí)，因此對(duì)通信的要求極高。光纖通信的發(fā)展解決了通信介質(zhì)問(wèn)題，今后滿足不同特點(diǎn)的綜合

62、多媒體信息的網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)將成為通信的關(guān)鍵技術(shù)。3.具有多媒體處理功能的微處理器和（或）專用芯片 多媒體計(jì)算機(jī)需要快速實(shí)時(shí)完成視頻／音頻信號(hào)的采集、壓縮和解壓縮、圖形、圖像和聲音處理以及信息的輸出，必須采用專門為之設(shè)計(jì)的芯片。隨著集成電路的發(fā)展，CPU的運(yùn)算速度以及功能大為增加，某些原來(lái)由專用芯片實(shí)現(xiàn)的一部分功能可以由CPU中的硬件或軟件來(lái)完成，技術(shù)發(fā)展很快。,48,,4．多媒體操作系統(tǒng) 5．多媒體數(shù)據(jù)庫(kù) 6．超媒

63、體 4～6的內(nèi)容已超出本書范圍，不作進(jìn)一步敘述。11.4.4 視頻和音頻信息的獲取和回收 多媒體計(jì)算機(jī)要綜合處理聲、文、圖信息，首先要解決把視頻和音頻信息數(shù)字化后送入計(jì)算機(jī)。 1．視頻信號(hào)的獲取 一般視頻信號(hào)源自攝像機(jī)、錄像機(jī)、掃描儀和視頻光盤等，它們的輸出大多數(shù)是彩色全電視信號(hào)，要把這種信號(hào)送到計(jì)算機(jī)中，需要下列電路： （1）彩色解碼電路。將電視信號(hào)分成RGB（紅綠藍(lán)）或YUV。Y是亮

64、度信號(hào)，U，V是色差信號(hào)。用YUV表示彩色電視信號(hào)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①Y與黑白電視機(jī)的亮度信號(hào)兼容，即黑白電視機(jī)可接收這種彩色電視信號(hào)；②人的眼睛對(duì)亮度信號(hào)Y 敏感，對(duì)色差信號(hào)U，V不敏感，因此表示U，V的數(shù)據(jù)量可以減少。現(xiàn)在常采用Y，U，V的4：2：2或4：1：1格式，因此可以壓縮彩色電視傳送的帶寬。,49,,我國(guó)實(shí)行彩色電視PAL－D制式，把R，G，B轉(zhuǎn)換成Y，U，V信號(hào)，其轉(zhuǎn)換關(guān)系式如下： Y=0.

65、3R＋0. 59G＋0. 11B U=B－Y V=R－Y （2）同步鎖相和時(shí)序電路。產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和所有的控制信號(hào)，這些信號(hào)與視頻信號(hào)源的同步是通過(guò)鎖相回路實(shí)現(xiàn)的。 （3） A／D變換器。將模擬的Y，U，V信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 （4）幀存儲(chǔ)器。存放YUV或RGB數(shù)字式信號(hào)。 數(shù)字信號(hào)可在計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，當(dāng)需要把信息在電視機(jī)上輸出時(shí)，需要 D

66、／A變換器，將數(shù)字式Y(jié)UV信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬的YUV信號(hào)。然后再將其轉(zhuǎn)換成RGB信號(hào)，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如下： R=Y＋V G=Y－0.19U一0.51V B=Y＋U,50,,通過(guò)編碼器將RGB編成標(biāo)準(zhǔn)的彩色全電視信號(hào)。 2．音頻信號(hào)的獲取 音頻信號(hào)獲取設(shè)

67、備的主要組成部分如下：音頻的信號(hào)源是抬音器（麥克風(fēng)），具有可編程增益控制的音頻放大器，低通濾波器（濾掉噪音），A／D變換器，存儲(chǔ)器。將處理好的信息輸出的部件主要組成如下：D／A變換器，濾波器（改善輸出語(yǔ)音信號(hào)的質(zhì)量），功率放大和增益控制器（可編程的音量控制器，分左右兩路輸出到音響設(shè)備）。11.4.5 多媒體計(jì)算機(jī)的用途與實(shí)例 1．多媒體系統(tǒng)的用途 按用途與功能的不同可分成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、演示系統(tǒng)、訓(xùn)練／教育系統(tǒng)和家用播放系統(tǒng)

68、等。,51,,開(kāi)發(fā)系統(tǒng)具有多媒體應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和制作能力，以及播放功能。因此，該系統(tǒng)配有功能較強(qiáng)前計(jì)算機(jī)和聲、文、圖信息齊備的外部設(shè)備，多媒體接口卡以及多媒體演示的制作工具等。典型的用途是多媒體應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，電子出版物的制作，電視節(jié)目的編輯和電影特技鏡頭的制作等。 演示系統(tǒng)配有音頻及視頻輸入設(shè)備以及相應(yīng)的接口卡，此外還有簡(jiǎn)易的多媒體演示節(jié)目制作軟件，還可能需要與網(wǎng)絡(luò)相連。 訓(xùn)練／教育系統(tǒng)，一般在個(gè)人計(jì)算機(jī)上