第1章 計算機與信息技術(shù)基礎(chǔ)(下)(精)

第1章計算機與信息技術(shù)基礎(chǔ)教師:蔡勇電話:663575(移動)Email:ybxycy@126.com1.9計算機的工作原理1．計算機指令和指令系統(tǒng)計算機所能識別并能執(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算機的工作過程每條指令明確規(guī)定了計算機運行時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）機器指令機器指令是指計算機能直接識別并執(zhí)行的指令。它是一個按照一定的格式構(gòu)成的二進制代碼串，是計算機硬件真正可以“執(zhí)行”的命令。（1）機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機器指令示例:某個指令系統(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“00000010000001000000000100000110”的指令時:先取出它的前8位操作碼，即00000010，分析得出這是一個減法操作;有3個地址，分別是兩個源操作數(shù)地址和一個目的地址。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中進行減法運算，然后把結(jié)果送到00000110處。

（2）指令系統(tǒng)一臺計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)或指令集合。指令系統(tǒng)是計算機基本功能具體而集中的體現(xiàn)，不同型號的計算機有不同的指令系統(tǒng)，這也是為什么機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，計算機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)的計算機語言將算法實現(xiàn)，然后將程序和數(shù)據(jù)輸入到計算機中，計算機利用語言處理程序?qū)⒊绦蜻M行相關(guān)處理，比如編譯、鏈接等，最后運行程序，完成程序設(shè)計好的任務(wù)。一個指令規(guī)定計算機執(zhí)行一個基本操作。一個程序規(guī)定計算機完成一個完整的任務(wù)。73計算機的工作原理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)代計算機的基本組成的工作方式，直到現(xiàn)在，計算機的設(shè)計與制造依然沿著“馮諾依曼”體系結(jié)構(gòu)，都稱為：“馮.諾依曼計算機”。83計算機的工作原理“存儲程序控制”原理的基本內(nèi)容：①采用二進制形式表示數(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），使計算機在工作時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算機硬件體系結(jié)構(gòu)。93.計算機的工作原理圖1-45“存儲程序控制”原理105．計算機工作過程計算機的工作過程，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：啟動運行后，計算機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)取出送往運算器進行運算，再把運算結(jié)果送回存儲器指定的單元中。第四步：當(dāng)運算任務(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:使用計算機交互式綜合技術(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）是利用計算機對文本、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)系和人機交互作用的技術(shù)。多媒體技術(shù)朝二個方向發(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?。轉(zhuǎn)換可以分為兩個階段——信息采集和信息回放。信息采集是將這些媒體信息轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的數(shù)字信號；信息回放則是把計算機處理后的數(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間。(2)聲音媒體的要素聲音效果的三個要素是：音調(diào)、音色、音強。聲音的頻率決定音調(diào)。聲音的振幅決定音強。而音色是由混入基音的泛音所決定的，每個基音又有固定的頻率和不同音強的泛音，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時間間隔在聲音的波形上截取一個振幅值，把時間上的連續(xù)信號變成時間上的離散信號。②量化量化是將每個采樣點得到的表示聲音強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）表示存放采樣點振幅值的二進制位數(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)點是抗干擾能力強，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)生的聲音波形的個數(shù)。記錄聲音時，如果每次生成一個聲道數(shù)據(jù)，稱為單聲道；每次生成兩個聲道數(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)它們在計算機中生成的原理不同，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、直線和曲線來描述，這些直線和曲線由計算機通過某種算法計算獲得。②圖像圖像又稱為光柵圖像或點陣圖像，是由一個個像素點（能被獨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）點來表示，這些點可以進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算機繪圖軟件生成的，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)碼照相機所得到的圖片。圖像的數(shù)字化是指將一幅真實的圖像轉(zhuǎn)變成為計算機能夠接受的數(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)換成離散點的過程，采樣實質(zhì)就是要決定在一定面積內(nèi)取多少個點來描述一幅圖像，或者叫多少個像素點，稱為圖像的分辨率，用點的“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，消耗的計算機資源也越多。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去，便可實現(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，在一定的時間內(nèi)以一定的速度對單幀視頻信號進行采樣、量化、編碼等過程，實現(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，流媒體在播放前并不下載整個文件，只將開始部分內(nèi)容存入內(nèi)存，在計算機中對數(shù)據(jù)包進行緩存并使媒體數(shù)據(jù)正確的輸出，達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，這樣大的數(shù)據(jù)量不僅超出了計算機的存儲和處理能力，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)存儲時所需空間，當(dāng)數(shù)據(jù)使用時，再進行解壓縮。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)存儲時所需空間，當(dāng)數(shù)據(jù)使用時，再進行解壓縮。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