计算机基础知识重点总结

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1、计算机基础知识重点总结2、生物计算机3、量子计算机第一章 计算机及信息技术概述（了解）1、计算机发展历史上的重要人物和思想1、法国物理学家帕斯卡（1623-1662）：在 1642 年发明了第一台机械式加法机。该机由齿轮组成， 靠发条驱动，用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。2、德国数学家莱布尼茨：在 1673年发明了机械式乘除法器。基本原理继承于帕斯卡的加法机， 也是由一系列齿轮组成，但它能够连续重复地做加减法，从而实现了乘除运算。3、英国数学家巴贝奇：1822年，在历经10年努力终于发明了“差分机”。它有3个齿轮式寄存器， 可以保存3个5位数字，计算精度可以达到6位小数。 巴贝奇是现代计算机

2、设计思想的奠基人。 英国科学家阿兰 图灵（理论计算机的奠基人） 图灵机：这个在当时看来是纸上谈兵的简单机器，隐含了现代计算机中“存储程序”的基本思想。半 个世纪以来，数学家们提出的各种各样的计算模型都被证明是和图灵机等价的。 美籍匈牙利数学家冯 诺依曼（计算机鼻祖） 计算机应由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备五大部件组成； 应采用二进制简化机器的电路设计； 采用“存储程序”技术,以便计算机能保存和自动依次执行指令。七十多年来，现代计算机基本结构仍然顧诺依曼计算机T。2、电子计算机的发展历程1、1946年2月由宾夕法尼亚大学研制成功的ENIAC是世界上第一台电子数字计算机。“诞生了

3、一个电子的大脑” 致命缺陷：没有存储程序。2、电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代：电子管、晶体管、集成电路、大规模及超大规 模集成电路3、计算机的类型按计算机用途分类：通用计算机和专用计算机 按计算机规模分类：巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站、服务器、嵌入式计算机 按计算机处理的数据分类：数字计算机、模拟计算机、数字模拟混合计算机1.1.4 计算机的特点及应用领域 计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。（含义）1、运算速度快2、计算精度高3、存储容量大4、具有逻辑判断能力5、按照程序自动运行 应用领域：科学计算、数据处理、

4、过程与实时控制、人工智能、计算机辅助设计与制造、远程通讯 与网络应用、多媒体与虚拟现实1.1.5 计算机发展趋势：巨型化、微型化、网络化、智能化1、光计算机1.2 计算机系统构成 一个完整的计算机系统有硬件系统和软件系统两大部分组成 硬件系统是指能够收集、加工、处理数据以及输出数据所需的设备实体，是看得见、摸得着的 部件总和。 软件系统是指为了充分发挥硬件系统性能和方便人们使用硬件系统，以及解决各类应用问题而 设计的程序、数据、文档总和，它们在计算机中体现为一些触摸不到的二进制状态，存储在内存 磁盘、闪存盘、光盘等硬件设备上。1.3.1 信息技术概念 信息是一种知识，是接受者事先不知道不了解的

5、知识。 数据是信息的载体。数值、文字、语言、图形、图像等都是不同形式的数据。4 次信息革命：文字、造纸和印刷术、电报电话广播电视、计算机与网络 现代信息技术：计算机技术微电子技术通信技术1.3.1 信息技术产业与人才 信息产业是信息社会的支柱，主要包括：计算机硬件制造业、计算机软件业、信息服务业以及国民 经济中传统行业的信息化信息产业属资本密集型、知识密集型、人才密集型的产业。 信息技术教育包括： 对信息科学的理解 对信息应用的实践能力 对信息社会的认识和态度第二章 计算机信息基础2.1.1 数制的概念数制也称计数制，是指用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法。常用数制十进制二进制八进制

6、十六进制数字符号090，1070 9,A,B,C,D,E,F-tip 业厂基数102816基数：R进制的基数=R 位权：在数制中，各位数字所表示值的大小不仅与该数字本身的大小有关，还与该数字所在的位置 有关，我们称这关系为数的位权。位权：一个与数字位置有关的常数，位权=Rn2.1.3 二进制和其它进制的转换十进制转二进制：整数部分除以2取余，直至商为 0；小数部分乘以2取整，直至小数部分为 0或 达到所需精度为止。十进制转八进制：方法同上。整数部分除以8，小数部分乘以 8。 十进制转十六进制：方法同上。整数部分除以16，小数部分乘以 16。2.2 计算机中的数据单位位(bit):计算机存储数据

7、的最小单元(0、1)字节(Byte)：处理数据的基本单位(8bit/Byte)常用的字节计数单位：1KB=1024 Byte (210B)1MB=1024 KB (220B)1GB=1024 MB (230B)1TB=1024 GB (240B)字长： CPU 一次处理数据的二进制位数。2.3 信息表示与编码 所谓编码，就是利用数字串来标识所处理对象的不同个体。2.3.1 整数的表示 在数学中，数值是用“”和“”表示正数和负数的，而在计算机中只有0和1，所以正负号也用0和1表示，即数值符号数字化。补码的概念是怎么来的？ “模”是指一个系统所能表示的数据个数。按模运算是指运算结果超过模时，模(或

8、模的整 数倍)将溢出而只剩下余数。假设M为模，若数a, b满足a+b=M,则称a, b互为补数。 在有模运算中，减去一个数等于加上这个数对模的补数。2.3.2 实数的表示定点数：小数点位置固定的数称为定点数。浮点数：小数点位置不固定的数称为浮点数与汉字有关的编码：(1) 、输入码(2) 国标码和区位码：每个汉字占两个字节的编码,且每个字节最高位均为 0。所有汉字分94个 区,每个区94个汉字。由此构成区位码。而区位码的区码和位码各加32就得到国标码。(3) 机内码(4) 字型码：汉字存储在计算机内采用机内码,但输出时必须转换成字形码,再根据字形码输出 汉字。字形码又称汉字字模,用于在显示器或打

9、印机上输出各种文字和符号。点阵汉字：每一个汉 字以点阵形式存储，有点的地方为“1”，空白的地方为“0”。有16X16、24 X 24、48X48点阵等。点阵越大,字形分辨率越好,字形也越美观,但汉字存储的字节数就多,字库也就越庞大。2.3.6 多媒体信息的数字化数字化就是对模拟世界的一种量化，表示信息的最小单位是位(bit“0”或“1”。多媒体信息在计 算机中也要转换为 0和1，因此也需要进行编码。第三章 计算机硬件体系结构3.1 计算机系统的构成一个完整的计算机系统是由硬件和软件组成。 硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成。其中：中央处理器(简称CPU)=运算器+控制

10、器主机=中央处理器+主存储器 软件是指各类程序和数据，计算机软件包括计算机本身运行所需要的系统软件和用户完成任务所需312冯诺依曼型计算机的结构冯诺依曼型计算机是将程序和数据事先存放在外存储器中，在执行时将程序和数据先从外存装入 内存中，然后使计算机在工作时自动地从内存中取出指令并加以执行，这就是存储程序概念的基本 原理。冯诺依曼计算机体系结构的主要特点是：(1) 采用二进制形式表示程序和数据。(2) 计算机硬件是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成 。(3) 程序和数据以二进制形式存放在存储器中。(4) 控制器根据存放在存储器中的指令 (程序) 工作。313 微型计算机的

11、诞生与发展微型机属于第四代电子计算机产品，即大规模及超大规模集成电路计算机。微机的核心部件是CPU 32 微型计算机主机结构微型机基本是由显示器、键盘和主机构成。在主机箱内有CPU、主板、内存、硬盘、光驱、电源 等。321 中央处理器 CPUCPU：运算器部件、寄存器部件和控制器部件。CPU从存储器取出指令，放入CPU内部的指令寄存器，并对指令译码。它把指令分解成一系列的 微操作，然后发出各种控制命令，执行微操作系列，从而完成一条指令的执行。CPU的主要性能指标：(1) 主频/外频(主频=外频X倍频，即CPU工作频率)(2) 数据总线宽度(即字长，指CPU传输数据的位数)地址总线宽度(决定了

12、CPU可访问的地址空间)(4)工作电压(低电压可减少CPU过热，降低功耗) 高速缓存Cache (加速CPU与其它设备间数据交换)(6)运算速度(CPU每秒能处理的指令数)1 运算器 运算器是完成算术和逻辑运算的部件，又称算术和逻辑运算单元。计算机所完成的全部运算都是在 运算器中进行的。运算器的核心部件是:(1) 运算逻辑部件(2) 寄存器部件2 控制器 控制器负责从存储器中取出指令，并对指令进行译码，并根据指令译码的结果，按指令先 后顺序，负责向其它各部件发出控制信号，保证各部件协调一致地完成各种操作。控制器主要由以下部件组成： 程序计数器。存放下一条将要执行的指令在内存中的地址； 指令寄存

13、器。保存现在正在执行的指令； 指令译码器。用来识别指令的功能，分析指令的操作要求；要的应用软件。定时控制。以协调各部件的工作顺序； 时序部件。产生计算机工作中所需的各种定时控制信号，对各种微操作控制信号进行 微操作控制电路。一条指令的执行可以分解为一系列不可再分的微操作命令信号，即 微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。3.2.2高级CPU技术1、超线程技术2、双核心CPU技术：由于组建双CPU系统的高成本和复杂性，桌面电脑上并未得到普及。用“双 核”技术，就是在单个CPU中真正集成两个物理运行核心，因此在实际使用中，这种“双核心处理 器”和使用两个独立CPU组建的系统在工作原理和性能上基本

14、没有区别。目前，CPU已从双核向 4 核、 8 核和多核方向发展。3.2.3 主板主板是电脑中各种设备的连接载体。它提供CPU、各种接口卡、内存条和硬盘、软驱、光驱的插 槽，其它的外部设备也会通过主板上的 I/O 接口连接到计算机上。早期的 PC 机主板是将快速的 CPU、中速的内存、慢速的外设都连接在一条总线上，使系统的总体性能得不到优化。3.2.4 内存储器内存储器 (简称内存)，由半导体材料构成。内存分为只读存储器和随机读写存储器。1. 只读存储器 ROM 特点：存储的信息只能读出，不能随机改写或存入，断电后信息不会丢失，可靠性高。 ROM 分类(1) 掩膜式 ROM(Mask ROM)

15、(2) 可编程 PROM(Programmable ROM)(3) 可擦除 EPROM (Erasable PROM)(4) 电可擦 EEPROM(Electrically EPROM)(5) 快擦写 ROM(Flash ROM)2. 随机存储器 RAM特点：用于存放原始数据、中间结果、最终结果。开机前是空的，断电后数据消失。 RAM 分类:(1) SRAM :静态RAM。不需要充电来保持数据完整性，成本高且集成低，一般做高速缓 冲存储器。DRAM :动态RAM。需要定时充电来保持数据的完整性，通常所说的“内存”主要由它 构成。一般指以下两种类型： SDRAM-同步动态存储器 DDR-双倍速率

16、内存(DDR2-四倍速率内 DDR3)3. Cache(高速缓存)Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU与主存之间速度不匹配而采用的一种重 要技术。其中片内Cache是集成在CPU芯片中，片外Cache是安插在主板上。高速缓冲存储器的 存取速度比主存要快一个数量级，大体与CPU的处理速度相当。4. 多级缓存最早的CPU缓存容量很低。当集成在CPU内核中的缓存已不能满足CPU的需求，而制 造工艺上的限制又不能大幅度提高缓存的容量时，出现了集成在与CPU同一块主板上的缓存，此时把CPU内核集成的缓存称为一级缓存，而外部的称为二级缓存。现在多数CPU内部也有二级缓存,于是二级缓存又可分为内

17、部二级缓存和外部二级缓存。 较高端的CPU中还会带有三级缓存。6. 存储器的层次结构 既要速度快，又要求容量大，同时价格又要求合理，在目前技术条件下这三项指标很难用 单一种类的存储器来实现。折衷的方法是采用层次结构。3.2.5 总线总线:是一组连接各个部件的公共通信线路，是计算机内部传输指令、数据和各种控制信息的高速 通道，是计算机硬件的一个重要组成部分。 地址总线。传输的是地址信号，一般是单向传输。当CPU需要访问某个外设时，它向地址总线 发出相应外设的地址信号，以选择某个外设。 数据总线。传输的是数据，一般是双向传输。CPU进行“读”时，数据由外设流向CPU，当CPU 进行“写,，时，数据

18、由CPU流向外设。 控制总线。有的是CPU向内存或外部设备发出的信号；有的是内存或外部设备向CPU发出的 信号。对每条控制线而言信号是单向传送，但作为整体是双向的。总线按处于计算机硬件系统中的位置来分: 片内总线(又称内部总线)。是指CPU芯片内部的总线。 片间总线(又称局部总线)。是主板上各外围芯片与CPU之间的总线，用于芯片一级互连。 系统总线(又称输入/输出总线)。是微机中各插件板与系统主板之间的总线，用于插件板一级的 互连。 外部总线(又称通信总线)。是微机和外部中低速外部设备之间或外设与主机连接的总线。 系统总线标准系统总线标准大致可分为ISA总线、PCI总线、PCI Express

19、三个阶段。 ISA总线。是最早的8位系统总线。后来扩展到16位。ISA是现代个人计算机的基础。 PCI总线。主要特点是传输速度高，广泛应用于现代微机中。 AGP 总线。专为系统中一块图形显示卡设计的总线。 PCI Express 总线。是新一代的总线接口。外部总线标准常见的 I/O 总线: USB 总线 属高速串行接口总线。该总线最多可连接127个设备，支持热拔插，支持即插即用，所以USB接口已经成为许多外设的标准接口。USB有两个规范，即USB11和USB2.0。 IEEE1394 总线属高速串行接口总线，主要用于连接DV产品。3.2.6 接口I/O接口是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由

20、I/O接口电路、连接器(一般为连接电 缆)和接口软件(即设备驱动程序)组成。根据I/O接口是否内嵌在主板中，可将I/O接口分为内置I/O接口和外置I/O接口两类。内置I/O接口将 I/O 接口电路内嵌在主板中，由主板提供外设接口电路插座，如键盘接口、鼠标接口、 USB 接口、串口、并口及软硬盘接口等。外置I/O接口将 I/O 接口集成到一块独立的电路板(接口卡)上，接口卡必须插在总线扩展插槽上(如 PCI、 PCI Express 插槽等) 。3.3 外部存储器 外部存储器通常用来存放需要长期保存的各种程序和数据。当需要执行或处理这些程序和数据时， 必须将其先调入到内存中然后再被 CPU 处理

21、， 所以外存实际上属于输入输出设备。目前微机常用的外存储器主要有软盘、硬盘、光盘、 U 盘等。3.3.2 硬盘 硬盘是微机最重要的外部存储器，常用于安装微机运行所需的系统软件和应用软件，以及 存储大量数据。(1) 硬盘存储格式 硬盘是由多个涂有磁性物质的金属圆盘盘片组成，盘片的每一面都有一个读写磁头，在对 硬盘进行格式化时，将对盘片进行划分磁道和扇区，对于大容量的硬盘还将多个扇区组织起来成为 一个块“簇”，簇成为磁盘读写的基本单位。有的簇是一个扇区，有的有好几个扇区，可以在格 式化的参数中给定。(2) 硬盘性能指标 硬盘的容量。现在微机上所配置的硬盘一般在 200GB 以上。 硬盘的转速。硬盘

22、的转速越快，硬盘寻找文件的速度也就越快。现在的主流硬盘转速 一般为 7200rpm 以上。 缓存。硬盘自带的缓存，缓存越多，越能提高硬盘的访问速度。(3) 硬盘接口硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种，IDE接口硬盘多用于家用产品中， SATA是种新生的硬盘接口类型。(4) 硬盘格式化 硬盘低级格式化。主要是对一个新硬盘划分磁道和扇区。 硬盘分区。把硬盘划分为成若干个相对独立的逻辑分区 。 硬盘高级格式化。高级格式化主要是对指定的硬盘分区进行初始化，建立文件分配表 以便系统按指定格式存储文件。3.3.3 光盘存储器光盘简称CD(Compact Disc)是利用塑料盘片表面凹凸不

23、平的特征，通过光的反射来记录 和识别二进制的 0、 1 信息。光盘的分类:1只读型光盘 只读光盘中的数据是在制作时写入的，用户只能读数据，而不能写入或修改光盘中的数据。音频光盘CD-DA、数据光盘CD-ROM、VCD、DVD等都属于只读光盘。2一次写入光盘 这种光盘允许一次写入数据，但不能修改和擦除数据， 如 CD-R。3可擦写光盘这种光盘可多次写入或修改数据，如 CD-RW。 从光盘中读取数据的设备我们称之为光驱。光驱把经过聚焦后的激光投射到光盘上，利用光 盘的凹坑或非凹坑边缘反射的激光强度不同而将其表示为不同的电信号。光驱倍数是指光盘的数据传输率(150KB/S为单倍，以此类推)。CD-R

24、OM光盘驱动器能读除DVD 以外的所有光盘。而DVD光盘要用DVD驱动器才能读，DVD驱动器兼容CD-ROM所能读的光 盘。DVD光盘DVD盘片的物理规格与CD盘片是一样的，CD盘只使用一个面记录一层的信息，而DVD 盘可分为单面单层、单面双层、双面单层以及双面双层 4 种结构。DVD按用途可分为以下几类：应用最广的是 DVD-Video格式，用于存储影音信息。此外还有DVD-ROM(只读DVD)、DVD-Audio(音频 DVD)、DVD土R(可写 DVD)、DVD-RAM 或 DVDRW (可擦写 DVD)。另外，还有蓝光高清DVD光盘。光盘刻录机是指可读写的光盘驱动器。包括CD和DVD两

25、种刻录机。CD刻录机既有CD-ROM光驱的功能，也能够向刻录CD光盘。其传输速率一般标注为A/B/C 的形式(如20/10/40)，其中A表示写CD-R盘的倍速，B表示写CD-RW盘的倍速，C表示读盘 的倍速。DVD刻录机既具有DVD-ROM光驱的功能，也能够刻录DVD光盘和CD光盘。3.3.4 USB 盘通过 USB 接口与电脑连接，实现即插即用，具有小巧、可靠、易于操作等特点。闪存盘中无任何 机械式装置，抗震性能强。U盘中的存储模块其实就是Flash-ROM。移动硬盘一般由笔记本硬盘和硬盘盒组成。3.4.1 输入设备(1) 键盘(2) 鼠标 (3) 扫描仪3.4.2 输出设备(1) 显示器

26、 (2) 打印机(1) 显示器CRT显示器在工作时，电子枪发出电子束轰击荧光粉层上的某一点，使该点发光，每个像 素有红、绿、蓝三基色组成，通过对三基色的强度的控制就能合成各种不同颜色。液晶显示器LCD的优点在于： 图像稳定。由于只有在画面内容发生变化时才需要刷新，因此没有闪烁感； 液晶底板整体发光，真正的完全平面； LCD 显示器基本上没有辐射； 能耗低。约为CRT显示器的三分之一。(2) 打印机常用的有针式打印机、喷墨打印机和激光打印机等。 针式打印机特点。利用钢针击打色带把色带上的墨打印在纸上形成文本或图形。缺点是打印质量差、速度慢、噪声大；优点是可以打多联纸，耗材相对较便宜。 喷墨打印机

27、特点。打印头上有若干个喷头，打印时，墨水以每秒近万次的频率喷射到 纸上。与其它两类打印机相比，在打印质量、速度、噪声及成本方面处于中等层次。 激光打印机特点。利用激光可以形成很细的光点，将碳粉固着在纸上，加热后碳粉固 定在纸上，最后印出文字和图片。优点是打印速度快、噪音低、质量好，缺点是价格及打印成本较 高。对三种打印机的打印效果对比来说，激光最好，喷墨其次，而针式相对较差。3.4.3 其他外部设备(1) 多媒体设备(第七章)(2) 调制解调器3.5.1 计算机指令系统 指令：是指计算机执行特定操作的命令。是程序设计的最小语言单位。指令构成：操作码+地址码指令系统：是指一台计算机所能执行的全部

28、指令的集合。不同型号的计算机有不同的指令 系统。它反映了计算机的处理能力。可分为以下四个步骤：开始执行程序时，先给程序计数器PC赋以第一条指令的首地址0100H。 取指令按照计数器中的地址从内存中取出指令(070270H)，并送往指令寄存器。然后 计数器PC自动加1指向下一指令地址。 分析指令 对指令寄存器中存放的指令(070270H)进行分析，由译码器对操作码(07H)进行译码， 由地址码(0270H)确定操作数地址。 执行指令 取出操作数，去完成该指令所要求的操作。例如做加法指令，取内存单元 (0270H)的值和累加器的值相加，结果还是放在累加器。 一条指令执行完成，再回到取指令阶段开始下

29、一指令的执行。3.5.3 计算机硬件系统的性能指标(1) CPU的主频。主频越高，单位时间内完成的指令数也越多，CPU工作的速度也就越快。(2) 字长。字长越长，计算机一次所能处理信息的位数就越多，表现为计算机的运算速度越快。(3) 运算速度。它是一项综合性的性能指标。是指计算机每秒钟执行的指令数，单位是MIPS， 即每秒百万条指令。(4) 内存容量。内存容量越大，一次读入的程序、数据就越多，计算机的运行速度也就越快。(5) 内存存取速度。内存连续启动两次独立的“读”或“写”操作所需的最短时间，称为存取周期。I/O速度。I/O的速度是指CPU与外部设备进行数据交换的速度。目前系统性能的瓶颈越

30、来越多地体现在I/O速度上。第四章 计算机操作系统 操作系统是配置在计算机硬件上的第一层软件，是控制计算机所有操作的软件。4.1.1 操作系统的概念 操作系统：是管理计算机软硬件资源的程序，同时它又是用户与计算机硬件的接口。4.1.2 操作系统的构成 进程管理、内存管理、文件管理、输入/输出系统管理、二级存储管理、联网、保护系统、命令解 释程序4.2.1 操作系统的类别经过多年的发展，操作系统多种多样。为提高大型计算机系统的资源利用率，操作系统从 批处理，多道程序发展为分时操作系统。为了满足计算机处理实时事件的需要，就有实时操作系统。 为适应个人计算机系统的需要又出现了桌面操作系统。为适应并行

31、系统的需要，就有了多处理器操 作系统。为满足网络和分布计算的需要，就有了网络操作系统和分布式操作系统。此外，还有为支 持嵌入式计算机的嵌入式操作系统。4.2.2 计算环境从计算机诞生至今，操作系统总是与具体的计算环境相联系，它总是在某种计算环境中设 置和使用，就目前来看计算环境可分为以下几类：1. 传统计算环境 指普通意义下的独立或联网工作的通用计算机所形成的计算环境。2基于Web的计算环境互联网的普及使得计算被延伸到Web环境。3. 嵌入式计算环境 嵌入式计算机就是安装在某些设备上的计算部件，其计算相对比较简单。4.6 文件管理 文件管理是操作系统最常见的组成部分。文件管理主要提供目录及其文

32、件的管理。4.6.1 文件的概念文件：保存在外部存储设备上的相关信息的集合。文件命名：文件主名+扩展名文件存取属性： 只读：只允许授权用户进行读操作。 读写：只允许授权用户进行读和写的操作。 文档：允许任何用户进行读写操作。 隐藏：不允许用户直接看到文件名。文件系统：是对文件进行操作和管理的软件，是用户与外存之间的接口。这个系统将所有文件组织 成目录结构保存在外存，一个文件对应其中的一个目录条。目录条记录有文件名、文件位置等信息。操作系统对文件的基本操作包括： 创建文件、文件写、文件读、文件重定位、文件删除、文件截短。对文件的其它操作包括：文件复制、重命名、更改属性等。4.6.2 文件的物理结

33、构和逻辑结构 文件结构分物理和逻辑结构。其中物理结构是文件在外存上的存储组织形式，它与具体的存储设备有关。文件逻辑结构是指用户能直接感受到的文件组织结构，它与具体的存储设备无关。厂无结构文件文件的逻辑结构有结构文件流式文件顺序文件索引文件索引顺序文件无结构的流式文件：是一维的、连续的、无结构的字符序列，可以看成是由一条无结构的记录组成 的文件。有结构的记录式文件：是带有结构的、性质相同的记录的集合。 顺序文件：文件所包含的一系列记录按照某种顺序依次连续存储。 索引文件：由主文件和索引表构成。可以实现快速访问。(1) 按输入记录的先后次序建立数据区和索引表。(2) 待全部记录输入完毕后对索引表进

34、行排序，排序后的索引表和主文件一起就形成了索引 文件。 索引顺序文件：顺序文件和索引文件特点的结合。顺序文件是按主关键字有序排列的，将顺序文件 的所有记录分组，索引表中为每组的首记录建立一索引项，组与组之间按关键字大小有序排列，组 内记录顺序查找。4.6.3 文件的访问方式1. 顺序访问方式 顺序访问方式主要适合于对顺序文件的访问。其访问的位置是由指针定位的。读操作是读取指针所 指示位置的内容，并自动将指针向后移动，以指示下一次读的位置。而对写操作，所写的内容总是 添加到文件的尾部。顺序访问方式是基于磁带的模型，不仅适合顺序存储设备(如磁盘)，对直接存储设备(如磁 盘)也适合。2. 直接访问方

35、式 直接访问也称随机访问，它指的是允许跳跃式地随意存取文件中的任何记录，而不需要任何顺序限制。直接访问是最为常见和高效的文件访问方式。直接访问方式是基于磁盘的模型。3. 索引访问方式 在进行文件访问时，首先对索引文件按关键字进行检索，查找到指向数据记录的指针，根 据该指针实现对具体数据记录的访问。4.6.4 文件的目录结构通常，一个磁盘至少应包含一个分区，每个分区用来保存文件和目录结构 。文件目录的组成：每个文件有一个文件控制块FCB,它是文件存在的标志，存放了为管理文件所 需的所有有关信息。把所有的文件控制块组织在一起，就构成了文件目录，每个文件控制块就是其 中的一个目录项。文件的目录系统可

36、以组织成单层目录结构、双层目录结构、树型目录结构、无环路目录结构和通用图目录结构。树型目录结构是目前使用最为广泛的一种目录结构。这种目录结构在逻辑上的构成是一棵 树，子目录是树枝，而文件是树叶。一个用户所拥有的子目录位置不需要统一，在一个子目录下可 以再创建子目录。4.7 输入输出系统管理 每台计算机都配备了许多外部设备，它们的性能和操作方式都不一样。操作系统对设备(即 输入/输出系统)管理的主要目标是：方便用户使用外部设备，提高CPU和设备的利用率。4.7.1 基本概念1端口(port)： I/O设备与计算机通信的连接点被称为端口。2控制器(controller):用于操作端口、总线和设备的

37、一组电子器件，是设备与总线的连接装置。4.7.2 输入/输出控制方式CPU通过端口对外设进行控制的方式有以下几种：(1) 程序控制方式早期计算机采用的方式。CPU向设备控制器发出一条I/O指令启动设备进行一个字节的输入或 输出，然后CPU就等待I/O设备进行数据传送，直到一个字节传送完毕。接下来，CPU按以上方 式处理下一个字节的输入或输出。CPU绝大部分时间都用于循环等待及测试I/O是否完成，造成CPU资源的极大浪费。CPU和 外围设备只能串行工作。(2) 中断驱动方式当某进程要启动某个I/O设备工作时，首先由CPU向相应设备的控制器发出一条I/O命令， 然后CPU立即返回继续执行原来的任务

38、，设备控制器则按照命令的要求去控制I/O设备工作。这 时，CPU与I/O设备并行工作。这种方式CPU的利用率较高。但这种方式的缺点是在一次数据传送过程中，发生中断次数较 多(每次只传送一个字节)，这将耗去大量CPU处理时间。(3) 直接存储器访问方式引入设备DMA控制器，在其控制下，以数据块为单位，将数据从设备直接送入内存或相反， 当一个或多个数据块传送完毕时才需要CPU干预。该方式CPU的利用率高。(4) 通道控制方式通道控制方式是 DMA 的发展，它把对每一块数据的读写变成对一组数据块的读写，可以进一 步减少CPU的干预。更大程度地提高了系统资源的利用率。4.7.3 I/O 缓冲管理现代操

39、作系统中，I/O设备与CPU(实际指内存)交换数据时，需要使用缓冲技术。也就是为I/O设 备设置缓冲区暂存数据，等到数据积累到一定程度时，再做批量处理。引入缓冲：(1) 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾；(2) 减少对CPU中断频率；(3) 提高CPU与I/O设备间的并行性。4.7.4 设备驱动程序设备驱动程序与具体设备有关，用户安装好硬件后还要再安装驱动程序，计算机才能识别和使用该计算机基础知识设备。每个外部设备都有相应的设备驱动程序，它也是硬件的身份识别标志，负责完成设备具体的7.1.2多媒体技术的发展历史各种动作(输入/输出操作)。一旦为I/O设备安装了驱动程序，那么应用程序在使

40、用I/O设备时，就不必关心设备的特 性、I/O控制方式，这样就实现了应用程序与设备的无关性。4.8 典型操作系统4.8.1 UnixUnix 是一个通用、交互式、分时多用户并支持网络的操作系统，是可以运行在各种机型(从微机到 巨型机在内)上的通用操作系统。主要适用于网络、大中小型机。缺点：软件少，价格贵，难掌握。4.8.2 DOSDOS 是单用户、单任务和字符界面的操作系统，主要为 16 位微型计算机而设计， DOS 目前仍在一些微型计算机上运行， 但属于淘汰产品。4.8.3 Windows界面图形化，操作便捷 采用多任务机制 支持网络功能 出色的多媒体功能 硬件更容易使用 具有众多应用程序的

41、支持4.8.4 LinuxLinux 是一个免费、源代码开放、自由传播、类似于 Unix 的操作系统。它既可以做各种 服务器操作系统，也可以安装在微机上，并提供上网软件、文字处理软件、绘图软件、动画软件等， 它除了命令操作外还提供了类似Windows风格的图形界面，我国自行开发的有红旗、蓝点Linux、 麒麟Linux等。缺点是兼容性差，应用软件安装困难，操作性差，使用不习惯。4.8.5 Mac OSMac OS是一运行于苹果系列微型计算机上的操作系统。苹果机多用于图形领域，它往往 代表了潮流和时尚，代表精美的工业设计，但它不兼容Windows软件，所以叫好不叫座。第七章 多媒体技术7.1 多

42、媒体计算机技术概述7.1.1 多媒体计算机的概念 从一般意义上讲，在计算机或通讯领域，媒体是指信息的载体或者信息的存储实体，信息载体包括 数字、文字、声音、图形、图像、视频，信息的存储实体包括磁盘、磁带、光盘、U盘等。而就多 媒体计算机而言，媒体则是指信息载体。根据国际电信联盟的定义，媒体可分为5种：感觉媒体、 表示媒体、显示媒体存储媒体、传输媒体多媒体：通常所指的多媒体就是文字、声音、图像、图形、动画、视频等各种媒体在计算机统 一管理下的有机结合。多媒体计算机技术：计算机综合处理多种媒体信息(文本、图形、图像、音频、视频和动 画)，使多种信息建立逻辑连接，集成为一个系统且具有交互性。1984

43、年，Apple公司推出Machintosh图形操作系统。1985 年，世界上第一台多媒体计算机问世。1986年，推出光盘系统。1990年，多媒体个人计算机协会制定MPC1标准。1995年，Windows95操作系统问世。7.1.3 多媒体技术的特点和关键技术 多媒体特点是：(1) 多样性：多媒体不只处理一种媒体，而是综合处理多种媒体，包括图文声像信息。(2) 集成性：多媒体不是多种媒体简单的收集，而是被有机地集成为系统。(3) 交互性：多种媒体系统可以实现人机互动，用户可以根据需要来使用系统。 关键技术，包括： 音频视频信号的获取技术 多媒体数据的压缩编码和解码技术 音频视频数据的实时处理和特

44、技 音频视频数据的输出技术 多媒体信息的主要元素 1文本：包含字母、数字、汉字等基本元素。2图形：又称矢量图。3图像：又称位图或像素图。4. 动画：采用编程或动画软件创作的连续画面。5. 音频：指人耳能听到的连续变化的音波。6. 视频：动态的影视图像。7.1.5 未来多媒体技术的发展(1) 多媒体技术智能化把人工智能领域某些研究课题与多媒体计算机技术结合。(2) 多媒体信息实时处理和压缩编码算法芯片化把多媒体信息实时处理和压缩编码算法直接放置到CPU芯片中，从而大大改善多媒体计算机的 性能指标。(3) 虚拟现实技术 是指运用多种技术综合形成一种模拟现实环境的人造环境，用户在该环境中通过五官和大

45、脑的亲自体验并参与到该虚拟环境中，可以与之交互。让用户感觉到如同置身于真实世界一样，它是多 媒体技术的最高境界。7.2.1 多媒体计算机硬件系统(1) 基本硬件设备: 光盘存储器光盘存储器由光盘和光盘驱动器构成。 音频卡 又名“声卡”，主要用于处理声音，是多媒体计算机的基本配置。目前许多计算机的主板上都集成了声卡的功能，声卡不再以单独形式存在。声卡的作用主要有： A/D(模数)转换一作为模拟量的自然声音转化成数字化的声音，然后以文件形式保存 在计算机中。 D/A(数模)转一数字化的声音转换成模拟量的自然声音并输出到声音还原设备(例如 耳机、有源音箱、音箱放大器等)中。 输入、输出功能利用声卡的

46、输入/输出端口可以将模拟信号引入声卡并转换成数字信 号；也可以将数字信号转换成模拟信号送到输出端口驱动音响设备发出声音。声卡的主要接口： 总线(Bus) 线路输入(Line in) 话筒输入(Mic in) 线路输出 (Line out) 扬声器输出 (Speaker Out) 游戏棒/MIDI (Joystick/MIDI)声卡中的关键部件(1) 数字信号处理器DSP:声卡的核心部件，用于管理声音的输入输出以及音频信号的模/数转换 和数/模转换。(2) 混音器:可以将几个不同声源进行混合录音。(3) 音乐合成器：主要用于MIDI音乐文件的播放。(2) 扩展设备:具有代表性的扩展设备有:触摸屏

47、、视频卡、扫描仪、数码相机、数字摄像机、各种彩色打印 机、彩色投影仪等。 触摸屏:属于输入设备，可通过手指直接触及屏幕上的菜单、光标、接钮等。 系统主要由传感器、控制部件、驱动程序组成。当用手指或其它设备触摸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，从而确定用户所输入的信息。 视频卡:插在主机板的扩展槽内，可以对视频信号进行数字化转换、编辑和处理，以及保 存数字化文件。通常使用的视频采集卡可接收模拟视频源的信号(如录像机、电视机、LD影碟机等)，并对该类信 号进行数字化处理，然后再压缩编码成数字视频信号。此外，还有一种比较流行的视频采集卡，我们称

48、之为IEEE1394数字视频采集卡。它主要 的作用是将数码摄像机中存放在数码摄像带上的视频数据传送到电脑硬盘中，和模拟采集不同的是 它在传送数据的过程中没有任何质量损失 扫描仪:是一种图形输入设备。配合适当的应用软件后，扫描仪还可以进行中、英文智能识别。 扫描仪工作原理:把原件面朝下放在扫描仪的玻璃台上，扫描仪内发出光照射原件，反射光线经光 学镜面导向后，照射到 CCD 的光敏器件上。 CCD 将不同颜色光的强度转换成等价的电信号，再 送到模数转换器中转换成代表每个像素色调或颜色的数字值。步进电机驱动扫描头沿平台作微增量 运动,每移动一步，即获得一行像素值。计算机基础知识数码照相机数码相机采用

49、CCD作为记录图像的介质，CCD实际上是一块布满光敏元件的感光板，它 通过光照的不同引起的电荷分布的不同来记录被摄入的物体。几个技术指标(简介)1、CCD和像素：CCD上感光元件越多则像素就越多，像素越多则图像越清晰。2、存储卡:数码相机摄入的像片直接存储在相机存储卡中。3、对焦和变焦：对焦，是指将透过镜头折射后的影像准确投射到 CCD 感光板上，形成清晰的影 像。7.2.2 多媒体计算机软件系统1.多媒体设备驱动程序，用于在启动操作系统时把设备的状态、型号、工作模式等信息提供给操作 系统，并驻留在内存中供系统调用。2. 多媒体产品制作软件，主要包括图像、视频、音频的编辑制作。3. 多媒体平台

50、软件，用于多媒体素材的组合。4. 工具软件，用于加工和处理数据，如压缩、加密等。5应用软件包括，Windows系统提供的多媒体软件、动画播放软件、声音播放软件、光盘 刻录软件等。7.3 音频信息的获取和处理7.3.1 数字音频基本概念声音是一种机械振动。模拟音频技术把这种机械振动转换成电信号，并以模拟电压的幅度表示声音强弱。模拟音频信号:声音波形在时间和幅度上都是连续的，一般用不同的电压表示。由于模拟 音频信号是连续的，所以不能由计算机直接处理。数字音频信号:是把表示声音强弱的模拟电压用数字表示。7.3.2 音频信息的数字化数字音频信号是由模拟声音经采样、量化和编码得来的。其信号在时间和幅度上

51、都用离散 的数字序列表示。(1) 采样 时间上的离散其过程是每隔一个时间间隔在模拟声音的波形上取一个幅度值，把时间上的连续信号变成 时间上的离散信号。采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本。奈奎斯特(Nyquist)采样定理：采样频率M声音信号最高频率X 2 采样频率越高，单位时间所得到的振幅值就会越多，因而对于原声音曲线的模拟也就越精 确。主流声卡的采样频率一般可分为2205KHz、441KHz、48KHz三个等级，22.05只能达到FM广播的声质，44.1KHz则是理论上的CD音质界限，48KHz则更加精确一些。(2) 量化 幅度上的离散量化的过程是将采样后的信号按整个声波的幅度划分成

52、有限个区段 (量化间距) ，然后把 落入某个间距内的值归为一类，并赋予相同的量化值。失真在采样过程中是不可避免的，从下面两幅图我们可以直观地看出，当采用更高的采样 频率、量化精度，就可以减少失真。但由此得到的数字音频信号数据量也就越大。(3) 编码 由于经采样和量化后的音频信号数据量很大，所以一般要先对数字化的音频信息进行压缩 和编码后再在计算机内传输和存储。在播放这些声音时，还需要经解码器将二进制编码恢复成原来 的模拟声音信号播放。7.3.3 数字音频文件格式WAV文件格式：来源于对声音模拟波形采样，量化、编码。这种文件最大的缺点是占 用存储空间大。适用领域：音频原始素材保存。该格式是通用音

53、频格式。未压缩的波形音频文件WAV和CD音频光盘的存储容量计算如下：存储量=采样频率X采样量化位数X声道数X时间/8举例：采样频率为441KHz,釆样数据量化位数(或称釆样精度)为16位、双声道，一张60分钟的 CD 唱片所占存储容量为：(441X1000X16 X 2 X 3600)/8=635O4OOOO(B)6O6(M)(2) MP3文件格式：釆用1:101:20压缩率制作的数字音频文件。必须经过解压缩才能播 放，数据量小。(3) RA文件格式：最早的因特网流媒体音频，音质相对较差。特点是可在低的带宽下在网 上实时播放。(4) WMA文件格式：因特网流媒体音频，用于在互联网上播放的压缩音

54、频文件。质量优于 RA。(5) MID文件格式：是一种通过电子乐器弹奏，数字化合成的音频文件，占用空间很小。(6) APE文件格式：是一种音频无损压缩格式，可压缩到传统无损格式WAV文件的一半； 而在音质上超越一般的MP3,达到和CD相同的音质。(7) AIF文件格式：Apple计算机的音频文件格式。74 图像信息的获取和处理741 图像与图形的区别 图像由像素构成，像素是组成图像最基本的元素，每个图像点用若干个二进制位进行描述。图像通 常用于表现自然景观、人物、动物、植物等复杂的场景。图形是由具有方向和长度的矢量线段构成。图形使用坐标、运算关系以及颜色数据进行描 述，因此把图形叫做“矢量图”

55、。图形的数据量小，常用于表现直线、曲线以及由各种线段围成的图 形，不适于描述色彩丰富、复杂的自然影像。742 颜色的基本概念(1) 颜色的基本描述彩色可用亮度、色调和饱和度来描述，人眼看到任意彩色光都是这三个特性的综合效果。亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉。色调是反映的是颜色的种类。饱和度是指颜色的 纯度，饱和度越深颜色越鲜明。自然界常见的各种彩色光都可以由红(R)、绿(G)、蓝(B)三种颜色光按不同比例相配而成，这就是 色彩学中最基本的原理三基色原理。把三种基色光按不同比例结合时便产生一个完整的光谱，包含所有的色彩。通常称之为相加混色。(2) 颜色空间表示颜色通常用三个独立的属性来

56、描述，三个独立的变量综合就构成了一个空间坐标，这就是 颜色空间。颜色空间可分为两大类：基色颜色空间XRGB、CMY 等)和色、亮分离颜色空间(YUV、HSL 等)。 RGB色彩空间：由红、绿、蓝3种颜色光按不同比例相配而成，主要用于计算机显示。 CMY色彩空间：三基色是青、品红和黄，简称为CMY，适用于彩色印刷或彩色打印。 YUV和YIQ色彩空间：适用于彩色电视系统，其中Y表示亮度信号，UV表示色差 信号。美国、日本采用YIQ彩色系统，Y仍为亮度信号，IQ表示色差信号。 HSL色彩空间:H表示色调，S表示颜色的饱和度，L表示光的亮度。743 图像信息的数字化 一幅图像在用计算机进行处理之前必须

57、先转化为数字形式。图像数字化过程可分为釆样、 量化和编码。(1) 釆样：图像釆样就是对图像在水平方向和垂直方向上等间隔地分割成矩形网状结构， 每个矩形网格称为像素点。像素总数就是图像的分辨率。(2) 量化：是将釆样值划分成各种等级，用一定位数的二进制数来表示釆样的值。量化位数越大， 则越能真实地反映原有图像的颜色，但得到的数字图像容量也越大。在量化时表示量化的色彩值(或灰度值)所需的二进制位数称为量化字长。一般可用8位、 16位、 24位或更高的量化字长来表示图像的颜色。(3) 编码：图像编码是按一定的规则，将量化后的数据以二进制形式存储在文件中。744 图像的属性(1) 图像分辨率是指打印图

58、像时，在每英寸上打印的像素数。 (图像的像素大小是指位图在高、宽两个方 向的像素数相乘的结果。 )(2) 颜色数量和深度颜色深度是指在某一颜色系统中图像的每个颜色所用的二进制位数，而颜色数量是指该颜 色系统中共有多少种颜色。颜色深度小于24bit的图像称为索引彩色图像，其像素颜色取自一个颜色査找表中最接近的颜色， 这种方法显示的颜色不是图像本身真正的颜色，称为伪彩色。当某个图像的颜色深度达到或高于24bit时，其颜色数量已经足够多，且图像的色彩和表 现力非常强，基本上还原了自然影像，习惯上把这种图像叫做“真彩色图像”。真彩色的每个像素的颜色由RGB基色分量的数值直接决定。每个基色分量占一个字节

59、， 共有3个字节即24bit,可生成的颜色数为224=16777216，即1600万种颜色。而 32位真彩色是用其中的 24位描述颜色部分，另外8位记录256级灰度，用以加强真彩 色的质量。746 图像信息的获取方法(1) 使用数码相机拍照 利用数码相机或者数码摄像机直接拍摄自然影像，是最简单的获取图像的手段。(2) 使用扫描仪扫描 在扫描图像时，应根据图像的使用场合，选择合适的扫描分辨率。分辨率越大，图像的细节部分越清晰，但是图像的数据量也会越大。(3) 使用现成图像 可从正式出版的图片库光盘或互联网上获得。7.5.1 动画的概念和发展历史 动画由多幅画面组成，当画面快速连续地播放时，由于人

60、类眼睛存在“视觉滞留效应”而产生动感。 所谓“视觉滞留效应”是指当被观察的物体消失后，物体仍在大脑视觉神经中停留的时间约为1/24S。 换句话说，如果每秒快速更换24 个画面或更多的画面，那么，前一个画面在脑海中消失之前，下 一个画面已经映入眼帘，大脑感受的影像是连续的。7.5.2 电脑动画 电脑动画有两大类，一类是帧动画，另一类是矢量动画。帧动画以帧作为动画构成的基本单位，很多帧组成一部动画片。帧动画借鉴传统动画的概 念，一帧对应一个画面，每帧的内容不同。当连续演播时，形成动画视觉效果。矢量动画是经过电脑计算而生成的动画，其画面只有一帧，主要表现变化的图形、线条、文字和图 案。矢量动画通常采

61、用编程或矢量动画制作软件来完成。7.5.3 制作动画的设备和软件制作动画应尽可能采用高速CPU，足够大的内存容量，以及大的硬盘空间，制作三维动画时最好 配置较高档的显示卡。常用的动画制作软件： Flash网页动画软件。3D Studio Max三维造型和动画软件。7.5.4 视频处理 视频与动画没有本质的区别。视频来自于数码摄像机拍摄和经数字化的模拟摄像资料等，常用于表 现真实场景。动画则是借助于编程或动画制作软件生成一系列景物画面。常用的视频编辑软件：Premiere 频编辑软件。 绘声绘影视频编辑软件。7.5.4 动画和视频常见的文件格式(1) GIF 格式：有两种类型，一种是固定画面的图

62、像文件；另一种是多画面动画文件，均采用 256 色。(2) SWF 格式：用 Flash 软件制作的动画文件格式。该格式的动画主要在网络上演播，特 点是数据量小，动画流畅，但不能进行修改和加工。(3) AVI 格式(标准)：通用的视频文件格式。兼容好、调用方便、图像质量好，但缺点是文 件体积过于庞大。(4) DV AVI格式：数码AVI格式。它不同于传统AVI格式，数码摄像机就是使用这种格式 记录视频数据的。DivX格式：采用DivX编码的AVI格式。它可把DVD视频压缩为原来的10%，质量接 近DVD视频光盘的效果。经压缩后的视频文件扩展名也是avi。MPEG格式：用MPEG算法压缩得到的视频文件。VCD是用MPEG-1格式压缩的，DVD则 是用MPEG-2格式压缩的。(7) RM格式：视频流媒体技术始创者。图像质量较差。特别适合带宽较小的网络用户在 网上实时观看。RMVB格式：它是RM格式的升级。它的文件大小比DivX影片减少了近45%，而视计算机基础知识听觉效果与其相当。(9) ASF格式：微软开发的适合在网页中插播的流格式视频文件。(10) WMV：也是微软开发的一种可在网上实时播放流