计算机部份知识整理一

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1、第一章计算机及信息技术概述 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)

2、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是“冯?诺依曼计算机”。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

3、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、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、

4、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2、生物计算机3、量子计算机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知识。数据是信息的载体。数值、文字、语言、

5、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十六进制数字符号09 0，1 07 09,A

6、,B,C,D,E,F 基数10 2 8 16 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=Rn 2.1.3 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)：计算机存储数据的最小单元(0、1) 字节(Byte)：处理数据

7、的基本单位(8bit/Byte) 常用的字节计数单位： 1KB1024 Byte (210B) 1MB1024 KB (220B) 1GB1024 MB (230B) 1TB1024 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（或模的整数倍）将溢出而只剩下余数。假设M 为

8、模，若数a，b 满足abM，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，用于在显示器或打印机上输出各种文字和符号。点阵汉字：每一个汉字以点

9、阵形式存储，有点的地方为“1”， 空白的地方为“0”。有1616、2424、4848 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

10、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要的应用软件。3.1.2 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。3.1.3 微型计算机的诞生与发展微型机属于第四代电子计算机产

11、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 3.2 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。3.2.1 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） (3) 地址总线宽度（决定了CPU 可访问的地

12、址空间） (4) 工作电压（低电压可减少CPU 过热，降低功耗） (5) 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

13、寄存器。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； 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定时控制。以协调各部件的工作顺序； 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没有

14、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) (2) 可

15、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。(2) 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-双倍速率内存(DD

16、R2-四倍速率内存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

17、存又可分为内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”

18、时，数据由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

19、 Express 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USB1.1 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

20、是连接主机和外部设备之间的逻辑部件，由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。(1) 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。(2) 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

21、数据时，必须将其先调入到内存中然后再被CPU 处理， 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

22、200GB 以上。 硬盘的转速。硬盘的转速越快，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 D

23、isc)是利用塑料盘片表面凹凸不平的特征，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

24、此类推）。CD-ROM 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 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

25、光盘驱动器。包括CD 和DVD 两种刻录机。 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(

26、2) 鼠标 (3) 扫描仪3.4.2 输出设备(1) 显示器(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

27、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

28、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

29、器。一条指令执行完成，再回到取指令阶段开始下一指令的执行。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。(6) I/O 速度。I/O 的速度是指

30、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

31、算机系统的需要又出现了桌面操作系统。为适应并行系统的需要，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。4.3.1 进程的概念什么是进程？它

32、与程序有什么区别？ 程序：用户为完成某一个特定问题而编写的操作步骤。进程：可以简单地被看作是正在执行的程序。但是进程需要一定的资源来完成它的任务(例如CPU 时间、内存、文件和I/O 设备) 。进程与程序的区别在于进程是动态的、有生命力的，而程序是静态的。一个程序加载到内存，系统就创建一个进程， 程序执行结束后，该进程也就消亡了。在计算机中，由于多个程序共享系统资源，就必然引发对CPU 的争夺。如何有效地利用CPU 资源，如何在多个请求CPU 的进程中选择取舍，这就是进程管理要解决的问题。4.3.3 进程控制块PCB(略) 为了控制进程，操作系统就必须知道进程存储在哪里，以及进程的一些属性。进

33、程控制块是进程实体的一部分，是操作系统中记录进程的专用数据结构。一个新的进程创建时，操作系统就会为该进程建立一个进程控制块。操作系统根据进程控制块对并发进程进行控制。4.3.4 进程调度及队列图计算机采用多道程序的目的是使得计算机系统无论何时都有进程运行，单处理器的计算机在某一时刻CPU 只能运行一个进程，如果存在多个进程，其它进程就需要等待CPU 空闲时才能被调度执行。当一个进程处于等待或CPU 时间片用完时，操作系统就会从该进程中拿走CPU 控制权，然后再交给其它进程使用，这就是进程的调度。4.3.5 CPU 调度及其准则在设计CPU 调度程序时主要应该考虑的准则包括： (1) CPU 使

34、用率。让CPU 尽可能地忙。(2) 吞吐量。让CPU 在一定时间内完成的进程数尽可能多。(3) 周转时间。让进程从提交到运行完成的时间尽可能短。(4) 等待时间。让进程在就绪队列中等待所花时间之和尽可能短。(5) 响应时间。让进程从提交请求到产生第一响应之间的时间尽可能短。主要的CPU 调度算法1、先到先服务2、最短作业优先3、优先权 4、轮转5、多级队列6、多级反馈队列4.3.7 进程的同步与互斥进程的同步就是指相互协作的进程不断调整它们之间的相对速度，以实现共同有序地推进。换句话说,在操作系统中，允许多个进程并发运行。然而，有些进程之间本身存在某种联系，它们在系统中需要一种协作，以保证进程

35、能正确有序地执行并维护数据的一致性。在操作系统中，可能存在着多个进程。而系统中一些资源一次只允许一个进程使用，这类资源被称为临界资源。在进程中访问临界资源的那段程序称为临界区。当一个进程进入临界区执行时，其它进程就不允许进入临界区执行，否则就会导致错误结果。由此得出: 多个进程并发执行时，只允许一个进程进入临界区运行，这就是进程的互斥。例如：多个进程在竞争使用打印机时表现为互斥。一个文件可供多个进程共享，其中有一个进程在写操作时，其它进程则不允许同时写或读，表现为互斥。4.4 内存管理内存是现代操作系统的核心。内存用于容纳操作系统和各种用户进程，是可以被CPU 和I/O 设备所共同访问的数据仓

36、 库。计算机的所有程序运行时都要调入内存。内存管理的主要工作是：为每个用户进程合理地分配内存，以保证各个进程之间在存储区不发生冲突；当内存不足时， 如何把内存和外存结合起来，给用户提供一个比实际内存大得多的虚拟内存，使得程序能顺利执行。内存管理包括内存分配、地址映射、内存保护和扩充。4.4.1 用户程序执行与地址映射用户编写程序在执行前，需要多个处理步骤，这些步骤可将源程序转变为二进制机器代码，然后在内存中等待执行。当然有时并非每个步骤都是必需的。通常，将指令和数据的地址映射成内存地址可以发生在以下三个执行阶段。(了解) 1.编译阶段:如果在编译时就知道进程将在内存中的什么位置驻留，那么编译器

37、就可以直接以生成绝对地址代码。2.加载阶段: 不知道进程将驻留在什么位置，那么编译器就必须生成程序的逻辑地址，在加载阶段再转变成内存的绝对地址。3.执行阶段:如果进程在执行时可以从一个内存段移动到另一个内存段，那么进程的绝对地址映射工作只能延迟到执行时进行。4.4.2 物理地址空间与逻辑地址空间物理地址:是计算机内存单元的真实地址。物理地址空间:由物理地址所构成的地址范围。逻辑地址:用户程序地址，从0 开始编址。逻辑地址空间:由逻辑地址所构成的地址范围。地址映射:用户程序在运行时要装入内存，这就需要将逻辑地址变换成物理地址，这个过程称为地址映射，也称重定位。用户编写的源程序是不考虑地址的，源程

38、序经CPU 编译后产生逻辑地址。从CPU 产生的逻辑地址转换为内存中的物理地址的映射是由计算机中被称为内存管理单元的硬件设备来实现的，将逻辑地址与内存管理单元中存放的内存基址相加就得到了物理地址。4.5 虚拟内存方案虚拟内存是一个容量很大的存储器的逻辑模型，它不是任何实际的物理存储器，它一般是借助硬盘来扩大主存的容量。虚拟内存：对于一个进程来讲，如果仅将当前要运行的几个页面装入内存便可以开始运行，而其余页面可暂时留在磁盘上，待需要时再调入内存，并且调入时也不占用新的内存空间，而是对原来运行过的页面进行置换。这样，就可以在计算机有限的内存中同时驻留多个进程并运行。而对用户来讲感觉到系统提供了足够

39、大的物理内存，而实际上并非真实的，这就是虚拟内存。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：

40、 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。4.7 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、总线和设备的一组电子器件，是设备与总线的连接装置。 (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

41、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。 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

42、典型操作系统4.8.1 Unix Unix 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 DOS DOS 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支持4.8.4 Linux Linux 是一个免费、源代码开放、自由传播、类似于Uni

43、x 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 OS Mac 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

44、，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。7.1.2 多媒体技术的发展历史1984 年，Apple 公司推出Machintosh 图形操作系

45、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技 音频视频数据的输出技术多媒体信息的主要元

46、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脑的亲自体验并参与到该虚拟环境中，可以与之交互。

47、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)转换将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)转换把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输入/输出端口可以将模拟信号引入声卡并转换成数字

48、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、视频卡、扫描仪、数码相机、数字摄像机、各种彩色打

49、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，我们称之为IEEE1394 数字视频采集卡。它主要的作用是将数

50、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。 数码照相机数码相机采用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

51、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.

52、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

53、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：采样频率声音信号最高频率 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22.05KHz、44.1KHz、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

54、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(1) 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：

55、存储量=采样频率采样量化位数声道数时间/8 举例：采样频率为44.1KHz，采样数据量化位数(或称采样精度)为16 位、双声道，一张60 分钟的CD 唱片所占存储容量为： (44.110001623600)/8=635040000(B)606(M) (2) MP3 文件格式：采用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

56、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。7.4 图像信息的获取和处理7.4.1 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”。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

57、适于描述色彩丰富、复杂的自然影像。7.4.2 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

58、间可分为两大类：基色颜色空间(RGB、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。7.4.3 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先转化为数字形式。图像数字化过程可分为采

59、样、量化和编码。(1) 采样：图像采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：是将采样值划分成各种等级，用一定位数的二进制数来表示采样的值。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。7.4.4 图像的属性(1) 图像分辨率是指打印图像时，在每英寸上打印的像素数。(图像的

60、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查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，共有3 个字节即24bit， 可生成的颜

61、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。7.4.6 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，由于人类眼睛存在“视觉滞留效应”而产生动感。所

62、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