第1章 计算机与信息技术基础(下)(精)

第1章计算机与信息技术基础教师:蔡勇电话:663575(移动)Email:ybxycy@126.com1.9计算机的工作原理1．计算机指令和指令系统计算机所能识别并能执行某种基本操作的命令称为指令。指令就是指挥机器工作的指示和命令程序就是一系列按一定顺序排列的指令执行程序的过程就是计算机的工作过程每条指令明确规定了计算机运行时必须完成的一次基本操作，即一条指令对应着一种基本操作。（1）机器指令机器指令是指计算机能直接识别并执行的指令。它是一个按照一定的格式构成的二进制代码串，是计算机硬件真正可以“执行”的命令。（1）机器指令一条指令通常分为操作码和操作数两大部分。操作码：描述操作的性质，表示当前指令所要完成的操作类型，如加、减、数据传送等。操作数：描述操作的对象，就是当前指令所要处理的对象，这些对象是参加操作的数本身或操作数所在的地址，即操作数或操作数地址。操作数（或操作数地址）一般分为源操作数和目的操作数，指令的基本格式:操作码源操作数（或地址）目的操作数地址4机器指令示例:某个指令系统的指令长度为32位，操作码长度为8位，地址长度也为8位，且第一条指令是加，第二条指令是减。当它收到一个“00000010000001000000000100000110”的指令时:先取出它的前8位操作码，即00000010，分析得出这是一个减法操作;有3个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地址。于是，CPU就到内存地址00000100处取出被减数，到00000001处取出减数，送到ALU中进行减法运算，然后把结果送到00000110处。

（2）指令系统一台计算机所能执行的全部指令的集合称为计算机的指令系统或指令集合。指令系统是计算机基本功能具体而集中的体现，不同型号的计算机有不同的指令系统，这也是为什么机器语言和汇编语言没有通用性的原因。2．程序程序是为解决某一问题而设计的一系列有序的指令或语句的集合。程序是由指令序列组成的，计算机的工作过程就是自动执行指令的过程。通常编程是根据要解决的问题，先确定解题的步骤（算法），然后用相应的计算机语言将算法实现，然后将程序和数据输入到计算机中，计算机利用语言处理程序将程序进行相关处理，比如编译、链接等，最后运行程序，完成程序设计好的任务。一个指令规定计算机执行一个基本操作。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。73计算机的工作原理3．冯诺依曼原理“存储程序控制”原理是1946年由美籍匈牙利数学家冯诺依曼提出的，所以又称为“冯诺依曼原理”。该原理确立了现代计算机的基本组成的工作方式，直到现在，计算机的设计与制造依然沿着“冯诺依曼”体系结构，都称为：“冯.诺依曼计算机”。83计算机的工作原理“存储程序控制”原理的基本内容：①采用二进制形式表示数据和指令。②将程序（数据和指令序列）预先存放在主存储器中（程序存储），使计算机在工作时能够自动高速地从存储器中取出指令，并加以执行（程序控制）。③由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大基本部件组成计算机硬件体系结构。93.计算机的工作原理图1-45“存储程序控制”原理105．计算机工作过程计算机的工作过程，就是执行程序的过程。第一步：将程序和数据通过输入设备送入存储器。第二步：启动运行后，计算机从存储器中取出程序指令送到控制器去识别，分析该指令要做什么事。第三步：控制器根据指令的含义发出相应的命令（如加法、减法），将存储单元中存放的操作数据取出送往运算器进行运算，再把运算结果送回存储器指定的单元中。第四步：当运算任务完成后，就可以根据指令将结果通过输出设备输出。1.10.1多媒体技术概述“媒体”是指信息传递和存储的最基本的技术和手段，即信息的载体。媒体有两重含义，一是指存储信息的实体，如磁盘、光盘、磁带、半导体存储器等，中文常译作媒质；二是指传递信息的载体，如数字、文字、声音、图形等，中文译作媒介，它们只是一种信息表示方式。多媒体:使用计算机交互式综合技术和数字通信网络技术处理多种表示媒体——文本、图形、图像和声音，使多种信息建立逻辑连接，集成为一个交互式系统。1.10.1多媒体技术概述2．多媒体信息的类型多媒体技术所处理的信息不是单一的信息类型，通常是多种信息的组合，可能应用于多媒体技术中的信息包括文本、图形、图像、动画、声音和视频影像等。3．多媒体技术多媒体技术（MultimediaTechnology）是利用计算机对文本、图形、图像、声音、动画、视频等多种信息综合处理、建立逻辑关系和人机交互作用的技术。多媒体技术朝二个方向发展：一是网络化发展；二是多媒体终端的部件化、智能化和嵌入化。4．多媒体的特点交互性。在多媒体系统中，用户可以主动编辑、处理各种信息，具有人-机交互功能。集成性。多媒体技术集成了许多单一的技术，如：图像处理技术、声音处理技术等，多媒体能够同时表示和处理多种信息。1.10.2多媒体信息的数字化多媒体技术在对各种媒体信息处理方面一般主要采取转换、集成、管理和控制以及传输等方式。转换可以分为两个阶段——信息采集和信息回放。信息采集是将这些媒体信息转换成计算机能够识别的数字信号；信息回放则是把计算机处理后的数字信息还原成人们所能接受的各种媒体信息，用于信息的再现。1.音频数字化技术(1)声音声波有两个重要参数：振幅和周期，振幅反映声音的音量大小，周期指声音振动一次的时间。(2)声音媒体的要素声音效果的三个要素是：音调、音色、音强。声音的频率决定音调。声音的振幅决定音强。而音色是由混入基音的泛音所决定的，每个基音又有固定的频率和不同音强的泛音，从而使每种声音具有特殊的听觉效果。(3)声音的数字化就要将模拟信号（如语音、音乐等）转换成由二进制数1和0组成的数字信号，这一转换过程称为模拟音频的数字化。模拟音频数字化过程涉及到音频的采样、量化、编码，其过程如图所示。①采样采样指每隔一个时间间隔在声音的波形上截取一个振幅值，把时间上的连续信号变成时间上的离散信号。②量化量化是将每个采样点得到的表示声音强弱的模拟电压的幅度值以数字存储。量化位数（也即采样精度）表示存放采样点振幅值的二进制位数，它决定了模拟信号数字化以后的动态范围同，采样频率和量化参数比较18③编码编码是将采样和量化后的数字数据以一定的格式记录下来。编码的方式很多，常用的编码方式是脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM），其主要优点是抗干扰能力强，失真小，传输特性稳定。④声道数声道指声音的通道数，是一次采样记录产生的声音波形的个数。记录声音时，如果每次生成一个声道数据，称为单声道；每次生成两个声道数据，称为双声道。(4)音频文件格式①波形音频文件常见的波形音频文件格式有.WAV和.VOC两种。②声音合成技术——MIDI文件③MP3文件如一分钟的CD音质的音乐，未经压缩需要10MB的存储空间，而经过MP3压缩编码后只有1MB左右。2.图像数字化技术(1)图像概念图像是指自然界中的客观景物通过某种系统的映射，使人们产生的感受。如照片、图片等。图像根据它们在计算机中生成的原理不同，又分为位图（光栅）图像和矢量图形两种。①图形图形也称为矢量图，它使用点、直线和曲线来描述，这些直线和曲线由计算机通过某种算法计算获得。②图像图像又称为光栅图像或点阵图像，是由一个个像素点（能被独立赋予颜色和亮度的最小单位）排成矩阵组成的，图像文件中所涉及到的图形元素均由像素（Pixel）点来表示，这些点可以进行不同的排列和染色以构成图样(2)图形与图像信息表示图形是用计算机绘图软件生成的，存储的是描述生成图形的指令，这种通过数学方法生成的图像称为矢量图形。在实际应用中，所碰到的矢量图形通常以插图、剪贴画图像是一种模拟信号，如扫描、数码照相机所得到的图片。图像的数字化是指将一幅真实的图像转变成为计算机能够接受的数字形式，这涉及到对图像的采样、量化以及编码等，如图所示。图像数字化过程

24①采样图像采样就是将连续的图像转换成离散点的过程，采样实质就是要决定在一定面积内取多少个点来描述一幅图像，或者叫多少个像素点，称为图像的分辨率，用点的“列数×行数”表示，分辨率越高，图像越清晰，存储量也越大，②量化量化则是在图像离散化后，将表示图像色彩浓淡的连续变化值离散化为整数值（即灰度级）的过程，从而实现图像的数字化。图像深度值越大，所能表示的颜色数越多，显示的图像色彩越丰富，但存储图像所需的空间也越大。一般用8位、16位、24、32位二进制来表示图像的颜色，24位可以表示224=16777216种颜色③编码：图像的分辨率越大，颜色数越多，数据量就越大，当然图像的效果也会越好，但存储图像所需的空间也越大，消耗的计算机资源也越多。由于图像数字化后得到的数据量非常巨大，必须采取编码技术来压缩信息，常见的编码方法有预测编码、变换编码、分形编码、小波变换编码等，它是图像存储与传输的关键。(3)图像的文件格式图像文件格式是图像数据在文件中的存放形式①BMP（Bitmap，位图）格式②JPEG（JointPhotographicExpertsGroup，联合图像专家组）格式③GIF（GraphicsInterchangeFormat，图形交换文件格式）格式④TIFF（TaggedImageFileFormat，位映射图像文件格式）格式⑤PNG格式（PortableNetworkGraphicFormat，可携带的网络图像格式）3.视频数字化技术(1)视频概述视频是由一幅幅静止图像序列组成，其中每幅图像称为一帧，这些帧以一定的速率播放。由于人眼的视觉暂留现象，即物体的映像在眼睛的视网膜上会保留大约0.1秒的短暂时间。因此，只要将一系列连续的图像以足够快的速度播放，可以产生连续的视频显示效果。如果再把音频信号加进去，便可实现视频，音频信号的同步播放。3.视频数字化技术组成视频的每一幅图像称为帧，图像播放的速度称为帧率，单位是fps（framepersecond，帧/秒）。常见的帧率有24fps、25fps和30fps，一般要保证帧率在15fps以上，人眼才不会感觉视频画面有明显停顿。(2)视频信息的表示视频按照处理方式不同，可以分为模拟视频和数字视频两种。(2)视频信息的表示在模拟视频中，常用两种视频标准：NTSC制式（30帧/秒，525行/帧）和PAL制式（25帧/秒，625行/帧），其中使用NTSC制式的国家：美国、加拿大和日本等；使用PAL制式的国家：我国及欧洲大部分国家。早期的电视等视频信号的记录、存储和传输都是采用模拟方式；存储介质是磁介质，通常是录像带。(2)视频信息的表示数字视频是将模拟视频信号进行数字化处理后得到的视频信号。现在出现的VCD、SVCD、DVD、数字式便携摄像机都是数字视频。(3)视频信息的数字化视频数字化过程同音频相似，在一定的时间内以一定的速度对单帧视频信号进行采样、量化、编码等过程，实现模数转换、彩色空间变换和编码压缩等，这通过视频采集卡和相应的软件来实现。目前常用的视频卡

主要有DV卡和

视频采集卡等。(4)视频编码技术由于视频数字化后的数据量十分巨大，通常采用特定的算法对数据进行压缩编码，根据压缩算法的不同，目前最常用的视频编码标准是MPEG标准和H.26x标准两大类。(5)视频文件若按照数字视频的用途分类，视频文件可以分为影像视频文件和流式视频文件两大类。1)影像视频文件由于视频文件的编码标准、编辑软件、应用领域和设计公司的不同，格式也就不同，其中常见的几种格式如下：①AVI格式②MOV格式③MPG格式④DAT格式2)流媒体文件流媒体技术（StreamingMediaTechnology）是为解决以Internet为代表的中低带宽网络上多媒体信息（以视音频信息为主）传输问题而产生的一种网络技术。它能克服传统媒体传输方式的不足，有效突破带宽瓶颈，实现大容量多媒体信息在Internet上的流式传输。采用流媒体技术时，流媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入内存，在计算机中对数据包进行缓存并使媒体数据正确的输出，达到用户一边下载一边观看、收听。广泛应用于应用互联网直播、视频点播、远程教育、视频会议系统等领域。2)流媒体文件常见的影视视频文件有以下几种：①RealMedia格式②QuickTime(Apple)格式③ASF与WMA(Microsoft)格式1.10.3数据压缩和编码概述多媒体信息所占有的存储空间开销很大。同时，这样大的数据量不仅超出了计算机的存储和处理能力，更是当前通信信道的传输速率所不及的。为了存储、处理和传输这些数据，必须对数据进行压缩。压缩后的多媒体数据必须按照—定的存储格式进行存储，这种特定格式就是多媒体信息的编码方式。1．数据压缩概念所谓数据压缩就是用最少的数码来表信号。数据之所以能被压缩，首先，数据中间常存在一些多余成分，即冗余度。其次，数据中间尤其是相邻的数据之间，常存在着相关性。有可能利用某些变换来尽可能地去掉这些相关性。但这种变换有时会带来不可恢复的损失和误差，因此称为不可逆压缩（有损压缩），或称有失真编码、摘压缩等。(1)数据压缩技术数据压缩是通过编码技术减少数据冗余来降低数据存储时所需空间，当数据使用时，再进行解压缩。根据对压缩数据经解压缩后是否能准确地恢复压缩前的数据来分类，分为无损压缩和有损压缩两类①无损压缩是指利用信息相关性进行的数据压缩，这种压缩并不损失原有信息的内容，是一种可逆压缩，即经过文件压缩后可以将原有的信息完整保留的一种数据压缩方式。典型的无损压缩编码有哈夫曼编码、行程编码、Lempelzev编码和算术编码等。(1)数据压缩技术数据压缩是通过编码技术减少数据冗余来降低数据存储时所需空间，当数据使用时，再进行解压缩。根据对压缩数据经解压缩后是否能准确地恢复压缩前的数据来分类，分为无损压缩和有损压缩两类①无损压缩是指利用信息相关性进行的数据压缩，这种压缩并不损失原有信息的内容，是一种可逆压缩，即经过文件压缩后可以将原有的信息完整