多媒体计算机系统及外部设备PPT课件.ppt

计算与计算模型多媒体计算机系统的组成磁存储系统及其工作原理显示系统及其工作原理多媒体输入输出设备 计算与计算模型 创造和设计一个自动计算工具 是人类千百年的梦想 这个梦想中的自动计算模型是什么模样 一直没有人给出确切的答案 这里所指的计算模型 并不是指建立在数学描述基础上用来求解某一 类 问题计算机方法的数学模型 而是指具有状态转换特征 能够对所处理的对象的数据或信息进行表示 加工 变换 接收 输出的数学机器 图灵模型 20世纪30年代 计算模型研究取得突破性进展 英国数学家阿兰 图灵在一篇论文中 图灵提出了通用机的概念 这是一个描述计算步骤的数学模型 使用这种抽象计算机 可以把复杂的计算过程还原为十分简单的操作 图灵机是一种抽象计算模型 用来精确定义可计算函数 图灵机由一个控制器 一条可以无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头组成 图灵模型 图灵测试 图灵测试 Turingtest 是由图灵在65年前提出的的一个关于机器人的著名判断原则 是一种测试机器是不是具备人类智能的方法 图灵测试会在测试人在与被测试者 一个人和一台机器 隔开的情况下 通过一些装置 如键盘 向被测试者随意提问 问过一些问题后 如果被测试者超过30 的答复不能使测试人确认出哪个是人 哪个是机器的回答 那么这台机器就通过了测试 并被认为具有人类智能 图灵测试场景 图灵测试 在 人工智能之父 阿兰 图灵逝世60周年之际 2014年6月8日 英国雷丁大学发出一份公告 宣布一台超级计算机的人工智能软件尤金 古斯特曼 EugeneGoostman 首次通过了 图灵测试 成功让人类相信它是一个13岁的男孩 图3 2 这台计算机也成为有史以来第一个具有人类思考能力的人工智能设备 被看做人工智能发展的里程碑事件 这也是对图灵的最好的纪念形式 人工智能软件尤金EugeneGoostman 冯 诺依曼型计算机 冯 诺依曼提出的 存储程序原理 导致现代意义的计算机的诞生 经过不断努力 冯 诺依曼确定了现代存储程序式电子数字计算机的基本结构和工作原理主要由五部分组成 存储器 运算器 控制器 输入设备 输出设备 冯 诺伊曼型计算机体系结构 冯 诺依曼型计算机 冯 诺伊曼和图灵等人的贡献堪称 创世纪的赠礼 是20世纪最伟大的发明之一 从此掀起了以计算机和网络技术为代表的信息技术革命浪潮 它对整个世界的现代化 全球化发生了重大影响 人类从此有了这样一种机器 一种由数以千万计的电子开关组成的通用的 信息处理机 扩展人类的信息器官功能的信息技术 多媒体技术发展至今 与信息技术的发展密切相关 正是这种源于人类本能需求的驱动 使得在扩展人类的信息器官功能更加依赖于信息技术的进步 人类创立和发展起来的信息技术与多媒体技术 从某种意义上来说 就是为了不断地扩展人类信息器官功能的一类技术的总称 信息器官及其功能系统 信息技术四基元及功能系统 多媒体计算机系统 多媒体计算机系统是对基本计算机系统的软硬件功能的扩展 作为一个完整的多媒体计算机系统 它应该包括五个层次的结构 多媒体计算机系统的组成 多媒体计算机系统的组成 多媒体系统的处理器 多媒体信息处理是CPU的重中之重 图形处理器将会大量应用在游戏 UI界面等方面 越强的图形处理器将会让智能手机运行大型游戏 装载大型UI界面越流畅 CPU的组成 CPU作为计算机系统的核心 其内部结构可以分为控制器 运算器和寄存储器三个部分 运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算 而控制器不具有运算功能 它只是读取各种指令 并对指令进行分析 作出相应的控制 在CPU中还有若干个寄存器 它们可直接参与运算并存放运算的中间结果 CPU的组成 多核心处理器 多核心处理器技术的引入是提高处理器性能的有效方法 因为处理器的实际性能是处理器在每个时钟周期内所能处理指令数的总量 因此增加一个内核 处理器每个时钟周期内可执行的单元数将增加一倍 而在单个物理内核中 任务和线程在本质上还是串行处理的 因此在同等级别中多核处理器的工作效率要远远高于单核处理器 多核心处理器 移动处理器 移动处理器是专门针对移动终端 如 笔记本电脑 智能手机 平板电脑等而设计的CPU 智能手机的每一个功能实际上都需要移动处理器的参与 例如打电话 浏览网络 手机导航与定位 打游戏 拍照与视频 媒体播放 视频与音乐 人机交互界面全部需要移动处理器的参与 每一个移动处理器都集成了CPU GPU GraphicProcessingUnit 图形处理器 调制解调器 多媒体处理器 全球定位系统 DSP 感应器以及高级的管理软件等子系统 数字信号处理器 DSP 数字信号处理技术是数字信号处理 微电子学 计算机科学和计算机数学的综合科研成果 DSP芯片现已广泛应用于各种智能设备上 如手机 汽车 电视机 光盘机 数码相机和数字摄像机等诸多领域 并将在绝大部分的电子设备中得以应用 就任何一个DSP芯片来说 其本质上都是一个单片微型计算机 但它是专门用来处理数字信号的 其最大特点就是运算速度极快 比普通的微型计算机快2个数量级 能在短时间内完成复杂而繁琐的数学运算 媒体处理器 媒体处理器可定义为一种专门用于同时快速处理多个多媒体数据的可编程处理器 在媒体处理器中执行特定多媒体功能的软件称为媒体件 Mediaware 由媒体处理器和媒体件共同处理包括图形 视频 音频及通信在内的各种多媒体数据类型 主存储器 主存储器 mainmemory 是计算机内部的主要存储器 所以又简称为主存或内存 用于存放CPU正在处理 即将处理或处理完毕的数据 是CPU可以直接访问的存储器 CPU可直接访问主存储器 PN结 PN结是构成各种半导体器件 如晶体管 的基础 P是positive的缩写 N是negative的缩写 表明正荷子与负荷子起作用的特点 实现方法通常是在一块晶片上 采取一定的掺杂工艺措施 在晶片两边分别形成P型半导体和N型半导体 那么它们的交接面就形成了PN结 PN结是具有单向导电性 DRAM的基本单元 每个DRAM基本单元代表一个 位 也就是一个比特 Bit 所有的DRAM基本单元都是由一个晶体管和一个电容器组成 一个电容器可以存储一定量的电子或者是电荷 电容器的状态决定了这个DRAM单位的逻辑状态是1还是0 一个充电的电容器在数字电子中被认为是逻辑上的1 而未充电的电容器则表示逻辑0 DRAM基本单元 CELL DRAM基本单元由列和行来寻址 非易失性存储器 闪存 由于浮栅具有捕获电子的物理特性和结构 通过给位线与字线对每个存储基本单元施加12V的正电流 电流穿过浮置栅极衬底之间的绝缘层 对浮置栅极进行充电 写数据 或放电 擦除数据 当浮栅被注入负电子时 此单元就由数字 1 被写成 0 相反 当负电子从浮栅中移走后 此单元就由数字 0 变成 1 此过程称之为擦除 闪存基本存储单元的结构 3 3磁存储系统及其工作原理 磁存储介质由于存储容量大 单位成本低 多在计算机系统中作为辅助大容量存储器使用 用以存放系统软件 大型软件 数据库 各种多媒体数据等 所以在微计算机中是重要的存储介质 磁头的基本结构 磁头的基本结构是在一个环形导磁体上绕上线圈 导磁体面向磁盘方向开一个漏磁缝隙 当磁头线圈中通以交变信号电流时 导磁体内的磁通量也跟着产生变化 这个交变的磁场从磁头缝隙中泄漏出去 使做匀速运动的磁盘表面上的磁介质感应磁化 磁存储原理 磁存储系统 磁盘寻址结构示意图 独立磁盘冗余阵列 独立磁盘冗余阵列 RAID 简称磁盘阵列 简单的说 RAID是一种把多块独立的硬盘 物理硬盘 按不同的方式组合起来形成一个硬盘组 逻辑硬盘 使性能达到甚至超过一个价格昂贵 容量巨大的硬盘 从而提供比单个硬盘更高的存储性能和数据备份技术 RAID使用奇偶校验 为保证数据的安全性 RAID使用奇偶校验块实现冗余 如果阵列中的一块磁盘出现故障 工作磁盘中的数据块与奇偶校验块一起来重建丢失的数据 例如 在一个由4块硬盘构成的RAID系统中 3块硬盘将被用来保存数据 第4块硬盘则专门用于校验 RAID使用奇偶校验 奇偶校验示例 假设数据块A1 00000111 A2 00000101 A3 0000000分别存储在不同的磁盘中 奇偶校验块Ap由A1 A2 A3异或得到 即Ap A1A2A3 00000010 如果第2块磁盘出现故障 A2将不能被访问 但是可以通过A1 A3与Ap数据的异或进行重建 其过程如表所示 3 4多媒体显示系统 智能多媒体显示系统是微机操作中实现人机交互的一个重要设备 其性能的优劣直接影响质量和效果 目前所采用的显示技术大体上可分二维显示技术和三维显示技术 各自有不同的显示原理和技术特点 计算机的显示系统 显示卡 显示卡 或简称显卡 是计算机显示系统中负责处理图像信号的专用设备 在显示器上显示的图形都是由显卡生成并传送给显示器的 因此显卡的性能好坏决定着机器的显示效果和性能 显示卡工作原理 CPU将数据通过总线传送到图形处理芯片 显示芯片 显示芯片对数据进行处理 并将处理结果存放到显示内存中 显示内存将数据传送到数模转换器 RAMDAC 并进行数据到模拟信号的转换 数模转换器将模拟信号通过VGA接口输送到显示器 显示卡工作原理 图形处理芯片 图形处理芯片 GraphicProcessingUnit GPU 是显示卡中最主要的部分 GPU是相对于CPU的一个概念 由于在多媒体计算机中图形图像的处理变得越来越重要 涉及到大量的运算 所以需要一个专门的处理器去执行各种运算 图形处理器使显卡减少了对中央处理器的依赖 并分担了部分原本是由中央处理器所担当的工作 尤其是在进行三维图形处理时 功效更加明显 多核CPU和GPU的对比 液晶显示技术 液晶 liquidcrystal 是一种介于固体与液体之间 具有规则性分子排列的有机化合物 科学家将这一发现称为物质的第四态 固态 液态和气态以外的第四态 液晶当其固态受热后 并不会直接变成液态 会先溶解形成液晶态 当持续加热时 才会再溶解成液态 等方性液态 这就是所谓二次溶解的现象 热致型液晶的物态相变 光的偏振现象 自然光在各个方向上的震动是均匀的 因而被称为非偏振光 如果一束光在任意一个特定的时刻只在一个特定的方向上振动 则这束光就是偏振光 polarizationoflight 或者说 光的偏振振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振 只有横波才能产生偏振现象 故光的偏振是光的波动性的又一例证 偏振光 偏振光可以通过偏振镜获得 偏振镜就是一个栅栏 其具有振动方向 当一束自然光通过偏振镜时 偏振镜指挥这一束自然光中与其振动方向一致的光波通过 而其他不一致的光波都会被过滤掉 光的偏振现象 液晶显示器工作原理 液晶显示器工作原理就是利用偏光板的特性来实现的 液晶显示器的显像原理是将液晶置于两片导电玻璃之间 靠两个电极间电场的驱动 引起液晶分子扭曲向列的电场效应 以控制光源透射或遮蔽功能 在没有电荷的时候 液晶处于一种无序状态 在这种状态下 液晶是透光的 对液晶层施于各种不同电荷 液晶中的晶体就朝不同的方向偏转 令液晶层形成不同的透光性 液晶显示器工作原理 3D显示技术 所谓3D中的D是英文Dimension 度 维 的字头 3D便是指三维或三维空间 相比普通的2D画面 3D显示更加立体逼真 让观众有身临其境的感觉 视差 原理 人们平时感觉到的距离感是两个眼睛共同决定的 人的两眼左右相隔大约6厘米左右 这意味着人们看着一个物体时 是从左右两个视点分别观看的 左眼将看到物体的左侧 而右眼则会看到物体的右侧 从而可以判别物体的远近和深度 当两眼看到的物体在视网膜上成像时 左右两面的印象合起来 就会产生立体感觉 在大脑中形成具有立体纵深感的画面 人眼的 视差 原理 偏振式3D成像原理 当系统进行显示时 将左 右图像同时显示在屏幕上 不过左右两幅图像在显示在屏幕上之前会经过不同偏振镜的过滤 左边图像用垂直方向的偏振镜进行过滤 成为在垂直方向上振动的偏振光 而右边图像则采用水平方向的偏振镜进行过滤 成为在水平方向上震动的偏振光 两幅图像经过大脑的合成最终形成一幅具有三维立体感的3D图像 偏振式3D成像原理 3 5多媒体输入输出设备 输入 输出设备是人们和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一 多媒体输入设备可以将外部信息 如文字 数字 声音 图像 程序 指令等 转变为数据输入计算机中 以便加工 处理 计算机输入设备在不同的时代是不相同的 到了多媒体时代 扫描仪