第2章 计算机硬件系统教材

第二章计算机硬件系统

(二)学习目标1

了解计算机中数据的表示方式。(复习)2

了解计算机系统的工作原理。3了解计算机网络的基本原理与应用。2.1数制与运算目录2.2数据的存储与表示2.5多媒体计算机2.3计算机硬件组成2.4指令系统及执行2.6互联网技术基础台式计算机显示器键盘主机箱鼠标音箱2.3计算机硬件组成

硬件(HardWare)系统：各种物理设备的总称。 软件(SoftWare)系统：程序以及各种文档的总和。通常，人们把不装备任何软件的计算机称为硬件计算机或裸机。硬件与软件的发展密切交织着，缺一不可。就好比人的躯体和思维。计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。计算机系统组成硬件和软件的关系计算机硬软件层次示意图JohnvonNeumann冯

诺依曼1946年第一台计算机诞生冯·诺依曼原理：存储程序和程序控制存储程序工作原理电子计算机应由运算器、控制器、存储

器、输入设备和输出设备5个部分组成。采用存储程序的方式，程序和数据都放在同一个存储器中，按地址访问。程序和数据以二进制表示。2.3.1计算机硬件结构冯·诺依曼计算机硬件结构框架图：冯·诺依曼计算机的硬件部分都由5大功能部件组成运算器：又称算术逻辑单元ALU,主要负责对输入计算机中的二进制编码进行算术或逻辑运算(2)控制器：就是从内存依次取出指令、产生控制信号、向其他部件发出命令、指挥整个计算过程,同时把数据地址发向有关部件(输入设备、输出设备、运算器),并根据各部件的反馈信号进行控制调整。现在的运算器和控制器已经被合在一起集成在一块芯片上,称为中央处理单元,即CPU。人们常说的奔腾Ⅲ、奔腾Ⅳ处理器就是指的CPU,它是计算机的核心部件。(3)存储器：是具有记忆功能的部件,其主要作用是存储程序和数据,可分为主存储器和辅助存储器。主存储器直接受CPU控制,位于系统主板上,因此又称为内存储器或内存。辅助存储器又称为外存储器或外存,是为弥补内存储器容量不足而设置的(4)输入设备：常见的输入设备有键盘、鼠标、光笔、图形扫描仪、数字化仪等。(5)输出设备：常见的输出设备有显示器、打印机、外存储器、绘图仪等。中央处理器控制器运算器控制整个计算机所有部件的工作执行算术运算和逻辑运算2.3.2CPU（中央处理器）①运算器运算器也称为算术逻辑单元ALU。运算器是计算机的核心部件，主要负责对输入计算机中的二进制编码进行算术或逻辑运算。算术运算就是指加、减、乘、除。逻辑运算就是指“与”、“或”、“非”、“比较”、“移位”等操作。

（1）CPU（中央处理器）②控制器,也称为CU

（实现计算机各部分联系及自动执行程序的部件）。控制器是计算机的神经中枢和指挥中心，它控制计算机的全部动作。控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和有关控制电路组成。控制器的基本功能就是从内存依次取出指令，产生控制信号，向其他部件发出命令，指挥整个计算过程。同时把数据地址发向有关部件（输入、输出、运算器），并根据各部件的反馈信号进行控制调整。

（1）CPU（中央处理器）内存储器（内存或主存）外存储器（外存或辅助存储器）

存储器RAMROM高速缓冲存储器（Cache）

存储器是计算机存储数据和程序的记忆单元集合，每个记忆单元由8位二进制位组成，可读写其中的数据。2.3.3存储系统11110100000001110000010000000101011000000H01H 02H03H04H每个记忆单元由8位二进制位组成。1KB=210B=1024B1MB=210KB=1024KB1GB=210MB=1024MB1TB=210GB=1024GB字节BYTE76543210位bit①RAM（随机存取存储器）

RAM是既可从里面读取数据，也可以存入数据的存储器。随机存储器的速度快，但也有一个缺点：它具有易失性——RAM中存放的所有数据当计算机断电后都会丢失。通常RAM叫主存、内存条。1.主存储器

②ROM（只读存储器）

ROM是不能用普通计算机写入的，只能用专用设备才能写入，并且写入的内容在断电后依然保存。启动计算机的指令存储在不易失的只读存储器中，只读存储器在制造时即包含了永久存储的指令。

PROM（可编程序只读存储器）芯片。

EPROM（可擦可编程序只读存储器）芯片，

EEPROM（电可擦可编程只读存储器）③高速缓冲存储器(Cache)当启动一个任务时，计算机预测CPU可能需要哪些数据，并将这些数据预先送到高速缓冲存储器区域。当指令需要数据时，CPU首先检查高速缓冲存储器中是否有所需要的数据。如果有，CPU就从高速缓冲器中直接取数据而不用到RAM中取了。

2.外存储器外存储器又称为辅助存储器，简称外存（辅存）。外存作为主存储器的后备和补充而广泛使用。外存储器的特点是：存储容量大、成本低、存取速度慢，可以永久地脱机保存信息。

①磁盘：软盘和硬盘

只读光盘

（CD-ROM）

移动硬盘

闪存

②盘符

每个盘都有一个名字标识，人们习惯称之为盘符。用A：、B：代表软盘。C：、D：等代表硬盘，硬盘盘符最后一个字母的下一个字母为光盘盘符，如一台计算机分区为C：D：E：三个逻辑硬盘，那么光盘盘符就为F：写保护开关小滑块向上推写保护状态：只能读、不能写入未写保护状态：可以读写（1）软磁盘磁道是以盘片中心为圆心的同心圆，每一个圆周为一个磁道，最外面的磁道为0磁道。3.5吋高密度软盘有80个磁道，每个磁道有18个扇区，每个扇区可存储512B，每个磁盘有两个面。80×18×512B×2=1474560B=1.44MB磁道和扇区磁盘格式化：对磁盘进行磁道和扇区的划分，写上各扇区的地址标记并标明存储容量的大小。（2）硬盘衡量硬盘性能好坏，硬盘的平均寻道时间和内部传输速率是两项主要性能指标。

（3）光盘存储器（4）闪存盘（U盘）可移动的外存储器（5）USB硬盘（移动硬盘）2.3.4输入设备输入设备用于将输入的信息转换为代表二进制代码的电信号,送入计算机中处理。常见的输入设备：（1）键盘（2）鼠标（3）扫描仪键盘扫描仪鼠标手写笔数码相机摄像头(1)大键盘输入设备小键盘（2）鼠标器鼠标器是取代传统键盘的光标移动键，使光标移动定位更加方便、准确的输人装置，它是一般窗口软件和绘图软件的首选输人设备。鼠标操作（1）指向：（2）单击：（3）双击：（4）右击：（5）拖动：鼠标分机械型和光电型无线轨迹球显示器音箱打印机投影仪2.3.5输出设备输出设备是用来保存计算机的处理结果。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。（1）显示器

显示器又称为监视器（Monitor）,是计算机最基本的，也是必配的输出设备。使用的阴极射线管显示器简称CRT。另一类是LCD液晶显示器。阴极射线管(CathodeRayTube，CRT)液晶显示器(LiquidCrystalDisplay，LCD)CRT显示器有红、绿、蓝（RGB)三支电子枪显示器常用术语点距：显示器上两个颜色相同的磷光点之间的距离。如.28mm,.26mm等点距数值越小，显示器的聚焦性能越好。尺寸：显示屏对角线的长度分辨率一般有640×480、800×600、1024×768等分辨率：显示屏水平方向和垂直方向上像素的数目显示器必须配置正确的适配器（显示卡）才能构成完整的显示系统。显示器的标准有：CGA：320×200，彩色EGA：640×350，彩色VGA：640×480以上，256色SVGA：800×600以上，16.7兆真彩色TVGA：1024×768以上，16.7兆真彩色（2）打印机打印机也是计算机系统最常用的输出设备。在显示器上输出的内容可当场察看，但不能保存，打印机正好弥补了这个不足。目前常用的打印机有：点阵打印机、喷墨打印机与激光打印机。各种打印机图针式打印机原理计算机的工作原理就是存储程序和程序控制。即首先把计算机如何进行操作的指令序列（称为程序）和原始数据输入到计算机内存中——存储程序；然后每一条指令中明确规定了计算机从哪个地址取数、怎样操作、最后送到哪里等步骤，就这样在控制器的指挥下完成规定的所有操作步骤，直到遇到停止指令——程序控制。

2.4指令系统及执行1.指令及其格式:指令是计算机能识别并执行的二进制代码，是计算机为完成某个基本操作而发出的指示或命令。

操作码

操作数

数据传送指令数据处理指令程序控制指令输入输出指令

其它指令

IfGoto……＋－×÷AndOr……CPU内存I/O设备主机对计算机的硬件进行管理等指令

结构分类操作码要完成的操作类型或性质操作数

操作的内容或所在的地址

2.4.1指令和程序一条指令的执行过程分为以下3步骤：①取指令②分析指令③执行指令按照指令计数器中的地址，从内存储器中取出指令，并送往指令寄存器。对指令寄存器中存放的指令进行分析，由译码器对操作码进行译码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该指令所要求的操作。一条指令执行完成，指令计数器加1或将转移地址码送入程序计数器，然后回到①。2、指令的执行过程指令的串行执行

指令的并行执行

则：有三条指令的并行执行理论上约是串行执行速度的3倍3、程序的执行过程有序的指令集合构成了程序，程序的执行过程就是一条一条指令的执行过程。2.5多媒体计算机2.5.1媒体和媒体分类媒体（Medium）媒体又称媒质或媒介，它是信息表示、信息传递和信息存储的载体。1.媒体及媒体元素

媒体的含义

媒体（medium）在计算机领域有两种含义：即媒质和媒介。媒质：存储信息的实体，如磁盘、光盘、磁带、半导体存储器等。媒介：传递信息的载体，如数字、文字、声音、图形和图像等。CCITT（现为ITU-T（国际通信联盟标准化委员会））曾给媒体做了如下的分类：感觉媒体（PerceptionMedium）表示媒体（RepresentationMedium）显示媒体（PresentationMedium）存储媒体（StorageMedium）传输媒体（TransmissionMedium）2.媒体的分类

感觉媒体：指的是用户接触信息的感觉形式.如视觉、听觉和触觉等，能使人产生直接感觉的媒体。

表示媒体：表示媒体是为了更有效地加工、处理和传输感觉媒体而人为研究和构造出来的一种媒体，如对声音、文字、数据、图形、图像等信息数字化的编码表示。

五类媒体的含义

显示媒体：表现和获取信息的物理设备.如显示器、打印机、扬声器、键盘和摄像机等。

存储媒体：存储数据的物理设备.如纸张、磁盘、光盘、硬盘等。

传输媒体：传输数据的物理设备.如电话线、电缆、光缆、电磁波等。最常见的感觉媒体：声：语音、声响、音乐等

图：图像、图形等

像：动画、视频等文：文字、符号、数值等其他：动作媒体、触觉媒体等2.5.2多媒体技术及其基本特征

多媒体不仅是信息的集成,也是设备的集成和软件的集成,通过逻辑连接形成有机整体又可实现交互控制,可以说集成和交互是多媒体的精髓。多媒体是指信息表示媒体的多样化，常见的多媒体有文字、图形、图像、声音、音乐、视频、动画等多种形式。1.多媒体与多媒体技术（1）传统传媒基本是模拟信号,而多媒体信息都是数字化的。（2）传统传媒只能让人们被动地接受信息，而多媒体可以让人们主动与信息媒体交互。（3）传统传媒一般是单一形式，而多媒体是两种以上不同媒体信息的有机集成。多媒体是由多种媒体融合而成的信息综合表现形式，是多种媒体的综合、处理和利用的结果。表现在：多媒体与传统媒体

多种媒体表现多种感官作用多种设备支持多学科交叉多领域应用

多媒体技术概括起来说，就是一种能够对多种媒体信息进行综合处理的技术。略为全面一点，多媒体技术可以定义为：以数字化为基础，能够对多种媒体信息进行采集、编码、存储、传输、处理和表现，综合处理多种媒体信息并使之建立起有机的逻辑联系，集成为一个系统并能具有良好交互性的技术。多媒体技术定义：

多样性（信息媒体的多样化/处理的多样化）集成性（多种媒体的有机集成）(3)交互性（参与的各方(不论是发送方还是接收方)都可以进行编辑、控制和传递）(4)协同性（多种媒体之间的时间、空间的协调）(5)实时性（实时采集、处理、传递）2、多媒体技术的主要特征多媒体技术具有以下特征：

就目前而言，多媒体技术已在商业教育培训、电视会议、声像演示等方面得到了充分应用。1、在教育与培训方面的应用4、多媒体通信5、多媒体声光艺术品2.5.3多媒体技术的应用2、桌面出版(DesktopPublishing)与办公自动化3、多媒体电子出版物2.5.4多媒体计算机多媒体计算机(MultimediaPersonalComputer,MPC)简单地说,MPC是具有多媒体功能的个人计算机。早期在PC上增加声卡和光盘驱动器称之为MPC,随着多媒体技术的发展,MPC被不断赋予新的内容多媒体计算机系统是把多种技术综合应用到一个计算机系统中,实现信息输入、信息处理、信息输出等多种功能。一个完整的多媒体计算机系统由多媒体计算机硬件和多媒体计算机软件两部分组成。

多媒体计算机的硬件及其接口种类繁多，并日新月异地涌现新的产品。如图2.5-1为多媒体硬件设备。多媒体硬件系统除了常规的硬件如主机、软盘驱动器、硬盘驱动器、显示器、网卡之外，还要有音频信息处理硬件、视频信息处理硬件及光盘驱动器等部分以及I/O设备。2.5.5多媒体计算机的硬件系统图2.5-1多媒体计算机硬件设备及接口(SoundCard)处理音频信号的PC插卡是音频卡(AudioCard),又称声音卡(见图2.5-2,声音卡处理的音频媒体有数字化声音(Wave)、合成音乐(MIDI)、CD音频。图2.5-2音频卡及外接设备1．音频卡视频卡（VideoCard）用来支持视频信号（如电视）的输入与输出。在多媒体应用系统中，视频以其直观生动等特点得到广泛的应用。视频采集、显示播放是通过视频卡、播放软件和显示设备来实现的（图2.5-3）。图2.5-3视频卡及外接设备2．视频(接口)卡3.光存储设备只读型光存储系统只读型光驱只读型光盘光存储类型及发展阶段多媒体I/O设备平面式扫描仪头盔显示器立体眼镜手数字化设备触摸屏2.5.6多媒体计算机的软件系统

多媒体软件可以划分成不同的层次或类别，这种划分是在发展过程中形成的，并没有绝对的标准。我们按其功能划分为5个层次：驱动软件、多媒体操作系统、多媒体数据准备软件、多媒体编辑创作软件和多媒体应用软件。如图所示。多媒体软件层次图1．多媒体软件系统层次2．多媒体素材制作软件1、文本编辑与录入软件直接输入手写输入鼠标手写板文本编辑与录入软件光学字符识别OCR（OpticalCharacterRecognition）SYMBRIOSISMEANS“livingtogether”.Itdescribesacloseassociationbetweenmembersoftwodifferentspecies,fromwhitchbothwaybenefit.清华紫光OCR尚书OCR汉王OCR语音识别多媒体素材制作软件。文本的编辑与排版文本编辑软件，如WordPerfect与Word等图像与图形文字处理艺术字请在此键入您自己的内容2、图形与图像编辑与处理软件抓屏软件----HyperSnap图像处理色彩、亮度处理效果处理画面处理纹理处理格式转换图像处理软件：Adobephotoshop例如：图像装配例如：三维绘制（3DMAX）图像处理软件Photoshop概述在众多的图像处理软件中，Photoshop以其完备的图像处理功能和多种美术处理技巧为许多的专业人士所青睐。它既是一种先进的绘图程序，同时也可以用来修改和处理图像。它集图像编辑、图像合成、图像扫描等多种图像处理功能于一体，同时支持多种图像文件格式，并提供有多种图像处理效果。图像处理软件Photoshop彩色绘图设计系统CorelDRAWCorelDRAW是一个集作图、图像处理、动画编辑制作及桌面出版等功能于一体的功能强大的套装软件包。3、音频编辑与处理软件声音处理软件WaveditCreativeWaveStudioGoldWaveMIDI编辑软件MIDIOrchestratorvoyetra公司MIDIOrchestrator的MIDI编辑软件钢琴键盘显示乐谱显示调音台显示4、视频编辑与处理软件视频编辑软件AdobePremierePremiere是Adobe公司推出的一种专业化数字视频处理软件它可以配合多种硬件进行视频捕获和输出，提供各种精确的视频编辑工具，并能产生广播级质量的视频文件。是利用数字方式对数字化的视频信息进行编辑处理，制作出具有多种视觉效果的视频文件。造型动画软件3DMax5、动画制作软件3、多媒体著作工具概述什么是多媒体著作工具多媒体著作工具提供了组织和编辑多媒体应用系统各媒体元素所需的重要框架，这些元素包括文本、图形、图象、动画、视频和音频等。用多媒体著作工具制作多媒体应用系统有时也称为编制多媒体节目，即用多媒体著作工具设计交互性用户界面，将各种多媒体信息组合成一个连贯的节目，并在屏幕上展现节目。多媒体创作工具的类型多媒体创作工具分为四类：以图标为基础的多媒体著作工具，如MicromediaAuthorware；以时间为基础的多媒体著作工具，如MicromediaAction；以页为基础的多媒体著作工具，如ToolBook；以传统程序设计语言为基础的多媒体著作工具；多媒体著作工具概述按多媒体创作工具的创作界面分类有：幻灯式：线性表现结构，如MicrosoftPowerPoint；书本式：建立像书一样的多维的结构，如ToolBook；窗口式：一个窗口就是屏幕上的一个与用户交互的对象，在窗口中的所有控件和对象都通过窗口接受控制，如ToolBook；按多媒体创作工具的创作界面分类有：时基式：采用按时间轴顺序的创作方式，如MicromediaAction；网络式：最具交互式的应用程序，允许用户从应用程序空间的任意一个对象不受限制地跳转至任何其他对象。流程图式：它提供直观的突变编程界面，利用各种功能图标逻辑结构的布局，体现程序运行的结构，如MicromediaAuthorware；总谱式：以角色和帧为对象的多媒体创作工具软件，可以视为时基式与脚本的结合，如MicromediaDirector；2.5.7多媒体信息数字化

文本是以文字、数字和各种符号表达的信息形式，是现实生活中使用最多的信息媒体，主要用于对知识的描述。文本是计算机文字处理程序的基础，文本数据可以在文本编辑软件里制作。文本分为非格式化文本文件和格式化文本文件。文本的采集文本数据可以在文本编辑软件里制作。文本可以通过手写输入，也可以通过扫描再用OCR（OpticalCharacterRecognition光学字符识别）软件获取，还可以通过语音录入。1.数字化文本信息2.文本的采集动画的概念运动的图画，实质是一幅幅静态图像的连续播放。动画的连续播放既指时间上的连续，也指图像内容上的连续，即播放的相邻两幅图像之间内容相差不大。计算机设计动画方法造型动画帧动画1、动画2.5.8数字动画与视频技术动画帧动画

帧动画是由一幅幅位图组成的连续的画面，就如电影胶片或视频画面一样要分别设计每屏幕显示的画面。

造型动画是对每一个运动的物体分别进行设计，赋予每个动元一些特征，然后用这些动元构成完整的帧画面。动元的表演和行为是由制作表组成的脚本来控制。存储动画的文件格式有FLC、MMM等。

2、视频（Video）

视频是由一幅幅单独的画面序列（帧frame）组成，这些画面以一定的速率(fps)连续地投射在屏幕上，利用视觉暂留现象在人的眼前呈现出连续运动的画面。使观察者具有图像连续运动的感觉。常见的AVI、MPG、MOV等文件即是视频文件。PAL制(625/50):每秒25帧，水平扫描线为625条，水平分辨率240-400个像素，隔行扫描。62年诞生于德国，应用于中国、新加坡、欧洲地区等。NTSC制(525/60):每秒30帧，水平扫描线为525条，水平分辨率240-400个像素，隔行扫描。53年诞生于美国，应用于美国、日本、台湾等。SECAM制(625/50)：每秒25帧，水平扫描线为525条、水平分辨率625。由法国人提出，应用于俄罗斯、法国、非洲地区等。常用模拟视频标准：几个重要的技术参数

（1）帧速。视频是利用快速变换帧的内容而达到运动的效果。视频根据制式的不同有30帧/秒（NTSC）、25帧/秒（PAL）等。有时为了减少数据量而减慢了帧速,也可以达到满意程度，但效果略差。

（2）图像质量。图像质量除了原始数据质量外，还与视频数据压缩的倍数有关。一般说来，压缩比较小时对图像质量不会有太大影响，而超过一定倍数后，将会明显看出图像质量下降。所以数据量与图像质量是一对矛盾，需要合适的折中。视频的数字化

指在一段时间内以一定的速度对视频信号进行捕获并加以采样后形成数字化数据的处理过程。例：像素是240*120的3分钟的PAL制式24位真彩色数字视频数据量为：

240×120×24/8×25×3×60=370M字节分辨率帧/秒采样深度

时间(秒)

（3）数据量计算：

数据量=每幅图像的数据量×帧速×时间常用视频文件格式AVI（Audio-VideoInterleaved）文件将视频与音频信息交错地保存在一个文件中，较好地解决了音频与视频的同步问题，已成为Windows视频标准格式文件。MOV文件利用它可以合成视频、音频、动画、静止图像等多种素材。MPG(.mpg)文件是按照MPEG标准压缩的全屏视频的标准文件。DAT文件是VCD专用的格式文件,文件结构与MPG文件格式基本相同（常见的视频播放的软件见教材。）①UleadMediaStudioPro。台湾Ulead(友立)公司开发的一套专业音视频处理软件。②UleadVideoStudio。台湾Ulead公司的软件产品,简单、易用,容易上手。③UleadDVDMovieFactory。Ulead公司推出的一个完整的从数字摄像机拍摄的DV到DVD/VCD的解决方案。④UleadDVDPictureShow。是友立公司新推出的DVD/VCD相册制作软件。⑤Premiere。典型的视频处理软AdobePremiere是Adobe公司推出的专业级视音频非线性编辑软件,广泛应用于电视节目编辑、广告制作、电影剪辑等领域。常用视频处理软件6.流媒体技术流媒体:一种可以使音频、视频等多媒体文件经过特殊编码，能在Internet上以实时的、无需全部下载等待的流式传输方式进行播放的连续媒体。实现流媒体的关键技术就是流式传输，具体方法有实时流式传输和顺序流式传输两种。应用：互联网直播视频点播远程教育视频会议系统常用流媒体文件RealMedia(RealNetworks)RA（RealAudio）用来传输接近CD音质的音频数据RM（RealVideo）在低速率的网络上实时传输活动视频影像RF（RealFlash）一种高压缩比的动画格式QuickTime(Apple)是数字媒体领域事实上的工业标准，是创建3D动画、实时效果、虚拟现实、A/V和其他数字流媒体的重要基础。ASF与WMA(Microsoft)ASF是一种数据格式，音频、视频、图像以及控制命令脚本等多媒体信息通过这种格式，以网络数据包的形式传输，实现流式多媒体内容发布。WMV是微软公司推出的与MP3格式齐名的一种音频格式，是用于高清晰度映像的编解码器。2.5.9多媒体数据压缩①．数据量巨大传统的数据采用了编码表示，数据量并不大。如一部五十万字的小说，保存为文本文件不到1M字节。而多媒体数据量巨大，其数据压缩显得相当必要：一幅大小为1024×768（像素）的真彩色图像，每像素用24bit表示，其大小为：

1024×768×8×3=18874368bit=18Mb上述彩色图像按NTSC制，每秒钟传送30帧，其每秒的数据量为：

18Mb×30帧/s=540Mb/s=67.5MB/s1.多媒体数据的特点如果存放一部90分钟的影片，其数据量为：

90分钟×60秒×67.5MB/s=364500MB≈356GB

所以，多媒体信息包括文本、声音、动画、图形、图像以及视频等多种媒体信息。经过数字化处理后其数据量是非常大的，如果不进行数据压缩处理，计算机系统就无法对它进行存储和交换。②．数据类型多多媒体数据包括图形、图像、声音、文本和动画等多种形式，即使同属于图像一类，也还有黑白、彩色、高分辨率、低分辨率之分。③．数据类型间差距大数据类型间差距大主要表现在：不同媒体的存储量差别大，不同类型的媒体由于内容和格式不同，相应的内容管理、处理方法和解释方法也不同，声音和动态影像视频的时基媒体与建立在空间数据基础上的信息组织方法有很大的不同。④．多媒体数据的输入和输出复杂。2多媒体数据压缩技术空间冗余（规则物体和规则背景的表面物理特性具有相关性）时间冗余（相邻帧图像之间有较大的相关性）

视觉冗余（人眼并不能察觉图像场的所有变化）听觉冗余（并不能察觉所有频率的变化）统计冗余(某些值经常出现，而另外一些值很少出现)结构冗余(存在着非常强的纹理结构，例如草席图像)知识冗余(有许多图像的理解与某些基础知识有相当大的相关性。例如鼻子位于正面图像的中线上等等)信息熵冗余（实际单位数据量d>H（S））----这些构成数据压缩的基本方法①.原始信源的数据存在着很多冗余度：②.数据压缩的分类1)按照压缩内容

分为音频数据压缩、静态图像数据压缩、视频数据压缩和其他数据文件压缩等四种类型。2)按照压缩方式分为对称压缩和非对称压缩两种类型。3)按照压缩效果

分为有损压缩与无损压缩两种类型。普通数据文件，一般采用无损压缩，对于冗余度较小的图像，需要采用有损压缩。③.数据的无损压缩方法（1）RLE（行程长度）编码。RLE编码是将数据流中连续出现的字符用单一记号表示。例如有一数字序列：742300000000000000000055，其中有18个0，若用Z代表0，则编码为：7423Z1855。又如：一数据串AAAAAABBBBCCDDDDDDDD可表示为6A4B2C8D。RLE编码的压缩效果不太好，但由于简单直观，编码/解码速度快，因此仍然得到广泛应用。

如BMP、TIF及AVI等格式文件都采用这个压缩方法。（2）Huffman（哈夫曼）编码。Huffman编码较为复杂，它的编码原理是，先统计数据中各字符出现的概率，再按字符出现概率的高低，分别赋予由短到长的代码，从而保证了数据文件中大部分字符是由较短的编码构成。JPEG格式的图像文件用到了此种编码。（3）LZW（算术〉编码。LZW编码使用字典库查找方法。它读入待压缩的数据，并与一个字典库（库开始为空）中的字符串对比，如有匹配的字符串，则输出该字符串数据在字典库中的位置索引，否则将该字符串插入到字典中。许多DOS下的压缩软件（如ARJ，PKZIR、LHA）采用这种压缩方法。另外，GIF和TIF格式的图像文件也是按这种方法存储的。④.数据的有损压缩方法图像或声音的频带宽、信息丰富,人类视觉和听觉器官对频带中的某些成分不大敏感,有损压缩以牺牲这部分信息为代价，换取了较高的压缩比。有损压缩在还原图像时，与原始图像存在一定的误差，但视觉效果一般可以接受，压缩比可以从几倍到上百倍。

常用的有损压缩方法有PCM（脉冲编码调制）、预测编码、变换编码、插值、外推、分形压缩、小波变换等。⑤.数据的混合压缩方法混合压缩利用了各种单一压缩方法的长处，在压缩比、压缩效率及保真度之间取得最佳

的折中。例如，JPEG和MPEG标准就采用了混合编码的压缩方法，⑥数据压缩的国际标准

JPEG标准适用于连续色调和多级灰度的静态图像

MPEG标准适用于运动图像、音频信息。包括MPEG视频、MPEG音频、MPEG系统（视频和音频的同步）。MPEG已制定了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和MPEG-7四种.

衡量不同压缩方法优劣的技术指标是相同的，主要包括以下几个方面。1）压缩比：指压缩前后的数据量之比，它反映了施加某压缩算法之后，数据量减少的比例；

2）压缩质量：指经解压缩算法对压缩数据进行处理后所得到的数据与其表示的原信息的相似程度；

3）压缩和解压速度：主要指实现算法的复杂度。(4)软硬件系统3.数据压缩的性能指标2.6互联网技术基础1、网络的概念What

计算机网络就是通过电缆、电话线或无线通信将两台以上的计算机互连起来构成的集合。或者也可以说计算机网络就是把地理位置上分散在各地的具有独立运算功能的计算机，通过通信线路连接起来，并按照一定的协议实现互相通信、资源共享的系统。2.6.1网络基础知识2.计算机网络的发展过程计算机网络的发展过程：第一代第二代第三代第四代面向终端的通信网络分组交换网络PSDN

体系结构标准化网络信息高速公路NII3.计算机网络的功能

计算机网络之所以得到了越来越广泛的应用，是因为计算机网络具有强大的功能。具体分为以下几个方面：计算机网络的主要功能数据通信资源共享分布式处理此外，计算机网络还有集中管理、提高计算机可靠性等功能。4.计算机网络的分类

03

02城域网(MAN)特点：覆盖一个国家甚至全世界，利用（Gateway）连接不同类型的网络，并完成相应的转换功能。目前，Internet可以看作世界上最大的广域网。

01局域网(LAN)特点：范围小，一般距离在0.5－10km之间；带宽大，数据传输率高，一般在10－1000Mb/s；数据传输延迟小，误码率低；易于安装，便于维护；特点：具有LAN的特性，但规模比LAN大，地理分布范围在10－50km，传输媒体主要使用光纤。通常由政府或大型集团公司建设，例如城市信息港、企业Intarnet网络。广域网(WAN)5.计算机网络的拓扑结构何谓网络的拓扑结构？

网络的拓扑结构是指网络中的节点和通信链路连接后得到的几何图形。指连接到网络中的一个设备（如计算机、交换机等）。1.总线拓扑结构

优点：结构简单，扩充容易。另外，使用共享总线，线路成本低，信道利用率高。

缺点：节点的个数有限制，节点个数太多会导致每个节点能够使用的有效带宽减少，通信效率下降；对总线性能要求较高，一旦总线出现故障，网络将无法正常工作。

2.星形拓扑结构优点：结构简单，配置方便，便于集中控制；易于维护、安全可靠，单个结点发生故障，不会影响全网，故障诊断和隔离比较容易。缺点：成本较高，因每个节点都要和中央节点直接连接，需要耗费大量的电缆，也增加了网络安装的工作量；中央节点的负荷较重,中央节点一旦损坏，整个系统便不能正常工作。中心节点，通常为网络集线器3.环形拓扑结构优点：结构简单；信息沿环路传送，控制简单；所有节点共享环路，电缆长度短，成本较低。缺点：当环中节点过多时，会影响信息的传输速率，使网络响应时间延长；环路是封闭的，不便于扩充；此外，网络中任何一个节点的损坏都可能导致整个系统不能正常工作，可靠性低。

4.树形拓扑结构优点：结构简单，成本较低；网络中节点扩展方便。缺点：网络中各节点对根节点的依赖性较强，如果根节点失效，会导致整个网络瘫痪。

5.不规则型拓扑结构特点：在网络中节点的连接是任意的，无任何规律。总结：

以上介绍的是计算机网络拓扑的几种基本类型，在实际应用时也可能是几种基本拓扑结构的结合。选择拓扑结构时，要考虑诸多因素：既要便于安装，又要易于扩展，还要有较高的可靠性、易于维护等。6.有线网络的传输介质同轴电缆：包括由绝缘体包围的一根中央铜线、一个网状金属屏蔽层以及一个塑料封套(2)双绞线双绞线电缆类似于电话线,由4对相互绝缘的彩色铜线组成。优点是价格便宜,能适应更快的网络传输速率,可以应用于多种不同的拓扑结构中缺点是传输距离小于100m,此外,其灵活性使得它比同轴电缆更易遭受物理损害(3)光缆：主要由光导(玻璃)纤维组成,其中心部分包括一根或多根光导纤维。光缆的不同层面示意图7.无线传输介质无线传输是指在两个通信设备之间不使用任何直接的物理连接线路,无线传输介质通过空间进行信号传输。常用的无线介质有无线电波(30MHz~1GHz)、微波(300MHz~300GHz)、红外线、激光和蓝牙等。红外线是较新采用的无线传输介质。红外传输系统利用墙壁或屋顶反射红外线而形成。这种系统常常用于室内家用电器的遥控,特别是在电视、音响的遥控上得到普遍应用。红外通信设备相对便宜,但红外线不能穿透墙壁或是大型物体,因此传输距离非常有限,且容易受到雨、雪或雾的干扰蓝牙(BlueTooth)技术是一种基于红外线的通信技术已被广泛用来实现近距离(一般10m内)的无线通信,能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本计算机、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换,且无需像红外传输那样要求设备之间相互对准。利用蓝牙技术能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化设备与互联网之间的通信,从而使数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽道路。8.网络互联设备为了将两个物理网络连接在一起,需要采用特殊的网络互联设备。(1)中继器：主要作用是对电缆上传输的数据信号进行放大和再生,工作于OSI参考模型的物理层上。使用中继器可以将两段或两段以上结构相同的局域网连接起来,扩大局域网的范围。(2)集线器：主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大,以增加网络的传输距离,同时把所有节点集中在以它为中心的节点上(3)网桥（Bridge)：是一种工作于OSI参考模型数据链路层的存储转发设备,用于连接两个同类型的网络,并对网络数据的流通进行管理。网桥不但能扩展网络的距离或范围,而且可以提高网络的性能、可靠性和安全性。网桥还可以用来互联不同物理介质的网络(4)路由器：发生在OSI参考模型的网络层。具有网桥的所有功能，还具有路径的选择功能,可以为不同网络之间的用户提供最佳的通信路径。可以在网络层实现多个网络间的互联,它主要用于实现不同拓扑结构网络间的互联。(5)交换机是一种用于电信号转发的网络设备,它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。目前交换机已经逐步取代了集线器和网桥,并增强了路由选择功能。交换和路由的主要区别就是交换发生在OSI参考模型的数据链路层,而路由发生在网络层交换机和集线器的本质区别则在于:交换机为两点间提供“独享通路”,而集线器上连接的所有点“共享通路”(6)网关网关(Gateway)是网络层以上互联设备的总称,是最高级别的网络互联,用于连接不同体系结构的网络。网关不仅需要具有路由器的全部功能,而且要进行因网络操作系统差异而引起的不同协议之间的转换。网关通常是一台运行专门网关软件的计算机系统。2.6.2网络体系结构

相关概念

1、

网络协议：

网络上所有设备（包括网络服务器、计算机及交换机、路由器、防火墙等）之间的通信规则的集合，它规定了通信时，信息必须采用的格式和这些格式的意义。什么是网络协议？

为了实现网络通信而制订的规则、约定或标准称为网络协议（Protocol）。常见的网络协议有：TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBEUI协议等。在局域网中用得的比较多的是IPX/SPX。如果要访问Internet，则必须在网络协议中添加TCP/IP协议。2、网络体系结构：由于网络协议包含的内容相当多，为了减少设计上的复杂性，现在的计算机网络都采用了分层结构。什么是网络体系结构？

计算机之间相互通信的层次，以及各层中的协议和层次间接口的集合称为网络体系结构。1）OSI参考模型

OSI参考模型分为７层，分别是物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层和应用层。每一层负责相应具体的工作，然后把数据传送到下一层。当其中一层提供的某解决方案更新时，不会影响到其他层。网络体系结构分类2）TCP/IP的分层模型

如同OSI参考模型，TCP/IP也是一种分层模型，它由基于硬件的四个概念性层次构成，即网络接口层、IP层、传输层、应用层。（1）网络接口层：也称数据链路层，这是TCP/IP最底层。功能：负责接收IP数据报并发送至选定的网络。（2）IP层：IP层处理机器之间的通信。即接收来自传输层的请求，将带有目的地址的数据发送出去。网络体系结构分类（3）传输层：是提供应用层之间的通信，即端到端的通信。功能：管理信息流，提供可靠的传输服务，以确保数据无差错的地按序到达。（4）应用层：应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输（SMTP）、文件传输协议（FTP）、

网络远程访问协议（Telnet）等。

Internet的中文名称是国际互联网或因特网，它由本地区和国际区域内的计算机网络组成，它们连接在一起用来交换数据和分布处理相应的任务。

从硬件角度来说，Internet是建立在一组公共协议上的路由器和线路的物理集合，从软件上来说，它是一组可共享的资源集。2.6.3因特网及应用1.Internet技术及其组成2.Internet的工作方式

Internet采用分组交换技术作为通信方式，这种通信方式是把数据分割成一定大小的数据包进行传输的。为了便于不同的局域网之间进行通信，Internet在网络之间通过路由器将不同的网络进行连接。路由器的作用就像邮政系统的邮件分拣局，把来自不同地点的信件分别按其目的地的地址发向下一个分拣局。每个邮件分拣局只需知道哪一条邮政线路可以用来完成信件传输任务且距离目的地路径最短就可以了。3.IP地址

(1)IP地址的概念：Internet网上的计算机都有各自的功能，可能是工作站、服务器。不管计算机的作用如何，每一台连接到Internet网上的计算机都有唯一的标识性数字，称为IP地址。TCP/IP协议规定Internet上的IP地址长32位，即为4字节长，每个字节可对应一个0~255的十进制整数，数间用点号分隔，形如：XXX.XXX.XXX.XXX。例如，6，这种格式的地址被称为点分十进制地址。采用这种编址方法可使Internet容纳40亿台计算机。注意：一个IP地址不能同时分配给两个不同的网络节点，但一个网络节点可以有多个IP地址（多块网卡）。

在Internet上，IP地址也采用分层结构，由网络地址和主机地址组成，用以标识特定主机的位置信息。

IP地址分成网络号和主机号两部分，其中网络号用来区分位于不同地理位置的网络，而主机号则用来区分位于同一网络中的不同网络节点，如图所示。IP地址的格式（2）IP地址的分类

根据IP地址的前面几位二进制数的不同可以将IP地址分成5大类：即A类、B类、C类、D类和E类，其中A、B、C三类是最为常用的IP地址，详细情况见表分类地址范围最高位数字网络地址主机地址能容纳的最多主机数目A.0～5508位24位224－2=16777214B～551016位16位214－2=16382C～5511024位8位28－2=254IP地址范围及网络号和主机号长度A类地址适合大型网络；B类地址适合中型网络；C类地址适合小型网络。（3）子网掩码

子网掩码也是一个32位的模式，它的作用是识别子网和判别主机属于哪一个网络。设置子网掩码的规则是：凡IP地址中表示网络地址部分的那些位，在子网掩码对应位上置1，表示主机地址部分的那些位设置为0。

例如，中国教育科研网的地址43，属于C类，其网络地址共3字节，故它默认的子网掩码是。显然，A类网络地址共有l个字节，故默认的