計算與計算模型多媒體計算機系統(tǒng)的組成磁存儲系統(tǒng)及其工作原理顯示系統(tǒng)及其工作原理多媒體輸入輸出設(shè)備 計算與計算模型 創(chuàng)造和設(shè)計一個自動計算工具 是人類千百年的夢想 這個夢想中的自動計算模型是什么模樣 一直沒有人給出確切的答案 這里所指的計算模型 并不是指建立在數(shù)學描述基礎(chǔ)上用來求解某一 類 問題計算機方法的數(shù)學模型 而是指具有狀態(tài)轉(zhuǎn)換特征 能夠?qū)λ幚淼膶ο蟮臄?shù)據(jù)或信息進行表示 加工 變換 接收 輸出的數(shù)學機器 圖靈模型 20世紀30年代 計算模型研究取得突破性進展 英國數(shù)學家阿蘭 圖靈在一篇論文中 圖靈提出了通用機的概念 這是一個描述計算步驟的數(shù)學模型 使用這種抽象計算機 可以把復雜的計算過程還原為十分簡單的操作 圖靈機是一種抽象計算模型 用來精確定義可計算函數(shù) 圖靈機由一個控制器 一條可以無限延伸的帶子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭組成 圖靈模型 圖靈測試 圖靈測試 Turingtest 是由圖靈在65年前提出的的一個關(guān)于機器人的著名判斷原則 是一種測試機器是不是具備人類智能的方法 圖靈測試會在測試人在與被測試者 一個人和一臺機器 隔開的情況下 通過一些裝置 如鍵盤 向被測試者隨意提問 問過一些問題后 如果被測試者超過30 的答復不能使測試人確認出哪個是人 哪個是機器的回答 那么這臺機器就通過了測試 并被認為具有人類智能 圖靈測試場景 圖靈測試 在 人工智能之父 阿蘭 圖靈逝世60周年之際 2014年6月8日 英國雷丁大學發(fā)出一份公告 宣布一臺超級計算機的人工智能軟件尤金 古斯特曼 EugeneGoostman 首次通過了 圖靈測試 成功讓人類相信它是一個13歲的男孩 圖3 2 這臺計算機也成為有史以來第一個具有人類思考能力的人工智能設(shè)備 被看做人工智能發(fā)展的里程碑事件 這也是對圖靈的最好的紀念形式 人工智能軟件尤金EugeneGoostman 馮 諾依曼型計算機 馮 諾依曼提出的 存儲程序原理 導致現(xiàn)代意義的計算機的誕生 經(jīng)過不斷努力 馮 諾依曼確定了現(xiàn)代存儲程序式電子數(shù)字計算機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理主要由五部分組成 存儲器 運算器 控制器 輸入設(shè)備 輸出設(shè)備 馮 諾伊曼型計算機體系結(jié)構(gòu) 馮 諾依曼型計算機 馮 諾伊曼和圖靈等人的貢獻堪稱 創(chuàng)世紀的贈禮 是20世紀最偉大的發(fā)明之一 從此掀起了以計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為代表的信息技術(shù)革命浪潮 它對整個世界的現(xiàn)代化 全球化發(fā)生了重大影響 人類從此有了這樣一種機器 一種由數(shù)以千萬計的電子開關(guān)組成的通用的 信息處理機 擴展人類的信息器官功能的信息技術(shù) 多媒體技術(shù)發(fā)展至今 與信息技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān) 正是這種源于人類本能需求的驅(qū)動 使得在擴展人類的信息器官功能更加依賴于信息技術(shù)的進步 人類創(chuàng)立和發(fā)展起來的信息技術(shù)與多媒體技術(shù) 從某種意義上來說 就是為了不斷地擴展人類信息器官功能的一類技術(shù)的總稱 信息器官及其功能系統(tǒng) 信息技術(shù)四基元及功能系統(tǒng) 多媒體計算機系統(tǒng) 多媒體計算機系統(tǒng)是對基本計算機系統(tǒng)的軟硬件功能的擴展 作為一個完整的多媒體計算機系統(tǒng) 它應該包括五個層次的結(jié)構(gòu) 多媒體計算機系統(tǒng)的組成 多媒體計算機系統(tǒng)的組成 多媒體系統(tǒng)的處理器 多媒體信息處理是CPU的重中之重 圖形處理器將會大量應用在游戲 UI界面等方面 越強的圖形處理器將會讓智能手機運行大型游戲 裝載大型UI界面越流暢 CPU的組成 CPU作為計算機系統(tǒng)的核心 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以分為控制器 運算器和寄存儲器三個部分 運算器主要完成各種算術(shù)運算和邏輯運算 而控制器不具有運算功能 它只是讀取各種指令 并對指令進行分析 作出相應的控制 在CPU中還有若干個寄存器 它們可直接參與運算并存放運算的中間結(jié)果 CPU的組成 多核心處理器 多核心處理器技術(shù)的引入是提高處理器性能的有效方法 因為處理器的實際性能是處理器在每個時鐘周期內(nèi)所能處理指令數(shù)的總量 因此增加一個內(nèi)核 處理器每個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行的單元數(shù)將增加一倍 而在單個物理內(nèi)核中 任務和線程在本質(zhì)上還是串行處理的 因此在同等級別中多核處理器的工作效率要遠遠高于單核處理器 多核心處理器 移動處理器 移動處理器是專門針對移動終端 如 筆記本電腦 智能手機 平板電腦等而設(shè)計的CPU 智能手機的每一個功能實際上都需要移動處理器的參與 例如打電話 瀏覽網(wǎng)絡(luò) 手機導航與定位 打游戲 拍照與視頻 媒體播放 視頻與音樂 人機交互界面全部需要移動處理器的參與 每一個移動處理器都集成了CPU GPU GraphicProcessingUnit 圖形處理器 調(diào)制解調(diào)器 多媒體處理器 全球定位系統(tǒng) DSP 感應器以及高級的管理軟件等子系統(tǒng) 數(shù)字信號處理器 DSP 數(shù)字信號處理技術(shù)是數(shù)字信號處理 微電子學 計算機科學和計算機數(shù)學的綜合科研成果 DSP芯片現(xiàn)已廣泛應用于各種智能設(shè)備上 如手機 汽車 電視機 光盤機 數(shù)碼相機和數(shù)字攝像機等諸多領(lǐng)域 并將在絕大部分的電子設(shè)備中得以應用 就任何一個DSP芯片來說 其本質(zhì)上都是一個單片微型計算機 但它是專門用來處理數(shù)字信號的 其最大特點就是運算速度極快 比普通的微型計算機快2個數(shù)量級 能在短時間內(nèi)完成復雜而繁瑣的數(shù)學運算 媒體處理器 媒體處理器可定義為一種專門用于同時快速處理多個多媒體數(shù)據(jù)的可編程處理器 在媒體處理器中執(zhí)行特定多媒體功能的軟件稱為媒體件 Mediaware 由媒體處理器和媒體件共同處理包括圖形 視頻 音頻及通信在內(nèi)的各種多媒體數(shù)據(jù)類型 主存儲器 主存儲器 mainmemory 是計算機內(nèi)部的主要存儲器 所以又簡稱為主存或內(nèi)存 用于存放CPU正在處理 即將處理或處理完畢的數(shù)據(jù) 是CPU可以直接訪問的存儲器 CPU可直接訪問主存儲器 PN結(jié) PN結(jié)是構(gòu)成各種半導體器件 如晶體管 的基礎(chǔ) P是positive的縮寫 N是negative的縮寫 表明正荷子與負荷子起作用的特點 實現(xiàn)方法通常是在一塊晶片上 采取一定的摻雜工藝措施 在晶片兩邊分別形成P型半導體和N型半導體 那么它們的交接面就形成了PN結(jié) PN結(jié)是具有單向?qū)щ娦?DRAM的基本單元 每個DRAM基本單元代表一個 位 也就是一個比特 Bit 所有的DRAM基本單元都是由一個晶體管和一個電容器組成 一個電容器可以存儲一定量的電子或者是電荷 電容器的狀態(tài)決定了這個DRAM單位的邏輯狀態(tài)是1還是0 一個充電的電容器在數(shù)字電子中被認為是邏輯上的1 而未充電的電容器則表示邏輯0 DRAM基本單元 CELL DRAM基本單元由列和行來尋址 非易失性存儲器 閃存 由于浮柵具有捕獲電子的物理特性和結(jié)構(gòu) 通過給位線與字線對每個存儲基本單元施加12V的正電流 電流穿過浮置柵極襯底之間的絕緣層 對浮置柵極進行充電 寫數(shù)據(jù) 或放電 擦除數(shù)據(jù) 當浮柵被注入負電子時 此單元就由數(shù)字 1 被寫成 0 相反 當負電子從浮柵中移走后 此單元就由數(shù)字 0 變成 1 此過程稱之為擦除 閃存基本存儲單元的結(jié)構(gòu) 3 3磁存儲系統(tǒng)及其工作原理 磁存儲介質(zhì)由于存儲容量大 單位成本低 多在計算機系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲器使用 用以存放系統(tǒng)軟件 大型軟件 數(shù)據(jù)庫 各種多媒體數(shù)據(jù)等 所以在微計算機中是重要的存儲介質(zhì) 磁頭的基本結(jié)構(gòu) 磁頭的基本結(jié)構(gòu)是在一個環(huán)形導磁體上繞上線圈 導磁體面向磁盤方向開一個漏磁縫隙 當磁頭線圈中通以交變信號電流時 導磁體內(nèi)的磁通量也跟著產(chǎn)生變化 這個交變的磁場從磁頭縫隙中泄漏出去 使做勻速運動的磁盤表面上的磁介質(zhì)感應磁化 磁存儲原理 磁存儲系統(tǒng) 磁盤尋址結(jié)構(gòu)示意圖 獨立磁盤冗余陣列 獨立磁盤冗余陣列 RAID 簡稱磁盤陣列 簡單的說 RAID是一種把多塊獨立的硬盤 物理硬盤 按不同的方式組合起來形成一個硬盤組 邏輯硬盤 使性能達到甚至超過一個價格昂貴 容量巨大的硬盤 從而提供比單個硬盤更高的存儲性能和數(shù)據(jù)備份技術(shù) RAID使用奇偶校驗 為保證數(shù)據(jù)的安全性 RAID使用奇偶校驗塊實現(xiàn)冗余 如果陣列中的一塊磁盤出現(xiàn)故障 工作磁盤中的數(shù)據(jù)塊與奇偶校驗塊一起來重建丟失的數(shù)據(jù) 例如 在一個由4塊硬盤構(gòu)成的RAID系統(tǒng)中 3塊硬盤將被用來保存數(shù)據(jù) 第4塊硬盤則專門用于校驗 RAID使用奇偶校驗 奇偶校驗示例 假設(shè)數(shù)據(jù)塊A1 00000111 A2 00000101 A3 0000000分別存儲在不同的磁盤中 奇偶校驗塊Ap由A1 A2 A3異或得到 即Ap A1A2A3 00000010 如果第2塊磁盤出現(xiàn)故障 A2將不能被訪問 但是可以通過A1 A3與Ap數(shù)據(jù)的異或進行重建 其過程如表所示 3 4多媒體顯示系統(tǒng) 智能多媒體顯示系統(tǒng)是微機操作中實現(xiàn)人機交互的一個重要設(shè)備 其性能的優(yōu)劣直接影響質(zhì)量和效果 目前所采用的顯示技術(shù)大體上可分二維顯示技術(shù)和三維顯示技術(shù) 各自有不同的顯示原理和技術(shù)特點 計算機的顯示系統(tǒng) 顯示卡 顯示卡 或簡稱顯卡 是計算機顯示系統(tǒng)中負責處理圖像信號的專用設(shè)備 在顯示器上顯示的圖形都是由顯卡生成并傳送給顯示器的 因此顯卡的性能好壞決定著機器的顯示效果和性能 顯示卡工作原理 CPU將數(shù)據(jù)通過總線傳送到圖形處理芯片 顯示芯片 顯示芯片對數(shù)據(jù)進行處理 并將處理結(jié)果存放到顯示內(nèi)存中 顯示內(nèi)存將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器 RAMDAC 并進行數(shù)據(jù)到模擬信號的轉(zhuǎn)換 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號通過VGA接口輸送到顯示器 顯示卡工作原理 圖形處理芯片 圖形處理芯片 GraphicProcessingUnit GPU 是顯示卡中最主要的部分 GPU是相對于CPU的一個概念 由于在多媒體計算機中圖形圖像的處理變得越來越重要 涉及到大量的運算 所以需要一個專門的處理器去執(zhí)行各種運算 圖形處理器使顯卡減少了對中央處理器的依賴 并分擔了部分原本是由中央處理器所擔當?shù)墓ぷ?尤其是在進行三維圖形處理時 功效更加明顯 多核CPU和GPU的對比 液晶顯示技術(shù) 液晶 liquidcrystal 是一種介于固體與液體之間 具有規(guī)則性分子排列的有機化合物 科學家將這一發(fā)現(xiàn)稱為物質(zhì)的第四態(tài) 固態(tài) 液態(tài)和氣態(tài)以外的第四態(tài) 液晶當其固態(tài)受熱后 并不會直接變成液態(tài) 會先溶解形成液晶態(tài) 當持續(xù)加熱時 才會再溶解成液態(tài) 等方性液態(tài) 這就是所謂二次溶解的現(xiàn)象 熱致型液晶的物態(tài)相變 光的偏振現(xiàn)象 自然光在各個方向上的震動是均勻的 因而被稱為非偏振光 如果一束光在任意一個特定的時刻只在一個特定的方向上振動 則這束光就是偏振光 polarizationoflight 或者說 光的偏振振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振 只有橫波才能產(chǎn)生偏振現(xiàn)象 故光的偏振是光的波動性的又一例證 偏振光 偏振光可以通過偏振鏡獲得 偏振鏡就是一個柵欄 其具有振動方向 當一束自然光通過偏振鏡時 偏振鏡指揮這一束自然光中與其振動方向一致的光波通過 而其他不一致的光波都會被過濾掉 光的偏振現(xiàn)象 液晶顯示器工作原理 液晶顯示器工作原理就是利用偏光板的特性來實現(xiàn)的 液晶顯示器的顯像原理是將液晶置于兩片導電玻璃之間 靠兩個電極間電場的驅(qū)動 引起液晶分子扭曲向列的電場效應 以控制光源透射或遮蔽功能 在沒有電荷的時候 液晶處于一種無序狀態(tài) 在這種狀態(tài)下 液晶是透光的 對液晶層施于各種不同電荷 液晶中的晶體就朝不同的方向偏轉(zhuǎn) 令液晶層形成不同的透光性 液晶顯示器工作原理 3D顯示技術(shù) 所謂3D中的D是英文Dimension 度 維 的字頭 3D便是指三維或三維空間 相比普通的2D畫面 3D顯示更加立體逼真 讓觀眾有身臨其境的感覺 視差 原理 人們平時感覺到的距離感是兩個眼睛共同決定的 人的兩眼左右相隔大約6厘米左右 這意味著人們看著一個物體時 是從左右兩個視點分別觀看的 左眼將看到物體的左側(cè) 而右眼則會看到物體的右側(cè) 從而可以判別物體的遠近和深度 當兩眼看到的物體在視網(wǎng)膜上成像時 左右兩面的印象合起來 就會產(chǎn)生立體感覺 在大腦中形成具有立體縱深感的畫面 人眼的 視差 原理 偏振式3D成像原理 當系統(tǒng)進行顯示時 將左 右圖像同時顯示在屏幕上 不過左右兩幅圖像在顯示在屏幕上之前會經(jīng)過不同偏振鏡的過濾 左邊圖像用垂直方向的偏振鏡進行過濾 成為在垂直方向上振動的偏振光 而右邊圖像則采用水平方向的偏振鏡進行過濾 成為在水平方向上震動的偏振光 兩幅圖像經(jīng)過大腦的合成最終形成一幅具有三維立體感的3D圖像 偏振式3D成像原理 3 5多媒體輸入輸出設(shè)備 輸入 輸出設(shè)備是人們和計算機系統(tǒng)之間進行信息交換的主要裝置之一 多媒體輸入設(shè)備可以將外部信息 如文字 數(shù)字 聲音 圖像 程序 指令等 轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)輸入計算機中 以便加工 處理 計算機輸入設(shè)備在不同的時代是不相同的 到了多媒體時代 掃描儀