多媒体计算机系统结构.ppt

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1、第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.1 多媒体计算机系统的组成多媒体计算机系统的组成2.2 多媒体处理器多媒体处理器2.3 存储器存储器2.4 总线与接口总线与接口2.5 硬盘硬盘2.6 多媒体输入多媒体输入/输出设备输出设备整理发布整理发布第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.1 多媒体计算机系统的组成多媒体计算机系统的组成2.1.1一般传统计算机的组成多媒体计算机在传统计算机的基础上进行了软硬件扩充，以适应多媒体信息处理功能的需要，因此，多媒体计算机是传统计算机技术的发展。1.硬件构成传统计算机的硬件

2、构成如图2-1所示。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构图2-1传统计算机的硬件结构第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构由图2-1可见，构成一般传统计算机的硬件以CPU为核心。当前用于个人计算机的CPU主要是80X86、68XXX、powerPC等，内存大小不一，小的12MB，大的十几到几十MB。从图2-1还可以看到，通过接口所接的都是常规的外部设备，用于信息的输入/输出。由于一般传统计算机仅仅用来处理文字和图形，故其接口和外设均较为简单。2.软件支持计算机要工作，除了硬件系统之外，还必须要有软件的支持。没有适当的软件支持，计算机将一事无成。支持软件主要包括：第

3、第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构(1)操作系统。操作系统用来对计算机的各部分进行管理和控制，使计算机有条不紊地工作。当前流行的计算机操作系统有DOS、Windows、Unix、OS/2、Macintosh等等。(2)语言及工具软件。每种操作系统之下，均可运行多种不同的语言，例如C、C+、数据库语言等；均有许多工具软件支持用户工作；均有大量的函数构成函数库供用户调用。(3)用户的应用软件。在操作系统支持下，用户可以在计算机上运行其应用软件，以便完成用户所期望的功能。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.1.2多媒体计算机系统的构成在一般传统计算机的基础上，技术

4、的发展推动了多媒体计算机的产生。多媒体计算机系统同样由硬、软件两大部分组成。1硬件构成多媒体计算机的硬件系统结构如图2-2所示。从图2-2中可以看到，多媒体计算机的硬件系统可以看成是在一般传统计算机的基础上，增加一些硬件而构成的。但是，这只是表面上的理解。实际上，多媒体计算机对CPU的吞吐率、内存的大小以及各种外设也会提出更高的要求。早期的微型机，如PC机、PC/XT等是无法构成多媒体计算机的。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构图2-2多媒体计算机的硬件构成第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构多媒体计算机中的CPU具有更高的性能，例如80486、80586或与

5、其相当的CPU。其内存也应在4MB以上。除传统计算机中的一些外设之外，CRT显示必须是彩色的VGA，打印机可配置彩色打印机。另外，最基本体现多媒体特征的是在硬件上增加视频接口、音频接口和光盘机接口。音频接口通常又称为音频卡，它可以将话筒输入的音频模拟信号数字化，并送入计算机中存储或传送，也可以把从存储器或光盘读入的音频数字信号转换成模拟信号送到扬声器。音频信号可以是单通道信号，也可以是双通道的立体声信号，这些功能是一般传统计算机所没有的。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构视频接口又称为视频卡，它能将来自于摄像机的视频信号按帧变换为数字信号并对数字化的图像信号进行压缩处理，而后

6、进行存储或传送。同时，视频卡又能将存储的视频信号或由光盘读入的视频信号进行解压缩处理并在CRT显示器上回放视频信号。显然，这也是传统计算机所没有的功能。光盘接口连接光盘控制器和光盘驱动器。目前，大多数光盘是只读光盘(CD-ROM)，一次写多次读光盘以及可读写的光盘正逐步普及。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.多媒体计算机软件多媒体计算机软件主要包括如下三部分：(1)多媒体操作系统。传统计算机所用的操作系统或多或少支持多媒体，但在程度上有所差别，例如，Windows3.1、WindowsNT及Windows95在支持多媒体方面要比DOS强，尽管如此，它们还不是真正意义上的多

7、媒体操作系统。各种计算机厂商看到这一点，正在竞相研制多媒体操作系统。现在已公布使用的有Apple公司的QuickTime和Microsoft公司的多媒体Windows3.0。现在流行的操作系统，如Windows98、Windows2000等都具备多媒体功能。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构(2)多媒体应用软件的开发工具。为了开发多媒体应用软件，很多厂家为用户提供了多种功能很强的应用软件开发工具。在前面所提到的硬件系统的基础上，配上多媒体操作系统，再加上应用软件的开发工具，就构成了多媒体应用软件的开发平台。在此平台上，用户可以比较方便地开发各种多媒体应用软件。(3)多媒体应用

8、软件。支持多媒体计算机工作的软件还包括多媒体应用软件。这些软件用来支持多媒体计算机的使用要求，其中包括他人开发的大量应用软件，例如，各种多媒体教学软件、游戏软件、工具软件和各种电子图书等。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构以上我们叙述了多媒体计算机的最简单的配置。由于多媒体本身对“多”的定义是模糊的，因此，除了上面所提到的配置之外，有的多媒体计算机上还插有TV接口(卡)；有的显示器前配置触摸屏，让使用者输入更加方便；有的还配置电话及传真机接口(卡)，可以将电话和传真机接在多媒体计算机上。尤其值得强调的是多媒体计算机应当与网络相连接，只有让多媒体计算机接入计算机网络(如Inte

9、rnet)中，多媒体计算机才能真正发挥作用。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构3.多媒体计算机规范随着世界经济和贸易的发展，各国政府和大公司都会认识到制定标准的重要性。多媒体技术作为新兴的信息技术，同样受到各方面的密切关注。国际上涉及多媒体标准的主要组织有以下三个：ISO(InternationalOrganizationforStandardization)：国际标准化组织；ITU(InternationalTelecommunicationUnion)：国际电信联盟(原CCITT国际电报电话咨询委员会)；IEC(InternationalElectrotechnicalC

10、ommission)：国际电工技术委员会。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构多媒体计算机(MultimediaPC，MPC)把数值计算、文字、图形、图像(静态、动态)、声音等有机综合在一起，具有集成性、交互性、多样性的特点。国际上，美国微软公司、商用机器公司、新加坡创通公司、日本NEC公司和荷兰飞利浦等大型计算机公司共同制定了统一的MPC标准：MPC-1、MPC-2、MPC-3、MPC-4，其中MPC-4标准PC的基本配置如表2-1所示。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构表2-1MPC-4标准PC的基本配置硬件硬件配置软件内存16MBWindows3.2Wi

11、ndowsNTWindows95单 用 户/多用户CPUIntelPentium/133MHzIntelPentium/200MHz硬盘1.6GB光盘驱动器1016倍速音效卡16位数字音频采样44.1kHz/48kHz带波表图形加速显示卡120410241600190024位/32位真彩色视频卡Modem卡、视频采集卡等显示器38cm43cm第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构多媒体计算机在达到一定性能的微机的基础上增加了以下四类设备：(1)声/像输入设备：普通光驱、刻录光驱、音效卡、麦克风、扫描仪、录音机、摄像机和电子乐器等。(2)功能接口卡：视频采集卡、Modem卡，特技编

12、辑卡、视频会议卡、视频输出卡、VCD压缩卡和网卡等。(3)声/像输出设备：刻录光驱、音效卡、视频输出卡、喇叭、立体声耳机、录音/录像机和打印机等。(4)软件支持：操作系统及各种支持软件。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.2 多媒体处理器多媒体处理器多媒体技术，如高性能视频、三维图形、动画、音频、虚拟现实、网络通信技术对计算机提出了更新、更高的要求。使用个人计算机完成大量复杂数据的多媒体信息处理极大地促进了高性能处理器的发展。此外，还出现了各种各样的专用数字信号处理器(DSP)，以及用这些专用处理芯片构成的插板(卡)，如音频卡、视频卡、3D图形加速卡、网络卡以及Modem卡

13、等，以辅助主处理器的功能，降低主处理器的负担。当然，这又使得计算机中的芯片和插卡越来越多，从而使结构变得复杂。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构为了加快多媒体信息处理的速度，Intel公司推出了MMXPentium处理器芯片。MMX(MultiMediaeXtention，多媒体扩展指令系统)技术包括新的用于多媒体处理的指令及数据类型，支持并行处理。由于多媒体信息处理包含有大量的并行算法，因此，MMX技术提高了计算机在多媒体及通信领域中的应用能力，使计算机的性能达到了一个新的水平。同时，MMX保持了与现有操作系统、应用程序的完全兼容性，使得DOS、Windows3.1、Win

14、dows95、Windows98、OS/2、Unix以及Intel结构软件都能在使用MMX技术的微处理器系统上运行。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构MMX技术具有一套基本的、通用的整数指令，可以比较容易地满足各种多媒体应用程序和多媒体通信程序的需要。MMX处理器在原来的Pentium处理器的基础上增加了57条指令，CPU中为此添加了8个64位宽的MMX寄存器和4种新的数据类型，大大增强了处理视频信号、音频信号和图像的能力。MMX技术在原处理器系统结构的基础上，增强了整型数据并行操作能力，加入了单指令流多数据流(SIMD)技术，允许1条指令处理多个信息，这种超标量结构的技术增

15、强了PC机的多媒体处理功能。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.2.1现代高档微机的新技术随着微电子集成电路技术和计算机技术的发展，现代高档微机为了适应各种应用领域对计算机处理速度和容量的要求，越来越多地融进了原来中小型计算机甚至大型计算机采用的技术，使微机的体系结构发生了很大的变化，性能得到很大的提高。高档微机新技术主要有以下8个方面。1.微程序控制技术计算机CPU控制器的结构主要有两种类型：组合逻辑控制器和微程序控制器。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构1)组合逻辑控制器在组合逻辑控制器中，取指令、指令译码、取操作数和指令执行过程所需的控制信号全由硬件

16、逻辑实现。组合逻辑控制器运行速度高，但电路复杂，功能的改变不灵活。2)微程序控制器将原来由硬件电路控制的指令操作步骤改用微程序控制，一条指令的完成对应一个微程序的执行过程，这就是微程序控制器。一个微程序是存储在ROM中的一个微指令序列，一条指令的执行过程，就是依次从ROM中取出微指令并译码，生成并执行各种微操作命令。一段微程序或微指令序列称为指令解释器。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构应用微程序控制技术便于改变和扩充机器的功能，因为只要改写ROM的内容，即可改变微程序。中央处理机中控制器的微程序控制器与组合逻辑实现是计算机系统结构中软、硬件功能分配的典型例子，二者只是功能完

17、成的方式不同，而且是可以互为转变的。Pentium处理器将常用指令，如MOV、INC、DEC、PUSH、POP、JMP、CALL、ADD等改用组合逻辑实现，大大提高了指令的运行速度。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.流水线技术将每条指令的执行过程分解为若干步，每一步占用各自的部件，让多条指令的不同步骤在时间上重叠，实现了在同一个节拍内让各个部件同时工作，这就是并行性中的时间重叠。80486被设计为6级流水线(取指令，指令译码，地址生成，取操作数，执行指令，存储或“写回”结果)。经过6拍时钟周期即达到稳态以后，每个节拍(1个时钟周期)都有1条指令流出流水线，也即完成1条指令

18、的执行。可见，流水线级数越多，每级所花的时间越短；时钟周期设计得越短，指令执行的速度就越高。当流水深度(流水线级数)达到5级或6级以上就称为超级流水线。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构在Pentium和Pentiumpro等高性能微机中，微处理器内部集成了两条或更多条流水线，实现了平均一个周期可以执行两条或是更多条指令，使得一些指令的执行，例如整数运算指令，可以并行执行，这种技术称为超标量流水线。同时，进入并行流水线的两条指令必须符合指令配对规则。如配对的两条指令必须是规定的“简单”指令；两条指令之间不得存在“写后读”或“写后写”这样的寄存器相关性。所谓“写后读”相关，是指

19、后一条指令的源操作数是前一条指令的目的操作数；所谓“写后写”相关，是指两条指令的目的操作数要写入同一个寄存器。这种相关的出现，将会使指令不能正确执行。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构要说明的是，流水线是一段时间内多条指令的“并发”执行，是时间上多条指令不同操作的重叠。原则上不需增加硬件，只是把硬件划分为不同的多个执行部分。并行处理则是应用资源重复实现时间上的同时性，是真正的“并行”性。这种并行性可以是指令操作级的并行，如两条整数指令流水线，或单指令流多数据流计算机(SIMD)多处理器；也可以是指令级以上的并行，即多个处理机同时对多条指令以及有关的多数据组进行处理，这就是多指

20、令流多数据流计算机。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构3.高性能的浮点运算单元浮点运算单元采用超流水线技术，分为8个独立执行部件(流水深度为8)，且使用专门的硬件电路实现浮点加、乘、除3种最常用的功能，以提高处理速度。4.独立的指令Cache(高速缓存)和数据Cache支持多处理器系统的Pentium处理器中的高速缓存Cache是分离式的(两个8KBCache)。两个分离的、独立的Cache将指令和数据分别进行存储(80486则是8KBCache，将频繁访问的数据和指令混合存放)。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构当执行部件对存储器进行访问时，由两个独立的C

21、ache分别提供指令和数据。为了提高流水速度，Pentium采用了动态转移(分支)预测判断技术，芯片内增设了转移目标缓冲器，这相当于又增加了指令Cache的容量。5.转移预测判断当进入流水线的指令是转移指令时，只有指令执行到最后条件码建立，才能确定是否转移。但此时后续指令也已经进入流水线并开始分析或执行。若条件码成立，程序转移，则顺序进入流水线的后续指令将“白费”工作，而需重新取出新的目标指令去进行分析执行，这将造成流水线的断流，严重影响流水线的速度。转移指令的流水执行如图2-3所示。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构图2-3转移指令的流水执行第第2章章 多媒体计算机系统结构

22、多媒体计算机系统结构流水线方式是指“同时”(并发)解释多条指令。当转移指令i进入流水线，后面是顺序执行指令(不转移)i+1进入流水线，还是分支转移至p及其后续指令进入流水线(转移成功)需待i指令运行后期条件码建立后才能决定。但若这时让后续指令等待，就会造成“断流”。一般标量机器指令程序中，统计分析，条件转移指令占20%，其中转移成功的概率为60%，因为断流将造成流水性能下降50%。解决这个问题时，可以采用预测判断来减小流水线的损失。若两个分支的概率相近，则宜选转移不成功路径。因为后续指令i+1和i+2已经进入流水线，转移不成功时，流水线会继续自然流动，不受影响。第第2章章 多媒体计算机系统结构

23、多媒体计算机系统结构若两个分支的概率不等，则应选概率大的分支，并提前进入指令预取缓冲寄存器。分支的概率可以统计得出。若由编译程序根据转移的历史记录动态预测未来转移选择，准确率可达90%。在Pentium芯片内设置了两个指令预取缓冲寄存器，其中一个以线性顺序方式预取指令代码。当一条分支转移指令被取出，分支转移目标缓冲器就要预测是否要进行分支转移。若预测到不需进行分支转移，预取就会连续直线进行；若预测到分支转移，则另一个预取缓冲寄存器就被允许开始预取工作，就如同出现了分支转移一样进行预取。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构6.具有保护内部数据安全性的功能为了保证数据的完整性和安全

24、性，Pentium引入了两项只有大型机才有的先进功能：(1)内部数据检测：指令Cache、数据Cache引入奇偶校验或在微指令分支目标缓冲器进行奇偶校验。(2)功能冗余校验：使用两片Pentium同时运行。7.灵活的存储器页面管理Pentium微处理器保留了386/486的4KB存储器页面，同时又具有一种新的更大的4MB存储器页面，两种存储器页面不影响应用软件的运行，但4MB页面存储器管理可以方便大的图形数据结构的存储。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构8.增强的64位总线原486是32位数据总线，而高档微机是64位总线和32位地址总线。2.2.2Pentiumpro及以上处

25、理器Pentiumpro及以上的高性能奔腾，也称为高能奔腾。它们的主要性能如下：(1)64位数据总线，32位地址线，寻址4096MB(4GB)。(2)不仅集成16KB的一级Cache(8K代码Cache，8K数据Cache)，还把256KB的二级Cache集成到CPU的同一块芯片上，使CPU速度更高于Pentium和80486。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构(3)具有两条64位的数据总线，其中一条与内存的256KB二级Cache相连，称为后台总线；另一条对外总线输出，可与动态RAM或其他64位I/O设备相连，称为前台总线。这两条总线可以独立工作(部件一级的并行性，提高速度

26、)。(4)采用3条超标量流水线设计技术(Pentium只有两条超标量流水线)，使Pentiumpro在同一个时钟周期内可以处理3条指令。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构(5)支持乱序执行技术。“乱序执行”本质上就是数据流驱动计算机，它的工作原理与传统的冯诺依曼计算机不同。冯诺依曼计算机是控制流驱动计算机，它的指令是在中央控制器控制下(控制流)顺序执行的。数据流计算机是在数据的可用性控制下并行执行的，即当且仅当指令所需要的数据可用时，该指令即可执行；任何操作都是纯函数操作。数据流驱动计算机只要数据准备好即可执行指令，而无须受指令顺序控制(乱序执行)，因此更适合并行计算(函数)

27、。当然，多处理器系统是一个单指令流多数据流计算机，也是可以支持并行计算的，但它是程序控制顺序执行，即只有一个控制器，指令顺序执行，但有多个处理单元，它们并行从(多体)存储器取回数据，并行计算。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构PentiumMMX就是将MMX集成到Pentium芯片的单指令流多数据流(SIMD)技术，以改善音频、视频、图像处理等多媒体处理性能。Pentium是将Pentiumpro和MMX集成为一体，且将一级缓存增加至16 KB指令Cache和16 KB数据Cache(总计32KB)。Pentium是在P-的基础上又增加了70条能增强音频、视频和3D图形效果多

28、媒体扩展指令的SIMD计算机。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.2.3多媒体处理器过去，在计算机结构设计中考虑较多的是计算功能。今天，随着多媒体技术、计算机网络技术和网络计算机的发展，计算机结构设计需要考虑的是增加多媒体和通信功能的问题。有人预测，未来的个人计算机将只有三个主要元件，即存储模块、CPU及一枚执行复杂I/O处理的芯片。多媒体处理器为了增加新的多媒体处理和通信功能，也就是多媒体数据的获取、数据压缩和解压缩、数据的实时处理和特技、多媒体数据的输出以及多媒体通信等功能，总是希望将传统的计算机体系结构与多媒体功能融合在一起。其设计原则是：第第2章章 多媒体计算机系统

29、结构多媒体计算机系统结构(1)采用国际标准的设计原则；(2)将多媒体和通信功能集中解决；(3)体系结构设计和算法相结合；(4)把多媒体和通信功能集成到CPU中去。这种融合的方案，一类就是与现有的计算机系列兼容，融合多媒体和通信的功能，如Intel的PentiumMMX技术，主要用在多媒体计算机系统中；另一类是以多媒体和通信功能为主，融合CPU芯片的功能，主要用在多媒体专用设备、家电及宽带通信设备上。这种所谓的多媒体处理器通常是CPU和DSP(数字信号处理器)的混合，它同时把RISC(精简指令系统计算机)、CISC(复杂指令系统计算机)和DSP技术综合在一起。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒

30、体计算机系统结构1.IntelMMX技术IntelMMX技术改善、拓展了CPU体系结构的多媒体处理和通信功能，并集成为Pentium芯片MMX CPU。MMX技术提供了面向多媒体和通信功能的新特性，同时保持了全部原Intel系列的体系结构，以保证微处理器、操作系统和应用程序的向下兼容性。其主要特性有以下4种。1)增加了新的数据类型为了提高音频信号处理(8位或16位字长)、彩色图像处理(R、G、B各8位字长)的处理速度，MMX技术定义了3种紧缩型的数据类型和1个64位字长的类型，它们都是定点整数。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构(1)紧缩字节组类型：8个字节组成的64位数据。

31、(2)紧缩字组类型：4个16位字组成的64位数据。(3)紧缩双字组类型：2个双字组成的64位数据。(4)四字类型：一个64位数据。这样，MMX就可以在一条指令中同时处理8个、4个或2个数据，实现单指令多数据流(SIMD)并行处理。2)扩充的饱和运算方式这种运算方式在加减运算指令运算结果达到某个值时就不再增加，而保持在这个数值。这样避免了溢出处理，加快了运算速度。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构3)扩充了57条MMX指令这些新增指令包括算术运算指令、比较运算指令、转换运算指令、逻辑运算指令、转移运算指令、数据运算指令、数据转移指令和MMXTM状态置空(EMMS)指令。4)与I

32、ntel体系结构的全兼容性MMX技术是原Intel体系结构的扩展，保证了软硬件的向下兼容。2.媒体处理器目前，媒体处理器与通用的CPU结合，扩展了CPU的多媒体处理和通信功能。比较典型的产品有3种。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构1)MicroUnity公司的MediaProcessorMicroUnity芯片有一个CISC、RISC和DSP技术结合的可编程微处理器，它具有优化的多媒体和宽带通信功能，时钟频率为3001000MHz，带有信号处理和增强数字运算 能 力 的 22位 指 令 集；有 1 Gb/s I/O接 口 的 可 选MediaBridge高速缓存，与PCI总

33、线和主存储器DRAM连接；还有一个MediaCodecI/O芯片，它是一个A/D转换器，提供与宽带网络的接口，大大增强了芯片的通信功能。2)Philips公司的TrimediaTrimedia处理器是一个通用性的微处理器，可以大大增强PC的多媒体功能，取代了PC上的视频卡和声音卡。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构3)ChromaticResearch公司的MpactMediaEngineMpact芯片类似于通用DSP，但实际上是一个专用微处理器。它与主CPU结合(都在主板上)，可以完成Windows图形加速器、3D图形协处理器、MPEG解压卡、声音卡、FAX/MODEM和电

34、话卡的功能。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.3 存储器存储器2.3.1内存储器内存是计算机的主存储器，它的速度较高、容量有限、价格较高。内存储器的主要类型有：(1)ROM(ReadOnlyMemory)只读存储器：主要存放BIOS基本输入/输出系统。(2)RAM(RandomAccessMemory)随机存储器：是计算机的主存储器，RAM又可分为：第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构动态RAM：存储单元电路以电容为基础，电路简单、集成度高、功耗小，但必须定时刷新；静态RAM：存储单元电路以双稳态电路为基础，状态稳定，只要不掉电，信息不会丢失。(3)SAM

35、(SequentiallyAddressedMemory)顺序寻址存储器。2.3.2存储器管理1.存储体系在价格合理的情况下，高速、大容量存储器无法只靠使用单一种类的存储器件来实现。一个计算机系统的存储器总是由多种存储器构成存储体系，如图2-4所示。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构图2-4存储体系第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构存储体系由高速缓存Cache、主存M和大容量外存储器组成。在CPU和主存之间增加一级速度高、容量较小、每位价格较高的高速缓冲存储器(Cache)，借助于辅助硬件，使Cache与主存构成一个整体，这对CPU来说，有接近于Cache的

36、速度，接近于主存的容量，接近于主存的价格。外存储器作为主存M的大容量后缓存储器，使得主存的虚拟容量大大扩充，但价格要比内存低得多。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.存储管理高档微机地址线为32位，最大地址空间编址可达4GB，而实际的物理存储器只有32MB、64MB、128MB或更多一些，但总是有限的，远小于最大寻址(编址)空间。在程序运行过程中，为使存储体系有效工作，CPU总是先在高速缓冲中查寻所需的程序块。这就要求相应的程序块已经在Cache中准备好，这是基于计算机程序的局部性，包括时间局部性和空间局部性。时间局部性是指最近的未来要用到的信息很可能是现正在使用的信息，这

37、主要是程序循环造成的；第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构空间局部性是指最近的未来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在程序的空间上是相邻或相近的，这主要是由于指令通常是顺序执行的，以及数据一般是以向量、阵列、树形、表格等形式簇聚存储的，这说明运行程序未来被访问信息的地址在某种程度上是可以预测的。只要从主存M与Cache之间的调度算法使CPU查找信息块在Cache的命中率足够高，就可以获得很高的存取速度。如果CPU在Cache中未能获得所需的程序块，则主存一边将相关的指令和数据直接送CPU运行，一边按块传送Cache，以供下次CPU可以在Cache中直接存取指令和数据。第第2

38、章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构外存储器是主存M的大容量后缓存储器。操作系统通过辅助硬件在主存M和外存中按段、页或段页式进行调度管理。调度算法应尽可能提高主存M的命中率。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.4 总线与接口总线与接口2.4.1总线1.总线的基本概念1)总线计算机总线是连接计算机内各个部件的一组物理信号线，也是计算机与外部设备之间传递信息的公用通道。总线可以分为局部总线和扩展总线。局部总线是指CPU内部或与存储器之间交换信息的总线；扩展总线则是指CPU、存储器与各类I/O设备之间互相连接交换信息的总线，也称系统总线或I/O总线。在计算机系统中，通过

39、内部总线和扩展总线的连接作用，使计算机系统中各个部件，如CPU、Cache、内存、外存、I/O设备等，协调地执行CPU发出的指令。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2)总线周期总线上主从设备(或模块)之间完成一次信息交换的时间称为总线操作周期或传输周期。工作过程可分为四个阶段。(1)总线请求和判决阶段：提出使用总线的设备(或模块)称为主设备(模块)，由总线使用判决机构确定把下一个总线周期分配给优先级高的请求源。(2)寻址阶段：取得总线使用权的主模块通过总线对端口或存储器寻址，启动从设备(或模块)。(3)数据交换阶段：主设备与从设备进行数据交换。(4)结束阶段：主从模块从总线上

40、撤除，让出总线。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构3)总线分组总线可分三组，即地址线(AB)，8位16位或32位；数据线(DB)，16位、32位或64位；控制总线(CB)，一般为16位。4)总线周期与指令周期、时钟周期的关系时钟周期：CPU的主频，一个周期T称为一个T状态。总线周期：指CPU对存储器或I/O端口完成一次读/写操作的时间，也叫机器周期，一般由两个或更多机器周期组成。例如，PC/XT由T1、T2、T3、T4四个机器周期或不够时在T3、T4之间插入TW等待周期。指令周期：从取指令开始执行至该指令执行完毕的时间称指令周期。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系

41、统结构2.高档PC系列微机总线的层次结构以总线实现计算机多模块之间的互连，既简单方便，成本又低。由于系统总线是在争用基础上工作的，当总线上连接的模块太多时，将使总线的通信速度降低，因此，大多数高档微机都采用了多层总线结构。速度相近的模块使用同一类总线，速度差异较大的模块则使用不同速度的总线。PentiumPC三层多总线结构可分为CPU总线、PCI总线和ISA总线，如图2-5所示。其基本工作原理如下述。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构图2-5PentiumPC总线结构示意图第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构1)CPU总线CPU总线是64位数据线、32位地址线

42、的同步总线，时钟频率为66.6MHz，处理器内部时钟是该频率的倍频。CPU总线的功能是：(1)连接(4128MB)主存和256KB/512KB的二级Cache；(2)由主存控制器和Cache控制器控制它们的数据传送；(3)CPU总线可视作CPU引脚的延伸(经外围电路组合)。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2)PCI总线(PeripheralComponentInterconnect，外围部件互连)PCI总线的功能如下：(1)连接高速I/O设备模块，如图形显示适配器、网络接口控制器和硬盘控制器；(2)上面通过“桥”芯片(北桥)与更高速的CPU总线相连，下面通过“桥”芯片(南桥

43、)与较低速的ISA总线相连；(3)PCI总线采用集中式总线仲裁方式，有专用总线仲裁器；(4)共有负载10个，连接主板芯片算一个负载，每个PCI扩充槽算两个负载。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构3)ISA总线(IndustryStandardArchitecture)ISA总线是工业标准结构总线，PC/AT总线，也称AT总线。(1)ISA总线与低速I/O设备连接。(2)保留34个ISA总线扩充槽，以连接16/8位适配卡。(3)ISA总线控制逻辑通过主板上的片级总线(X总线)与时钟/日历、ROMBIOS、键盘以及鼠标控制器相连。4)升级换代通过“南桥”和“北桥”芯片使CPU总线

44、、PCI总线、ISA总线连成整体，改变芯片组合就可以升级换代。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构3.总线标准在多媒体计算机中，普遍采用的总线有ISA、PCI、USB、SCSI和AGP等总线标准，下面分别说明。1)ISA(IndustryStandardArchitecture)总线ISA总线是工业标准结构总线，是IBM公司为286/AT计算机制定的总线标准，也称AT总线。2)PCI(PeripheralComponentInterconnect)总线PCI总线是外围部件互连总线，是高性能局部总线，它把高度集成的外围设备控制部件和插接卡连接到处理器/存储器系统上去，可以从32位

45、升级到64位，支持多处理器和并发工作。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构3)USB(UniversalSerialBus)总线USB总线是通用串行总线，它是一种四芯的串行通信设备接口，主要作为计算机与外设之间的连接。该总线的通信速率可达12Mb/s，比传统的串行通信接口速度高得多。USB总线可以把键盘、鼠标器、打印机、扫描仪、调制解调器、网络(HUB)等设备按统一的接口方式连接起来，使设备的连接更简单，如图2-6所示。为了实现外围设备的统一接口和标准插座，USB被设计为树状连接。主机PC作为根结点，把与PC相连的设备分为两类：一类设备还可以连接其他设备，称为集线器HUB，它带

46、有连接其他外设的端口；另一类设备不再连接其他外围设备，称为功能器Function。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构图2-6USB总线接口连接外设结构示意图第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构4)SCSI(SmallComputerSystemInterface)总线SCSI(小型计算机系统接口)是计算机和外设之间的系统总线标准，它是一个通用接口。SCSI总线上连接的主机适配器和SCSI外设控制器总数不超过8个，可以连接磁盘、磁带、CD-ROM、可重写光盘、打印机、扫描仪、通信设备等。5)AGP(AcceleratedGraphicsPort)图形加速端口(A

47、GP)是使外围设备高速存取内存的技术标准，主要功能是大幅度提高主流PC的图形，尤其是3D图形的显示能力。具体地说，是把3D图形芯片与内存/PCI芯片相连接，3D图形芯片可以将主存作为帧缓冲器，实现高速存取。严格地说，AGP不是总线，它仅是考虑一对一连接的端口而已。AGP总线系统的结构如图2-7所示。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构图2-7AGP总线系统的结构第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.4.2多媒体接口部件多媒体接口部件是连接多媒体外部设备到计算机的功能板卡，它们的主要功能是控制外部设备获取或表现多媒体信息，将输入模拟信号数字化或将输出数据模拟化，

48、把多媒体信息处理成计算机或用户能够接受的形式。多媒体计算机系统中主要有声卡、视频卡、图形加速卡和FAX/Modem等。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构1.声卡(SoundCard)声卡的主要功能是处理声音，包括采样、量化、编辑、D/A转换、播放等，使多媒体计算机具有录制和播放各类声音(语音和音乐)的能力。声卡可支持11.025kHz、22.05kHz、44.1kHz三种采样频率，16位采样精度和单、双声道，生成.WAVE格式文件，并对数字化.WAVE文件进行压缩和解压缩。声卡具有MIDI(乐器数字化接口)合成器，可以生成和播放.MIDI文件，使其成为一架电子乐器。另外，音卡

49、还有CD-ROM音频输入和CD-ROM控制器，可以播放CD光盘音乐。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构2.视频卡(VideoCard)视频卡也称视频捕捉卡，是多媒体计算机获取图像和视频的主要接口部件。其主要功能是通过摄像机、录像机或电视获取视频信号，将其数字化后以文件形式存储在计算机内，且经过数/模转换后能将捕获的视频在VGA显示器上的视窗内播放。视频卡采集静止图像时，以一定的时间间隔进行画面捕捉，即获取一些特定的图像，用BMP、PCX、TGA等多种图像格式保存所捕捉到的画面。有些高级的视频卡还可以对捕捉到的画面进行JPEG压缩后再存盘。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体

50、计算机系统结构视频卡在VideoforWindows软件的支持下可以连续对视频进行动态采集，并利用声卡对伴音进行同步捕捉，生成动态视频文件AVI。具有动态视频捕捉功能的专业级的视频卡一般都有硬件视频压缩功能。3.视频解压缩卡视频解压缩卡又称视频回放卡。由于MPEG标准是国际标准化组织颁布的运动图像的压缩标准，因此视频解压缩卡又称MPEG解压缩卡或MPEG回放卡。其主要功能是将由视频卡采集并数字化后的压缩视频数据通过解压缩还原成普通的数字视频信号，并在显示器上还原成影像。第第2章章 多媒体计算机系统结构多媒体计算机系统结构当主机将压缩的MPEG数据传送到解压缩卡后，CPU会将数据流分离成影像数据