第11章 计算机系统概述

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第第 1111 章 计算机系统概述章 计算机系统概述

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11.1 11.1 计算机系统概述计算机系统概述一、计算机系统的分类一、计算机系统的分类 目前常用的是目前常用的是 19196666 年弗林根据指令流和数年弗林根据指令流和数据流数量进行分类的方法。其中据流数量进行分类的方法。其中指令流指令流是机器执是机器执行的指令序列，行的指令序列，数据流数据流是由指令流调用的数据序是由指令流调用的数据序列。可将计算机系统分成下列四类。列。可将计算机系统分成下列四类。1.1. 单指令流单数据流（单指令流单数据流（ SISDSISD ））计算机系统计算机系统 通常由一个运算器和一个存储器组成。通常由一个运算器和一个存储器组成。典型的典型的SISDSISD 计算机每次执行一条指令。每次从存储器取（或计算机每次执行一条指令。每次从存储器取（或存）一个数据。为了提高运算速度有些存）一个数据。为了提高运算速度有些 SISDSISD 计算机设计算机设置了指令流水线和运算操作流水线置了指令流水线和运算操作流水线 ,, 有些还设置了多个有些还设置了多个功能部件和多体交叉存储器。功能部件和多体交叉存储器。

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2. 2. 单指令流多数据流（单指令流多数据流（ SIMDSIMD ））计算机系统计算机系统 通常通常由一个指令控制部件多个运算器和多个存储器组成。由一个指令控制部件多个运算器和多个存储器组成。各各运算器和各存储器之间通过互联网络进行通信。在程序运行时由运算器和各存储器之间通过互联网络进行通信。在程序运行时由指令控制部件向各个运算器‘播送’同一条指令，所有‘活动指令控制部件向各个运算器‘播送’同一条指令，所有‘活动的”处理器在同一时刻执行同样的指令，这就是单指令流；各活的”处理器在同一时刻执行同样的指令，这就是单指令流；各活动的”运算器执行指令时所需的数据是从它本身专用的存储器中动的”运算器执行指令时所需的数据是从它本身专用的存储器中取的，所以各运算器所处理的数据是各不相同的，这就是多数据取的，所以各运算器所处理的数据是各不相同的，这就是多数据流。为各个运算器所专用的存储器又叫局部存储器。流。为各个运算器所专用的存储器又叫局部存储器。3.3. 多指令流单数据流（多指令流单数据流（ MISDMISD ））计算机系统计算机系统 MISDMISD 计算机系统在计算机系统在同一时刻执行多条指令，但处理同一个同一时刻执行多条指令，但处理同一个数据。数据。大多数人认为能列在这一系统中的计算机很少或根本不存大多数人认为能列在这一系统中的计算机很少或根本不存在。在。4.4. 多指令流多数据流（多指令流多数据流（ MIMDMIMD ））计算机系统计算机系统 典型的典型的 MIMDMIMD 计算机系统计算机系统由多台运算器（包括指令控制部由多台运算器（包括指令控制部件和运算器）和多个存储器组成，并有一个互联网络实现各运算件和运算器）和多个存储器组成，并有一个互联网络实现各运算器和各存储器之间的通信。器和各存储器之间的通信。每个运算器执行各自的指令，存取各每个运算器执行各自的指令，存取各自的数据。自的数据。

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二、提高计算机系统运算速度的方法二、提高计算机系统运算速度的方法 提高计算机系统的运算速度的方法可归纳为两种提高计算机系统的运算速度的方法可归纳为两种 :: 1.1. 改进器件工艺减少芯片线宽，提高集成度与工作频改进器件工艺减少芯片线宽，提高集成度与工作频宽宽 2.2. 改进计算机系统结构，并使各部件之间的速度匹配。改进计算机系统结构，并使各部件之间的速度匹配。 针对单机系统已介绍过改进系统结构的方法有针对单机系统已介绍过改进系统结构的方法有 :: (1)(1) 采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果采用多个通用寄存器来暂存运算的中间结果 ,, 以减以减少访问存储器次数。少访问存储器次数。 （（ 22 ）采用多体交叉存储器和）采用多体交叉存储器和 cachecache 以协调以协调 CPUCPU 和和存储器之间的速度匹配。存储器之间的速度匹配。 （（ 33 ） ） CPUCPU 和输入输出设备并行工作，以减少 和输入输出设备并行工作，以减少 CPUCPU等待和空闲时间。等待和空闲时间。 （（ 44 ）操作重叠的流水线工作方式。）操作重叠的流水线工作方式。 在本章中，我们将介绍多种计算机系统，其发展的最在本章中，我们将介绍多种计算机系统，其发展的最终目的是增强计算机处理能力和提高运算速度。终目的是增强计算机处理能力和提高运算速度。

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三、开放系统三、开放系统 开放系统是当前计算机用户和制造商的热门话题，开放系统是当前计算机用户和制造商的热门话题，也是计算机工业最重要的发展趋势。至今对开放系统还也是计算机工业最重要的发展趋势。至今对开放系统还没有一个确切的定义，因此讨论一下开放系统是很有必没有一个确切的定义，因此讨论一下开放系统是很有必要的。要的。 专有系统与开放系统专有系统与开放系统 1.1. 专有系统。硬件和软件都由一家公司提供，并不专有系统。硬件和软件都由一家公司提供，并不向外提供技术。从历史上看，一些有名的大计算机公司，向外提供技术。从历史上看，一些有名的大计算机公司，如 如 IBMIBM 、、 DECDEC 都是靠独家专利的计算机发迹的。都是靠独家专利的计算机发迹的。 2.2. 开放系统。硬件和软件可由多家公司提供，计算开放系统。硬件和软件可由多家公司提供，计算机系统的所有部分，如计算机体系结构、系统总线、操机系统的所有部分，如计算机体系结构、系统总线、操作系统、窗口系统、数据库、图形用户接口作系统、窗口系统、数据库、图形用户接口、、计算机网计算机网络和通信服务等都是开放的，符合与制造商无关的国际络和通信服务等都是开放的，符合与制造商无关的国际标准。这样厂商之间很容易进行分工，用户可以选用市标准。这样厂商之间很容易进行分工，用户可以选用市场上最好的、适合应用的软件、硬件组成计算机系统或场上最好的、适合应用的软件、硬件组成计算机系统或信息系统。信息系统。

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四、计算机系统的性能评测四、计算机系统的性能评测 在计算机系统的研制、选型、选购、引进谈判以及在计算机系统的研制、选型、选购、引进谈判以及对已有计算机的改进过程中，计算机系统的性能评测，对已有计算机的改进过程中，计算机系统的性能评测，是一项不可缺少的重要工作。是一项不可缺少的重要工作。 11.. 评测性能的几种方法评测性能的几种方法 计算机的时钟频率在一定程度上反映了机器速度，计算机的时钟频率在一定程度上反映了机器速度，一般来讲，主频越高，速度越快。但是相同频率不同体一般来讲，主频越高，速度越快。但是相同频率不同体系结构的机器，其速度可能会相差很多倍，因此还需要系结构的机器，其速度可能会相差很多倍，因此还需要有其他方法来测试速度。有其他方法来测试速度。 早期的计算机速度是通过计算得来的，当时根据各早期的计算机速度是通过计算得来的，当时根据各类指令的执行频率按一定的比例估算，得到平均运算速类指令的执行频率按一定的比例估算，得到平均运算速度、这种方法很不精确，因为在不同程序中，不同指令度、这种方法很不精确，因为在不同程序中，不同指令的使用频率是不同的，而且数据长度、指令系统功的使用频率是不同的，而且数据长度、指令系统功能、能、 CacheCache 、、流水线等与机器的性能有很大关系。在流水线等与机器的性能有很大关系。在计算时不能得到充分反映。计算时不能得到充分反映。

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另外有一种通过计算处理速率’（另外有一种通过计算处理速率’（ processing processing data ratedata rate ，，简称简称 PDRPDR ））值的方法来衡量机器性值的方法来衡量机器性能。能。 PDRPDR值大机器性能好。值大机器性能好。 PDRPDR 是指令操作数的平均位是指令操作数的平均位数和指令平均速度的比值（加权）。数和指令平均速度的比值（加权）。 PDRPDR值主要对值主要对 CPUCPU和主存储器的速度进行度量，与真正的机器运行速度有不少和主存储器的速度进行度量，与真正的机器运行速度有不少差别。差别。 等效乘法速率（等效乘法速率（ equivalent multiply rateequivalent multiply rate ，，简称简称EMREMR ））曾是美国政府确定计算机出口许可证浮点性能的限曾是美国政府确定计算机出口许可证浮点性能的限制性指标。制性指标。 核心程序法是把程序中应用得最频繁的那部分核心程序核心程序法是把程序中应用得最频繁的那部分核心程序作为评价计算机性能的标准程序。但因程序短，以致访存的作为评价计算机性能的标准程序。但因程序短，以致访存的局部性大局部性大 CacheCache命中率偏高。命中率偏高。 基准程序法（基准程序法（ benchmarkbenchmark ））是目前一致承认的较好是目前一致承认的较好的测试方法。在下面我们将讲到各种基准测试程序，测试的的测试方法。在下面我们将讲到各种基准测试程序，测试的结果通常整数性能用 结果通常整数性能用 MIPSMIPS （（百万次整数运算指令／秒）；百万次整数运算指令／秒）；浮点性能用 浮点性能用 MFLOPSMFLOPS （（百万次浮点运算指令／秒）等表百万次浮点运算指令／秒）等表示。通常将 示。通常将 VAX l lVAX l l ／／ 7878 的运算速度定为 的运算速度定为 11MIPSMIPS 。。

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2. 2. 基准测试程序基准测试程序 11 ）整数测试程序）整数测试程序 22 ）浮点测试程序）浮点测试程序 33 ）计算机综合测试程序）计算机综合测试程序 SPECSPEC

44 ）事务处理测试程序）事务处理测试程序 55）行业基准测试）行业基准测试 3.3. 准测试的公正性和准确性准测试的公正性和准确性 所有基准测试组织都是中立的，一般是非赢所有基准测试组织都是中立的，一般是非赢利的。测试结果一般来说是公正的，但是外界的利的。测试结果一般来说是公正的，但是外界的干扰可能会冲击基准测试的公正性。干扰可能会冲击基准测试的公正性。 因此基准测试所获得的局部结论是基本可信因此基准测试所获得的局部结论是基本可信的，但不足以准确反映实际使用效果。的，但不足以准确反映实际使用效果。

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11.2.1 11.2.1 微处理器及微型计算机概述微处理器及微型计算机概述 目前，微处理器和微机正在向着更微型化、更目前，微处理器和微机正在向着更微型化、更高速、更廉价和多图形、超媒体、更强功能的方向高速、更廉价和多图形、超媒体、更强功能的方向发展。其结果是，一方面各种便携式微机发展。其结果是，一方面各种便携式微机 (( 笔记本、笔记本、掌上微机等）将大量涌现；另一方面将超级微机和掌上微机等）将大量涌现；另一方面将超级微机和巨型机技术紧密结合、融为一体的“微巨机”也将巨型机技术紧密结合、融为一体的“微巨机”也将不断问世。今天，伴随着分布式计算技术、网络通不断问世。今天，伴随着分布式计算技术、网络通讯技术和多媒体技术的发展，计算机的应用将以前讯技术和多媒体技术的发展，计算机的应用将以前所未有的速度发展。 所未有的速度发展。

11.2 11.2 微机系统微机系统

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微机的核心是微处理器。当前世界上影响最大的半微机的核心是微处理器。当前世界上影响最大的半导体器件生产厂家是 导体器件生产厂家是 IntelIntel 公司。 公司。 IntelIntel 公司创建于 公司创建于 19681968年开始主要生产存储器芯片，后来转向微处理器。年开始主要生产存储器芯片，后来转向微处理器。自从自从 19811981 年年 IBMIBM 公司选择公司选择 IntelIntel 的微处理器推出它的微处理器推出它的第一台的第一台 PCPC后，获得了极大成功使后，获得了极大成功使 IntelIntel 公司毫不费公司毫不费力地登上芯片之王的宝座。力地登上芯片之王的宝座。

微处理器沿着增加字长、提高主频、提高集成度的微处理器沿着增加字长、提高主频、提高集成度的方向发展。微处理器的性能指标有地址总线位数，内部方向发展。微处理器的性能指标有地址总线位数，内部总线位数，外部数据总线位数，物理地址总线空间，时总线位数，外部数据总线位数，物理地址总线空间，时钟频率，芯片集成度和制造工艺。但是以上的指标反映钟频率，芯片集成度和制造工艺。但是以上的指标反映的是芯片的性能，还不能完全代表微机系统的性能。影的是芯片的性能，还不能完全代表微机系统的性能。影响系统性能的还有微处理器与内存之间的总线速度，地响系统性能的还有微处理器与内存之间的总线速度，地址总线宽度，数据总线宽度，芯片内部是否设置浮点协址总线宽度，数据总线宽度，芯片内部是否设置浮点协处理器，是否设置处理器，是否设置 CacheCache （（一级和二级）等。一级和二级）等。

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下面介绍一下总线速度下面介绍一下总线速度 开始时微处器芯片内部的时钟频率与总线频率开始时微处器芯片内部的时钟频率与总线频率一致，后来出现了倍频技术使微处器内部时钟频率一致，后来出现了倍频技术使微处器内部时钟频率可以高于总线频率。例如，可以高于总线频率。例如， 133133MHzMHz 的的PentiumPentium 其主频为其主频为 133133MHzMHz ，，而总线为而总线为6666MHzMHz ，，这是因为芯片内部更容易提高工作频率这是因为芯片内部更容易提高工作频率的缘故。如倍频设为的缘故。如倍频设为 3.53.5 主板的外频总线设为主板的外频总线设为100100MHzMHz ，，那么那么 CPUCPU 就将以就将以 350350MHZMHZ 的频率工的频率工作。现在的作。现在的 Intel CPUIntel CPU 通常将倍频锁死，所以只通常将倍频锁死，所以只能调整外频进行超频了。值得注意的是超频过高会能调整外频进行超频了。值得注意的是超频过高会损坏损坏 CPUCPU 。。目前一些主板采用了无跳线方式，它目前一些主板采用了无跳线方式，它通常在通常在 BIOSBIOS 里面用软件的方法来设置里面用软件的方法来设置 CPUCPU 的倍的倍频和外频，这样使用户超频更方便了。 频和外频，这样使用户超频更方便了。

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11.2.211.2.2 微型计算机的分类微型计算机的分类 按微处理器的位数按微处理器的位数 ,, 可分为可分为 :4:4 位机、位机、 88位机、位机、 1616 位机 、位机 、 3232位机和位机和 6464位机等。位机等。 按外形和使用特点，可分为台式微机和按外形和使用特点，可分为台式微机和笔记本式微机。笔记本式微机。 按结构可分为单片机、单板机和多板机。按结构可分为单片机、单板机和多板机。

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1.1. 单片机是最简单的微型机单片机是最简单的微型机 ,, 它仅由一块超它仅由一块超大规模集成电路组成。大规模集成电路组成。 CPUCPU 、、存储器、存储器、 II ／／00 接口电路和总线制作在一块很小的芯片上，接口电路和总线制作在一块很小的芯片上，使用简单的开发装置可以对它进行在线开发。使用简单的开发装置可以对它进行在线开发。单片机在智能化仪器仪表、家用电器和其它各单片机在智能化仪器仪表、家用电器和其它各种嵌入式系统中获得了广泛的应用。种嵌入式系统中获得了广泛的应用。

2.2. 单板机规模比单片机大单板机规模比单片机大 ,, 它的它的 CPUCPU 、、存存储器和储器和 II ／／ 00 接口电路都各是一块大规模集成接口电路都各是一块大规模集成电路芯片。这些芯片再加上若干附加逻辑电路电路芯片。这些芯片再加上若干附加逻辑电路和简单的键盘／数码显示器装在一块印刷电路和简单的键盘／数码显示器装在一块印刷电路板上，便构成一个单板机。单板机结构简单，板上，便构成一个单板机。单板机结构简单，价格低廉，性能较好。常用作过程控制和各种价格低廉，性能较好。常用作过程控制和各种仪器、仪表、装置的控制部件。仪器、仪表、装置的控制部件。

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3. 3. 多板机即通 常 所说的 台 式微机 ， 多板机即通 常 所说的 台 式微机 ， CPUCPU 、、 ROMROM 、、 RAMRAM 、、 II ／／ 00 接口都装在接口都装在系统板系统板 (( 又叫主板又叫主板 )) 上。系统板上另外还有一上。系统板上另外还有一些扩展插槽和接口，用于插入存储板和些扩展插槽和接口，用于插入存储板和 II ／／ 00适配板以扩充存储器容量和增加外设。系统板、适配板以扩充存储器容量和增加外设。系统板、扩充板、磁盘、光盘驱动器和系统电源等一起扩充板、磁盘、光盘驱动器和系统电源等一起装在一个方形机箱中，称之为主机。主机再外装在一个方形机箱中，称之为主机。主机再外加一个键盘、鼠标和加一个键盘、鼠标和 CRTCRT 显示器，便构成了显示器，便构成了一台完整的微机。一台完整的微机。

4. 4. 笔记本式微机是一种体积极小、重量极轻，笔记本式微机是一种体积极小、重量极轻，但又功能很强的便携式完整微机，通常装放在但又功能很强的便携式完整微机，通常装放在一个公文包式的小盒中。从笔记本式微机又衍一个公文包式的小盒中。从笔记本式微机又衍生出掌上微机和膝上微机生出掌上微机和膝上微机 ..

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11.2.3 11.2.3 个人数字助理 个人数字助理 ((简称简称 PDAPDA)) PDA(personal digital assistant)PDA(personal digital assistant) 的概念是的概念是 AppleApple 公司公司于于 19921992 年提出来的，年提出来的， 19931993 年年 AppleApple 公司发布了第一个公司发布了第一个 PDAPDA产产品。品。 PDAPDA 、掌上电脑以及各类视频游戏机实际上是配备有特殊图、掌上电脑以及各类视频游戏机实际上是配备有特殊图形显示设备的普通计算机，只是在软件上的扩展能力有限，常见的形显示设备的普通计算机，只是在软件上的扩展能力有限，常见的网络计算机和网络计算机和 WebWeb 终端也属于这个档次。他们都配备有一个处理终端也属于这个档次。他们都配备有一个处理器、数兆内存，一般带有图形显示设备（游戏机经常要借用电视机器、数兆内存，一般带有图形显示设备（游戏机经常要借用电视机作为显示设备），但没有更多其他的配置。这样，才能保证它们相作为显示设备），但没有更多其他的配置。这样，才能保证它们相对廉价。对廉价。

11 、、 PDAPDA 的特点的特点 PDAPDA 是一个面向广大用户的计算和通信的设备，它不同于其他是一个面向广大用户的计算和通信的设备，它不同于其他类型计算机，具有以下特点。类型计算机，具有以下特点。 ① ①体积小，重量轻便于握在手中或放在口袋里。集计算和通信体积小，重量轻便于握在手中或放在口袋里。集计算和通信于一体适合于移动办公人员使用。于一体适合于移动办公人员使用。 ② ②具有适用的应用软件具有电子记事簿的功能，如日程管理、具有适用的应用软件具有电子记事簿的功能，如日程管理、地址管理和电话号码管理等、同时还提供文字处理软件和电子表格地址管理和电话号码管理等、同时还提供文字处理软件和电子表格软件等。软件等。 ③ ③具有通信能力、具有通信能力、 PDAPDA 可外接或内置可外接或内置 modemmodem （（调制解调调制解调器）通过有线或无线方式发送和接收数据。器）通过有线或无线方式发送和接收数据。 ④ ④以笔输入为主，并逐步向语音输入发展。以笔输入为主，并逐步向语音输入发展。

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⑤ ⑤ 降低电源功耗，配备高容量电池。降低电源功耗，配备高容量电池。 ⑥ ⑥ 价格低廉。价格低廉。 目前世界上有许多公司推出了目前世界上有许多公司推出了 PDAPDA 产品，产品，美国和日本处于领先地位，但还没有统一标准，美国和日本处于领先地位，但还没有统一标准，各个产品具有各自的特点。各个产品具有各自的特点。

22 、 、 PDAPDA 的类型的类型 由于应用领域的不同。各种由于应用领域的不同。各种 PDAPDA 产品在性产品在性

能上有较大差异，大致可分为以下四类 能上有较大差异，大致可分为以下四类 ① ① 笔式掌上机，有着与微机完全不同的使用笔式掌上机，有着与微机完全不同的使用

对象，主要特点是强调笔输入（一般不带键盘），对象，主要特点是强调笔输入（一般不带键盘），配有良好的手写体识别软件并内置有字处理和电配有良好的手写体识别软件并内置有字处理和电子表格软件；有的还具有子表格软件；有的还具有 InternetInternet 联网功能。联网功能。

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② ②掌上掌上 PCPC 机，是微缩的便携式计算机。它的特点是机，是微缩的便携式计算机。它的特点是与微型机兼容，以键盘作为主要输入设备（或兼有笔输与微型机兼容，以键盘作为主要输入设备（或兼有笔输入），以入），以 DOSDOS 作为操作系统或以作为操作系统或以 windows windows CECE （（ consulter electronicconsulter electronic 。）。）作为操作系统。 作为操作系统。 Window CEWindow CE 是是 MicrosoftMicrosoft 公司研制的公司研制的 ,, 是是WindowsWindows 的袖珍版。的袖珍版。

③ ③个人通信机，主要特点是带有个人通信机，主要特点是带有 modemmodem 和通信软和通信软件，可通过有线或无线网发送或接收件，可通过有线或无线网发送或接收 EE －－ mallmall （（电子电子邮件）和邮件）和 FaxFax （（传真）。传真）。

④ ④电子组织机（电子组织机（ electronic organizerelectronic organizer ））在在PDAPDA 中，组织机的功能最简单中，组织机的功能最简单 ,, 没有操作系统，只能没有操作系统，只能运行一些固定的应用软件用于管理和存放资料。例如，运行一些固定的应用软件用于管理和存放资料。例如，计划管理、日程安排等不具有通信功能，耗电量较少，计划管理、日程安排等不具有通信功能，耗电量较少，电池寿命较长，价格较低。 以上的分类只是粗略的，某电池寿命较长，价格较低。 以上的分类只是粗略的，某些些 PDAPDA 很难归到某一类中，因它兼有多种功能。很难归到某一类中，因它兼有多种功能。

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33 、 、 PDAPDA 的硬件的硬件 ① ①PDAPDA 的微处理器（的微处理器（ MPUMPU ）） 要求 要求 MPUMPU 芯片低成本、低功耗、小尺寸。因此其工作电压芯片低成本、低功耗、小尺寸。因此其工作电压低，多数工作在 低，多数工作在 33.3V.3V 或更低的电压。一般带有电源管理单元，或更低的电压。一般带有电源管理单元，若一定时间不用若一定时间不用 PDAPDA ，，可自动关掉显示器或某些部件的电源。可自动关掉显示器或某些部件的电源。

PDAPDA 的的 MPUMPU 芯片上一般包含多种功能部件。例如，有的芯片上一般包含多种功能部件。例如，有的芯片上包含有图形处理部件、电源管理部件、存储控制部件和芯片上包含有图形处理部件、电源管理部件、存储控制部件和LCDLCD显示接口等。由于 显示接口等。由于 PDAPDA推出于 推出于 2020 世纪 世纪 9090年代，当时 年代，当时 RISCRISC 结构已出现，因此有的公司推出的 结构已出现，因此有的公司推出的 MPUMPU 采用采用 RISCRISC 结构，结构，有的仍采用有的仍采用 CISCCISC 结构。结构。

② ②存储器存储器 由于受尺寸限制由于受尺寸限制 PDAPDA 中没有内置软盘或硬盘驱动器。所有中没有内置软盘或硬盘驱动器。所有

的软件和数据都存放在的软件和数据都存放在 RAMRAM 和和 ROMROM 中，因此容量有限。要解中，因此容量有限。要解决决 PDAPDA 的存储容量问题同时满足体积小、容量大、耗电低、非的存储容量问题同时满足体积小、容量大、耗电低、非易失、价格低的要求，快闪存储器（易失、价格低的要求，快闪存储器（ flash RAMflash RAM ））是是 PDAPDA 的的一个解决方案。一个解决方案。

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③ ③通信部件通信部件 影响影响 PDAPDA 通信功能的因素是无线通信网、通信部件通信功能的因素是无线通信网、通信部件

和通信软件。所有通信部件，包括和通信软件。所有通信部件，包括 modernmodern 可制在一可制在一张张 PCMCIAPCMCIA卡上。需要注意的是，卡上。需要注意的是， PDAPDA 对无线通信对无线通信网提出了更高的要求，因为无线通信网当初建立时不是网提出了更高的要求，因为无线通信网当初建立时不是为数据通信设计的。在传送语音时，短暂的传输中断并为数据通信设计的。在传送语音时，短暂的传输中断并不影响效果，而在传送不影响效果，而在传送 EE －－ malmal 、、 FaxFax 或数据文件时或数据文件时则不允许。另外，无线通信网种类很多，缺乏标准、传则不允许。另外，无线通信网种类很多，缺乏标准、传输率低、服务的覆盖范围有限，这些缺点还有待于克服。输率低、服务的覆盖范围有限，这些缺点还有待于克服。通信软件的发展还更滞后一些，相对来说，通信部件还通信软件的发展还更滞后一些，相对来说，通信部件还解决得比较好一些。解决得比较好一些。

④ ④电池电池 便携机和便携机和 PDAPDA 等移动计算和通信的设备中都需要配等移动计算和通信的设备中都需要配

备有电池，对电池的要求是轻便、小巧和使用时间长。备有电池，对电池的要求是轻便、小巧和使用时间长。目前常用的电池主要有镍隔电地、镍金属氢化物电池和目前常用的电池主要有镍隔电地、镍金属氢化物电池和锂离子电池。锂离子电池。

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表表 11.311.3 列出几种电池的性能比较。列出几种电池的性能比较。

说明：记忆效应明显指的是在电池使用过程中，说明：记忆效应明显指的是在电池使用过程中，如多次不完全放电，将出现电池中的电能在耗尽之如多次不完全放电，将出现电池中的电能在耗尽之前电压就开始下降的问题。前电压就开始下降的问题。

电池类型电池类型 重量能量重量能量密度瓦时密度瓦时// 千克千克

体积能量体积能量密度瓦密度瓦时时 // 千克千克

优点优点 缺点缺点

镍镉镍镉 40~5040~50 80~12580~125 大电流输出。可过度充大电流输出。可过度充电，充电次数达电，充电次数达 500500次次

镉材料对环境有污镉材料对环境有污染，记忆效应明显染，记忆效应明显

镍金属镍金属 氧化物氧化物

50~6050~60 100~170100~170 记忆效应小，充电次数记忆效应小，充电次数300~500300~500次次

易受到强充电电流易受到强充电电流损害损害

锂离子锂离子 80~10080~100 220~240220~240 无记忆效应，充电次数无记忆效应，充电次数500~800500~800次，自放电率次，自放电率低低

易受到过度充、放易受到过度充、放电损坏电损坏

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手持计算机（手持计算机（ HPCHPC ）） 自自 windows CEwindows CE 成为成为 PDAPDA 的主流操作系的主流操作系

统之后，在该领域出现了新的名词统之后，在该领域出现了新的名词 HPCHPC ，，形成形成了笔式掌上机和掌上了笔式掌上机和掌上 PCPC 两类分支，集通信功能、两类分支，集通信功能、个人信息处理和计算功能于一体。在中文个人信息处理和计算功能于一体。在中文windows CEwindows CE 推出后，解决中文信息处理中人推出后，解决中文信息处理中人机交互问题将是 机交互问题将是 HPCHPC 技术难点之一，技术难点之一， HPCHPC 存存放软件的放软件的 ROMROM 的容量也要扩大，至少需要的容量也要扩大，至少需要88MB.MB.

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11.2.411.2.4 嵌入式计算机嵌入式计算机 (( 工业 工业 PCPC 和军用计算和军用计算机机 )) 嵌入式计算机和片上计算机嵌入式计算机和片上计算机 SOCSOC （（ System On ChipSystem On Chip ）已）已经成为我们当前研究的热点。那些已经存在于电话、电视、微波炉经成为我们当前研究的热点。那些已经存在于电话、电视、微波炉等家用电器中的嵌入式计算机，正为我们提供着便利。可以预见，等家用电器中的嵌入式计算机，正为我们提供着便利。可以预见，在不远的未来，所有的电器中都将嵌入计算机，并能通过网络和我在不远的未来，所有的电器中都将嵌入计算机，并能通过网络和我们进行交互。也许，嵌入式计算机能成为生活中数量最多的计算机，们进行交互。也许，嵌入式计算机能成为生活中数量最多的计算机，它们内部有一个处理器、少量的内存和有限的输入它们内部有一个处理器、少量的内存和有限的输入 //输出能力，集输出能力，集成在一片价格低廉的芯片上，有简单的操作系统。 成在一片价格低廉的芯片上，有简单的操作系统。 嵌入式计算机是嵌入应用系统中的计算机。例如，嵌入到医疗嵌入式计算机是嵌入应用系统中的计算机。例如，嵌入到医疗仪器、工业机器人、高级音响、通信设备、坦克潜艇、飞机等系统仪器、工业机器人、高级音响、通信设备、坦克潜艇、飞机等系统中使用的计算机都是嵌入式计算机。中使用的计算机都是嵌入式计算机。 嵌入式微处理器和通用微处理器最大的不同就是嵌入式微处理嵌入式微处理器和通用微处理器最大的不同就是嵌入式微处理器多数工作在用户自己设计的系统中，器多数工作在用户自己设计的系统中， CPUCPU厂商设计了许多具有厂商设计了许多具有外国电路的外国电路的 1616 位／位／ 3232位微处理器。例如，位微处理器。例如， Motorola 68360Motorola 68360是一个是一个 3232位内核的位内核的 CPUCPU 。。片内除集成了片内除集成了 CPUCPU 、、存储器、存储器、 DMADMA控制、控制、 DRAM DRAM 控制、时钟、异步串口和中断等电路外，还集成了控制、时钟、异步串口和中断等电路外，还集成了一个通信系统。可支持多种通信协议，还提供一个一个通信系统。可支持多种通信协议，还提供一个 1010MbMb 以太网以太网接口，为嵌入式系统和网络管理计算机系统的连接提供了方便。接口，为嵌入式系统和网络管理计算机系统的连接提供了方便。

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嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事本、电子记事本、 PDAPDA 、、手机等消费类电子产品。这些产手机等消费类电子产品。这些产品除了高性能外还要求很低的功率消耗，这是考虑到散品除了高性能外还要求很低的功率消耗，这是考虑到散热和供电电池的工作寿命而提出的。 热和供电电池的工作寿命而提出的。

由于嵌入式微处理器应用范围极为广泛，要求各异，由于嵌入式微处理器应用范围极为广泛，要求各异，因此没有一种结构的嵌入式处理器能满足不同设计师的因此没有一种结构的嵌入式处理器能满足不同设计师的所有要求。所有要求。

通过采用高质量的开发工具，系统开发商可以减少软通过采用高质量的开发工具，系统开发商可以减少软件开发成本，缩短开发周期。开发工具的供应商在提供件开发成本，缩短开发周期。开发工具的供应商在提供高效的编译器和调试器方面加大了投资。高效的编译器和调试器方面加大了投资。 8080X86 X86 具有具有多种可互换的调试器可以和不同的编译器、仿真器和实多种可互换的调试器可以和不同的编译器、仿真器和实时操作系统配合使用。用户往往用时操作系统配合使用。用户往往用 CC 语言或汇编语言编语言或汇编语言编写程序，因此需要通过编译器将其翻译成机器语言，同写程序，因此需要通过编译器将其翻译成机器语言，同时需要在开发系统上调试程序，并修正其中的错误。 时需要在开发系统上调试程序，并修正其中的错误。 开发系统提供的编译、调试环境可以仿真用户所开发的开发系统提供的编译、调试环境可以仿真用户所开发的系统，称之为仿真器。嵌入式系统所服务的对象往往需系统，称之为仿真器。嵌入式系统所服务的对象往往需要实时控制。要实时控制。

2424

嵌入式计算机一般具有以下特征嵌入式计算机一般具有以下特征 ① ①功能和结构符合应用系统的要求。嵌人式计算机往功能和结构符合应用系统的要求。嵌人式计算机往往直接嵌入到所服务的对象（如武器）中，因此其功能往直接嵌入到所服务的对象（如武器）中，因此其功能与结构（体积、形状、重量）要符合服务对象的要求及与结构（体积、形状、重量）要符合服务对象的要求及其所提供的环境。其所提供的环境。 ② ②高可靠性和高安全性，维护简单。高可靠性和高安全性，维护简单。 ③ ③实时性——实时操作系统和实时应用系统。实时性——实时操作系统和实时应用系统。 ④ ④直接与传感器及执行机构相连接。嵌入式计算机的直接与传感器及执行机构相连接。嵌入式计算机的输入端一般与传感器相连以获取各种实时信息（诸如温输入端一般与传感器相连以获取各种实时信息（诸如温度措度等），并将其转换成计算机能接收的输人信号；度措度等），并将其转换成计算机能接收的输人信号；经计算机处理后输出的信息用于控制驱动各种执行机构。经计算机处理后输出的信息用于控制驱动各种执行机构。 ⑤ ⑤硬件一般多用单片机来实现；在软件方面，因程序硬件一般多用单片机来实现；在软件方面，因程序固定，往往被固化在机内，人机界面简单。固定，往往被固化在机内，人机界面简单。

2525

嵌入式工业嵌入式工业 PCPC 以其小型化体积，模块化和组以其小型化体积，模块化和组合化的灵活结构，丰富的过程控制能力，特殊的恶合化的灵活结构，丰富的过程控制能力，特殊的恶劣环境适应能力，良好的开发环境，方便的联网能劣环境适应能力，良好的开发环境，方便的联网能力和高可靠性，而被广泛应用于工业控制中。力和高可靠性，而被广泛应用于工业控制中。 一般的一般的 PCPC ，，如应用于环境条件差的工厂中，如应用于环境条件差的工厂中，尚存在以下问题①主板尺寸大，散热差；②不能承尚存在以下问题①主板尺寸大，散热差；②不能承受工厂中的震动和冲击；③输入输出（受工厂中的震动和冲击；③输入输出（ II ／／ OO ））种类少，可扩展能力差④不能防尘；⑤抗电网干扰种类少，可扩展能力差④不能防尘；⑤抗电网干扰能力差；⑥抗电磁干扰能力差；⑦温度范围窄；能力差；⑥抗电磁干扰能力差；⑦温度范围窄；⑧⑧ MTBFMTBF （（平均无故障时间）短；⑨故障检测和平均无故障时间）短；⑨故障检测和自动排除故障的能力差等。自动排除故障的能力差等。

2626

军用嵌入式计算机军用嵌入式计算机 前面讲到的嵌人式计算机特征以及有关嵌入式工业前面讲到的嵌人式计算机特征以及有关嵌入式工业PCPC 的描述同样适用于军用嵌入式计算机、以下仅对关键的描述同样适用于军用嵌入式计算机、以下仅对关键技术作一些补充。技术作一些补充。 11 ）军用加固技术）军用加固技术 过去过去 5050年中，通用计算机所采用的技术与工艺不断年中，通用计算机所采用的技术与工艺不断得到发展，军用计算机很多都是以民用的计算机为基础进得到发展，军用计算机很多都是以民用的计算机为基础进行加固后而成的。按军用标准加固的嵌人式计算机能承受行加固后而成的。按军用标准加固的嵌人式计算机能承受战争环境中对冲击、振动、加速度温度、湿度、泥水烟雾、战争环境中对冲击、振动、加速度温度、湿度、泥水烟雾、尘埃和辐射（宇宙射线和核爆辐射等）以及敌方的电磁干尘埃和辐射（宇宙射线和核爆辐射等）以及敌方的电磁干扰等考验。扰等考验。 22 ）容错技术）容错技术 在很多军用场合，对嵌入式计算机的可靠性要求很高。在很多军用场合，对嵌入式计算机的可靠性要求很高。例如，卫星要在太空连续运行数月或数年，运行环境非常例如，卫星要在太空连续运行数月或数年，运行环境非常严酷，运行期间又不能进行维护。所以除了采取加固技术严酷，运行期间又不能进行维护。所以除了采取加固技术和抗辐射元器件外，还要采用容错技术。和抗辐射元器件外，还要采用容错技术。

2727

容错技术可在芯片级实施，也可在模块和部件级实施容错技术可在芯片级实施，也可在模块和部件级实施或在系统级实施。或在系统级实施。 33 ）数据融合技术）数据融合技术 数据融合技术是指计算机把来自许多传感器的信息以数据融合技术是指计算机把来自许多传感器的信息以及其他信息源的数据加以分析和综合，从而做出决策。以及其他信息源的数据加以分析和综合，从而做出决策。以缓解武器操作人员、情报分析人员和指挥决策人员的负担缓解武器操作人员、情报分析人员和指挥决策人员的负担并提高决策和操作的正确性和实时性。并提高决策和操作的正确性和实时性。 44 ）实时操作系统和实时应用系统）实时操作系统和实时应用系统 嵌入式计算机的实时性由其硬件、软件提供保证，其嵌入式计算机的实时性由其硬件、软件提供保证，其中硬件运算速度、实时操作系统和实时应用程序起主导作中硬件运算速度、实时操作系统和实时应用程序起主导作用。从计算机接收到传感器／信息源提供的信息开始，到用。从计算机接收到传感器／信息源提供的信息开始，到输出各种控制信息或决策信息，其时间必须小于给定值。输出各种控制信息或决策信息，其时间必须小于给定值。如超过给定值，其输出信息可能已毫无价值。如超过给定值，其输出信息可能已毫无价值。

2828

智能卡智能卡 将微控制器芯片镶嵌入到形似名片的卡片中，即为将微控制器芯片镶嵌入到形似名片的卡片中，即为智能卡。从用途来分类，该卡可分为金融卡和非金融卡智能卡。从用途来分类，该卡可分为金融卡和非金融卡两类。例如，信用卡、储蓄卡、电子钱包等为金融卡，两类。例如，信用卡、储蓄卡、电子钱包等为金融卡，而身份证、驾驶证、会员卡主要用来证明身份的，可称而身份证、驾驶证、会员卡主要用来证明身份的，可称之为非金融卡。之为非金融卡。

智能卡中微控制器（或微处理器）包括以下内智能卡中微控制器（或微处理器）包括以下内容，容， CPUCPU 、、 ROMROM 、、 RAMRAM 、、 EEPROMEEPROM 和和 II ／／ OO 接接口。其中 口。其中 ROMROM主要存放卡的操作系统（主要存放卡的操作系统（ chip chip operating systemoperating system ，，简称简称 COSCOS ）。 ）。 RAMRAM主要主要存放卡操作过程中的一些中间数据。存放卡操作过程中的一些中间数据。 EEPROMEEPROM主要存主要存放应用数据。例如，金融卡的账号、金额及交易记录等。放应用数据。例如，金融卡的账号、金额及交易记录等。非金融卡（例如驾驶证）的证件号码、持卡人姓名、地非金融卡（例如驾驶证）的证件号码、持卡人姓名、地址和违章记录等。卡中只有一个址和违章记录等。卡中只有一个 II ／／ OO 接口，用来与外接口，用来与外界交换信息，而工业控制界交换信息，而工业控制 MCUMCU则有多个则有多个 II ／／ OO 接口。 接口。

2929

根据智能卡与外界交换信息的方式不同，可分为接触根据智能卡与外界交换信息的方式不同，可分为接触式式 ICIC卡和非接触式卡和非接触式 ICIC卡。卡。

接触式接触式 ICIC卡：卡通过触点与外界交换信息并取得能卡：卡通过触点与外界交换信息并取得能源（外加电压）。国际标准（源（外加电压）。国际标准（ ISO 7816ISO 7816 ））规定卡上规定卡上可以有可以有 88个触点，并规定了卡的尺寸和触点在卡上的位个触点，并规定了卡的尺寸和触点在卡上的位置。一般只用其中的置。一般只用其中的 55个触点，分别为电压、个触点，分别为电压、地、地、 ResetReset （（复位）、复位）、 CLKCLK （（时钟）和时钟）和 II ／／ OO 端口，端口，ISO 7816ISO 7816标准对电信号及传输特性作出了明确的规标准对电信号及传输特性作出了明确的规定。定。

非接触式非接触式 ICIC卡卡 ::卡上不带触点，信号与电源都依靠卡上不带触点，信号与电源都依靠读写器发射的电磁波取得。当卡与读写设备在一定距离读写器发射的电磁波取得。当卡与读写设备在一定距离范围内（一般为范围内（一般为 11cmcm到到 1010cmcm ））时可交换信息，因此时可交换信息，因此在公交（例如公共汽车）上使用时，不必将卡插入读写在公交（例如公共汽车）上使用时，不必将卡插入读写机具而带来了方便，同时因避免了接触不良的问题而带机具而带来了方便，同时因避免了接触不良的问题而带来了可靠性。来了可靠性。

3030

（（ 11 ）读写器）读写器 向卡上写信息或从卡上读出信息的设备称为‘读写向卡上写信息或从卡上读出信息的设备称为‘读写

器’或“读写机具”。卡运行所需的电源是由读写器器’或“读写机具”。卡运行所需的电源是由读写器提供的工作时由读写器向卡发出命令和数据（如果有提供的工作时由读写器向卡发出命令和数据（如果有数据），卡执行命令后向读写器发回应答和数据（如数据），卡执行命令后向读写器发回应答和数据（如果有数据）。果有数据）。

（（ 22 ）卡操作系统（）卡操作系统（ COSCOS ）） 卡内有专用操作系统，称为卡内有专用操作系统，称为 COSCOS 。。由于卡的应由于卡的应

用性质决定了卡的安全性非常重要，卡要防止被伪造，用性质决定了卡的安全性非常重要，卡要防止被伪造，卡内数据要防止被非法篡改，有些数据要保密，甚至卡内数据要防止被非法篡改，有些数据要保密，甚至不允许被读写器所读取（例如密码）。为保证安全，不允许被读写器所读取（例如密码）。为保证安全，卡的一切操作都在卡内操作系统的控制下进行。读写卡的一切操作都在卡内操作系统的控制下进行。读写器发送来的命令，也是经过器发送来的命令，也是经过 COSCOS 的分析后执行的。的分析后执行的。也就是说从读写器向卡供电开始，直到断电为止所有也就是说从读写器向卡供电开始，直到断电为止所有操作都受操作都受 COSCOS监控。断电后，卡内操作系统以及卡监控。断电后，卡内操作系统以及卡上的数据都不能丢失，为此分别采用上的数据都不能丢失，为此分别采用 ROMROM 和 和 EEPROMEEPROM 来保存 来保存 COSCOS 和数据。和数据。

3131

卡所能执行的命令以及执行命令后所发的应卡所能执行的命令以及执行命令后所发的应答也在答也在 ISO 7816ISO 7816 标准中有所规定。标准中有所规定。

（（ 33 ）卡的安全策略）卡的安全策略 为了保证安全，除了卡的操作都在为了保证安全，除了卡的操作都在 COSCOS 监监

控下进行以外，卡的密码、密钥系统也是关键。控下进行以外，卡的密码、密钥系统也是关键。密码通常用来验证发行人或持卡人的身份（必要密码通常用来验证发行人或持卡人的身份（必要时）。例如，在银行存款时声明采用密码，则取时）。例如，在银行存款时声明采用密码，则取款人必须输人正确密码才能取款，密钥用来对数款人必须输人正确密码才能取款，密钥用来对数据进行加密。产生密文或用来验证卡或读写器的据进行加密。产生密文或用来验证卡或读写器的真／伪，具体措施清查阅本书后面的参考文献。真／伪，具体措施清查阅本书后面的参考文献。书名为《智能卡技术》。书名为《智能卡技术》。

3232

绿色计算机绿色计算机 人类赖以生存的环境受到严重污染，为满足人类赖以生存的环境受到严重污染，为满足环保要求而设计和生产的计算机称为绿色计算环保要求而设计和生产的计算机称为绿色计算机、一般指对环境无害的计算机及其配套设备机、一般指对环境无害的计算机及其配套设备（如打印机、显示器等），不仅要求其本身符（如打印机、显示器等），不仅要求其本身符合省电、低噪声、低辐射、可回收等规范和要合省电、低噪声、低辐射、可回收等规范和要求，而且要求在生产、制造和销售过程中无污求，而且要求在生产、制造和销售过程中无污染（染（环保）、省能源环保）、省能源。生产厂商已经采取了很。生产厂商已经采取了很多措施，主要有多措施，主要有

（（ 11 ）采用）采用节电节电的电源管理技术。在计算机的电源管理技术。在计算机不处于真正的工作状态时降低时钟频率、停止不处于真正的工作状态时降低时钟频率、停止时钟或降低电源电压。例如从时钟或降低电源电压。例如从 55VV 降到降到 3. 3. 33VV ；；自动关闭某些部件的电源，使磁盘机、自动关闭某些部件的电源，使磁盘机、显示器和打印机自动处于休眠状态。 显示器和打印机自动处于休眠状态。

3333

（（ 22 ）降低机器各部分电源电压，以减少计）降低机器各部分电源电压，以减少计算机运行时的功耗。算机运行时的功耗。

（（ 33 ）采取各种屏蔽措施，减少高频的电磁）采取各种屏蔽措施，减少高频的电磁辐射，减少打印机的噪音等。辐射，减少打印机的噪音等。

（（ 44 ）满足计算机操作人员工作舒适以及减）满足计算机操作人员工作舒适以及减少显示器的闪烁等。少显示器的闪烁等。

（（ 55）在计算机生产的工艺过程中选用无害）在计算机生产的工艺过程中选用无害的化学材料和清洗剂等。的化学材料和清洗剂等。

（（ 66）易回收。包括计算机本身的材料、包）易回收。包括计算机本身的材料、包装材料以及使用时的消耗材料等容易被分解或装材料以及使用时的消耗材料等容易被分解或可再生。可再生。

3434

1111.3 .3 工作站和服务器工作站和服务器一、 工作站一、 工作站 工作站是个人使用的台式计算机系统是一种具有高速数据处理能力、高性能的图形处理系统。它具有良好的人机界面和通用的操作系统它具有良好的人机界面和通用的操作系统（（ UNIXUNIX 、、 windows NTwindows NT 等）等） ,, 标准的网络标准的网络互联接口和标准的输入输出接口。并拥有丰富的互联接口和标准的输入输出接口。并拥有丰富的应用软件用于工程、科研、管理等应用场合。很应用软件用于工程、科研、管理等应用场合。很强的图形处理能力是工作站的最大特点之一。强的图形处理能力是工作站的最大特点之一。 在在 2020 世纪世纪 8080年代后期出现了以通用性、年代后期出现了以通用性、开放性为特征的工作站，并在开放性为特征的工作站，并在 2020 世纪世纪 8080年代年代得到了飞速发展。 得到了飞速发展。

3535

工作站系统的构成主要包括中央处理器工作站系统的构成主要包括中央处理器 CPUCPU 、、主存主存储器、总线系统、图形子系统、网络接口、输入输出子系储器、总线系统、图形子系统、网络接口、输入输出子系统、大容量外设、操作系统和应用软件。统、大容量外设、操作系统和应用软件。 11 、中央处理器、中央处理器 CPUCPU 早期的工作站采用早期的工作站采用 CISCCISC 作为作为 CPUCPU （（诸如诸如M0torola 65000M0torola 65000 系列芯片系列芯片 )) 。目前各大工作站厂商。目前各大工作站厂商（（ IBMIBM ，， SUNSUN ，， SGISGI ，， HPHP ，， CompaqCompaq ／／ DECDEC等）都选用等）都选用 RISCRISC 处理器芯片，如处理器芯片，如 Power PCPower PC ，， HPHP －－PAPA 和 和 AlphaAlpha 等，这些高性能芯片代表了当前微处理器等，这些高性能芯片代表了当前微处理器的最高水平，也保证了工作站在计算和处理能力方面的优的最高水平，也保证了工作站在计算和处理能力方面的优势。在高档工作站中往往采用多个微处理器来构成系统以势。在高档工作站中往往采用多个微处理器来构成系统以提高性能。提高性能。 22 、存储器：采用、存储器：采用 CacheCache 一主存一外存三级存储体一主存一外存三级存储体系，其容量根据应用需要而定。由于硬件发展很快，随着系，其容量根据应用需要而定。由于硬件发展很快，随着操作系统和应用软件的发展，存储器容量也日趋庞大。操作系统和应用软件的发展，存储器容量也日趋庞大。

3636

33 、总线系统：在工作站中，总线是影响系统、总线系统：在工作站中，总线是影响系统性能的主要瓶颈之一，为提高系统性能可采用主桥性能的主要瓶颈之一，为提高系统性能可采用主桥（（ host bridgehost bridge ））等组成的多总线结构。等组成的多总线结构。 图形处理和显示功能是工作站的一个重要指标。图形处理和显示功能是工作站的一个重要指标。 CADCAD ，， CAMCAM ，， CAECAE 和三维动画处理对图形处和三维动画处理对图形处理提出了要求，工作站将复杂的三维图形／图像处理提出了要求，工作站将复杂的三维图形／图像处理转移到专用的图形处理器中以达到加速图形处理理转移到专用的图形处理器中以达到加速图形处理的目的。的目的。 44 、网络接口：工作站一般提供传输率为、网络接口：工作站一般提供传输率为1010MbMb ／／ SS 的局域网（以太网）接口。目前的局域网（以太网）接口。目前100100MbMb ／／ SS 和和 1000Mb1000Mb ／／ SS 的高速网络已投的高速网络已投入应用，这对图形、图像和视频信号在网络上传输入应用，这对图形、图像和视频信号在网络上传输的瓶颈问题提供了解决方案。 的瓶颈问题提供了解决方案。

3737

55、输入输出接口： 在工作站上，基本的、输入输出接口： 在工作站上，基本的对外输入输出接口有键盘、鼠标、串口、并口和对外输入输出接口有键盘、鼠标、串口、并口和SCSISCSI 接口。接口。 66、操作系统： 目前、操作系统： 目前 UNIXUNIX 操作系统已被操作系统已被广泛应用于工作站中，由于市场的需广泛应用于工作站中，由于市场的需求，求， Windows NTWindows NT 操作系统逐渐在工作站中操作系统逐渐在工作站中推广。推广。 77、应用软件： 在工作站上运行的软件非、应用软件： 在工作站上运行的软件非常丰富，已规模较大，主要包括：在电子、机械、常丰富，已规模较大，主要包括：在电子、机械、建筑、化工和军事领域中的建筑、化工和军事领域中的 CADCAD ，， CAMCAM 和和CAECAE ；；三维动画和多媒体软件设计、地理信息三维动画和多媒体软件设计、地理信息系统、气象和地震等领域的数据处理；大型系统系统、气象和地震等领域的数据处理；大型系统仿真控制和作战模拟等。仿真控制和作战模拟等。

3838

二、服务器二、服务器 2020 世纪世纪 77OO 年代及其之前。计算机对年代及其之前。计算机对信息和数据的处理以集中模式为主，即数据信息和数据的处理以集中模式为主，即数据的处理和保存集中在一台计算机（主机）上，的处理和保存集中在一台计算机（主机）上，用户通过挂在主机上的各个显示终端向主机用户通过挂在主机上的各个显示终端向主机发出处理请求，并接收和显示主机的处理结发出处理请求，并接收和显示主机的处理结果。进人 果。进人 2020 世纪 世纪 8080年代以后出现了 年代以后出现了 PCPC 。。 PCPC 的普及加速了信息处理技术在各的普及加速了信息处理技术在各个领域中的应用，但独立的信息处理方式和个领域中的应用，但独立的信息处理方式和信息的交换以及资源共享发生了矛盾，促进信息的交换以及资源共享发生了矛盾，促进了计算机网络技术和客户／服务器这种分布了计算机网络技术和客户／服务器这种分布处理模式的产生和发展。 处理模式的产生和发展。

3939

在计算机网络应用中，服务器根据客户机提在计算机网络应用中，服务器根据客户机提出的服务请求完成所需的计算和管理任务，客户出的服务请求完成所需的计算和管理任务，客户机接收到计算结果后，进一步进行后处理。在这机接收到计算结果后，进一步进行后处理。在这种系统中，一台服务器要面向多个客户的服务请种系统中，一台服务器要面向多个客户的服务请求。它的作用是通过网络按客户的要求提供各种求。它的作用是通过网络按客户的要求提供各种服务，包括共享文件、共享数据库、共享硬盘驱服务，包括共享文件、共享数据库、共享硬盘驱动器共享打印机、应用计算、通信服务等，并对动器共享打印机、应用计算、通信服务等，并对整个网络环境进行集中管理。用做服务器的计算整个网络环境进行集中管理。用做服务器的计算机可以是一台机可以是一台 PCPC 台式机，直到一台巨型机。台式机，直到一台巨型机。 服务器更加重视可靠性、可用性和可扩展性，服务器更加重视可靠性、可用性和可扩展性，例如采用对称多处理器（例如采用对称多处理器（ SMPSMP ）、）、磁盘阵列、磁盘阵列、热插拔、电源备份等技术。热插拔、电源备份等技术。

4040

11.4 11.4 多媒体计算机多媒体计算机 多媒体计算机是集声音、文字、图形、图像、动画多媒体计算机是集声音、文字、图形、图像、动画和通信于一体的信息处理工具。和通信于一体的信息处理工具。

11.4.1 11.4.1 概述概述 媒体（媒体（ MediumMedium ））原指原指承载信息的载体承载信息的载体，在这里，在这里是指信息的表示形式，文字、图形、图像、声音等表示是指信息的表示形式，文字、图形、图像、声音等表示的是信息不同的表示形式，也就是媒体。的是信息不同的表示形式，也就是媒体。 多媒体（多媒体（ Multi MediurnMulti Mediurn ））技术是技术是指对多种媒体信息进行处理和传送的技术，是将音像技术、计算技术和通信技术结合起来的一种综合技术。 由于通用计算机系统在存储和处理数据（特别是视由于通用计算机系统在存储和处理数据（特别是视频数据）方面还达不到实时要求，因此多媒体计算机必频数据）方面还达不到实时要求，因此多媒体计算机必须要有相应的硬件支持，其中音频、视频的专用处理芯须要有相应的硬件支持，其中音频、视频的专用处理芯片以及新型体系结构是关键技术。片以及新型体系结构是关键技术。

4141

PhilipsPhilips 和和 SonySony 公司公布了公司公布了 CDCD －－ ROMROM的文件格式以后被的文件格式以后被 ISOISO 采纳为标准。该系统在采纳为标准。该系统在650650MBMB 的只读光盘上存放着高质量的声音、文的只读光盘上存放着高质量的声音、文字、图形、图像和计算机程序，用户可通过遥控字、图形、图像和计算机程序，用户可通过遥控器、键盘、鼠标或操纵杆选择视听材料进行播放。器、键盘、鼠标或操纵杆选择视听材料进行播放。

后来后来 IntelIntel 公司又推出了带有多媒体功能的 公司又推出了带有多媒体功能的 Pentium MMXPentium MMX 和 和 PentiumPentiumⅡⅡ 等微处理器。等微处理器。

多媒体计算机可以是将通用计算机配置专用多媒体计算机可以是将通用计算机配置专用硬件和相应软件，从而能对文本、图形、图像、硬件和相应软件，从而能对文本、图形、图像、动画、音频、视频等多种媒体进行存储、处理和动画、音频、视频等多种媒体进行存储、处理和传输的计算机。传输的计算机。

4242 图图 11.211.2

多媒体应用软件多媒体应用软件

多媒体编辑工具和写作工具多媒体编辑工具和写作工具

多媒体操作系统多媒体操作系统

音、视频信息音、视频信息 压缩还原压缩还原

多媒体设备的多媒体设备的 驱动程序驱动程序

多媒体硬件多媒体硬件

1111.4.2 .4.2 多媒体计算机系统的组成多媒体计算机系统的组成 多媒体计算机系统的层次结构如图多媒体计算机系统的层次结构如图 1111．． 22 所示。所示。

4343

11．多媒体硬件组成．多媒体硬件组成 （（ 11 ）功能强、速度快的 ）功能强、速度快的 CPUCPU 和专用的集成电路芯和专用的集成电路芯

片。片。 （（ 22 ）大容量主存和外存，支持音频／视频数据的存）大容量主存和外存，支持音频／视频数据的存

储和传送。储和传送。 （（ 33 ）高分辨率的显示设备和性能佳的显示适配器。）高分辨率的显示设备和性能佳的显示适配器。 （（ 44 ）音频卡，应具有立体声合成、模拟混音、乐器）音频卡，应具有立体声合成、模拟混音、乐器

数字接口（数字接口（ Musical instrument digital Musical instrument digital interfaceinterface ，，简称简称MIDIMIDI ）、）、 CDCD －－ ROMROM接口和输接口和输出功率放大器等。出功率放大器等。

（（ 55）通信部件（调制解调器）。）通信部件（调制解调器）。 22．多媒体软件结构．多媒体软件结构 （（ 11 ）多媒体设备驱动程序和音频／视频压缩与解）多媒体设备驱动程序和音频／视频压缩与解压缩软件。多媒体驱动程序完成多媒体设备的初始化、压缩软件。多媒体驱动程序完成多媒体设备的初始化、设备的打开和关闭等操作。设备的打开和关闭等操作。

4444

多媒体计算机要实时综合处理各种文、图、声、影多媒体计算机要实时综合处理各种文、图、声、影等大量数据，为了解决存储与传送量大的问题，必须先等大量数据，为了解决存储与传送量大的问题，必须先将这些数据进行压缩，然后再存储或传送；当使用这些将这些数据进行压缩，然后再存储或传送；当使用这些数据时要将其恢复成原来数据，称为“还原”或“解数据时要将其恢复成原来数据，称为“还原”或“解压”。压”。

（（ 22 ）操作系统，负责多媒体系统的多任务调度、音）操作系统，负责多媒体系统的多任务调度、音频／视频信息的同步控制与处理，要求实时性好，目前频／视频信息的同步控制与处理，要求实时性好，目前流行的是视窗软件（流行的是视窗软件（ Windows 95Windows 95 ／／ 98 / 98 / 20002000 ）。）。

（（ 33 ））多媒体编辑工具和写作工具，用于多媒体数多媒体编辑工具和写作工具，用于多媒体数据采集（如声音录制、视频采集等）和编辑，并将其联据采集（如声音录制、视频采集等）和编辑，并将其联接成完整的视听资料。接成完整的视听资料。

（（ 44 ）多媒体应用软件，在多媒体系统平台上开发）多媒体应用软件，在多媒体系统平台上开发的面向应用的软件，已广泛应用于教育 培训、电子出版、的面向应用的软件，已广泛应用于教育 培训、电子出版、动画制作、影视特技、电视会议以及播放影视节目等。动画制作、影视特技、电视会议以及播放影视节目等。

4545

1111.4.3 .4.3 多媒体计算机系统的关键技术多媒体计算机系统的关键技术 关键技术有数据压缩／解压，多媒体通信、多媒体硬件关键技术有数据压缩／解压，多媒体通信、多媒体硬件

和软件等。和软件等。 11．多媒体数据压缩／解压．多媒体数据压缩／解压 数字化视频／音频信号的数据量非常大。例如，一幅 数字化视频／音频信号的数据量非常大。例如，一幅 66

4040X480X480 分辨率、分辨率、 2424 位真彩色图 像，其数据量约为位真彩色图 像，其数据量约为7.377.37MBMB ，，若要达到每秒若要达到每秒 3030帧动态显示，其数据量约为帧动态显示，其数据量约为 222121MBMB ；；对于声音如采样频率为对于声音如采样频率为 44.144.1KHZKHZ ，，采样值为采样值为 1616位，双声道立体声，则每秒的数据量为位，双声道立体声，则每秒的数据量为 1.41.4MBMB 。。在影视系在影视系统中统中 ,, 无论是存储量或传输率，计算机都难以满足要求，为无论是存储量或传输率，计算机都难以满足要求，为此要对数据进行压缩。此要对数据进行压缩。

图像数据存在很大的相关性和冗余度，因此在允许存在图像数据存在很大的相关性和冗余度，因此在允许存在一定失真度的情况下，可进行大比例的压缩。一种较好的数一定失真度的情况下，可进行大比例的压缩。一种较好的数据压缩技术应尽量做到压缩比大、实现方法简单和还原（解据压缩技术应尽量做到压缩比大、实现方法简单和还原（解压）效果好，即重建的图像难以观察出图像的损伤。压）效果好，即重建的图像难以观察出图像的损伤。

4646

国际标准化组织国际标准化组织 ISOISO 已为之制定了国际标准，其中已为之制定了国际标准，其中影响最大的是用于视频图像压缩的影响最大的是用于视频图像压缩的 MPEGMPEG标准。标准。

MPEGMPEG 已在已在 19931993 年成为国际标准，把视频及其伴年成为国际标准，把视频及其伴音信号压缩到音信号压缩到 1.51.5MbMb ／／ SS 的单一位流，完成每秒的单一位流，完成每秒 3030帧，帧， 360360X240X240 分辨率的实时彩色电影的播分辨率的实时彩色电影的播放。放。 MPEGMPEG －－ 22 在在 19941994 年年 1111月成为国际标准，对月成为国际标准，对每秒每秒 3030帧帧 720720X480X480 分辨率的视频及其伴音压缩到 分辨率的视频及其伴音压缩到 4-4-1010MbMb ／／ SS 。 。 MPEGMPEG －－ 22 的扩展模式可对的扩展模式可对 14401440XI XI 152152 （（ PALPAL ））的视频信号进行压缩编码，因此可应用的视频信号进行压缩编码，因此可应用于高清晰度电视中。于高清晰度电视中。

MPEGMPEG －－ 44 计划用最少量的数据来传输影像和声计划用最少量的数据来传输影像和声音，传输率低于音，传输率低于 6464kbkb ／／ SS ，，并在接收端重建精确的画并在接收端重建精确的画面和逼真的声音。面和逼真的声音。 MPEGMPEG －－ 44 将提供新的音频视频编将提供新的音频视频编码技术。码技术。

MPEGMPEG 技术广泛用于影像编辑、多媒体演示、影像技术广泛用于影像编辑、多媒体演示、影像电子邮件、电视会议、电子出版物、远程医学、游戏、电子邮件、电视会议、电子出版物、远程医学、游戏、有线电视机顶盒（有线电视机顶盒（ setset －－ top boxtop box ））和和 InternetInternet 的的WWWWWW应用。应用。

4747

22．多媒体通信技术．多媒体通信技术 实现信息共享，通常需要传送文本、图形、图像、实现信息共享，通常需要传送文本、图形、图像、影视、动画、声音等，其传输速率从几个影视、动画、声音等，其传输速率从几个 bPSbPS到几到几十十 MbMb ／／ SS （（例如例如 HDTVHDTV ），），在很多场合要求实时，在很多场合要求实时，因此对通信的要求极高。光纤通信的发展解决了通信因此对通信的要求极高。光纤通信的发展解决了通信介质问题，今后满足不同特点的综合多媒体信息的网介质问题，今后满足不同特点的综合多媒体信息的网络交换技术将成为通信的关键技术。络交换技术将成为通信的关键技术。

3.3.具有多媒体处理功能的微处理器和（或）专用芯片具有多媒体处理功能的微处理器和（或）专用芯片 多媒体计算机需要快速实时完成视频／音频信号多媒体计算机需要快速实时完成视频／音频信号

的采集、压缩和解压缩、图形、图像和声音处理以及的采集、压缩和解压缩、图形、图像和声音处理以及信息的输出，必须采用专门为之设计的芯片。随着集信息的输出，必须采用专门为之设计的芯片。随着集成电路的发展，成电路的发展， CPUCPU 的运算速度以及功能大为增加，的运算速度以及功能大为增加，某些原来由专用芯片实现的一部分功能可以由某些原来由专用芯片实现的一部分功能可以由 CPUCPU中的硬件或软件来完成，技术发展很快。中的硬件或软件来完成，技术发展很快。

4848

44．多媒体操作系统 ．多媒体操作系统 55．多媒体数据库 ．多媒体数据库 66．超媒体．超媒体 44～～ 66的内容已超出本书范围，不作进一步叙述。的内容已超出本书范围，不作进一步叙述。

1111.4.4 .4.4 视频和音频信息的获取和回收视频和音频信息的获取和回收 多媒体计算机要综合处理声、文、图信息，首先要解决多媒体计算机要综合处理声、文、图信息，首先要解决把视频和音频信息数字化后送入计算机。把视频和音频信息数字化后送入计算机。

11．视频信号的获取．视频信号的获取 一般视频信号源自摄像机、录像机、扫描仪和视频光盘一般视频信号源自摄像机、录像机、扫描仪和视频光盘

等，它们的输出大多数是彩色全电视信号，要把这种信号送等，它们的输出大多数是彩色全电视信号，要把这种信号送到计算机中，需要下列电路：到计算机中，需要下列电路：

（（ 11 ））彩色解码电路彩色解码电路。将电视信号分成。将电视信号分成 RGBRGB （（红绿红绿蓝）或蓝）或 YUVYUV 。。 YY 是亮度信号，是亮度信号， UU ，， VV 是色差信号。用是色差信号。用YUVYUV 表示彩色电视信号有两个优点：①表示彩色电视信号有两个优点：① YY 与黑白电视机的与黑白电视机的亮度信号兼容，即黑白电视机可接收这种彩色电视信号；②亮度信号兼容，即黑白电视机可接收这种彩色电视信号；②人的眼睛对亮度信号人的眼睛对亮度信号 Y Y 敏感，对色差信号敏感，对色差信号 UU ，， VV 不敏感，不敏感，因此表示因此表示 UU ，， VV 的数据量可以减少。现在常采用的数据量可以减少。现在常采用YY ，， UU ，， VV 的的 44：： 22：： 22 或或 44：： 11：： 11格式，因此可以压格式，因此可以压缩彩色电视传送的带宽。缩彩色电视传送的带宽。

4949

我国实行彩色电视我国实行彩色电视 PALPAL －－ DD 制式，把制式，把 RR ，， GG ，， BB转换成转换成 YY ，， UU ，， VV 信号，其转换关系式如下：信号，其转换关系式如下：

Y=0.3RY=0.3R ＋＋ 0. 59G0. 59G ＋＋ 0. 11B0. 11B U=BU=B －－ Y V=RY V=R －－ YY （（ 22 ））同步锁相和时序电路。产生时钟信号和所有的同步锁相和时序电路。产生时钟信号和所有的

控制信号，这些信号与视频信号源的同步是通过锁相回路控制信号，这些信号与视频信号源的同步是通过锁相回路实现的。实现的。

（（ 33 ） ） AA ／／ DD 变换器。将模拟的变换器。将模拟的 YY ，， UU ，， VV 信号转信号转换成数字信号。换成数字信号。

（（ 44 ）帧存储器。存放）帧存储器。存放 YUVYUV 或或 RGBRGB 数字式信号。数字式信号。 数字信号可在计算机进行处理，当需要把信息在电视数字信号可在计算机进行处理，当需要把信息在电视

机上输出时，需要 机上输出时，需要 DD ／／ AA 变换器，将数字式变换器，将数字式 YUVYUV 信号信号转换成模拟的转换成模拟的 YUVYUV 信号。然后再将其转换成信号。然后再将其转换成 RGBRGB 信号，信号，其转换关系如下： 其转换关系如下： R=YR=Y ＋＋ VV

G=YG=Y －－ 0.19U0.19U 一一 0.50.511VV

B=YB=Y ＋＋ UU

5050

通过编码器将通过编码器将 RGBRGB编成标准的彩色全电视信号。编成标准的彩色全电视信号。 22．音频信号的获取．音频信号的获取 音频信号获取设备的主要组成部分如下：音频的信号音频信号获取设备的主要组成部分如下：音频的信号源是抬音器（麦克风），具有可编程增益控制的音频放源是抬音器（麦克风），具有可编程增益控制的音频放大器，低通滤波器（滤掉噪音），大器，低通滤波器（滤掉噪音）， AA ／／ DD 变换器，存变换器，存储器。将处理好的信息输出的部件主要组成如下：储器。将处理好的信息输出的部件主要组成如下： DD／／ AA 变换器，滤波器（改善输出语音信号的质量），功变换器，滤波器（改善输出语音信号的质量），功率放大和增益控制器（可编程的音量控制器，分左右两率放大和增益控制器（可编程的音量控制器，分左右两路输出到音响设备）。路输出到音响设备）。

1111.4..4.5 5 多媒体计算机的用途与实例多媒体计算机的用途与实例 11．多媒体系统的用途．多媒体系统的用途 按用途与功能的不同可分成开发系统、演示系按用途与功能的不同可分成开发系统、演示系

统、训练／教育系统和家用播放系统等。统、训练／教育系统和家用播放系统等。

5151

开发系统具有多媒体应用软件的开发和制作能力，开发系统具有多媒体应用软件的开发和制作能力，以及播放功能。因此，该系统配有功能较强前计算机和以及播放功能。因此，该系统配有功能较强前计算机和声、文、图信息齐备的外部设备，多媒体接口卡以及多声、文、图信息齐备的外部设备，多媒体接口卡以及多媒体演示的制作工具等。典型的用途是多媒体应用软件媒体演示的制作工具等。典型的用途是多媒体应用软件的开发，电子出版物的制作，电视节目的编辑和电影特的开发，电子出版物的制作，电视节目的编辑和电影特技镜头的制作等。技镜头的制作等。

演示系统配有音频及视频输入设备以及相应的接口演示系统配有音频及视频输入设备以及相应的接口卡，此外还有简易的多媒体演示节目制作软件，还可能卡，此外还有简易的多媒体演示节目制作软件，还可能需要与网络相连。需要与网络相连。

训练／教育系统，一般在个人计算机上配以训练／教育系统，一般在个人计算机上配以 CDCD －－ROMROM ，，音频接口卡及音响设备。这种系统不具备多媒音频接口卡及音响设备。这种系统不具备多媒体演示节目的制作能力，但可播体演示节目的制作能力，但可播 CDCD －－ ROMROM 上的节目，上的节目，可用于家庭教育及一般训练。可用于家庭教育及一般训练。

家用多媒体播放系统通常配备家用多媒体播放系统通常配备 CDCD －－ ROMROM ，，并采并采用电视机输出。这种系统不具备节目制作能力，除了作用电视机输出。这种系统不具备节目制作能力，除了作为正常电视机使用外，只能播放为正常电视机使用外，只能播放 CDCD －－ ROMROM 上的节目、上的节目、玩电子游戏等。玩电子游戏等。

5252

22．应用实例——视频会议系统．应用实例——视频会议系统 视频会议系统是指具有空间距离的人们使用会议视频会议系统是指具有空间距离的人们使用会议室终端设备，通过通信网络和网络管理部件，相互传室终端设备，通过通信网络和网络管理部件，相互传送实时的活动影像和声音，进行协同工作的系统。处送实时的活动影像和声音，进行协同工作的系统。处在此系统中的每一个人，参加以电视的方式举行的会在此系统中的每一个人，参加以电视的方式举行的会议，在同一块“电子白板”上书写和阅读信息，共同议，在同一块“电子白板”上书写和阅读信息，共同修改计划、图纸等。修改计划、图纸等。

视频会议系统的组成：视频会议系统的组成： （（ 11 ）会议室终端设备是视频会议系统的关键设）会议室终端设备是视频会议系统的关键设

备，设置在各个会议室中一般由多媒体计算机、摄录备，设置在各个会议室中一般由多媒体计算机、摄录像设备和电子白板等组成。其作用：一是采集会议室像设备和电子白板等组成。其作用：一是采集会议室内的视频、音频信号及会议所需信息（如修改的计划内的视频、音频信号及会议所需信息（如修改的计划等），并对其进行编码和压缩；二是对所接收到的视等），并对其进行编码和压缩；二是对所接收到的视频、音频信号进行解压和显示。频、音频信号进行解压和显示。

5353

（（ 22 ）网络系统的作用是保证视频会）网络系统的作用是保证视频会议系统各会议室的视频、音频信息可靠和议系统各会议室的视频、音频信息可靠和高质量传送到所有参加会议的会议室中。高质量传送到所有参加会议的会议室中。

（（ 33 ）通信控制器通常设置在网络结）通信控制器通常设置在网络结点处，其作用是实现音频、视频、数据及点处，其作用是实现音频、视频、数据及信令的混合和切换，但不影响音频和视频信令的混合和切换，但不影响音频和视频等信息的质量。等信息的质量。

5454

1111.5 .5 超级标量处理机、超级流水线处 超级标量处理机、超级流水线处 理机和超长指令字处理机理机和超长指令字处理机 长期以来，计算机设计人员在提高单处理机并行操作长期以来，计算机设计人员在提高单处理机并行操作方面做了大量工作，方面做了大量工作， 2020 世纪世纪 7070年代的向量处理机。年代的向量处理机。 2020世纪世纪 8080年代的年代的 RISCRISC 机反映了这方面的成就。但是还不机反映了这方面的成就。但是还不能突破一个时钟周期完成一条指令的框框。而本节要介绍能突破一个时钟周期完成一条指令的框框。而本节要介绍的的超级标量计算机和超长指令字计算机在一个周期内可流超级标量计算机和超长指令字计算机在一个周期内可流出多条指令。超级流水线以增加流水线级数的方法来缩短出多条指令。超级流水线以增加流水线级数的方法来缩短机器周期。机器周期。 11．超级标量（．超级标量（ Super scalarSuper scalar ））处理机处理机 在超级标量处理机中，在超级标量处理机中，配置了多个功能部件和指令译配置了多个功能部件和指令译码电路，采取了多条流水线，还有多个寄存器端口和总线，码电路，采取了多条流水线，还有多个寄存器端口和总线，因此可以同时执行多个操作，以并行处理来提高机器速度。因此可以同时执行多个操作，以并行处理来提高机器速度。

5555

它可以同时从存储器中取出几条指令，并对它可以同时从存储器中取出几条指令，并对这几条指令进行译码，把能够并行执行的指令同这几条指令进行译码，把能够并行执行的指令同时送入不同的功能部件。例如，时送入不同的功能部件。例如， Intel Intel 80960A80960A 配置 配置 33 条流水线，分别执行整数运算、条流水线，分别执行整数运算、转移处理和访存操作，能同时对四条指令进行泽转移处理和访存操作，能同时对四条指令进行泽码，但最多将码，但最多将 33 条能并行执行的指令分别送入条能并行执行的指令分别送入 33条流水线。条流水线。 超级标量机的硬件是不能重新安排指令的前超级标量机的硬件是不能重新安排指令的前后次序的，但后次序的，但可以在编译程序时采取优化的办法可以在编译程序时采取优化的办法对指令的执行次序进行精心安排，把能并行执行对指令的执行次序进行精心安排，把能并行执行的指令搭配起来。的指令搭配起来。超级标量处理机能与同一系列超级标量处理机能与同一系列的原有机器保持指令兼容。的原有机器保持指令兼容。 19891989 年，年， IntelIntel 公公司宣布了 司宣布了 i80960i80960 处理器，处理器， IBMIBM 公司推出了 公司推出了 Power PCPower PC 处理器。 以上这些芯片都是采用超处理器。 以上这些芯片都是采用超级标量技术的。级标量技术的。

5656

22. . 超级流水线超级流水线 (Super pipeline)(Super pipeline) 处处理机理机 超级流水线处理机的周期比其他机器超级流水线处理机的周期比其他机器短，在短，在 11. 311. 3 （（ dd ））所示的流水线中，周所示的流水线中，周期缩短到期缩短到 11／／ 33 。执行一个操作需要 。执行一个操作需要 33 个个周期，每个周期对一条指令进行译码。与周期，每个周期对一条指令进行译码。与超级标量计算机一样，硬件不能调整指令超级标量计算机一样，硬件不能调整指令的执行顺序，而由编译程序解决优化问题，的执行顺序，而由编译程序解决优化问题，因此这类机器可与同一系列的原有机器的因此这类机器可与同一系列的原有机器的指令系统保持兼容。超级流水线结构的指令系统保持兼容。超级流水线结构的CPUCPU 很少。很少。

5757

33．超长指令字（．超长指令字（ VLIWVLIW ））处理机处理机 VLIWVLIW 是一种单指令流多操作码多数据的系统结构，是一种单指令流多操作码多数据的系统结构，由编译程序在编译时，把多个能并行执行的操作组合在由编译程序在编译时，把多个能并行执行的操作组合在一起，成为一条有多个操作段的超长指令一起，成为一条有多个操作段的超长指令，由这条超长，由这条超长指令控制指令控制 VLIWVLIW 机中多个互相独立工作的功能部件，每机中多个互相独立工作的功能部件，每个操作段控制一个功能部件，个操作段控制一个功能部件，相当于同时执行多条指令。相当于同时执行多条指令。图图 1111．． 55是该机的多操作码指令格式。一条指令的字是该机的多操作码指令格式。一条指令的字长为长为 3232 个字节（个字节（ 256256 位），分成位），分成 77个操作段，每段对个操作段，每段对应应 11 个操作，在每个机器周期（个操作，在每个机器周期（ 4040usus ））可同时向可同时向 66个个功能部件发出功能部件发出 66种操作码，并向种操作码，并向 11 个指令部件发出个指令部件发出 11 个个指令部件操作码或杂操作码。每个功能部件都是按流水指令部件操作码或杂操作码。每个功能部件都是按流水线原理工作的。每个典型操作段中有线原理工作的。每个典型操作段中有 11 个操作码、个操作码、 22 个个源寄存器描述码、源寄存器描述码、 11 个目的寄存器描述码和个目的寄存器描述码和 11 个判定寄个判定寄存器描述码。存器描述码。 VLIWVLIW 的指令不能与以前的机器指令保持兼容。的指令不能与以前的机器指令保持兼容。

5858

1111.6 .6 向量处理机向量处理机 在科学研究和工程设计中的很多应用领域，如空气在科学研究和工程设计中的很多应用领域，如空气动力学、气象学、天体物理学、原子物理和地震学等，动力学、气象学、天体物理学、原子物理和地震学等，需要对巨大的数组进行高精度计算，为此发展了向量处需要对巨大的数组进行高精度计算，为此发展了向量处理机。向量数据是一个含有理机。向量数据是一个含有 NN 个元素的有序数组，个元素的有序数组， NN称为“向量的长度”，向量中的每一个元素是一个标量，称为“向量的长度”，向量中的每一个元素是一个标量，它可以是浮点数、定点数、逻辑值或字符。因此它可以是浮点数、定点数、逻辑值或字符。因此，向量，向量处理机是一种具有向量数据表示，并设置相应的硬件能处理机是一种具有向量数据表示，并设置相应的硬件能对向量的各个元素进行并行处理的处理机。对向量的各个元素进行并行处理的处理机。 向量处理 向量处理机有巨型计算机和向量协处理机两种类型。巨型计算机机有巨型计算机和向量协处理机两种类型。巨型计算机能对巨大的数组进行浮点运算，同时它还是一种可以进能对巨大的数组进行浮点运算，同时它还是一种可以进行标量计算和一般数据处理的通用计算机。向量协处理行标量计算和一般数据处理的通用计算机。向量协处理机专门用于向量计算，它不是一台独立的计算机，需要机专门用于向量计算，它不是一台独立的计算机，需要联到另外一台通用计算机上。联到另外一台通用计算机上。

5959

11．巨型计算机．巨型计算机 为了进行向量计算，在为了进行向量计算，在 2020 世纪世纪 6060年代末、年代末、 2020 世世纪纪 7070年代初曾发展了两种巨型机系统（流水线处理机年代初曾发展了两种巨型机系统（流水线处理机和并行处理机）。由于流水线处理机发展得快，因此现和并行处理机）。由于流水线处理机发展得快，因此现在的向量处理机即是指采用运算流水线的处理机，当它在的向量处理机即是指采用运算流水线的处理机，当它处理一个数组时，对向量中的每个元素执行相同的操作，处理一个数组时，对向量中的每个元素执行相同的操作，而且各元素间是互相无关的，因此流水线就能以每个时而且各元素间是互相无关的，因此流水线就能以每个时钟送出一个结果的速度运行。为了存储系统能及时提供钟送出一个结果的速度运行。为了存储系统能及时提供元素，向量处理机配有一个大容量的、分成多个模块交元素，向量处理机配有一个大容量的、分成多个模块交叉工作的主存储器。叉工作的主存储器。 为了提高运算速度，在向量处理机的运算部件中可为了提高运算速度，在向量处理机的运算部件中可采用多个功能部件，如 有向量部件、浮点部件、标量部采用多个功能部件，如 有向量部件、浮点部件、标量部件和地址部件（计算地址）。件和地址部件（计算地址）。

6060

22．向量协处理机．向量协处理机 在主机上连接专门处理浮点和向量运算的数在主机上连接专门处理浮点和向量运算的数组处理机。在这种系统中，主机管理整个系 统，组处理机。在这种系统中，主机管理整个系 统，控制全部输入输出操作。控制全部输入输出操作。 数组处理机为了提高运算速度，除了采用高数组处理机为了提高运算速度，除了采用高速器件以外，在系统硬件结构上还可采取下列并速器件以外，在系统硬件结构上还可采取下列并行工作的措施：行工作的措施： （（ ll ））流水线和多功能部件；流水线和多功能部件； （（ 22 ）多个存储器；）多个存储器； （（ 33 ）多个缓冲寄存器；）多个缓冲寄存器； （（ 44 ）并行的数据通路，设置有多套可同时）并行的数据通路，设置有多套可同时工作的内部总线。工作的内部总线。

6161

1111.7 .7 阵列处理机和多处理机系统阵列处理机和多处理机系统 在本章前面几节中讲到的计算机系统均属于在本章前面几节中讲到的计算机系统均属于SISDSISD 系统。在有些系统中还采用了并行处理技术，系统。在有些系统中还采用了并行处理技术，提高了速度，但由于并行度并不高，所以提高的速提高了速度，但由于并行度并不高，所以提高的速度受到限制。度受到限制。 目前至少有以下几种高度并行的计算机系统：目前至少有以下几种高度并行的计算机系统： （（ 11 ） ） SIMDSIMD 并行处理机，又叫阵列处理机并行处理机，又叫阵列处理机（（ array processorarray processor ）。）。在这种计算机系统中在这种计算机系统中有多个处理单元（执行部件），但只有一个控制部有多个处理单元（执行部件），但只有一个控制部件，所有处理单元在同一时刻执行同一条指令、处件，所有处理单元在同一时刻执行同一条指令、处理不同的数据。 理不同的数据。

6262

（（ 22 ） ） MIMDMIMD 多处理机，由多台处理机组多处理机，由多台处理机组成，每台处理机可分别执行各自的指令和数据。成，每台处理机可分别执行各自的指令和数据。处理机之间的互连网络通常用来在处理机同存处理机之间的互连网络通常用来在处理机同存储器之间传送信息。储器之间传送信息。

（（ 33 ））数据流计算机数据流计算机。传统的冯。传统的冯 ·· 诺依曼诺依曼计算机在执行程序时必须按程序指定的地址逐计算机在执行程序时必须按程序指定的地址逐条从存储器中取出指令并执行之，这种方法称条从存储器中取出指令并执行之，这种方法称为“控制流计算机法”。数据流计算机打破了为“控制流计算机法”。数据流计算机打破了必须按预先规定的序列执行程序的框框，一个必须按预先规定的序列执行程序的框框，一个操作，只要它所需的操作数已到齐，且功能部操作，只要它所需的操作数已到齐，且功能部件有空，即可执行，而不管它次序的先后，这件有空，即可执行，而不管它次序的先后，这样可尽量挖掘计算的并行性。样可尽量挖掘计算的并行性。

6363

容错计算机容错计算机 容错计算机是高可靠性计算机，当其硬件在一定范围容错计算机是高可靠性计算机，当其硬件在一定范围内发生固定性故障或偶然性差错时，该系统能自动采取一内发生固定性故障或偶然性差错时，该系统能自动采取一些措施，保证计算机继续运行。要使计算机具有这种能力，些措施，保证计算机继续运行。要使计算机具有这种能力，基本的方法是采用冗余技术，即在计算机内设置一些在正基本的方法是采用冗余技术，即在计算机内设置一些在正常运行时并不一定必须的设备或部件，让两个或两个以上常运行时并不一定必须的设备或部件，让两个或两个以上的设备或部件完成同一功能或互相作备份。容错计算机应的设备或部件完成同一功能或互相作备份。容错计算机应用于航空航天、电话交换、工业控制以及银行金融业务等用于航空航天、电话交换、工业控制以及银行金融业务等联机事务处理系统中。目前容错计算机大多采用多处理机联机事务处理系统中。目前容错计算机大多采用多处理机系统实现，又可分为各处理机运行不同的程序和运行相同系统实现，又可分为各处理机运行不同的程序和运行相同的程序两类。当容错计算机系统由两台处理机构成时，上的程序两类。当容错计算机系统由两台处理机构成时，上述两类系统分别称为“双机系统”和“双工系统”。述两类系统分别称为“双机系统”和“双工系统”。 （（ ll ））双机系统双机系统 两台处理机各有自身的存储器运行不同的程序，其中两台处理机各有自身的存储器运行不同的程序，其中一台是主处理机，另一台是备份处理机。一台是主处理机，另一台是备份处理机。

6464

主处理机运行程序，每隔一定时间，设置一个检查点，主处理机运行程序，每隔一定时间，设置一个检查点，把一些关键数据拷贝到备份处理机的存储器中。一旦主处把一些关键数据拷贝到备份处理机的存储器中。一旦主处理机发生故障不能继续工作，由备份处理机接替工作。主理机发生故障不能继续工作，由备份处理机接替工作。主处理机在 每个检查点处传送给备份处理机的数据应足以处理机在 每个检查点处传送给备份处理机的数据应足以保证备份处理机可从最近的一个检查点开始执行主处理机保证备份处理机可从最近的一个检查点开始执行主处理机中止的程序。备份处理机平时可执行其他程序。双机系统中止的程序。备份处理机平时可执行其他程序。双机系统有时被称为“冷备份系统”，在作控制使用时，主处理机有时被称为“冷备份系统”，在作控制使用时，主处理机用于在线控制，备份处理机用作离线计算。用于在线控制，备份处理机用作离线计算。 （（ 22 ）双工系统）双工系统 两台处理机同时接收相同的输入数据，执行相同的程两台处理机同时接收相同的输入数据，执行相同的程序，但只有主处理机输出数据，一般设置一套开关部件控序，但只有主处理机输出数据，一般设置一套开关部件控制主处理机输出。如主处理机发生故障，备份处理机可立制主处理机输出。如主处理机发生故障，备份处理机可立即接替主处理机继续工作，其速度比双机系统快得多。因即接替主处理机继续工作，其速度比双机系统快得多。因为不必返回到检查点执行程序，并立即由备份处理机输出为不必返回到检查点执行程序，并立即由备份处理机输出数据，而原来的主处理机脱离系统进行维修。双工系统通数据，而原来的主处理机脱离系统进行维修。双工系统通常称为“热备份系统”。常称为“热备份系统”。

6565

1111.8 .8 计算机网络计算机网络1111.8..8.1 1 什么是计算机网络什么是计算机网络 计算机技术和通信技术的结合，产生了计算机计算机技术和通信技术的结合，产生了计算机

网络。网络。 凡是地理位置不同，并具有独立功能的多个计凡是地理位置不同，并具有独立功能的多个计

算机系统，通过通信设备和线路互相连接起来，算机系统，通过通信设备和线路互相连接起来，并配以功能完善的网络软件，实现资源共享的系并配以功能完善的网络软件，实现资源共享的系统，称为“计算机网络”。这里所说的资源可以统，称为“计算机网络”。这里所说的资源可以是信息、计算机、磁盘驱动器、打印机以及各种是信息、计算机、磁盘驱动器、打印机以及各种软件等；连接的介质可以是双绞线、同轴电缆、软件等；连接的介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤等有线信道，也可以是微波和卫星实现的无光纤等有线信道，也可以是微波和卫星实现的无线通道。这种介质可以是为计算机网络专设的，线通道。这种介质可以是为计算机网络专设的，也可以使用电话线（拨号或租用）等。也可以使用电话线（拨号或租用）等。

6666

按照网络内连接的计算机的地域覆盖范围，可将网络按照网络内连接的计算机的地域覆盖范围，可将网络分成局域网、城域网和广域网。分成局域网、城域网和广域网。

（（ 11 ））局域网（局域网（ Local Area NetworkLocal Area Network ，，简称 简称 LANLAN ））

局域网的特点如下：局域网的特点如下： ① ①网内所有计算机之间的距离比较短，一般在网内所有计算机之间的距离比较短，一般在

2.52.5kmkm 之内；之内； ② ②数据传送速率高，通常数据传送速率高，通常 11秒钟能传送秒钟能传送 0.10.1MbMb ～～

100Mb100Mb ③ ③整个网络为一个单位所拥有，可以把本单位的整个网络为一个单位所拥有，可以把本单位的

计算机都连接起来，达到软、硬件资源和信息资源共享计算机都连接起来，达到软、硬件资源和信息资源共享的目的。的目的。

（（ 22 ）城域网（）城域网（ metropolitan area metropolitan area networknetwork ，，简称 简称 MANMAN ））

城域网的特点如下：城域网的特点如下：

6767

① ①网内计算机之间的距离比网内计算机之间的距离比 LANLAN长，最长为长，最长为 1010kmkm左右；左右；

② ②数据传送速率为数据传送速率为 5050MbMb ／／ ss 左右。左右。 （（ 33 ）广域网（）广域网（ Wide Area NetworkWide Area Network ，，简称 简称

WANWAN ）） 广域网的特点如下：广域网的特点如下： ① ①通过通信线路（专用线、电话线或卫星）将远距通过通信线路（专用线、电话线或卫星）将远距离的计算机连接起来，传送距离一般在几十公里到几千离的计算机连接起来，传送距离一般在几十公里到几千公里之间；公里之间；

② ②传送速率低，一般在传送速率低，一般在 0.10.1MbMb ／／ ss 左右。左右。

1111.8.2 .8.2 网络的组成网络的组成 在局域网系统中，通常在计算机（大部分为微机）中在局域网系统中，通常在计算机（大部分为微机）中插入一块网络接口板（或称网卡），例如：插入一块网络接口板（或称网卡），例如： 33COMCOM 公司公司的的 33C50XC50X 系列“以太网卡”或系列“以太网卡”或 NOVELLNOVELL 公司的公司的NE2000NE2000 系列“以太网卡”，再接上传输线就可实现计系列“以太网卡”，再接上传输线就可实现计算机联网了。传输线通常采用同轴电缆或双绞线。算机联网了。传输线通常采用同轴电缆或双绞线。

6868

在广域网中，除了在用户的主机中插入一块在广域网中，除了在用户的主机中插入一块网络接口板外，往往还配置通信处理机，作为数网络接口板外，往往还配置通信处理机，作为数据转发部件。每个通信处理机内可以有据转发部件。每个通信处理机内可以有 88、、 1616甚至甚至 6464 个通信接口与主机或其他通信处理机相个通信接口与主机或其他通信处理机相连。连接方式可以有“有线”和“无线”两种方连。连接方式可以有“有线”和“无线”两种方式，分别通过专线、电话线或发射微波通过卫星式，分别通过专线、电话线或发射微波通过卫星传输数据。传输数据。

大多数局域网采用广播通信方式，所有主机大多数局域网采用广播通信方式，所有主机通过网络接口板都连到总线上，如图 通过网络接口板都连到总线上，如图 1111.22.22 所所示。示。

任意一台主机发出的报文都送到总线上，可被网络任意一台主机发出的报文都送到总线上，可被网络上的其他任一台主机接收，报文内含有发送报文的主机上的其他任一台主机接收，报文内含有发送报文的主机地址和接收报文的主机地址，每台主机通过分析报文中地址和接收报文的主机地址，每台主机通过分析报文中的地址，以决定是否接收总线上从其他主机发来的报文。的地址，以决定是否接收总线上从其他主机发来的报文。

6969

另外，用发射微波或通过卫星传送数据，就另外，用发射微波或通过卫星传送数据，就是一般所说的广播通信方式。是一般所说的广播通信方式。

当传输的数据量较大时，将长时间占用通信当传输的数据量较大时，将长时间占用通信线路，就可能会延误其他计算机传送数据，为此线路，就可能会延误其他计算机传送数据，为此限制计算机每次所能传输的数据量。这一种称为限制计算机每次所能传输的数据量。这一种称为“分组交换’‘的思想是在“分组交换’‘的思想是在 2020 世纪世纪 6060年代提年代提出来的，每次所能传送数据的单位称为一个分组。出来的，每次所能传送数据的单位称为一个分组。当计算机传送完一个分组后，如果线路上有其他当计算机传送完一个分组后，如果线路上有其他计算机请求传送时，则让所有请求传送的计算机计算机请求传送时，则让所有请求传送的计算机轮流发送分组。其结果是，短的信息无需等待长轮流发送分组。其结果是，短的信息无需等待长信息发送结束，就可以发送出去了。信息发送结束，就可以发送出去了。

当今世界上存在着数量极为庞大的各种类型当今世界上存在着数量极为庞大的各种类型计算机网络，如何实现各个不同网络之间的计算计算机网络，如何实现各个不同网络之间的计算机通信问题很自然地被提出来了，因特网机通信问题很自然地被提出来了，因特网InternetInternet 可解决这个问题。可解决这个问题。

7070

InternetInternet 提供了一种互连任意网络的机制和在网络提供了一种互连任意网络的机制和在网络间传输数据的软件。网络间使用一台专用计算机互连，该间传输数据的软件。网络间使用一台专用计算机互连，该专用计算机称为路由器，用于选择数据传送的路径。 专用计算机称为路由器，用于选择数据传送的路径。

常用的网络传输线有双绞线、同轴电缆和光缆。常用的网络传输线有双绞线、同轴电缆和光缆。 （（ 11 ）双绞线。双绞线是把两根分别包有绝缘层的铜）双绞线。双绞线是把两根分别包有绝缘层的铜

线绞在一起。大楼内的电话线通常是双绞线。线绞在一起。大楼内的电话线通常是双绞线。 （（ 22 ）同轴电缆。同轴电缆中间的铜线是信号线，在）同轴电缆。同轴电缆中间的铜线是信号线，在

其周围是以信号线为轴心的用铜丝编织而成的地线，信号其周围是以信号线为轴心的用铜丝编织而成的地线，信号线与地线之间为绝缘层。这种线的抗干扰能力强，信号失线与地线之间为绝缘层。这种线的抗干扰能力强，信号失真小。“以太网”通常用同轴电缆。真小。“以太网”通常用同轴电缆。

（（ 33 ）光缆。光缆是由超细玻璃丝或熔硅纤维制成的）光缆。光缆是由超细玻璃丝或熔硅纤维制成的线。光传输系统由三部分组成：①传输介质（传输线）为线。光传输系统由三部分组成：①传输介质（传输线）为光缆；②光源是发光二极管光缆；②光源是发光二极管 LEDLED 或激光二极管，前者的或激光二极管，前者的传输距离为几公里，后者可达传输距离为几公里，后者可达 100100kmkm ③；③； 接收信号的检接收信号的检测器利用光电二极管检测信号。测器利用光电二极管检测信号。

7171

1111.8.3 .8.3 网络协议网络协议 1· 1· ISOISO ／／ OSIOSI参考模型参考模型 为了将不同类型、不同操作系统的计算机互连起来形为了将不同类型、不同操作系统的计算机互连起来形

成计算机网络，实现资源共享，需要有一个共同遵守的成计算机网络，实现资源共享，需要有一个共同遵守的标准或协议。国际标准化组织标准或协议。国际标准化组织 ISOISO 提出了“开放系统提出了“开放系统互连基本参考模型”—— 互连基本参考模型”—— OSIOSI （（ Open System Open System InterInter －－ ConnectionConnection －－ basic reference basic reference modelmodel ），），即 即 ISOISO ／／ OSIOSI参考模型，如图 参考模型，如图 1111． ． 2424 所示。 所示。

该模型将网络功能分成应用层、表示层、会话层、传该模型将网络功能分成应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层和物理层共输层、网络层、链路层和物理层共 77个层次。其最高层个层次。其最高层（应用层）是人与网络系统的接口，其任务是向用户提（应用层）是人与网络系统的接口，其任务是向用户提供各种服务。例如，文件服务、共享打印机服务和电子供各种服务。例如，文件服务、共享打印机服务和电子邮件等。今将以上三项服务简介如下：设邮件等。今将以上三项服务简介如下：设 AA ，， BB 是网是网络上的两台计算机。如络上的两台计算机。如 AA 机想阅读机想阅读 BB 机上的文件，则机上的文件，则利用应用层的文件服务软件，按照协议的规定进行操作，利用应用层的文件服务软件，按照协议的规定进行操作，即可自动将指定的文件从即可自动将指定的文件从 BB 机传送到机传送到 AA 机，这就是一机，这就是一种文件服务。种文件服务。

7272

共享打印机服务指的是网络上某台计算机（一般共享打印机服务指的是网络上某台计算机（一般为服务器）的打印机可被其他计算机共享。电子为服务器）的打印机可被其他计算机共享。电子邮件指的是在网络上计算机之间传送信件。邮件指的是在网络上计算机之间传送信件。

网络的最低层为物理层，由硬件（网络接口或网络的最低层为物理层，由硬件（网络接口或RS232RS232 接口等）实现计算机之间的数据传送。接口等）实现计算机之间的数据传送。数据以二进制位流或字符流的形式组成。数据以二进制位流或字符流的形式组成。

在物理层和应用层之间的表示层、会话层、传输在物理层和应用层之间的表示层、会话层、传输层、网络层、链路层则用来解决两台计算机之间层、网络层、链路层则用来解决两台计算机之间传送数据时产生的问题。例如，两台计算机的硬传送数据时产生的问题。例如，两台计算机的硬件或操作系统可能是完全不同的，相互之间如何件或操作系统可能是完全不同的，相互之间如何进行操作；要传送的数据量很大，如何将它们分进行操作；要传送的数据量很大，如何将它们分段后再传送；如何检查传送过来的数据是否有错，段后再传送；如何检查传送过来的数据是否有错，等等。等等。

7373

ISOISO ／／ OSIOSI参考模型对每一层规定了需要遵守的约定参考模型对每一层规定了需要遵守的约定和规则（称为协议），不同的计算机遵循同一协议，就和规则（称为协议），不同的计算机遵循同一协议，就可以在网络上运行了。假设可以在网络上运行了。假设 AA 机要向机要向 BB 机传送文件，机传送文件，则在则在 AA 机的应用层提出服务要求并将此要求传送到本机机的应用层提出服务要求并将此要求传送到本机的表示层（应用层、表示层实际上都是在机器中的软件的表示层（应用层、表示层实际上都是在机器中的软件模块）由于两台机器的数据编码、文件格式等表示方法模块）由于两台机器的数据编码、文件格式等表示方法可能各不相同，在表示层要对用户信息进行分析，重新可能各不相同，在表示层要对用户信息进行分析，重新编码，编成网络中所用的统一编码，然后将信息传到会编码，编成网络中所用的统一编码，然后将信息传到会活层。在会话层对信息进行管理和同步控制，例如：传活层。在会话层对信息进行管理和同步控制，例如：传送的文件比较长，网络的质量比较差，传送过程中总是送的文件比较长，网络的质量比较差，传送过程中总是有错；传送出错，就要求整个文件重传，这样一来，这有错；传送出错，就要求整个文件重传，这样一来，这个文件就可能永远传不过去了。会话层协议提出了一个个文件就可能永远传不过去了。会话层协议提出了一个解决的方法，即在数据流中插入若干个检测点，如检测解决的方法，即在数据流中插入若干个检测点，如检测到错误，只需要重传两个检测点之间的数据，这样就有到错误，只需要重传两个检测点之间的数据，这样就有可能将文件传送过去了。传输层接收会话层送来的信息，可能将文件传送过去了。传输层接收会话层送来的信息，可以是一个长文件，如有必要，可将它分成几个“报可以是一个长文件，如有必要，可将它分成几个“报文”，然后将“报文”递交给网络层。文”，然后将“报文”递交给网络层。

7474

网络层将报文再分成若干个“分组”，并选择传输路径网络层将报文再分成若干个“分组”，并选择传输路径（称为“路由选择”），然后将“分组”送到链路层。（称为“路由选择”），然后将“分组”送到链路层。链路层将分组分成更小的帧，然后通过物理层进行传送。链路层将分组分成更小的帧，然后通过物理层进行传送。

在接收方，数据接收在物理层，然后一层一层向上传送，在接收方，数据接收在物理层，然后一层一层向上传送，在链路层处理帧传输中的差错，在网络层将帧重新组成在链路层处理帧传输中的差错，在网络层将帧重新组成“分组”，在传输层将“分组”组成“报文”，并检查“分组”，在传输层将“分组”组成“报文”，并检查报文是否有错。如有错，要求对方重发，将正确的报文报文是否有错。如有错，要求对方重发，将正确的报文传给会话层，撤去检测信息。在表示层将信息从网络的传给会话层，撤去检测信息。在表示层将信息从网络的统一编码形式转换成本机（统一编码形式转换成本机（ BB 机）的编码，然后就可在机）的编码，然后就可在应用层实现服务。应用层实现服务。

以上这些过程都是由网络的软、硬件自动完成的，以上这些过程都是由网络的软、硬件自动完成的，用户不必为之费心，实际应用的网也不见得能将层次划用户不必为之费心，实际应用的网也不见得能将层次划分得很清楚，在这里仅是简单描述一个大致过程而已。分得很清楚，在这里仅是简单描述一个大致过程而已。

7575

22 ．． TCPTCP ／／ IPIP TCP/IPTCP/IP 是网络之间进行互联的协议（网际互联协是网络之间进行互联的协议（网际互联协议）。美国国家科学基金会（议）。美国国家科学基金会（ NSFNSF ）、）、能源部、国家能源部、国家航空宇航局（航空宇航局（ NASANASA ））都使用都使用 TCPTCP ／／ IPIP把他们下属把他们下属的许多单位的网络联接起来。的许多单位的网络联接起来。 TCPTCP ／／ IPIP 最早（最早（ 19691969年）是在年）是在 ARPANETARPANET 网络上使用的。网络上使用的。

IPIP 提供一种网际通用地址格式，在网络中心的统一管提供一种网际通用地址格式，在网络中心的统一管理下对网络上的主机进行地址分配，保证一个地址对应理下对网络上的主机进行地址分配，保证一个地址对应一台网际主机，叫做一台网际主机，叫做 IPIP地址。地址。

TCPTCP ／／ IPIP模型分模型分 44 个层次：应用层、传输层、网络个层次：应用层、传输层、网络层和物理层。层和物理层。

（（ 11 ）应用层：向用户提供应用程序，例如电子邮件、）应用层：向用户提供应用程序，例如电子邮件、文件传输访问等。每个应用程序，根据应用层协议选用文件传输访问等。每个应用程序，根据应用层协议选用数据格式，形成报文，递交给传输层。或接收传输层发数据格式，形成报文，递交给传输层。或接收传输层发来的报文。来的报文。

7676

（（ 22 ）传输层（）传输层（ TCPTCP传输控制协议）：传输层提供应传输控制协议）：传输层提供应用程序之间的通信，确保传输可靠。用程序之间的通信，确保传输可靠。

传输层对应用层传递下来的报文进行分组，并在分组传输层对应用层传递下来的报文进行分组，并在分组中增加发送端和接收端的标识码以及校验码，接收端以中增加发送端和接收端的标识码以及校验码，接收端以此来校验分组的正确性。此来校验分组的正确性。

传输层接收从网络层传来的分组时，必须发回确认信传输层接收从网络层传来的分组时，必须发回确认信息，如发现传输有错，则要求发送端重发该分组。息，如发现传输有错，则要求发送端重发该分组。

（（ 33 ）网络层（）网络层（ IPIP 网间协议）： 网间协议）： IPIP 的基本任务是传的基本任务是传送数据报。当收到传输层发来的请求发送的报文分组时，送数据报。当收到传输层发来的请求发送的报文分组时，IPIP层将该报文分组封装在一个层将该报文分组封装在一个 IPIP 数据报中，再填好数数据报中，再填好数据报报头，并确定该数据报是否送到本网络的计算机中。据报报头，并确定该数据报是否送到本网络的计算机中。若是，直接送往，否则送到本网络的路由器，由路由器若是，直接送往，否则送到本网络的路由器，由路由器转发。转发。

IPIP接收到物理层送来的数据报时，则递交给传输层。接收到物理层送来的数据报时，则递交给传输层。 （（ 44 ）物理层：由硬件实现数据的传送。）物理层：由硬件实现数据的传送。

7777

1111.8.4 Internet.8.4 Internet （（因特网）因特网） InternetInternet 是是 2020 世纪世纪 8080年代兴起的一个互联网络，年代兴起的一个互联网络，

是目前世界上发展最快、用户最多的互联网络。它将世是目前世界上发展最快、用户最多的互联网络。它将世界各国形形式式的网络通过路由器联接起来，而形成一界各国形形式式的网络通过路由器联接起来，而形成一个全球性的大网。个全球性的大网。 InternetInternet 网使用的是网使用的是 TCPTCP ／／ IPIP协议，数据报以分组形式传递。每个连入协议，数据报以分组形式传递。每个连入 InternetInternet 的的计算机（包括路由器）都被分配一个计算机（包括路由器）都被分配一个 IPIP地址，这个地地址，这个地址是全球唯一的。址是全球唯一的。

1· 1· IPIP地址地址 TCPTCP ／／ IPIP 协议规定，每台联到协议规定，每台联到 InternetInternet 的主机的主机地址长地址长 44字节（字节（ 3232位），用点号分隔的位），用点号分隔的 44 个十进制数个十进制数表示。例如，表示。例如， 166·111·16·5166·111·16·5是某台特定计算机的是某台特定计算机的IPIP地址。地址。

与与 IPIP地址相比较，人们更偏爱使用字母表示计算机地址相比较，人们更偏爱使用字母表示计算机地址。地址。 InternetInternet允许用户为自己的计算机命名，并用允许用户为自己的计算机命名，并用此名字来代替其此名字来代替其 IPIP地址；同时地址；同时 InternetInternet 提供了一种提供了一种服务：自动将计算机名字翻译成十进制数字表示的服务：自动将计算机名字翻译成十进制数字表示的 IPIP地址。地址。

7878

计算机的名字也应该是唯一的，否则就不能把该计计算机的名字也应该是唯一的，否则就不能把该计算机和其他计算机区别开来。为了使名字唯算机和其他计算机区别开来。为了使名字唯一，一， InternetInternet 的命名机制规定：一台计算机的全名由的命名机制规定：一台计算机的全名由其局部名字加上后缀组成。例如，其局部名字加上后缀组成。例如， InternetInternet管理机构管理机构认为清华大学是中国的一个教育单位，因而清华大学所认为清华大学是中国的一个教育单位，因而清华大学所有计算机的名字都具有如下后缀：有计算机的名字都具有如下后缀：

tsinghuatsinghua ．． eduedu ．． cn cn 其中，其中， tsinghuatsinghua 为为清华大学校名，清华大学校名， eduedu 为教育，为教育， cncn 为中国。假如某一为中国。假如某一公司名也为公司名也为 tsinrtuatsinrtua ，，则其计算机名字的后缀为： 则其计算机名字的后缀为： tsinghuatsinghua ．． comcom ．． cn cn 其中，其中， comcom表示公司。表示公司。

一旦一旦 InternetInternet 将一个后缀给一个组织以后，该组将一个后缀给一个组织以后，该组织可以在名字中增加其他部分。通常计算机的全名包括织可以在名字中增加其他部分。通常计算机的全名包括计算机名、部门名和后缀。因此假如清华大学计算机科计算机名、部门名和后缀。因此假如清华大学计算机科学和工程系有一台名为学和工程系有一台名为 StarStar 的计算机，其全名为：的计算机，其全名为：

StarStar ． ． cscs ． ． tsinghuatsinghua ． ． eduedu ． ． on on 其中，其中， CSCS表示计算机科学和工程系。表示计算机科学和工程系。

7979

上面讨论的名字称为领域名字，上面讨论的名字称为领域名字， InternetInternet 提供了提供了一种自动将领域名字翻译成一种自动将领域名字翻译成 IPIP地址的服务。地址的服务。

IPIP地址与电话号码相似，全世界的电话号也是唯一地址与电话号码相似，全世界的电话号也是唯一的。尽管计算机全名和其的。尽管计算机全名和其 IPIP地址都是用句点分隔的字地址都是用句点分隔的字母或数字串组成的，但计算机全名中的任一部分与母或数字串组成的，但计算机全名中的任一部分与 IPIP地址中的任一部分没有直接关系，就像人名中的字母与地址中的任一部分没有直接关系，就像人名中的字母与其电话号码中的数字没有关系一样。其电话号码中的数字没有关系一样。

2·2·InternetInternet 提供的服务提供的服务 下面介绍下面介绍 InternetInternet 提供的几种服务。提供的几种服务。 （ （ ll ））电子邮件（电子邮件（ EE －－ mailmail ）） 电子邮件最初是用来实现两个人通过计算机进行通电子邮件最初是用来实现两个人通过计算机进行通

信的一种机制。信的一种机制。 电子邮件的每个用户都有一个电子邮件的每个用户都有一个 EE －－ mailmail 信箱，通信箱，通

常是硬盘上的一块存储区，存放已收到但用户还未阅读常是硬盘上的一块存储区，存放已收到但用户还未阅读的信息。另外信箱所在的计算机还必须运行的信息。另外信箱所在的计算机还必须运行 EE －－ mailmail软件。软件。

8080

享受电子邮件服务的每个用户必须有一个唯一地址享受电子邮件服务的每个用户必须有一个唯一地址标识的信箱，任何知道信箱地址的用户都可以通过标识的信箱，任何知道信箱地址的用户都可以通过InternetInternet 向该信箱的主人发送信件，但只有信箱主人向该信箱的主人发送信件，但只有信箱主人可以查看和删除信件。可以查看和删除信件。

连接到 连接到 InternetInternet 上的计算机必须有上的计算机必须有 EE －－ mailmail 软软件才能发送和接收电子邮件。件才能发送和接收电子邮件。 EE －－ mailmail 软件允许用户软件允许用户编辑和发送电子邮件，阅读、删除或发回信。编辑和发送电子邮件，阅读、删除或发回信。

EE －－ mailmail 的地址表示如下：的地址表示如下： WangWang ＠＠ starstar ．． cscs ．． tsinghuatsinghua ．． eduedu ．． cncn 其中，＠的左边是发信人或收信人的名字，＠的右边是其中，＠的左边是发信人或收信人的名字，＠的右边是

计算机的全名（域名）。计算机的全名（域名）。 （（ 22 ）文件传输（）文件传输（ FTPFTP ）） FTPFTP主要用于客户机一服务器方式：用户可以把主要用于客户机一服务器方式：用户可以把

自己的文件送到服务器硬盘上，以供其他用户使用，也自己的文件送到服务器硬盘上，以供其他用户使用，也可以从服务器上下载自己感兴趣的文件。可以从服务器上下载自己感兴趣的文件。 FTPFTP主要用主要用于论文和无版权软件的交流。于论文和无版权软件的交流。

8181

CERNETCERNET （（中国教育科研网）有许多中国教育科研网）有许多FTPFTP 服务器地址，例如： 服务器地址，例如： CERNETCERNET 网络中心：网络中心：

ftpftp ：／／：／／ ftp· net· edu·ftp· net· edu· 。。 nn ／／ 清华大学：清华大学： ftp://ftp· tsinghua· edu· ftp://ftp· tsinghua· edu·

onon ／／ （（ 33 ）远程登录（）远程登录（ TelnetTelnet ）） TelnetTelnet 是一种极有用的联机手段：许多是一种极有用的联机手段：许多

网络服务，比如电子公告板网络服务，比如电子公告板 BBSBBS ，，就是通过就是通过TelnetTelnet 功能实现的，网络用户可以通过 功能实现的，网络用户可以通过 TelnetTelnet 软件使自己的计算机与网上的一个服务软件使自己的计算机与网上的一个服务器相联，使自己的计算机就像服务器的一个终端器相联，使自己的计算机就像服务器的一个终端一样使用。一样使用。

8282

（（ 44 ）电子公告板）电子公告板 BBSBBS 电子公告板是电子公告板是 InternetInternet 网提供的一种极为方便的网提供的一种极为方便的服务。电子公告板实际上是网络上运行有公告板软件的网服务。电子公告板实际上是网络上运行有公告板软件的网络服务器，网络用户可以通过络服务器，网络用户可以通过 TelnetTelnet 等方式与这个服务等方式与这个服务器相联，并按照公告板的提示进行各种操作。目前 器相联，并按照公告板的提示进行各种操作。目前 CERNETCERNET 上有多个电子公告板。例如，清华大学 上有多个电子公告板。例如，清华大学 BBSBBS

的地址为 的地址为 telnettelnet ：／／：／／ bbs· tsinghua· edu·cnbbs· tsinghua· edu·cn／／用户可以自由地登录到不同地区的 用户可以自由地登录到不同地区的 BBSBBS 上，与那里的用上，与那里的用户讨论问题。 户讨论问题。 BBSBBS 一般分为若干个讨论区，每个讨论区一般分为若干个讨论区，每个讨论区都有指定的人员管理。讨论区有时也称为“信区”，网络都有指定的人员管理。讨论区有时也称为“信区”，网络用户可以在他感兴趣的信区阅读文章，发表见解。用户可以在他感兴趣的信区阅读文章，发表见解。

（（ 55） ） InternetInternet 信息创览信息创览 GopherGopher 是是 InternetInternet 网提供的一种信息浏览工具。网提供的一种信息浏览工具。

在网上有很多在网上有很多 GopherGopher服务器，这些服务器上存储了大服务器，这些服务器上存储了大量信息供网络用户使用。例如，量信息供网络用户使用。例如， CERNETCERNET 网络中心网络中心GopherGopher服务器的地址为：服务器的地址为：

8383

Gopher://gopher· net· edu· cnGopher://gopher· net· edu· cn ／／ GopherGopher 服务是一种交互式、菜单驱动的服务是一种交互式、菜单驱动的浏览器。当 浏览器。当 GopherGopher 运行时，它会显示一个供运行时，它会显示一个供用户选择的菜单，其中选择项为一些短句。这个用户选择的菜单，其中选择项为一些短句。这个短句通常指向另一个菜单，而这些菜单最终将指短句通常指向另一个菜单，而这些菜单最终将指向一些有用的文件。向一些有用的文件。

GopherGopher 服务就像一个帮助用户在服务就像一个帮助用户在InternetInternet 信息海洋中搜索有用信息的导航器。信息海洋中搜索有用信息的导航器。用户只要关心测览的内容，不必关心下一个菜单用户只要关心测览的内容，不必关心下一个菜单在哪一个在哪一个 GopherGopher 服务器上。服务器上。 GopherGopher 完全隐完全隐藏了计算机边界，从而使存储于许多计算机中的藏了计算机边界，从而使存储于许多计算机中的信息成为一个集成化菜单系统的一部分。信息成为一个集成化菜单系统的一部分。

8484

（（ 66）全球网）全球网 WWWWWW 全球网（全球网（ World Wide WebWorld Wide Web ））是目前是目前

InternetInternet 网上最为先进的、交互性最好的信息检索工具。网上最为先进的、交互性最好的信息检索工具。在使用在使用 WWWWWW 时，常会遇到一些新的术语，现加以简要时，常会遇到一些新的术语，现加以简要介绍。介绍。

① ①超文本和超媒体。超文本和超媒体。 通常在运行程序时，屏幕上显示的内容可以是菜单，通常在运行程序时，屏幕上显示的内容可以是菜单，

也可以是信息，但不会将菜单和信息显示在同一屏幕上。也可以是信息，但不会将菜单和信息显示在同一屏幕上。实际是：用户先例览整个菜单系统，选择某单上某一项后，实际是：用户先例览整个菜单系统，选择某单上某一项后，某单将从屏幕上消失，替代它的是一个文档信息。当用户某单将从屏幕上消失，替代它的是一个文档信息。当用户阅读了文档信息后再次选择洲览菜单的功能时，菜单将再阅读了文档信息后再次选择洲览菜单的功能时，菜单将再次出现，并覆盖原先的文档。次出现，并覆盖原先的文档。

超文本则将菜单项直接嵌入到文本之中，对文本中的超文本则将菜单项直接嵌入到文本之中，对文本中的若干处用下划线作出标记，下划线上面的内容就是可供用若干处用下划线作出标记，下划线上面的内容就是可供用户选择的条目，相当于某单项。如果用户对其中的某条目户选择的条目，相当于某单项。如果用户对其中的某条目的意义不清楚，而需进一步查阅该条目的内容时，可直接的意义不清楚，而需进一步查阅该条目的内容时，可直接从文本中选择这一条目，并且在阅读完该条目的内容后还从文本中选择这一条目，并且在阅读完该条目的内容后还能返回到原来文本所在之处。能返回到原来文本所在之处。

8585

当一个超文本系统中还包含非文本信息条目（例如当一个超文本系统中还包含非文本信息条目（例如声音、图象）时，该系统被称为超媒体系统。声音、图象）时，该系统被称为超媒体系统。

② ② WWWWWW客户机和服务器：客户机和服务器：WWWWWW客户机指 客户机指 InternetInternet 上请求 上请求 WWWWWW服务的计算机。服务的计算机。 WWWWWW服服务器指务器指 InternetInternet 上保存上保存 WWWWWW 信息的计算机。信息的计算机。

一个用户在一个用户在 WWWWWW客户机上发出请求，通过使用客户机上发出请求，通过使用超文本传输协议（超文本传输协议（ HTTPHTTP ））就可以访问到服务器上的就可以访问到服务器上的超文本或超媒体信息。超文本或超媒体信息。

③ ③WWWWWW测览程序：如果一个用户要访问测览程序：如果一个用户要访问WWWWWW ，，必须在客户机上运行必须在客户机上运行 WWWWWW 的测览程序，的测览程序，例览程序会显示和解释在例览程序会显示和解释在 WWWWWW 上找到的超文本或超上找到的超文本或超媒体信息。媒体信息。

最后，举例介绍我国的最后，举例介绍我国的 WWWWWW服务器网址：服务器网址： （（ 11 ）中国互联网 ）中国互联网 ChinanetChinanet ： ： http://www· cnc· ac· cnhttp://www· cnc· ac· cn ／／

8686

（（ 22 ））中国教育科研网 中国教育科研网 CERNETCERNET ：： http://ww· cernet· edu· cnhttp://ww· cernet· edu· cn ／／ （（ 33 ））清华大学：清华大学： http://www· net· edu· cnhttp://www· net· edu· cn ／／ （（ 44 ））北京大学：北京大学： http://www· pku· edu· cnhttp://www· pku· edu· cn ／／

8787

第第 1111 章作业章作业11.2 11.4 11.5 11.7 11.11 11.1211.2 11.4 11.5 11.7 11.11 11.1211.13 11.13 什么是嵌入式计算机？简介其特点。什么是嵌入式计算机？简介其特点。名词解释：绿色计算机、超级标量处理器、超名词解释：绿色计算机、超级标量处理器、超级流水线处理器、超长指令字处理器、向量计级流水线处理器、超长指令字处理器、向量计算机、智能卡、数字流计算机、指令流计算机、算机、智能卡、数字流计算机、指令流计算机、专有系统、开放系专有系统、开放系统、统、 SIMDSIMD 、、 MIMDMIMD 、、 PDAPDA 、、 HPCHPC 。。