多媒体信息处理对计算机提出了更多、更高的要求，促进了计算机技术的发展，使计算机系统结构与组成发生了很大的变化。
本章主要介绍多媒体计算机系统的结构与组成，主要设备的原理与性能，以及多媒体信息存储介质、层次化的存储结构。
2.1多媒体计算机系统的组成
在一般传统计算机的基础上，技术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件、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21所示，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。
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音频接口、视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。
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。
光盘机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（CDROM），一次写多次读光盘以及可读写的光盘正逐步普及。
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媒体操作系统。
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。
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已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（InternationalElectrotechnicalCommission）：国际电工技术委员会。
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公司和荷兰飞利浦公司等大型计算机公司共同制定了统一的MPC标准：MPC1、MPC2、MPC3、MPC4，其中MPC4标准PC的基本配置如表21所示。
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。
2.2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。
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、Windows95、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。
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，允许一条指令处理多个信息，这种超标量结构的技术增强了PC机的多媒体处理功能。
2.2.1现代高档微机的新技术
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。
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的过程。一段微程序或微指令序列称为指令解释器。
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，二者只是功能完成的方式不同，而且是可以互相转变的。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。
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。
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。
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）。当执行部件对存储器进行访问时，由两个独立的Cache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22所示。
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。
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时，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。
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。
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。
①64位数据总线，32位地址线，寻址4096MB（4GB）。
②不仅集成16KB的一级Cache（8KB代码Cache，8KB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。
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）。
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。
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，该指令才可执行，且任何操作都是纯函数操作。
2.2.3多媒体处理器
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。
