计算机数字音频系统的基本结构是什么

无恒 · 发表于 2016-1-4

计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。美藉匈牙利科学家冯·诺依曼结构（John von Neumann）奠定了现代计算机的基本结构，其特点是：

1）使用单一的处理部件来完成计算、存储以及通信的工作。

2）存储单元是定长的线性组织。

3）存储空间的单元是直接寻址的。

4）使用低级机器语言，指令通过操作码来完成简单的操作。

5）对计算进行集中的顺序控制。

6）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成并规定了它们的基本功能。

7）彩二进制形式表示数据和指令。

8）在执行程序和处理数据时必须将程序和数据道德从外存储器装入主存储器中，然后才能使计算机在工作时能够自动调整地从存储器中取出指令并加以执行。

这就是存储程序概念的基本原理。

计算机指令

计算机根据人们预定的安排，自动地进行数据的快速计算和加工处理。人们预定的安排是通过一连串指令（操作者的命令）来表达的，这个指令序列就称为程序。一个指令规定计算机执行一个基本操作。一个程序规定计算机完成一个完整的任务。一种计算机所能识别的一组不同指令的集合，管为该种计算机的指令集合或指令系统。在微机的指令系统中，主要使用了单地址和二地址指令。其中，第1个字节是操作码，规定计算机要执行的基本操作，第2个字节是操作数。计算机指令包括以下类型：数据处理指令（加、减、乘、除等）、数据传送指令、程序控制指令、状态管理指令。整个内存被分成若干个存储单元，每个存储单元一般可存放8位二进制数（字节编址）。每个在位单元可以存放数据或程序代码。为了能有效地存取该单元内存储的内容，每个单元都给出了一个唯一的编号来标识，即地址。

计算机的工作原理

按照冯·诺依曼存储程序的原理，计算机在执行程序时须先将要执行的相关程序和数据放入内存储器中，在执行程序时CPU根据当前程序指针寄存器的内容取出指令并执行指令，然后再取出下一条指令并执行，如此循环下去直到程序结束指令时才停止执行。其工作过程就是不断地取指令和执行指令的过程，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。计算机工作过程中所要涉及的计算机硬件部件有内存储器、指令寄存器、指令译码器、计算器、控制器、运算器和输入/输出设备等，在以后的内容中将会着重介绍。

（一）计算机硬件系统

硬件通常是指构成计算机的设备实体。一台计算机的硬件系统应由五个基本部分组成：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。这五大部分通过系统总线完成指令所传达的操作，当计算机在接受指令后，由控制器指挥，将数据众输入设备传送到存储器存放，再由控制器将需要参加运算的数据传送到运算器，由运算器进行处理，处理后的结果由输出设备输出。

中央处理器

CPU（central processing unit）意为中央处理单元，又称中央处理器。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，通常集中在一块芯片上，是计算机系统的核心设备。计算机以CPU为中心，输入和输出设备与存储器之间的数据传输和处理都通过CPU来控制执行。微型计算机的中央处理器又称为微处理器。

控制器

控制器是对输入的指令进行分析，并统一控制计算机的各个部件完成一定任务的部件。它一般由指令寄存器、状态寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。计算机的工作方式是执行程序，程序就是为完成某一任务所编制的特定指令序列，各种指令操作按一定的时间关系有序安排，控制器产生各种最基本的不可再分的微操作的命令信号，即微命令，以指挥整个计算机有条不紊地工作。当计算机执行程序时，控制器首先从指令指针寄存器中取得指令的地址，并将下一条指令的地址存入指令寄存器中，然后从存储器中取出指令，由指令译码器对指令进行译码后产生控制信号，用以驱动相应的硬件完成指纹操作。简言之，控制器就是协调指挥计算机各部件工作的元件，它的基本任务就是根据种类指纹的需要综合有关的逻辑条件与时间条件产生相应的微命令。

运算器

运算器又称积极态度逻辑单元ALU（Arithmetic Logic Unit）。运算器的主要任务是执行各种算术运算和逻辑运算。算术运算是指各种数值运算，比如：加、减、乘、除等。逻辑运算是进行逻辑判断的非数值运算，比如：与、或、非、比较、移位等。计算机所完成的全部运算都是在运算器中进行的，根据指令规定的寻址方式，运算器从存储或寄存器中取得操作数，进行计算后，送回到指令所指定的寄存器中。运算器的核心部件是加法器和若干个寄存器，加法器用于运算，寄存器用于存储参加运算的各种数据以及运算后的结果。

（二）存储器

存储器分为内存储器（简称内存或主存）、外存储器（简称外存或辅存）。外存储器一般也可作为输入/输出设备。计算机把要执行的程序和数据存入内存中，内存一般由半导体器构成。半导体存储器可分为三大类：随机存储器、只读存储器、特殊存储器。

RAM

RAM 是随机存取存储器（Random Access Memory），其特点是可以读写，存取任一单元所需的时间相同，通电是存储器内的内容可以保持，断电后，存储的内容立即消失。RAM可分为动态（Dynamic RAM）和静态（Static RAM）两大类。所谓动态随机存储器DRAM是用MOS电路和电容来作存储元件的。由于电容会放电，所以需要定时充电以维持存储内容的正确，例如互隔 2ms刷新一次，因此称这为动态存储器。所谓静态随机存储器SRAM是用双极型电路或MOS电路的触发器来作存储元件的，它没有电容放电造成的刷新问题。只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据。DRAM的特点是集成密度高，主要用于大容量存储器。SRAM的特点是存取速度快，主要用于调整缓冲存储器。

ROM

ROM是只读存储器（Read Only Memory），它只能读出原有的内容，不能由用户再写入新内容。原来存储的内容是由厂家一次性写放的，并永久保存下来。ROM可分为可编程（Programmable）ROM、可擦除可编程（Erasable Programmable）ROM、电擦除可编程（Electrically Erasable Programmable）ROM。如，EPROM存储的内容可以通过紫外光照射来擦除，这使它的内可以反复更改。

特殊固态存储器

包括电荷耦合存储器、磁泡存储器、电子束存储器等，它们多用于特殊领域内的信息存储。

此外，描述内、外存储容量的常用单位有：

①位/比特（bit）：这是内存中最小的单位，二进制数序列中的一个0或一个1就是一比比特，在电脑中，一个比特对应着一个晶体管。

②字节（B、Byte）：是计算机中最常用、最基本的存在单位。一个字节等于8个比特，即1 Byte＝8bit。

③千字节（KB、Kilo Byte）：电脑的内存容量都很大，一般都是以千字节作单位来表示。1KB＝1024Byte。

④兆字节（MB Mega Byte）：90年代流行微机的硬盘和内存等一般都是以兆字节（MB）为单位。1 MB＝1024KB。

⑤吉字节（GB、Giga Byte）：目前市场流行的微机的硬盘已经达到4.3GB、6.4GB、8.1GB、12G、13GB等规格。1GB＝1024MB。

⑥太字节（TB、Tera byte）：1TB＝1024GB。

（三）输入/输出设备

输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们变为计算机能识别的二进制存入到内存中。常用的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光笔等。

输出设备用于将存入在内存中的由计算机处理的结果转变为人们能接受的形式输出。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

（四）总线

总线是一组为系统部件之间数据传送的公用信号线。具有汇集与分配数据信号、选择发送信号的部件与接收信号的部件、总线控制权的建立与转移等功能。典型的微机计算机系统的结构如图2-3所示，通常多采用单总线结构，一般按信号类型将总线分为三组，其中AB（Address Bus）为地址总线；DB(Data Bus)为数据总线；CB（Control Bus）控制总线。

（五）微型计算机主要技术指标

①CPU类型：是指微机系统所采用的CPU芯片型号，它决定了微机系统的档次。

②字长：是指CPU一次最多可同时传送和处理的二进制位数，安长直接影响到计算机的功能、用途和应用范围。如Pentium是64位字长的微处理器，即数据位数是64位，而它的寻址位数是32位。

③ 时钟频率和机器周期：时钟频率又称主频，它是指CPU内部晶振的频率，常用单位为兆（MHz），它反映了CPU的基本工作节拍。一个机器周期由若干个时钟周期组成，在机器语言中，使用执行一条指令所需要的机器周期数来说明指令执行的速度。一般使用CPU类型和时钟频率来说明计算机的档次。如Pentium III 500等。

④运算速度：是指计算机每秒能执行的指令数。单位有MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（秒百万条浮点指令）

⑤存取速度：是指存储器完成一次读取或写存操作所需的时间，称为存储器的存取时间或访问时间。而边连续两次或写所需要的最短时间，称为存储周期。对于半导体存储器来说，存取周期大约为几十到几百毫秒之间。它的快慢会影响到计算机的速度。

⑥ 内、外存储器容量：是指内存存储容量，即内容储存器能够存储信息的字节数。外储器是可将程序和数据永久保存的存储介质，可以说其容量是无限的。如硬盘、软盘已是微机系统中不可缺少的外部设备。迄今为止，所有的计算机系统都是基于冯·诺依曼存储程序的原理。内、外存容量越大，所能运行的软件功能就越丰富。 CPU的高速度和外存储器的低速度是微机系统工作过程中的主要瓶颈现象，不过由于硬盘的存取速度不断提高，目前这种现象已有所改善。
计算机基本原理

计算机的全名应该叫“通用电子数字计算机”（General-Purpose Electronic Digital Computer）。这个名称说明了计算机的许多性质。

“通用”说明计算机不是一种专用设备，我们可以把它与电话做一个比较。电话只能作为一种通讯工具，别无他用。而计算机不仅可以作为计算根据，只要有合适的软件，它也可以作为通讯工具使用，还能有无穷无尽的其他用途。

“电子”是计算机硬件实现的物理基础，计算机是非常复杂的电子设备，计算机的运行最终都是通过电子电路中的电流、电位等实现的。

“数字”化是计算机一切处理工作的信息表示基础。在计算机里，一切信息都是采用数字化的形式表示的，无论它原本是什么。无论是数值、文字，还是图形、声音等等，在计算机里都统一到二进制的数字化表示上。数字化是计算机的一种基本特征，也是计算机通用性的一个重要基础。

“计算机”意味着这是一种能够做计算的机器。计算机能够完成的基本动作不过就是数的加减乘除一类非常简单的计算动作。但是，当它在程序的指挥下，以电子的速度，在一瞬间完成了数以万亿计的基本动作时，就可能完成了某种很重大的事情。我们在计算机的外部看到的是这些动作的综合效果。从这个意义上看，计算机本身并没有多少了不起的东西，唯一了不起的就是它能按照指挥行事，做得快。实际上，更了不起的东西是程序、是软件，每个程序或软件都是特殊的，针对面临的问题专门设计实现的东西。

目前对计算机的另一种流行称呼是“电脑”，这是从香港台湾转播开来的一个译名，目前使用很广泛。实际上这个名称并不合适，很容易把人的理解引到错误的方向（或许这正是一些人有意或无意的目标）。我们从来不把原始人用于打树上果子的木棍称为“木手”，也不把火车称为 “铁脚”。因为无论是木棍还是火车，虽然各有其专门用途方面的力量，各有其“长处”，但它们都只能在人手脚功能中很窄的一个方面有用，与手脚功能的普适性是根本无法相提并论的。同样，计算机能帮助人完成的也仅仅是那些能够转化为计算问题的事项，与人脑的作用范围和能力相比，计算机的应用范围也是小巫见大巫了。

计算机的核心处理部件是CPU（Central Processing Unit，中央处理器）。目前各类计算机的CPU都是采用半导体集成电路技术制造的，它虽然不大，但其内部结构却极端复杂。CPU的基础材料是一块不到指甲盖大小的硅片，通过复杂的工艺，人们在这样的硅片上制造了数以百万、千万计的微小半导体元件。从功能看，CPU能够执行一组操作，例如取得一个数据，由一个或几个数据计算出另一个结果（如做加减乘除等），送出一个数据等。与每个动作相对应的是一条指令，CPU接收到一条指令就去做对应的动作。一系列的指令就形成了一个程序，可能使CPU完成一系列动作，从而完成一件复杂的工作。

在计算机诞生之时，指挥CPU完成工作的程序还放在计算机之外，通常表现为一叠打了孔的卡片。计算机在工作中自动地一张张读卡片，读一张就去完成一个动作。实际读卡片的事由一台读卡机完成（有趣的是，IBM就是制造读卡机起家的）。采用这种方式，计算机的工作速度必然要受到机械式读卡机的限制，不可能很快。

美国数学家冯·诺依曼最早看到问题的症结，据此提出了著名的“存储程序控制原理”，从而导致现代意义下的计算机诞生了。

计算机的中心部件，除了CPU之外，最主要是一个内部存储器。在计算机诞生之时，这个存储器只是为了保存正在被处理的数据，CPU在执行指令时到存储器里把有关的数据提取出来，再把计算得到的结果存回到存储器去。冯·诺依曼提出的新方案是：应该把程序也存储在存储器里，让CPU自己负责从存储器里提取指令，执行指令，循环式地执行这两个动作。这样，计算机在执行程序的过程中，就可以完全摆脱外界的拖累，以自己可能的速度（电子的速度）自动地运行。这种基本思想就是“存储程序控制原理”，按照这种原理构造出来的计算机就是“存储程序控制计算机”，也被称做“冯·诺依曼计算机”。

到目前为止，所有主流计算机都是这种计算机，这里讨论的都是这种计算机。（随着对计算过程和计算机研究的深化，人们也认识到冯·诺依曼计算机的一些缺点，开展了许多目的在于探索其他计算机模式的研究工作。但是到目前为止，这些工作的成果还远未达到制造出在性能、价格、通用性、自然易用等方面能够与冯·诺依曼计算机匹敌的信息处理设备的程度。这里我们就不打算进一步介绍这些方面的情况了。）

从CPU抽象动作的层次看，计算机的执行过程非常简单，是一个两步动作的简单循环（图1.5），称为CPU基本执行循环。CPU每次从存储器取出要求它执行的下一条指令，然后就按照这条指令，完成对应动作，循环往复，直到程序执行完毕（遇到一条要求CPU停止工作的指令），或者永无休止地工作下去。

CPU是一个绝对听话、服从指挥的服务生，它每时每刻都绝对按照命令行事，程序叫它做什么，它就做什么。CPU能完成的基本动作并不多，通常一个CPU能够执行的指令大约有几十种到一二百种。另一方面，实际社会各个领域里，社会生活的各个方面需要应用计算机情况则是千差万别、错综复杂。这样简单的计算机如何能应付如此缤纷繁杂的社会需求呢？答案实际上很简单：程序。通过不同指令的各种适当排列，人可以写出的程序数目是没有穷尽的。这就像英文字母只有26个，而用英文写的书信、文章、诗歌、剧作、小说却可以无穷地多一样。计算机从原理上看并不复杂，正是五彩缤纷的程序使计算机能够满足社会的无穷无尽的需求。

计算机的这种工作原理带来两方面的效果。一方面，计算机具有通用性，一种（或者不多的几种）计算机就能够满足整个社会的需求，这使得人们可以采用大工业生产的方式进行生产，提高生产效率，增强计算机性能，降低成本。这使得计算机变得越来越便宜，与此同时性能却越来越强。另一方面，通过运行不同的程序，不同的计算机，或者同一台计算机在不同的时刻可以表现为不同的专用信息处理机器，例如计算器、文字处理器、记事本、资料信息浏览检索机器、帐本处理机器、设计图版、游戏机等等。甚至同一台计算机在一个时刻同时表现为多种不同的信息处理机器（只要在这台计算机中同时运行着多个不同的程序）。正是这种通用性和专用性的完美统一，使得计算机成为人类走向信息时代过程中最锐利的一件武器。

我们说CPU并不复杂，这是从原理上讲的。而今天最先进的CPU又是极端复杂的东西，甚至可能是人类有史以来制造出的最复杂产品。产生这种情况的原因很多，这里列举其中最重要的两个：

第一，人们对CPU性能的要求越来越高，因为需要由计算机完成的工作越来越复杂（现实社会总是不断提出新问题，要求用计算机解决。一个复杂问题解决了，人们就看到了另一个更复杂的问题解决的希望，因而会去努力），完成一项工作需要执行的指令数越来越多。一个永远也不能克服的困难是，计算机执行指令需要时间（请读者记住计算机的这个本质性的缺点，这对于理解计算机是极端重要的）。虽然目前计算机执行指令的速度已经快得惊人（每秒钟可以执行数以亿计的指令），对于人希望用计算机解决的最复杂任务而言，CPU的速度将永远是太慢了。为提高CPU在实际计算中的速度，人们开发了许多巧妙技术，而实现这些技术就大大地增加CPU本身的复杂性。

第二，需要用计算机处理的数据的情况越来越多。早期的计算机主要是处理数值性数据，例如整数、实数（在计算机里用一种称为“浮点数”的方式表示），CPU也就只需要围绕与这些数据类型有关的计算过程，提供一批指令。随着计算机的发展，新的应用需求层出不穷。例如，当计算机被广泛用于图形图像声音信号的处理时，虽然从理论上说CPU可以不改变（原有指令足以完成工作，只要写出相应的程序），但人们也发现，增加一些新的特殊指令，对这些特殊数据形式的处理就能更有效。新指令的增加能大大提高CPU处理特殊数据形式的效率（有时是必须的，例如为了实时地处理高清晰度的三维动画），由此带来的一个副作用是使CPU变得更加复杂了。

过去人们常说计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路四个阶段，也把以这些方式构造起来的计算机分别称为第一、二、三、四代计算机。今天回头再看，这种说法已经没有太大的意义了。制造计算机的器件变化并不是根本性的（虽然其意义不可低估，例如在降低成本、减小体积方面），这个变化过程不过是人们寻求合适方式制造计算机的一个短暂的摸索阶段，在大约二十年的时间里就已经完成了。从那以后，计算机的基本制造工艺再没有大的变化。而在另一方面，计算机发展史中其他的事件则更重要得多。例如：计算机的小型化和个人计算机的出现，计算机网络的出现和发展，计算机使用形式和出现形式的变化等等（这些都是在大规模集成电路的范围中完成的）。

今天，人们还一直在研究真正新型的计算机，作为与普通计算机具有根本性差异的另类信息处理工具，它们能够发明出来吗？将在什么时候出现？能够具有今天计算机这样的性能价格比、这样的通用性与专用性的完美统一吗？能够取代目前流行的这类电子数字计算机吗？我们正拭目以待.

无恒 · 发表于 2016-1-4

数字信道传送数字信号的速率称为数据传输速率或比特率.
比特率这个词有多种翻译，比如码率等，表示经过编码（压缩）后的音频数据每秒钟需要用多少个比特来表示，而比特就是二进制里面最少的单位，要么是0，要么是1。比特率与音视频压缩的关系简单的说就是比特率越高音视频的质量就越好，但编码后的文件就越大；如果比特率越少则情况刚好翻转。例如：以500Kbps来编码音视频。其中 bps是比特1K= 1010=1024 b就是比特（bit） s就是秒（second） p就是每（per）所以，以500kbps来编码表示经过编码后的音视频数据每秒钟需要用500K的比特来表示在基带传输系统中用比特率表示传输的信息码率.比特率Rb是指单位时间内传输的二元比特数,单位是b/s.例如计算机串口的传输码率最高到115200b/s. 符号率或波特率Rs是指单位时间内传输的调制符号数,即指三元及三元以上的多元数字码流的信息传输速率,单位是baud/s. 在M进制调制中,比特率Rb和波特率Rs之间的关系为: Rb=Rslog2M 采样率是指采样样本与总样本数之比，采样数率是单位时间采样数。如果是仪器中，采样速率为40MSa/s，说明每秒采样数量为40M个，但是不能使用40MHz表示。把模拟音频转成数字音频的过程,就称作采样，简单地说就是通过波形采样的方法记录1秒钟长度的声音，需要多少个数据。44KHz采样率的声音就是要花费44000个数据来描述1秒钟的声音波形。原则上采样率越高，声音的质量越好。

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