一、存储器的发展史

汞延迟线是基于汞在室温时是液体，同时又是导体，每比特数据用机械波的波峰（1）和波谷（0）表示。机械波从汞柱的一端开始，一定厚度的熔融态金属汞通过一振动膜片沿着纵向从一端传到另一端，这样就得名“汞延迟线”。在管的另一端，一传感器得到每一比特的信息，并反馈到起点。设想是汞获取并延迟这些数据，这样它们便能存储了。这个过程是机械和电子的奇妙结合。缺点是由于环境条件的限制，这种存储器方式会受各种环境因素影响而不精确。

1950年，世界上第一台具有存储程序功能的计算机EDVAC由冯.诺依曼博士**设计。它的主要特点是采用二进制，使用汞延迟线作存储器，指令和程序可存入计算机中。

1951年3月，由ENIAC的主要设计者莫克利和埃克特设计的第一台通用自动计算机UNIVAC-I交付使用。它不仅能作科学计算，而且能作数据处理。

UNIVAC-I第一次采用磁带机作外存储器，首先用奇偶校验方法和双重运算线路来提高系统的可靠性，并先进行了自动编程的试验。

磁带是所有存储器设备发展中单位存储信息成本低、容量大、标准化程度高的常用存储介质之一。它互换性好、易于保存，近年来，由于采用了具有高纠错能力的编码技术和即写即读的通道技术，大大提高了磁带存储的可靠性和读写速度。根据读写磁带的工作原理可分为螺旋扫描技术、线性记录（数据流）技术、DLT技术以及比较先进的LTO技术。

根据读写磁带的工作原理，磁带机可以分为六种规格。其中两种采用螺旋扫描读写方式的是面向工作组级的DAT（4mm）磁带机和面向部门级的8mm磁带机，另外四种则是选用数据流存储技术设计的设备，它们分别是采用单磁头读写方式、磁带宽度为1/4英寸、面向低端应用的Travan和DC系列，以及采用多磁头读写方式、磁带宽度均为1/2英寸、面向高端应用的DLT和IBM的3480/3490/3590系列等。

磁带库是基于磁带的备份系统，它能够提供同样的基本自动备份和数据恢复功能，但同时具有更先进的技术特点。它的存储容量可达到数百PB，可以实现连续备份、自动搜索磁带，也可以在驱动管理软件控制下实现智能恢复、实时监控和统计，整个数据存储备份过程完全摆脱了人工干涉。

磁带库不仅数据存储量大得多，而且在备份效率和人工占用方面拥有无可比拟的优势。在网络系统中，磁带库通过SAN（Storage Area Network，存储区域网络）系统可形成网络存储系统，为企业存储提供有力保障，很容易完成远程数据访问、数据存储备份或通过磁带镜像技术实现多磁带库备份，无疑是数据仓库、ERP等大型网络应用的良好存储设备。

1953年，随着存储器设备发展，第一台磁鼓应用于IBM 701，它是作为内存储器使用的。磁鼓是利用铝鼓筒表面涂覆的磁性材料来存储数据的。鼓筒旋转速度很高，因此存取速度快。它采用饱和磁记录，从固定式磁头发展到浮动式磁头，从采用磁胶发展到采用电镀的连续磁介质。这些都为后来的磁盘存储器打下了基础。

磁鼓大的缺点是利用率不高，一个大圆柱体只有表面一层用于存储，而磁盘的两面都利用来存储，显然利用率要高得多。因此，当磁盘出现后，磁鼓就被淘汰了。

美国物理学家王安1950年提出了利用磁性材料制造存储器的思想。福雷斯特则将这一思想变成了现实。

为了实现磁芯存储，福雷斯特需要一种物质，这种物质应该有一个非常明确的磁化阈值。他找到在新泽西生产电视机用铁氧体变换器的一家公司的德国老陶瓷专家，利用熔化铁矿和氧化物获取了特定的磁性质。

对磁化有明确阈值是设计的关键。这种电线的网格和芯子织在电线网上，被人称为芯子存储，它的有关专利对发展计算机非常关键。这个方案可靠并且稳定。磁化相对来说是永久的，所以在系统的电源关闭后，存储的数据仍然保留着。既然磁场能以电子的速度来阅读，这使交互式计算有了可能。更进一步，因为是电线网格，存储阵列的任何部分都能访问，也就是说，不同的数据可以存储在电线网的不同位置，并且阅读所在位置的一束比特就能立即存取。这称为随机存取存储器（RAM），在存储器设备发展历程中它是交互式计算的革新概念。福雷斯特把这些专利转让给麻省理工学院，学院每年靠这些专利收到1500万～2000万美元。

先获得这些专利许可证的是IBM，IBM终获得了在北美防卫军事基地安装“旋风”的商业合同。更重要的是，自20世纪50年代以来，所有大型和中型计算机也采用了这一系统。磁芯存储从20世纪50年代、60年代，直至70年代初，一直是计算机主存的标准方式。

世界第一台硬盘存储器是由IBM公司在1956年发明的，其型号为IBM 350 RAMAC（Random Access Method of Accounting and Control）。这套系统的总容量只有5MB，共使用了50个直径为24英寸的磁盘。1968年，IBM公司提出“温彻斯特/Winchester”技术，其要点是将高速旋转的磁盘、磁头及其寻道机构等全部密封在一个无尘的封闭体中，形成一个头盘组合件（HDA），与外界环境隔绝，避免了灰尘的污染，并采用小型化轻浮力的磁头浮动块，盘片表面涂润滑剂，实行接触起停，这是现代绝大多数硬盘的原型。1979年，IBM发明了薄膜磁头，进一步减轻了磁头重量，使更快的存取速度、更高的存储密度成为可能。20世纪80年代末期，IBM公司又对存储器设备发展作出一项重大贡献，发明了MR（Magneto Resistive)磁阻磁头，这种磁头在读取数据时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度比以往提高了数十倍。1991年，IBM生产的3.5英寸硬盘使用了MR磁头，使硬盘的容量首次达到了1GB，从此，硬盘容量开始进入了GB数量级。IBM还发明了PRML（Partial Response Maximum Likelihood）的信号读取技术，使信号检测的灵敏度大幅度提高，从而可以大幅度提高记录密度。

目前，硬盘的面密度已经达到每平方英寸100Gb以上，是容量、性价比大的一种存储设备。因而，在计算机的外存储设备中，还没有一种其他的存储设备能够在近几年中对其统治地位产生挑战。硬盘不仅用于各种计算机和服务器中，在磁盘阵列和各种网络存储系统中，它也是基本的存储单元。值得注意的是，近年来微硬盘的出现和快速发展为移动存储提供了一种较为理想的存储介质。在闪存芯片难以承担的大容量移动存储领域，微硬盘可大显身手。目前尺寸为1英寸的硬盘，存储容量已达4GB，10GB容量的1英寸硬盘不久也会面世。微硬盘广泛应用于数码相机、MP3设备和各种手持电子类设备。

另一种磁盘存储设备是软盘，从早期的8英寸软盘、5.25英寸软盘到3.5英寸软盘，主要为数据交换和小容量备份之用。其中，3.5英寸1.44MB软盘占据计算机的标准配置地位近20年之久，之后出现过24MB、100MB、200MB的高密度过渡性软盘和软驱产品。然而，由于USB接口的闪存出现，软盘作为数据交换和小容量备份的统治地位已经动摇，不久会退出存储器设备发展历史舞台。

光盘主要分为只读型光盘和读写型光盘。只读型指光盘上的内容是固定的，不能写入、修改，只能读取其中的内容。读写型则允许人们对光盘内容进行修改，可以抹去原来的内容，写入新的内容。用于微型计算机的光盘主要有CD-ROM、CD-R/W和DVD-ROM等几种。

上世纪60年代，荷兰飞利浦公司的研究人员开始使用激光光束进行记录和重放信息的研究。1972年，他们的研究获得了成功，1978年投放市场。初的产品就是大家所熟知的激光视盘（LD，Laser Vision Disc）系统。

从LD的诞生至计算机用的CD-ROM，经历了三个阶段，即LD-激光视盘、CD-DA激光唱盘、CD-ROM。下面简单介绍这三个存储器设备发展阶段性的产品特点。

LD-激光视盘，就是通常所说的LCD，直径较大，为12英寸，两面都可以记录信息，但是它记录的信号是模拟信号。模拟信号的处理机制是指，模拟的电视图像信号和模拟的声音信号都要经过FM（Frequency Modulation）频率调制、线性叠加，然后进行限幅放大。限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。

CD-DA激光唱盘 LD虽然取得了成功，但由于事先没有制定统一的标准，使它的开发和制作一开始就陷入昂贵的资金投入中。1982年，由飞利浦公司和索尼公司制定了CD-DA激光唱盘的红皮书（Red Book）标准。由此，一种新型的激光唱盘诞生了。CD-DA激光唱盘记录音响的方法与LD系统不同，CD-DA激光唱盘系统首先把模拟的音响信号进行PCM（脉冲编码调制）数字化处理，再经过EMF（8～14位调制）编码之后记录到盘上。数字记录代替模拟记录的好处是，对干扰和噪声不敏感，由于盘本身的缺陷、划伤或沾污而引起的错误可以校正。

CD-DA系统取得成功以后，使飞利浦公司和索尼公司很自然地想到利用CD-DA作为计算机的大容量只读存储器。但要把CD-DA作为计算机的存储器，还必须解决两个重要问题，即建立适合于计算机读写的盘的数据结构，以及CD-DA误码率必须从现有的10-9降低到10-12以下，由此就产生了CD-ROM的黄皮书(Yellow Book)标准。这个标准的核心思想是，盘上的数据以数据块的形式来组织，每块都要有地址，这样一来，盘上的数据就能从几百兆字节的存储空间上被迅速找到。为了降低误码率，采用增加一种错误检测和错误校正的方案。错误检测采用了循环冗余检测码，即所谓CRC，错误校正采用里德－索洛蒙(Reed Solomon)码。黄皮书确立了CD-ROM的物理结构，而为了使其能在计算机上完全兼容，后来又制定了CD-ROM的文件系统标准，即ISO 9660。

在上世纪80年代中期，光盘存储器设备发展速度非常快，先后推出了WORM光盘、磁光盘（MO）、相变光盘（Phase Change Disk，PCD）等新品种。20世纪90年代，DVD-ROM、CD-R、CD-R/W等开始出现和普及，目前已成为计算机的标准存储设备。

光盘技术进一步向高密度发展，蓝光光盘是不久将推出的下一代高密度光盘。多层多阶光盘和全息存储光盘正在实验室研究之中，可望在5年之内推向市场。

纳米是一种长度单位，符号为nm。1纳米=1毫微米，约为10个原子的长度。假设一根头发的直径为0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度即约为1纳米。与纳米存储有关的主要进展有如下内容。

1998年，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系。一个量子磁盘相当于我们现在的10万～100万个磁盘，而能源消耗却降低了1万倍。

1988年，法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年，采用巨磁电阻原理的纳米结构器件已在美国问世，它在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头等方面均有广阔的应用前景。

2002年9月，美国威斯康星州大学的科研小组宣布，他们在室温条件下通过*纵单个原子，研制出原子级的硅记忆材料，其存储信息的密度是目前光盘的100万倍。这是纳米存储材料技术研究的一大进展。该小组发表在《纳米技术》杂志上的研究报告称，新的记忆材料构建在硅材料表面上。研究人员首先使金元素在硅材料表面升华，形成精确的原子轨道；然后再使硅元素升华，使其按上述原子轨道进行排列；后，借助于扫瞄隧道显微镜的探针，从这些排列整齐的硅原子中间隔抽出硅原子，被抽空的部分代表“0”，余下的硅原子则代表“1”，这就形成了相当于计算机晶体管功能的原子级记忆材料。整个试验研究在室温条件下进行。研究小组负责人赫姆萨尔教授说，在室温条件下，一次*纵一批原子进行排列并不容易。更为重要的是，记忆材料中硅原子排列线内的间隔是一个原子大小。这保证了记忆材料的原子级水平。赫姆萨尔教授说，新的硅记忆材料与目前硅存储材料存储功能相同，而不同之处在于，前者为原子级体积，利用其制造的计算机存储材料体积更小、密度更大。这可使未来计算机微型化，且存储信息的功能更为强大。

以上就是本文向大家介绍的存储器设备发展历程的7个关键时期

二、高分请教!存储器方面

信息时代的核心无疑是信息技术，而信息技术的核心则在于信息的处理与存储。

存储数据的逻辑部件有两种状态，即高电位和低电位,分别与"1"和"0"相对应。在计算机中，如果一种电位状态表示一个信息单元，那么一位二进制数可以表示两个信息单元。若使用2位二进制数，则可以表示4个信息单元；使用3位二进制数，可以表示8个信息单元。二进制数的位数和可以表示的信息单元之间存在着幂次数的关系。也就是说，当用n位二进制数时，可表示的不同信息单元个数为2个。

反之，如果有18个信息单元需要表示，那么应该用几位二进制数呢？若用4位二进制数，可表示的信息单元为16个；若用5位二进制数，可表示的信息为32个单元。所以要表示18个信息单元的数据，至少需要用5位二进制数。

计算机在存储数据时，常常把8位二进制数看作一个存储单元，或称为一个字节。用2来计算存储容量，把（即1024）个存储单元称为1K字节；把 K（即1024 K）个存储单元称为1M字节；把 M（即1024M）个存储单元称为1G字节。

通过二进制格式来存储十进制数字，也即存储数值型数据。表示一个数值型数据，需要解决三个问题。

首先，要确定数的长度。在数学中，数的长度一般指它用十进制表示时的位数，例如258为3位数、124578为6位数等。在计算机中，数的长度按二进制位数来计算。但由于计算机的存储容量常以字节为计量单位，所以数据长度也常按字节计算。需要指出的是，在数学中数的长度参差不一，有多少位就写多少位。在计算机中，如果数据的长度也随数而异，长短不齐，无论存储或处理都很不便。所以在同一计算机中，数据的长度常常是统一的，不足的部分用"0"填充。

其次，数有正负之分。在计算机中，总是用高位的二进制数表示数的符号，并约定以"0"代表正数，以"1"代表负数，称为数符；其余仍表示数值。通常，把在机器内存放的正负号数码化的数称为机器数，把机器外部由正负号表示的数称为真值数。若一个数占8位，真值数为(-0101100)B,其机器数为10101100，存放在机器中的见图2.1.1

机器数表示的范围受到字长和数据的类型的限制。字长和数据类型确定了，机器数能表示的范围也定了。例如，若表示一个整数，字长为8位，大值01111111，高位为符号位，因此此数的大值为127。若数值超出127，就要"溢出"。

再者是小数点的表示。在计算机中表示数值型数据，小数点的位置总是隐含的，以便节省存储空间。隐含的小数点位置可以是固定的，也可以是可变的。前者称为定点数，后者称为浮点数。

定点整数，即小数点位置约定在低数值位的后面，用于表示整数。

整数分为带符号和不带符号的两类。对于为带符号的整数，符号位放在高位。整数表示的数是精确的，但数的范围是有限的。根据存放的字长，它们可以用8、16、32位等表示，各自表示数的范围见表2.1.1。

二进制位数无符号整数的表示范围有符号整数的表示范围

如果把有符号整数的长度扩充为4字节，则整数表示范围可从±32767扩大到±2147483647≈0.21×1010，即21亿多。但每个数占用的存储空间也增加了一倍。

定点小数，即小数点位置约定在高数值位的前面，用于表示小于1的纯小数。

如用定点数表示十进制纯小数－0.6876，则为－0.101100000000011…。数字-0.6876的二进制数为无限小数，故存储时只能截取前15位，第16位开始略去。

若2个字节长度用来表示定点小数，则低位的权值为2－15（在10－4~10－5之间），即至多准确到小数点后的第4至第5位（按十进制计算）。这样的范围和精度，即使在一般应用中也难以满足需要。为了表示较大或较小的数，用浮点数表示。

在科学计算中，为了能表示特大或特小的数，采用"浮点数"或称"科学表示法"表示实数，"浮点数"由两部分组成，即尾数和阶码。例如，，则0.23456为尾数，5是阶码。

在浮点表示方法中，小数点的位置是浮动的，阶码可取不同的数值。为了便于计算机中小数点的表示，规定将浮点数写成规格化的形式，即尾数的绝对值大于等于0.1并且小于1，从而唯一规定了小数点的位置。尾数的长度将影响数的精度，其符号将决定数的符号。浮点数的阶码相当于数学中的指数，其大小将决定数的表示范围。

同样，任意二进制规格化浮点数的表示形式为：

其中是尾数，前面的""表示数符；是阶码，前面的""表示阶符。它在计算机内的存储形式如图2.1.2所示。

例如，设尾数为8位，阶码为6位；则二进制数，浮点数的存放形式见图2.1.3。

以上介绍的定点和浮点表示，都是用数据的第一位表示数的符号，用其后的各位表示数（包括尾数与阶码）的绝对值。这种方法简明易懂，但因运算器既要能作加法，又要能作减法，*作数中既有正数，又有负数，所以原码运算时常伴随许多判断。例如两数相加，若符号不同，实际要做减法；两数相减，若符号相异，实际要做加法，等等。其结果是，增加运算器的复杂性，并增加运算的时间。

怎样处理负数？由此提出了"补码"、"反码"等编码方法.补码运算的主要优点，是通过对负数的适当处理，把减法转化为加法。不论求和求差，也不论*作数为正为负，运算时一律只做加法，从而大大简化加减运算。补码运算通常通过反码运算实现。所以对算术运算的完整讨论不仅应包括数值，还应该包括码制（原、反、补码等）。

字符编码是指用一系列的二进制数来表示非数值型数据（如字符、标点符号等）的方法，简称为编码。表示26个英文字母，用5个二进制位已足够表示26个字符了。但是，每个英文字母有大小写之分，还有大量的标点符号和其他一些特殊符号（如$、#、@、&、+等）。把所有的符号计算在一起，总共有95个不同的字符需要表示。使用广泛的三种编码方式是ASCII、ANSI和EBCDIC码，第四种编码方式Unicode码正在发展中。

1） ASCII（American Standard Code for Information Interchange,美国信息交换标准码）是使用广的。使用ASCII码编码的文件称为ASCII文件。标准的ASCII编码使用7个二进制数来表示128个符号，包括英文大小写字母、标点符号、数字和特殊控制符。

2） ANSI（American National Institute,美国国家标准协会）编码使用8位二进制数来表示每个字符。8个二进制数能表示256个信息单元，因此，该编码可以对256个字符、符号等进行编码。ANSI开始的128个字符的编码和ASCII定义的一样，只是在高位上加个0。例如，在ASCII编码中，字符"A"表示为1000001，而在ANSI编码中，则用01000001表示。除了表示ASCII编码中的128个字符外，ANSI编码还有128个符号可以表示，如版权符、英镑符、外国语言字符等。

3）EBCDIC（Extended Binary-Coded Decimal Interchange Code,扩展二、十进制交换码）是IBM公司为它的大型机开发的8位字符编码。值得注意的是，在EBCDIC编码开始的128个字符中，EBCDIC的编码和ASCII或ANSI的编码并不相同。

总的来说，标准的ASCII编码定义的128个字符，对于表示数字、字符、标点符号和特殊字符来说是足够了。ANSI编码表示了所有的ASCII编码所表示的128个字符，并且还表示了欧洲语言中的字符。EBCDIC编码表示了标准的字符和控制代码。但是，没有一种编码方案支持可选的字符集，也不支持非字母组合起来的语言，如汉语、日语等。

4）Unicode编码是一组16位编码，可以表示超过65000个不同的信息单元。从原理上讲，Unicode可以表示现在正在使用的、或者已经不再使用的任何语言中的字符。对于国际商业和通信来说，这种编码方式是非常有用的，因为在一个文件中可能需要包含有汉语、日语、英语等不同的语种。并且，Unicode编码还适用于软件的本地化，即可以针对特定的国家修改软件。另外，使用Unicode编码，软件开发人员可以修改屏幕的提示、菜单和错误信息提示等，来适用于不同国家的语言文字。

两种非常不同的图形编码方式，即位图编码和矢量编码方式。两种编码方式的不同，影响到图像的质量、存储图像的空间大小、图像传送的时间和修改图像的难易程度。视频是图像数据的一种，由若干有联系的图像数据连续播放而形成。人们一般讲的视频信号为电视信号，是模拟量；而计算机视频信号则是数字量。

位图图像是以屏幕上的像素点位置来存储图像的。简单的位图图像是单**像。单**像只有黑白两种颜色，如果某像素点上对应的图像单元为黑色，则在计算机中用0来表示；如果对应的是白色，则在计算机中用1来表示。

对于单**像，用来表示满屏图像的图像单元数正好与屏幕的像素数相等。如果水平分辨率为640，垂直分辨率为480，将屏幕的水平分辨率与垂直分辨率相乘： 640×480=307200，则屏幕的像素数为307200个，因为单**像使用一位二进制数来表示一个像素，所以存储一幅满屏的位图图像的字节数也就能计算出来： 307200÷8=38400，因此分辨率为640×480的满屏单**像需要38400个字节来存储，这个存储空间不算大。但是单**像看起来不太真实，很少使用。

灰度图像要比单**像看起来更真实些。灰度图像用灰色按比例显示图像，使用的灰度级越多，图像看起来越真实。通常计算机用256级灰度来显示图像。在256级灰度图像中，每个像素可以是白色、黑色或灰度中256级中的任何一个，也就是说，每个像素有256种信息表示的可能性。所以在灰度图像中，存储一个像素的图像需要256个信息单元，即需要一个字节的存储空间。因此，一幅分辨率为640×480、满屏的灰度图像需要307200个字节的存储空间。

计算机可以使用16、256或1,670万种颜色来显示彩**像，用户将会得到更为真实的图像。

16色的图像中，每个像素可以有16种颜色。那么为了表示16个不同的信息单元，每个像素需要4位二进制数来存储信息。因此，一幅满屏的16色位图图像需要的存储容量为153600个字节。

256色的位图图像，每个像素可以有256种颜色。为了表示256个不同的信息单元，每个像素需要8位二进制数来存储信息，即一个字节。因此，一幅满屏的256色位图图像需要的存储容量为307200个字节，是16色的两倍，与256级灰度图像相同。

1,670万色的位图图像称为24位图像或真彩**像。其每个像素可以有1.670万种颜色。为了表示这1,670万种不同的信息单元，每个像素需要24位二进制数来存储信息，即3个字节。显然，一幅满屏的真彩**像需要的存储容量更大。

包含图像的文件都很大，需要很大容量的存储器来存储，并且传输和**的时间也很长。例如，从因特网上**一幅分辨率为640×480的256**像至少需要1分钟；一幅16色的图像需要一半的时间；而一幅真彩**像则会需要更多的时间。

有两种技术可以用来减少图像的存储空间和传输时间，即数据压缩技术和图像抖动技术。数据压缩技术随后介绍，而图像抖动技术主要是采用减少图像中的颜色数来减小文件存储容量的。抖动技术是根据人眼对颜色和阴影的分辨率，通过由两个或多个颜色组成的模式产生附加的颜色和阴影来实现。例如，256**像上的一片琥珀**域，可以通过抖动技术转换为16**像上的黄红色小点模式。在因特网的Web页面上，抖动技术是用来减少图像存储容量的常用技术。

位图图像常用来表现现实图像，其适合于表现比较细致、层次和色彩比较丰富、包含大量细节的图像。例如扫描的图像，摄像机、数字照相机拍摄的图像，戓帧捕捉设备获得的数字化帧画面。经常使用的位图图像文件扩展名有：.bmp、.pcx、.tif、.jpg和.gif等。

由像素矩阵组成的位图图像可以修改戓编辑单个像素，即可以使用位图软件（也称照片编辑软件戓绘画软件）来修改位图文件。可用来修改戓编辑位图图像的软件如：Microsoft Paint、 PC Paintbrush、Adobe Photoshop、Micrografx Picture Publisher等，这些软件能够将图片的局部区域放大，而后进行修改。

矢量图像是由一组存储在计算机中，描述点、线、面等大小形状及其位置、维数的指令组成，而不是真正的图像。它是通过读取这些指令并将其转换为屏幕上所显示的形状和颜色的方式来显示图像的，矢量图像看起来没有位图图像真实。用来生成矢量图像的软件通常称为绘图软件，如常用的有：Micrographx Designer和CorelDRAW。

存储空间比位图图像小。矢量图像的存储空间依赖于图像的复杂性，每条指令都需要存储空间，所以图像中的线条、图形、填充模式越多，需要的存储空间越大。但总的来说，由于矢量图像存储的是指令，要比位图图像文件小得多。

矢量图像可以分别控制处理图中的各个部分，即把图像的一部分当作一个单独的对象，单独加以拉伸、缩小、变形、移动和删除，而整体图像不失真。不同的物体还可以在屏幕上重叠并保持各自的特性，必要时仍可分开。所以，矢量图像主要用于线性图画、工程制图及美术字等。经常使用的矢量图像文件扩展名有：.wmf、.dxf、.mgx和.cgm等。

处理起来比较复杂，用矢量图格式表示一复杂图形需花费程序员和计算机的大量时间，比较费时，所以通常先用矢量图形创建复杂的图，再将其转换为位图图像来进行处理。

显示位图图像要比显示矢量图像快，但位图图像所要求的存储空间大，因为它要指明屏幕上每一个像素的信息。总之，矢量图像的关键技术是图形的制作和再现，而位图图像的关键技术则是图像的扫描、编辑、无失真压缩、快速解压和色彩一致性再现等。

视频信息实际上是由许多幅单个画面所构成的。电影、电视通过快速播放每帧画面，再加上人眼的视觉滞留效应便产生了连续运动的效果。视频信号的数字化是指在一定时间内以一定的速度对单帧视频信号进行捕获、处理以生成数字信息的过程。

与模拟视频相比，数字视频的优点为：

1）数字视频可以无失真地进行无限次拷贝，而模拟视频信息每转录一次，就会有一次误差积累，产生信息失真。

2）可以用许多新方法对数字视频进行创造性的编辑，如字幕、电视特技等。

3）使用数字视频可以用较少的时间和费用创作出用于培训教育的交互节目，可以真正实现将视频融进计算机系统中以及可以实现用计算机播放电影节目等。

因为数字视频是由一系列的帧组成，每个帧是一幅静止的图像，并且图像也使用位图文件形式表示。通常，视频每秒钟需要显示30帧，所以数字视频需要巨大的存储容量。

例如：一幅全屏的、分辨率为640×480的256**像需要有307200字节的存储容量。那么一秒钟数字视频需要的存储空间是30乘上这个数，即9216000个字节，约为9兆。两小时的电影需要66 355 200 000个字节，超过66G字节。这样大概只有使用超级计算机才能播放。所以在存储和传输数字视频过程中必须使用压缩编码。

计算机可以记录、存储和播放声音。在计算机中声音可分成数字音频文件和MIDI文件。

复杂的声波由许许多多具有不同振幅和频率的正弦波组成，这些连续的模拟量不能由计算机直接处理，必须将其数字化才能被计算机存储和处理

计算机获取声音信息的过程就是声音信号的数字化处理过程。经过数字化处理之后的数字声音信息能够像文字和图像信息一样被计算机存储和处理。模拟声音信号转化为数字音频信号的大致过程：

用数字方式记录声音，首先需对声波进行采样。声波采样前后波形如图2.1.4所示（其中横轴表示时间，纵轴表示振幅）：

采样频率指的是在采样声音的过程中，每秒钟对声音测量的次数。采样频率以Hz为单位。如果提高采样频率，单位时间内所得到的振幅值就多，也即采样频率越高，对原声音曲线的模拟就越精确。然后再把足够多的振幅值以同样的采样频率转换为电压值去驱动扬声器，则可听到和原波形一样的声音。这种技术称为脉冲编码调制技术（PCM）。

存储在计算机上的声音文件的扩展名为：.wav，.mod，.au和.voc。要记录和播放声音文件，需要使用声音软件，声音软件通常都要使用声卡。

乐器数字接口--MIDI（Musical Instrument Digital Interface），是电子乐器与计算机之间的连接界面和信息交流方式。MIDI格式的文件扩展名为.mid，通常把MIDI格式的文件简称为"MIDI文件"。

MIDI是数字音乐国际标准。数字式电子乐器的出现，为计算机处理音乐创造了极为有利的条件。MIDI声音与数字化波形声音完全不同，它不是对声波进行采样、量化和编码。它实际上是一串时序命令，用于纪录电子乐器键盘弹奏的信息，包括键、力度、时值长短等。这些信息称之为MIDI消息，是乐谱的一种数字式描述。当需要播放时，只需从相应的MIDI文件中读出MIDI消息，生成所需要的乐器声音波形，经放大后由扬声器输出。

MIDI文件的存储容量较数字音频文件小得多。如3分钟的MIDI音乐仅仅需要10KB的存储空间，而3分钟的数字音频信号音乐需要15MB的存储容量。

对数据重新进行编码，以减少所需要的存储空间。数据压缩必须是可逆的，也即压缩过的数据必须可以恢复成原状，其逆过程称为解压缩。

当数据压缩后，文件的大小变小了，可以用压缩比来衡量压缩的数量。例如，压缩比为20：1，表明压缩后的文件大小是原文件的1/20。压缩编码方法有无损压缩法（冗余压缩法）和有损压缩法。后者允许有一定程度的失真，可用于对图像、声音、数字视频等数据的压缩。其中用这种方法压缩数据时，数字视频图像的压缩比可达到100:1~200:1。

数据压缩可以由特殊的计算机硬件实现或完全由软件来实现，也可以软、硬件相结合的方法来实现。常用的压缩软件由Winzip等。

扫描整个文本并且寻找两个或多个字节组成的模式。一旦发现一个新的模式，会用文件中其他地方没有用过的字节来代替这个模式，并在字典中加入一个入口。例如：有这样一段文本

"the rain in Spain stays mainly on the plain, but the rain in Maine falls again and again"

其中："the"是一种模式，在文中出现3次，若用"#"来替换，可以压缩6个字节；"ain"出现8次，若用"@"来替换，可以压缩16个字节；"in"出现2次，若用"$"来替换，可以压缩2个字节等。可见，文件越长，包含重复信息的可能越大，压缩比也越大。

扫描整个文档，并寻找重复的单词。当一个单词出现的次数多于一次时，那么从第二次及以后出现的该单词都会用一个数字来替换。这个数字称为原单词的指针。例如：上例中的文本可以压缩为："the rain in Spain stays mainly on#1 plain, but#1#2#3 Maine falls again and#16"可见，只压缩了6个字节，文件越大，单词重复的频率越高，因而压缩效果也越好。

游程编码是针对于图形文件的压缩技术，它是一种寻找字节模式并用一个可以描述这个模式的消息进行替代的压缩技术。

例如：假设图像中有一个191个像素的白**域，并且每个像素用一个字节来表示。经过游程编码压缩后，这串191个字节的数据被压缩成2个字节。

扩展名为.bmp的位图文件是没有压缩过的文件。扩展名为.tif、.pcx、.jpg的位图文件是已经压缩过的文件。以.tif为文件扩展名的文件使用的是TIFF（即带标志的图像文件格式）格式。以.pcx为文件扩展名的文件使用的是 PCX格式。以.jpg为文件扩展名的文件使用的是有损失的JPEG（Joint Photographic Experts Group，联合图像专家组）格式。人们往往对图像实行有损压缩。

视频由一系列的帧组成，每一帧又是一幅位图图像，故视频文件需要巨大的存储容量。

人们通过减少每秒钟的播放帧数、减少视频窗口的大小或者只对每帧之间变化的内容进行编码等技术，来减少视频信号的存储容量。

数字视频常常采用的格式有：Video for Windows、QuickTime和MPEG格式，其文件的扩展名分别为：.avi、.mov、.mpg其中.mpg是一种压缩文件。MPEG格式可以将两个小时的视频信息压缩到几个GB。

视频压缩中还可以用运动补偿技术来减少存储容量。这种技术只存储每一帧之间变化的数据，而不需要存储每一帧中所有的数据。当某个视频片断每帧之间的变化不大时，用运动补偿技术非常有效。例如：一个说话人的头部，只有嘴和眼睛在变化，而背景却保持相当的稳定。此时计算机只需计算出两帧之间的差别，只存储改变的内容即可。根据数据的不同，运动补偿的压缩比可以达到200:1。另外，每秒钟的播放帧数直接影响到视频的播放质量。减小图像的大小也是一种有效的减少存储容量的好方法。一般可以综合以上几种压缩技术来达到减小视频文件存储容量的目的。

音频数据突出的问题是信息量大。音频信息文件所需存储空间的计算公式为：

存储容量(字节)=采样频率×采样精度/8×声道数×时间

例如：一段持续1分钟的双声道音乐，若采样频率为44.1KHz，采样精度为16位，数字化后需要的存储容量为：44.1×103×16/8×2×60=10.584MB。

数字音频的编码必须具有压缩声音信息的能力，常用的方法是自适应脉冲编码调制法，即ADPCM压缩编码。

ADPCM压缩编码方案信噪比高，数据压缩倍率达2~5倍而不会明显失真，因此，数字化声音信息大多使用这种压缩技术。

**处理单元通常指为完成基本信息处理循环部件的总和。**处理单元是计算机系统硬件的核心，它主要包括**处理器（Central Processing Unit,CPU）、内存储器（Memory）、系统总线（System Bus）和控制部件等，通过这些部件的协同动作完成对信息的处理。

CPU是计算机系统的核心部件，它的工作就是处理信息、完成计算。CPU的种类很多。微型机的CPU也被称为"微处理器"，是采用先进技术生产的超大规模集成电路芯片。在这种芯片中通常集成了数百万计的晶体管电子元件，具有非常复杂的功能。比微型计算机性能更强的各种计算机，例如用于高性能网络服务器的计算机等，它们的CPU常常由一组高性能芯片构成，具有更强的计算能力。此外在各种现代化设备，例如各种机器设备、仪器、交通工具等内部都安装有所谓"嵌入式"的CPU芯片，几乎所有的高档电器内部也都装备了一片甚至几片CPU芯片。

内存储器又称为主存储器（Main Memory）,简称为内存或主存。内存是计算机工作中用于保存信息的主要部件，在一个计算机系统中起着极为重要的作用，它的工作速度和存储容量对系统的整体性能、对系统解决问题的规模和效能影响都非常大。对于内存储器，除了容量以外，另一个重要的性能指标就是它的访问速度。内存速度用进行一次读或写*作所花费的"访问时间"来衡量。

内存储器的基本存储单位称为存储单元，今天的计算机内存小存储器单元的结构模式，每个单元正好存储一个字节的信息（8位二进制代码）。每个单元对应了一个唯一的编号，由此形成的单元编号称为存储单元的地址。计算机**处理单元中的各部件通过一条公共信息通路连接，这条信息通路称为系统总线。CPU和内存之间的信息交换是通过数据总线和地址总线进行的。内存是按照地址访问的，给出即可得到存储在具有这个地址的内存单元里的信息。CPU可以随即访问任何内存单元的信息。且访问时间的长短不依赖所访问的地址。

CPU的基本功能由它所提供的指令确定。当CPU得到一条指令以后，控制单元就解释这条指令，指挥其他部件完成这条指令。虽然有很多不同的CPU，但它们的基本指令具有共同性。CPU的基本指令主要包括以下几大类：

指令也是在计算机里存在并需要在计算机里传输的一类信息，所以指令也必须采用二进制方式编码，以二进制形式在计算机里保存和传输。当CPU得到一条指令以后，控制单元就解释这条指令，指挥其他部件完成这条指令。

所谓"程序"就是为完成某种特定工作而实现的、由一系列计算机指令构成的序列。简单的说，程序就是指令的序列。一种具体的计算机的程序就是这种计算机的CPU能够执行的指令作为基本元素构成的序列。程序也可以看作是被计算机的CPU处理的一类信息，它实际上是被CPU的控制单元处理的，而不象一般数据那样被CPU的运算部件处理和使用。计算机基本工作循环由两个基本步骤组成：一个是取指令，另一个是执行指令。程序控制器是实现这个基本循环的主体。

人们在分析了在程序中需要实现的各种计算过程的需要之后，提出了程序的三种基本逻辑结构，称为程序的三种"基本控制结构"，即"顺序结构"、"分支结构"和"循环结构"，已经在理论上证明了这三种结构的能力是充分的，任何程序都能仅仅用这三种结构构造起来。三种基本控

三、ibm小型机是什么系统

IBM发布了第一台基于RISC（精简指令集计算机）架构的原型机。早在上世纪70年代初，基于IBM科学家John Cocke的发明，RISC的理念大大简化了计算机*作指令，加快系统运行速度，使得计算机性能得到大幅度提升。如今，RISC架构已经广泛应用于众多工作站和UNIX服务器系统中，并被看作是未来主流的计算架构。

IBM推出基于RISC系统、运行AIX V3的新产品线RS/6000（现在称为IBM eServer p系列）。该系统架构后来被称为POWER（POWER1），意为增强RISC性能优化（Performance Optimization With Enhanced RISC）架构。

IBM和苹果、摩托罗拉公司达成一系列合作协议，内容包括：推出支持苹果 Macintosh个人电脑与IBM网络相连的全新产品；推出面向PC机和低成本工作站的RISC架构PowerPC处理器；形成一个开放的系统环境，保证IBM AIX和苹果Macintosh软件程序在两家公司设计的RISC系统中都能运行。此外，开放的系统环境包括其他一些技术协议。

IBM推出可升级的POWER并行系统，这是第一款采用RS/6000技术，基于微处理器的超级计算机。在该系统中，IBM首次应用多处理器技术，可将复杂密集的任务进行分解，大大加快了计算机的运算速度，开创了业界先河。

IBM和摩托罗拉公司推出PowerPC 601处理器，该处理器是与苹果共同开发的。PowerPC上集成280多万个晶体管，主频为50 MHz。

IBM发布了66 MHz的POWER2处理器，首先应用于RS/6000系统。

IBM推出可升级的POWER并行系统 2(Scalable POWER parallel，SP2)。美国康乃尔理论研究中心配备了SP2超级计算机，运行速度高达1360亿次/秒。欧洲粒子物理学实验室（CERN）采用一款64节点、运行AIX系统的IBM SP2，速度位于欧洲前列。

IBM成功研发出新一代PowerPC 604处理器，其强大的处理性能在批量生产的处理器产品中处于领先地位。IBM技术人员还推出了业内快的“无损”数据压缩芯片，每秒钟能处理40 MB数据。7月，IBM交付第一百万个PowerPC 601处理器。

IBM发布首个基于Power架构的嵌入式控制器PowerPC 403GA。

PowerPC 64位RISC处理器开始应用于IBM AS/400*作系统中。

8月，苹果公司推出首款基于Power架构的笔记本电脑PowerBook 500，它采用IBM的 PowerPC 603e处理器。

IBM推出全新的32位POWER2超级芯片（P2SC），主频达135MHz，首先应用于RS/6000系统。基于POWER2架构的P2SC采用了高密度CMOS技术，单个芯片上集成1500万个晶体管。

IBM“深蓝”超级计算机在经过多局较量后，击败了国际象棋冠军Garry Kasparov。“深蓝”是一款32节点的IBM RS/6000 SP计算机，处理器采用32位P2SC，运行AIX*作系统。在比赛期间，“深蓝”的平均运算速度为每秒1亿2600万步。目前，这台超级计算机被安放在美国华盛顿特区的史密森国家博物馆内。

IBM为美国国家宇航局提供一款32位的PowerPC微处理器，其运算速度可达每秒3500万次，主要用于火星探测计划。经过洛克希德马丁实验室改造后，终形成可抗辐射的RAD 6000芯片，植入火星登陆车Sojourner Rover内部的计算机系统中。

由IBM和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室共同研发的“蓝色太平洋”超级计算机问世。这台计算机采用PowerPC 604处理器，主频高达332 MHz，系统包含176个节点，高运算速度为每秒3.9万亿次（比一般台式电脑快1.5万倍），存储容量超过2.6TB（是普通PC机的8万倍）。“蓝色太平洋”一秒钟内的计算量相当于一个人使用计算器连续计算6万3千年的总和。

IBM推出世界上第一组基于铜的微处理器PowerPC 740/750，工作频率为400MHz。由于使用了铜芯片技术，处理性能提高了近1/3。

全新64位POWER3处理器将POWER2架构(P2SC)与PowerPC架构相结合，并对技术应用进行了优化。POWER3的高运算速度可达每秒200万次，比“深蓝”所采用的POWER2超级芯片快出一倍多。

IBM公布了首个基于Power的嵌入式系统芯片（SoC）内核。不久之后，PowerPC 405内核也将同其他IP相结合，形成嵌入式SoC微处理器和基于Power的特定应用集成电路（ASIC）解决方案。

IBM研究院投资1亿美金开发一种新型的Power架构超级计算机。这种名为“蓝色基因”的计算机峰值速度超过1 Peta FLOP，比当时快的超级计算机高出500倍。它将被用来模拟复杂蛋白质的折叠。

自正式推出铜芯片一年后，IBM交付了第一百万个铜技术PowerPC芯片。

6月，IBM发布了第一个基于405内核的系统芯片PowerPC 405GP。下半年，IBM即推出了再下一代嵌入式PowerPC内核。

IBM与任天堂公司共同宣布了一项价值10亿美元的技术协议，IBM将为任天堂的下一代家庭游戏机GAMECUBE提供增强版PowerPC芯片。新产品性能将超出任何其他家庭游戏系统，为玩家呈现更佳的图像效果和更逼真的动作画面。

IBM勾画了一项雄心勃勃的战略——向通信行业供应芯片，首先将其芯片技术卖给Cisco Systems公司，同时采取若干步骤向那些生产制造交换机、路由器和其他通信设备的公司展示IBM在供应微处理器和其他部件方面的突出能力。

IBM宣布将高速PowerPC处理器与电视机顶盒（STB）组件一起整合到一个“单芯片系统”上，从而在系统性能、价格和设计等方面为机顶盒厂商带来竞争优势。该单芯片系统拥有众多的先进应用，并能帮助三星等公司灵活应对不断变化的客户需求。

IBM将RS/6000更名为IBM eServer p系列。

IBM新一代超机计算机“ASCI White”在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室投入使用，运算速度高达每秒12.3万亿次，主要用于模拟核*炸试验。作为美国国家核安全管理局(NNSA)提高战略运算能力计划(ASCI)的组成部分，该系统强大的运算能力可以在不到1分钟时间内处理地球上每个人发出的一次互联网*作请求。

在经过5年潜心研发后，IBM推出世界上强大的UNIX服务器—eServer p690（“Regatta”）。新系统基于先进的POWER4处理器，集成了多项主机技术。由多台p690服务器连接而成的超级计算机拥有1000多个POWER4处理器，能够完成为复杂的运算任务。

索尼电脑娱乐公司（SCEI）、IBM和东芝共同宣布了多项计划，为在新兴宽带时代使用的设备进行领先芯片架构的研发。产品代号为“Cell”的新的微芯片采用世界上先进的研究技术和芯片制造技术，采用比0.10微米还小的工艺——比人的头发细1000倍。这样将制造出比IBM深蓝超级计算机还要强大，耗电很低，能够以超高速度接入宽带互联网的消费者电子设备。

IBM推出64位PowerPC 970处理器，这款高性能产品可应用于普通台式机、入门级服务器等多种环境中。64位的PowerPC 970芯片基于POWER4服务器架构，采用独特的单指令多数据流（SIMD）单元，拥有超强处理性能。此外，它还采用了“Elastic I/O”内部总线结构，这是业界快的处理器总线之一。

IBM推出速度更快的POWER4+。截至2003年，POWER4+已经应用于全部pSeries产品线。

IBM推出32路eServer iSeries 890服务器，其处理性能为i840的两倍，采用1.3 GHz POWER4处理器，单个芯片上集成了1亿7400万个晶体管。

纽约州州长George Pataki和IBM董事长兼首席执行总裁Sam Palmisano联合宣布了先进的IBM 300mm半导体设备生产线的开通。这条生产线是IBM微电子业务的重要扩展，它的主要目的是通过高端芯片代工制造服务和IBM的定制和标准芯片产品，满足客户对IBM领先芯片技术不断增长的需求。

IBM推出嵌入式PowerPC 440GP和PowerPC 440GX处理器，主要运行嵌入式网络和存储应用。PowerPC 440GX拥有TCP/IP负载加速功能，在全部的5项EEMBC基准测试中得分均高于任何其它的“单芯片系统”处理器。

IBM宣布一个有关32位嵌入式PowerPC内核的公开授权计划。

IBM和苹果公司联手推出世界上第一款64位台式机处理器—PowerPC G5，工作频率达2.0 GHz。苹果公司称新的Power Mac G5电脑是“世界上快的个人电脑”。

IBM宣布推出划时代的“Blue Gene/L”原型机。这款超级计算机尺寸仅相当于30英寸彩电大小，它的问世将为科学界和IT业发展带来深远影响。终版“Blue Gene/L”超级计算机将于2005年诞生，占地面积相当于半个网球场，总共包含65536个节点（PowerPC）和64个机架，预计其峰值速度将达到360 Tera Flops。

IBM宣布eServer pSeries 630将采用POWER4+处理器。等到eServer pSeries p615发布后，POWER4+已经应用于全部pSeries产品线。

IBM推出首款采用64位PowerPC技术的刀片服务器BladeCenter JS20，扩大了客户的选择范围，提高投资回报率，实现快速经济的计算性能扩展。

IBM推出全新的PowerPC 750GX。与PowerPC 750相比，新产品的二级缓存扩大了一倍，由原先的512KB变为1MB。

IBM宣布开发出一种制造低功耗、高性能微处理器的新方法，首次把绝缘硅（SOI）、应变硅和铜制程三种技术工艺结合在一起。64位PowerPC 970FX成为首款采用新技术生产的处理器产品，并在业内评选中荣获大奖。

IBM交付第4000台eServer p690服务器，该产品基于POWER架构，是世界上受欢迎的UNIX服务器。

IBM宣布POWER5处理器并推出备受关注的基于POWER5处理器的第一款系统eServer i5。年底，IBM又推出了eServer p5-520和p5-550 Express。基于IBM POWER5微处理器，这些服务器为客户提供了源自大型主机的技术和性能，从而为中型公司提供适合他们预算的价格和配置。

IBM开始大量生产IBM eServer p5-510服务器，这款服务器的设计初衷是将POWER5的性能和领先的虚拟化能力带入到入门级UNIX和Linux服务器。

IBM首次推出四款新的UNIX系统，包括IBM System p5-550Q、p5-520、p5-550和p5-505，它们均采用新的POWER5+微处理器技术，瞄准中小企业客户。

IBM预先展示了经过升级的高密度POWER5+ IBM p5-575超级计算机的预发布版。

IBM System p5 595是世界上强大的服务器，保持着每秒400万次交易的世界记录。该款服务器具有多达64个POWER5+微处理器内核，使用IBM初为游戏机开发的Dual Stress技术。Dual Stress技术能够同时拉伸和压缩硅，这样可以提供更高的处理器性能和更高的能效。

IBM推出8款新的IBM System p5服务器，其中包括几款基于当时快的POWER5+处理器的服务器。另外，公司还宣布新的IBM System p5 570在16个内核的系统中创下了新的交易处理性能记录。

道琼斯指数选择IBM System p5 570服务器作为其全球指数和平均指数，如：道琼斯工业平均指数的计算平台。

IBM首次推出POWER6——有史以来快的微处理器，同时推出一款充分利用了该芯片在节能和虚拟化技术方面重大突破的新型超高性能服务器——IBM System p570。新型System p570是业界第一款同时囊括四大UNIX基准测试速度记录的服务器。

新推出的双核POWER6处理器的速度为4.7 GHz，是其上一代POWER5处理器的2倍，但运行和散热所消耗的电能基本相同。这意味着客户可以使用新的处理器将性能提高100%或将能耗减半。POWER6处理器的速度几乎是HP服务器产品线所使用的新HP Itanium处理器的3倍。

新的IBM System p570服务器中的POWER6芯片是第一款在硬件上进行十进制浮点计算的微处理器内置的十进制浮点运算能力能够为企业运行复杂的税收、金融和ERP程序带来巨大的优势。