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第1章信息技术概述 本章学习目标与要求 1 了解什么是信息 信息处理 信息技术 2 了解什么是微电子技术 它的作用和意义 3 初步理解通信系统的组成和数据通信的基本原理 4 了解通信系统的分类和通信技术的发展前景 5 理解什么是比特和比特的运算 掌握二进制数与十进制数 八进制数 十六进制数的关系 熟悉整数和实数在计算机内的表示方法 目录 1 1信息与信息技术1 2微电子技术简介1 3通信技术入门1 4数字技术基础 1 1信息与信息技术 目录 信息技术 2 信息处理系统 3 信息与信息处理 1 返回 1 1 1信息与信息处理 信息定义 信息就是信息 它既不是物质也不是能量 N Wiener 控制论创始人 事物运动的状态及状态变化的方式 客观事物立场 认识主体所感知或所表述的事物运动及其变化方式的形式 内容和效用 认识主体立场 信息处理过程 人们获取信息 传递信息 加工 处理 信息并按照信息加工的结果 通过手 脚等效应器官作用于事物客体的一个典型过程 信息获取 感觉器官 事物客体 信息传递 神经系统 信息加工 大脑 信息传递 神经系统 信息施效 效应器官 与信息处理相关的行为和活动 信息收集 感知 测量 识别 获取 输入等 信息加工 分类 计算 分析 综合 转换 检索 管理等 信息存储 信息传递 信息施用 控制 显示等 返回 1 1 2信息技术 信息技术 信息技术的概念 用来扩展人的信息器官功能 协助人们进行信息处理的一类技术 基本信息技术 扩展感觉器官功能 扩展神经网络功能 感知与识别技术 雷达 卫星遥感 生物传感器等 通信技术与存储技术 电视 电话 因特网等 扩展思维器官功能 计算处理技术 计算机 机器人等 扩展效应器官功能 控制与显示技术 计算机 机器人等 返回 1 1 3信息处理系统 信息处理系统 用于辅助人们进行信息获取 传递 存储 加工处理 控制及显示的综合使用各种信息技术的系统 信息处理系统结构 感知与识别 通信 存储 信息加工 通信 存储 控制与显示 信息处理系统分类 依据自动化程度 人工的 半自动的 全自动的依据技术手段 机械的 电子的 光学的依据适用范围 专用的 通用的 信息处理系统实例 雷达 是一种以感知与识别为主要目的的系统 电视 广播系统 是一种单向的 点到多点 面 的以信息传递为主要目的的系统 是一种双向的 点到点的以信息交互为主要目的的系统 电话 银行 是一种以处理金融业务为主的系统 图书馆 是一种以信息收藏和检索为主的系统 Internet 是一种跨越全球的多功能信息处理系统 现代信息技术的主要特征 现代信息技术的特征 以 为基础 以 为核心 采用 技术 包括激光技术 进行信息的 数字技术 计算机 电子 收集 传递 加工 存储 显示与控制 现代信息技术的应用领域 现代信息技术应用领域 通信广播计算机微电子遥感遥测自动控制机器人等 返回 1 2微电子技术简介 目录 集成电路的发展趋势 2 IC卡 3 微电子技术与集成电路 1 返回 1 2 1微电子技术与集成电路 微电子技术与集成电路 微电子技术 以集成电路为核心的电子技术 是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的 电子技术的基础元件的演变 电子线路基础元件的演变 真空电子管在这个阶段产生了广播 电视 无线电通信 仪器仪表 自动化技术和第一代电子计算机 李 德福雷斯特 LeedeForest 1873 1961 美国科学家 被誉为电子管之父 电子线路基础元件的演变 晶体管1948年发明 再加上印制电路组装技术的使用 使电子电路在小型化方面前进了一大步 产生了第二代计算机 威廉 肖克利 WilliamShockley 美国科学家 被誉为晶体管之父1956年度诺贝尔物理学奖获得者 电子线路基础元件的演变 集成电路 简称IC 20世纪50年代出现 以半导体单晶片作为材料 经平面工艺加工制造 将大量晶体管 电阻等元器件及互连线构成的电子线路集成在基片上 构成一个微型化的电路或系统 超大规模集成电路 小规模集成电路 现代集成电路使用的半导体材料通常是硅 Si 也可以是化合物半导体如砷化镓 GaAs 等 电子线路基础元件的演变 杰克 基尔比 JackKilby 美国科学家 集成电路发明者诺贝尔物理学奖得主 集成电路的规模 根据单个集成电路所包含的电子元件的数目分为 集成电路的集成对象 中 小规模集成电路一般以简单的门电路或单级放大器为集成对象 大规模集成电路则是以功能部件 子系统为集成对象 集成电路分类 根据所用晶体管结构 电路和工艺分为 双极型集成电路金属 氧化物 半导体集成电路双极 金属 氧化物 半导体集成电路等 集成电路分类 根据集成电路的功能分为 数字集成电路模拟集成电路 集成电路分类 根据用途分为 通用集成电路专用集成电路 微电子技术与集成电路 集成电路芯片是微电子技术的结晶 它是计算机和通信设备的硬件核心 据预测 未来十年内世界半导体产业的年平均增长率将达15 以上 集成电路是现代信息产业的基础 现代经济发展数据表明 1元集成电路的产值将带动10元左右电子产品产值和100元国民经济的增长 返回 1 2 2集成电路的发展趋势 集成电路的发展趋势 集成电路的工作速度主要取决于 组成逻辑门电路的晶体管的尺寸 晶体管的尺寸越小 其极限工作频率越高 门电路的开关速度就越快 芯片上电路元件的线条越细 相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多 功能就越强 速度也越快 集成电路的发展趋势 集成电路特点 体积小 重量轻 可靠性高提高集成度 关键在缩小门电路面积 Moore定律单块集成电路的集成度平均每18 24个月翻一番 GordonE Moore Intel公司创始人 集成电路的发展趋势 30年来Intel公司微处理器集成度的发展 30年来微处理器集成度的发展 集成电路的发展趋势 至2005年初 集成电路生产的主流技术达到 12 14英寸晶圆 0 09 m工艺水平 注 1 m 10 6m 美国半导体协会 SIA 预测 到2010年将能达到18英寸晶圆和0 07 0 05 m的工艺水平 返回 1 2 3IC卡 IC卡 是 集成电路卡 的缩写 国外称为chipcard或smartcard 它把集成电路芯片密封在塑料卡基片内部 使其成为能存储 处理和传递数据的载体 与磁卡相比 它不受磁场影响 能可靠地存储数据 IC卡的分类 从所镶嵌的集成电路芯片分为两类 存储器卡 如电话卡 水电费卡 公交卡 医疗卡等 CPU卡 如手机中使用的用户识别卡 SIM IC卡的分类 按使用方式可分为两种 接触式IC卡非接触式IC卡 返回 1 3通信技术入门 目录 模拟通信 2 数字通信 3 通信的基本原理 1 返回 传输介质 4 移动通信 5 1 3 1通信的基本原理 概述 通信 各种信息的传递 现代通信 使用电波或光波双向传递信息的技术 通常称为电信 通信系统的简单模型 通信三要素 信源 宿 信道 信宿 源 通信系统的简单模型 信息的发送者 信息的接收者 信息的传输媒介 信源 信宿 信道 信道中所传输的信号 通信系统中被传输的信息都必须以某种电 或光 信号的形式才能通过传输介质进行传输 信号的两种形式 电 或光 信号的两种形式 模拟信号 数字信号 模拟传输技术 数字传输技术 要求 掌握模拟通信和数字通信 基本概念传输技术多路复用技术应用 返回 1 3 2模拟通信 概念 模拟传输技术 是指直接用连续信号来传输信息或通过用连续信号对载波进行调制来传输信息的技术 调制与解调 调制 传送数据时 略微调整一下正弦波信号的幅度 或频率或相位 这个过程称为 调制 然后就可以进行长距离传输 解调 到达目的地时 接收方再把正弦波信号携带的信息检测出来并恢复成原始信号的形式 称为 解调 调制解调器 Modem 模拟传输技术 模拟调制的3种方法 频分多路复用FDM 在一条传输线路同时传输多路信号的技术 模拟传输技术的应用 有线载波电话系统 模拟通信的优缺点 优点 结构比较简单成本低 缺点 易受噪声信号的干扰 传输质量不稳定 趋势 被数字信号取代 返回 1 3 3数字通信 概念 数字传输技术 是指直接用数字信号来传输信息或通过用数字信号对载波进行调制来传输信息的技术 数字传输技术的优点 抗干扰能力强灵活性好可以直接由计算机进行存储 管理和处理更易于加密 通信的安全性更好更易于用超大规模集成电路实现数字电路 有利于通信设备的小型化 微型化 降低了功耗 两种数字传输技术 直接用数字信号传输信息 数字传输技术 用数字信号对载波进行调制 基带传输 频带传输 基带传输技术 基带传输 概念 数字信号不经过调制就在信道上直接进行传输 如何传输 数字信号在近距离 可以不加处理数字信号在较长距离 必须作码型转换 频带传输技术 频带传输 概念 先用数字信号对特定频率的载波进行调制 称为数字调制 使其变为适合于传送的信号 然后再进行传输 数字调制的方法 数字调制有3种方法 幅移键控 频移键控 相移键控 多路复用技术 时分多路复用技术 TDM 即各终端设备 计算机 以事先规定的顺序轮流使用同一传输线路进行数据传输 频分多路复用技术 FDM 即将各终端设备发出的信号调制在不同频率的载波上 通过频分多路复用器将它们复合成一个信号 在用同一传输线路进行传输 时分多路复用技术TDM 数字调制技术的应用 长途电话系统使用MODEM通过电话线上网数字有线电视卫星电视 数字通信系统的性能指标 一 信道带宽 2 数字传输 一个信道允许的最大数据传输速率称为该信道的带宽 也称为信道容量 1 模拟传输 几乎无失真地传输模拟信号的频率变化范围 单位HZ 数字通信系统的性能指标 二 数据传输速率 简称数据率 datarate 指实际进行数据传输时单位时间内传送的二进位数目 通常使用 千位 秒 Kbps 兆位 秒 Mbps 千兆位 秒 Gbps 作为计量单位 数字通信系统的性能指标 三 端到端延迟 指数据从信源 源计算机 传送到信宿 目的计算机 所花费的时间 误码率 errorrate 指数据传输中规定时间内出错数据占被传输数据总数的比例 返回 1 3 4传输介质 通信中使用的传输介质 1 利用电流传输信息 2 利用光波传输信息 3 不需要物理连接 金属导体 光导纤维 电磁波 金属导体 双绞线 双绞线可以用于传输模拟信号 如电话用户线也可以在距离不长时用于数字信号的基带传输 如以太网 金属导体 双绞线 双绞线有 1 屏蔽双绞线STP 2 无屏蔽双绞线UTP 种类与传输速率三类线 10Mb s五类线 100Mb s六类线 200Mb s 双绞线的特点 优点 价格便宜 安装方便缺点 易受外部高频电磁波干扰 需每隔一段距离使用中继器将信号放大 整形 同轴电缆 同轴电缆的分类 基带同轴电缆 在计算机局域网中以基带形式传输数字信号 距离200 500m 传输速度50Mb s 宽带同轴电缆 即有线电视电缆 主要传输模拟电视信号 距离几 几十公里 光导纤维 光导纤维 传输介质 光纤 光缆 传输的信号 光信号 数字信号 有光脉冲相当于1 无光脉冲相当于0 传输速率 1Gb s以上传输信号 数字信号 光纤通信原理 光波在纤芯中的传输原理当光线的入射角足够大时 就会出现全反射 重复此过程 光就沿着光纤传播下去 光纤种类 单模 多模 纤芯直径为8 10 m 一个光波波长 光线不出现反射 直接向前传输 衰耗小 在2 5Gb s的高速率下传输数十公里而不必采用中继器 传输距离远 速率高 纤芯直径为50或62 5 m 可以存在许多条入射角不同的光线 各自以不同的反射角全反射传播下去 传输距离近 速率低 波分多路复用WDM 在一根光纤中同时传输几种不同波长的光波 以达到增大信道容量的目的 光纤通信的优缺点 优点 传输频带非常宽 通信容量大不受高压线和雷电的电磁干扰 抗核辐射能力强无串音干扰 保密性强 不易被窃听或截取数据重量轻 便于运输和铺设传输损耗小 无中继通信距离长数据速率为420Mbps 距离为119km 无中继器时 误码率为10 8 缺点 精确连接两根光纤比较困难 无线通信系统 无线电波可以按频率 或波长 分成中波 短波 超短波和微波 无线电波的传播特性 由于不同波段电磁波的传播特性各异 因此可以用于不同的通信系统 中波 沿地面传播 绕射能力强 适用于广播和海上通信 短波 具有较强的电离层反射能力 适用于环球通信 超短波和微波 绕射能力较差 只能作为视距或超视距中继通信 无线电波 例如 中波900KHz 南京经济台 中波1008KHz 南京新闻台 中波1143KHz 南京交通台 短波 美国之音 调频104 3MHz 超短波 南京经济台 调频105 8MHz 超短波 南京音乐台 微波通信的方式 微波通信方式 地面微波接力通信卫星通信对流层散射通信 微波通信的优点 微波通信优点 容量大可靠性高建设费用低抗灾能力强 卫星通信 利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号 实现两个或多个地球站之间的通信 是微波接力通信技术与空间技术相结合的产物 返回 1 3 5移动通信 移动通信 移动通信 处于移动状态的对象之间的通信包括 蜂窝移动电话 手机 集群调度无绳电话寻呼系统卫星系统 移动通信的组成 蜂窝移动通信系统由移动台 基站 移动电话交换中心组成 移动通信的发展 第一代 传输模拟信号 使用频段800 900MHz 第二代 传输数字信号 使用频段900MHz 1800MHz 标准有 GSM CDMA JDC 第三代 3G 使用频段2GHz 返回 1 4数字技术基础 目录 比特与二进制数 2 整数 定点数 的表示 3 信息的基本单位 比特 1 返回 实数 浮点数 的表示 4 小结 5 1 4 1信息的基本单位 比特 概述 当代电子信息技术的基础有两项 微电子与光纤技术数字技术 数字技术就是用0和1两个数字来表示 处理 存储和传输一切信息的技术 信息的基本单位 比特 什么是比特 数字技术的处理对象 bit binarydigit 中文意译为 二进位数字 或 二进位 可简称为 位 它只有两种状态 取值 数字0和数字1 信息的基本单位 比特 许多情况下比特只是一种符号而没有数量的概念 表示一个比特需要使用两个状态 比特是计算机和其他数字系统处理 存储和传递信息的最小单位 一般用小写的 b 表示 另一种稍大些的数字信息的计量单位是 字节 byte binaryterm的缩写 一般用大写字母 B 表示 一个字节包含8个比特 比特的运算 最基本的逻辑运算有三种 逻辑加 也称 或 运算 用符号 OR 或 表示 逻辑乘 也称 与 运算 用符号 AND 或 表示 取反 也称 非 运算 用符号 NOT 或 表示 逻辑加的运算规则 逻辑加的运算规则 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 有一个为1即为1 都为0时才为0 逻辑乘的运算规则 逻辑乘的运算规则 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 有一个为0即为0 都为1时才为1 取反的运算规则 取反的运算规则 0 1 取反 1 0 取反 两个多位二进制数进行逻辑运算时 按位独立进行 相邻位之间不发生关系 练习 1 0101 1100 2 0101 1100 0101 1100 0100 0 1 0 0 0101 1100 1 0 1 1 1101 二进制数的算术运算 算术运算 加 减 乘 除 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 10 进位 向高位进1 两个一位数加法的基本运算规则是 二进制数的算术运算 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 借位 向高位借1 两个一位数减法的基本运算规则是 练习 1 0110 0100 2 1101 0010 1101 0010 1011 1 0 1 1 0110 0100 0 1 0 1 1010 比特的存储单位 在计算机信息处理系统中 存储容量使用2的幂次作为单位有助于存储器的设计 经常使用的单位有 千字节 KB 1KB 210字节 1024B 兆字节 MB 1MB 220字节 1024KB 吉字节 GB 1GB 230字节 1024MB 千兆字节 太字节 TB 1TB 240字节 1024GB 兆兆字节 练习 1 1TB MB KB 2 1GB KB B b 1024 1024 230 1024 1024 1024 1024 1024 230 8 网络速度 在计算机网络中传输二进制信息时 由于是一位一位串行传输的 传输速率的度量单位与上述有所不同 且使用的是十进制 经常使用的单位有 比特 秒 b s 也称 bps 如 9600bps 9600b s 千比特 秒 Kb s 1Kb s 103比特 秒 1000b s 兆比特 秒 Mb s 1Mb s 106比特 秒 1000Kb s 吉比特 秒 Gb s 1Gb s 109比特 秒 1000Mb s 太比特 秒 Tb s 1Tb s 1012比特 秒 1000Gb s 返回 1 4 2比特与二进制数 比特与二进制数 十进制数 二进制数的概念八进制数 十六进制数的概念二进制数的加法和减法运算二 八 十 十六进制数之间的相互转换 十进制数 Decimal 十进制的基数是 10 使用0 1 2 3 4 5 6 7 8 9这十个数字符号 运算规则 逢十进一 借一当十 如 203 49 2 102 0 101 3 100 4 10 1 9 10 2 十进制数 Decimal 一般地说 一个十进制数 S KnKn 1 K1K0 K 1K 2 K m 所代表的实际数值是 S Kn 10n Kn 1 10n 1 K1 101 K0 100 K 1 10 1 K 2 10 2 K m 10 m 二进制数 Binary 使用比特来表示的数称为二进制数 二进制的基数是 2 使用0和1两个不同的数字符号 运算规则 逢二进一 借一当二 如 101 01 2 1 22 0 21 1 20 0 2 1 1 2 2 5 25 10 二进制数 Binary 一般地说 一个二进制数 S KnKn 1 K1K0 K 1K 2 K m 所代表的实际数值是 S Kn 2n Kn 1 2n 1 K1 21 K0 20 K 1 2 1 K 2 2 2 K m 2 m 八进制数 Octal 八进制数使用0 1 2 3 4 5 6 7八个符号 运算规则 逢八进一 借一当八 如 365 2 8 3 82 6 81 5 80 2 8 1 245 25 10 十六进制数 Hexadecimal 十六进制数使用0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F十六个符号 其中A B C D E F分别代表十进制的10 11 12 13 14 15 运算规则 逢十六进一 借一当十六 如 F5 4 16 15 161 5 160 4 16 1 245 25 10 任意 R 进制数 每种进位制都有固定的数码 基数 按基数进位或借位 逢R进一 借一当R 用位权值来计数在任何进位计数制中 数码所处的位置不同 代表的数值大小也不同 对每一个数位赋予的位值 在数学上叫做 权 任意 R 进制数 位权与基数的关系 位权的值等于基数的若干次幂 KnKn 1 K1K0 K 1K 2 K m R Kn Rn Kn 1 Rn 1 K1 R1 K0 R0 K 1 R 1 K 2 R 2 K m R m 进制数的表示 一 用数字下标分别表示二 八 十 十六进制 二进制数1010 1010 2 八进制数527 527 8 十进制数4190 4190 10 十六进制数3C8 3C8 16 进制数的表示 二 人们用字母B Q D H分别表示二 八 十 十六进制 二进制数1010 1010B 八进制数527 527Q 十进制数4190 4190D 十六进制数3C8 3C8H 练习 判断正误 1 1010 只可能是二进制数 2 386 是八进制数或十进制数 3 7291 不可能是二进制数和八进制数 4 5A8G 是十六进制数 十进制数与二进制数的转换 1 十进制整数 二进制整数 方法 除 取余 举例 53 10 2 110101 练习 49 10 2 110001 方向 从下到上 十进制数与二进制数的转换 2 十进制小数 二进制小数 方法 乘 取整 举例 0 6875 10 2 0 1011 练习 0 75 10 2 0 11 方向 从上到下 0 8 10 2 0 110011 十进制数与二进制数的转换 3 二进制数 十进制数 方法 位权相加法 举例 练习 1101 01 2 10 13 25 1010 101 2 10 10 625 练习 1 11 875 10 2 1011 111 2 1001 11 2 10 9 75 0 0 0 0 1 1 1 1 10 2 2 2 11 3 3 3 100 4 4 4 101 5 5 5 110 6 6 6 111 7 7 7 1000 8 10 8 1001 9 11 9 1010 10 12 A 1011 11 13 B 1100 12 14 C 1101 13 15 D 1110 14 16 E 1111 15 17 F 二进制数与八进制数的转换 方法 三位变一位 举例 1101010110 0111 2 8 1526 34 练习 11000101 11101 2 8 305 72 4 二进制数 八进制数 二进制数与八进制数的转换 方法 一位变三位 举例 2467 32 8 2 10100110111 01101 练习 637 524 8 2 110011111 1010101 5 八进制数 二进制数 二进制数与十六进制数的转换 方法 四位变一位 举例 1101001110 11011 2 16 34E D8 练习 101011001 101101 2 16 159 B4 6 二进制数 十六进制数 二进制数与十六进制数的转换 方法 一位变四位 举例 2A67 F 16 2 10101001100111 1111 练习 35A2 CFH B 11010110100010 11001111 7 十六进制数 二进制数 八 十六进制数转换为十进制数 方法 举例 练习 位权相加法 17 2 8 10 15 25 13CE 8 16 10 5070 5 8 八 十六进制数 十进制数 作业 215 6875 10 2 8 11100011001 1101 2 8 16 4D2 BA6 16 2 1011 111 2 10 1506 72 8 2 245 25 10 2 1101101011 2 8 16 110110 2 100101 2 2 10111010 2AND 100101 2 2 返回 1 4 3整数 定点数 的表示 计算机中的数值信息的表示 整数也叫做 定点数 实数也叫作 浮点数 计算机中的数值信息分为整数和实数两大类 整数的分类 整数的分类 不带符号的整数 带符号的整数 不带符号的整数 不带符号的整数一定是正整数常用于表示地址 索引等数据 取值范围 8位 16位 32位 0 255 28 1 0 65535 216 1 0 232 1 带符号的整数既可表示正整数 又可表示负整数 0 表示 正数 1 表示 负数 其余各位表示数的绝对值 取值范围 8位 n位 带符号的整数 127 127 27 1 27 1 2n 1 1 2n 1 1 带符号整数的表示 原码表示法 优点 简单 直观 缺点 减法运算较繁 不便于CPU的运算处理 有 0和 0之分 整数 定点数 的表示 补码表示法 在计算机中 负数使用补码表示 补码的计算方法 X Y X 补 Y 补 补 X Y X 补 Y 补 补 整数 定点数 的表示 例如 43 原 10101011 负