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第1章信息技术概述,1.1信息与信息技术1.2数字技术基础1.3微电子技术简介,1.1信息与信息技术,（1）什么是信息（2）信息处理与信息技术（3）信息处理系统,信息是什么？,信息是“事物运动的状态及状态变化的方式”信息有多种表现形式，语言、文字、声音、图片等都是信息的表现形式(也称为信息的载体或媒体)信息与物质和能量同样重要，它是人们认识世界、改造世界的一种基本资源,什么是信息处理？,信息处理指的是与下列内容相关的行为和活动：信息的收集(信息的感知、测量、获取、输入等)信息的加工(信息的分类、计算、分析、转换等)信息的存储(书写、摄影、录音、录像等)信息的传递(邮寄、电报、电话、广播等)信息的施用(控制、显示等),人工进行信息处理的过程,人工信息处理的不足：算不快记不住传不远看（听）不清,手/脚/身,眼/耳/鼻/舌/身,什么是信息技术？,信息技术（informationtechnology，简称it）指的是用来扩展人们信息器官功能、协助人们更有效地进行信息处理的一门技术。信息技术包括：扩展感觉器官功能的感测(获取)与识别技术扩展神经系统功能的通信技术扩展大脑功能的计算(处理)与存储技术扩展效应器官功能的控制与显示技术,现代信息技术,3大特征：以数字技术（计算机）为基础采用电子技术（包括激光技术）以计算机及其软件为核心内容：计算机、微电子、通信、广播、遥感遥测、自动控制、机器人等,什么是信息处理系统？,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，可以通称为信息处理系统信息处理系统的结构：,信息处理系统举例,雷达：以感测与识别为主要目的电视/广播：以单向、点到多点的信息传递为主要目的电话：以双向、点到点的信息交互为主要目的银行：以处理金融信息为目的图书馆：以信息收藏和检索为主要目的因特网：跨越全球的多功能信息处理系统,1.2数字技术基础,1.2.1比特1.2.2比特与二进制数1.2.3整数（定点数）的表示1.2.4实数（浮点数）的表示1.2.5小结,1.2.1信息的基本单位比特(bit),（1）什么是比特（2）比特的逻辑（3）比特的存储,什么是比特？,比特（bit，binarydigit的缩写）中文翻译为“二进位数字”、“二进位”或简称为“位”比特只有2种取值：0和1，一般无大小之分比特是组成数字信息的最小单位数值、文字、符号、图像、声音、命令都可以使用比特来表示，其具体的表示方法就称为“编码”或“代码”,例用比特表示图像,比特的三种基本逻辑运算,比特的取值“0”和“l”可表示两种不同的状态（例如电位的高或低、命题的真或假）比特的运算使用逻辑代数，它有3种基本逻辑运算：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，也可省略）取反（也称“非”运算，用符号“not”或上横杠“”表示）,逻辑运算的规则,逻辑加：f=aba:0011b:0101f:0111逻辑乘：f=aba:0011b:0101f:0001取反：f=notaa:not0not1f:10,两个多位的二进制信息进行逻辑运算时，按位独立进行，即每一位都不受其它位的影响：例1a:0110b:1010f:1110例2a:0110b:1010f:0010,比特的存储（1）-cpu中比特的存储,存储(记忆)1个比特需要使用具有两种稳定状态的元器件，例如：开关、灯泡等。,在计算机的cpu中，比特使用一种称为“触发器”的双稳态电路来存储触发器有两个状态，可分别用来记忆0和1，1个触发器可存储1个比特一组（例如8个或16个）触发器可以存储1组比特，称为“寄存器”cpu中有几十个甚至上百个寄存器,断电后信息不再保持！,比特的存储（2）-存储器中比特的存储,计算机存储器中用电容器存储二进位信息：当电容的两极被加上电压，它就被充电，电压去掉后，充电状态仍可保持一段时间，因而1个电容可用来存储1个比特,信息存储原理电容c处于充电状态时，表示1电容c处于放电状态时，表示0,集成电路技术可以在半导体芯片上制作出以亿计的微型电容器，从而构成了可存储大量二进位信息的半导体存储器芯片,断电后信息不再保持！,比特的存储（3）-磁盘、光盘中比特的存储,磁盘：利用磁介质表面区域的磁化状态来存储二进位信息,光盘：通过“刻”在光盘片表面上的微小凹坑来记录二进位信息,断电后信息可以保持！,存储容量的计量单位,8个比特1个字节（byte，用大写b表示）计算机内存储器容量的计量单位：kb:1kb=210字节=1024b（千字节）mb:1mb=220字节=1024kb（兆字节）gb:1gb=230字节=1024mb（吉字节、千兆字节）tb:1tb=240字节=1024gb（太字节、兆兆字节）外存储器容量经常使用10的幂次来计算：1mb103kb1000kb1gb106kb1000000kb1tb109kb=1000000000kb,现象,160gb的移动硬盘实际容量160,041,885,696字节,为什么？,原因:,相同的符号，有两种不同的含义！,1.2.2比特与二进制数,（1）不同进位制数的表示和含义（2）不同进位制数的相互转换（3）二进制数的算术运算,不同进位制数的表示和含义,“数”是一种信息，它有大小（数值），可以进行四则运算“数”有不同的表示方法。日常生活中人们使用的是十进制数，但计算机使用的是二进制数，程序员还使用八进制和十六进制数，它们怎样表示？其数值如何计算？,十进制数,十个数字（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）低位与高位的关系是：逢10进1各位的权值是10的整数次幂（基数是10）标志：尾部加“d”或缺省例：204.96=21020101410091016102,二进制数,两个数字表示（0、1），每一位1个“比特”低位与高位的关系是：逢2进1各位的权值是2的整数次幂（基数是2）标志：尾部加b例：101.01b=1220211200211225.25,八进制数,八个数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7）低位与高位的关系是：逢8进1各位的权值是8的整数次幂（基数是8）标志：尾部加q例：365.2q=382+681+580+281=245.25,十六进制数,用十六个数字表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、a、b、c、d、e、f）逢16进1,基数为16各位的权值是16的整数次幂（基数是16）标志：尾部加h例：f5.4h=15161+5160+4161=245.25,不同进制数的相互转换,熟练掌握不同进制数相互之间的转换，在编写程序和设计数字逻辑电路时很有用只要学会二进制数与十进制数之间的转换，与八进制、十六进制数的转换就不在话下了,十进制数二进制数,转换方法：整数和小数放开转换整数部分：除以2逆序取余小数部分：乘以2顺序取整例如：29.687511101.1011b注意：十进制小数（如0.63）在转换时会出现二进制无穷小数，这时只能取近似值,八进制数与二进制数的互换,八进制二进制：例：2467.32q010100110111.011010b二进制八进制：例：1101001110.11001b001101001110.110010b1516.62q,1位八进制数与3位二进制数的对应！,八进制数二进制数00001001201030114100510161107111,十六进制数与二进制数的互换,例1：35a2.cfh11010110100010.11001111b例2：1101001110.110011b34e.cch,1位十六进制数与4位二进制数的对应关系：,二进制数的算术运算,1位二进制数的加、减法运算规则：,2个多位二进制数的加、减法运算举例：,小结：数字技术的基础二进制,二进制数的运算有2类：逻辑运算：，not.按位进行，不考虑进位算术运算:+,-,x,/.从低位到高位逐位进行，需考虑低位的进位(借位),1.2.3整数(定点数)的表示,（1）计算机中数的类型（2）无符号整数的表示（3）带符号整数的表示,pc机中数的主要类型,都采用二进制表示，有不同类型和不同长度不同类型和不同长度的数各有不同的用途,计算机中的数,小数点固定隐含在个位数右面,小数点不固定,无符号整数的表示,采用“自然码”表示：取值范围由位数决定：8位：可表示0255(28-1)范围内的所有正整数16位：可表示065535(216-1)范围内的所有正整数n位：可表示02n-1范围内的所有正整数。,带符号整数的表示（1）,符号如何表示？用最高位表示，“0”表示正号(+),“1”表示负号(-)数值部分如何表示？(1)原码表示：整数的绝对值以二进制自然码表示(2)补码表示：正整数：绝对值以二进制自然码表示负整数：绝对值使用补码表示,举例：+43的8位原码为：00101011-43的8位原码为：10101011,表示方法,带符号整数的编码表示（2）,负数的绝对值如何用补码表示？先表示为自然码将自然码的每一位取反码在最低位加“1”例1:-43用8位补码表示-43的8位补码为：11010101例2：-64用8位补码表示-64的8位补码为：11000000,43=0101011取反：1010100加1：1010101,64=1000000取反：0111111加1：1000000,带符号整数的编码表示（3）,优缺点分析：原码表示法优点：与日常使用的十进制表示方法一致，简单直观缺点：加法与减法运算规则不统一，增加了成本；整数0有“00000000”和“10000000”两种表示形式，不方便补码表示法优点：加法与减法运算规则统一，没有“-0”,可表示的数比原码多一个缺点：不直观，人使用不方便结论：带符号整数在计算机内不采用“原码”而采用“补码”的形式表示！,带符号整数的编码表示（4）,原码可表示的整数范围8位原码：-27+127-1（-127127）16位原码：-215+1215-1（-3276732767）n位原码：-2n-1+12n-1-1补码可表示的整数范围8位补码：-2727-1（-128127)n位补码：-2n-12n-1-1,-128表示为10000000+127表示为01111111,小结：3种整数的比较,计算机中整数有多种，同一个二进制代码表示不同类型的整数时，其含义（数值）可能不同一个代码它到底代表哪种整数（或其它东西），是由指令决定的,1.2.4实数(浮点数)的表示,（选讲）,实数的特点与表示方法,特点：既有整数部分又有小数部分，小数点位置不固定整数和纯小数是实数的特例任何一个实数总可以表达成一个乘幂和一个纯小数之积例如：56.725=0.567251020.0034756=-0.34756102实数的表示方法（记阶法）：用3个部分表示乘幂中的指数：表示实数中小数点的位置纯小数部分(尾数)：表示实数中的有效数字部分数的正负(符号),二进制实数的浮点表示,与十进制实数一样，二进制实数也可以用记阶法表示例如：+1001.011b=+0.1001011b21000.0010101b=0.10101b210可见，任一个二进制实数n均可表示为：n=s2p（其中，是该数的符号；s是n的尾数；p是n的阶码）因此，32位的单精度浮点数在计算机中可表示为：,小结：用比特表示信息的优点,比特只有0和1两个符号，具有2个状态的器件和装置就能表示和存储比特，而制造两个稳定状态的电路又很容易比特的运算规则很简单，使用门电路就能高速度地实现二进制数的算术和逻辑运算比特不仅能表示“数”，而且能表示文字、符号、图像、声音，可以毫不费力地相互组合，开发“多媒体”应用信息使用比特表示以后，可以通过多种方法进行“数据压缩”，从而大大降低信息传输和存储的成本。使用比特表示信息后，只要再附加一些额外的比特，就能发现甚至纠正信息传输和存储过程中的错误，大大提高了信息系统的可靠性,1.3微电子技术简介,（1）微电子技术与集成电路（2）集成电路的制造（3）集成电路的发展趋势（4）ic卡,(1)微电子技术与集成电路,微电子技术是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产业和各项高技术的基础微电子技术的核心是集成电路技术,电子电路中元器件的发展演变,微电子技术是以集成电路为核心的电子技术，它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。,电子管(1904),什么是集成电路？,集成电路(integratedcircuit，简称ic)：以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系统集成电路的优点：体积小、重量轻功耗小、成本低速度快、可靠性高,超大规模集成电路,小规模集成电路,集成电路的分类,按用途分：通用集成电路专用集成电路（asic）按电路的功能分：数字集成电路模拟集成电路按集成度(芯片中包含的元器件数目)分：,ic集成度提高的规律,moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番(gordone.moore,1965年),晶体管数,例：intel微处理器集成度的发展,酷睿2双核（2006）291410m晶体管酷睿2四核（2007）820m晶体管,进一步提高集成度的问题与出路,问题：线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，其电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作出路：在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新的量子现象和效应，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件，使能开发出新的纳米芯片和量子计算机同时，正在研究将光作为信息的载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成,(4)ic卡简介,几乎每个人每天都与ic卡打交道，例如我们的身份证、手机sim卡、交通卡、饭卡等等，什么是ic卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？下面是简单介绍。,什么是ic卡？,ic卡(chipcard、smartcard)，又称为集成电路卡，它是把集成电路芯片密封在塑料卡基片内，使其成为能存储信息、处理和传递数据的载体特点：存储信息量大保密性能强可以防止伪造和窃用抗干扰能力强可靠性高应用举例：作为电子证件