信息技术概述3

第一章信息技术概述1本章学习目标与要求1.了解什么是信息，什么是信息处理，什么是信息技术2.了解什么是微电子技术，它的作用和意义3.了解通信系统的分类和通信技术的发展前景初步理解通信系统的组成和数据通信的基本原理.理解什么是比特和比特的运算,掌握二进制与十进制、八进制数据、十六进制数的关系，熟悉整数和实数在计算机内的表示法。21.1信息与信息技术31.1.1信息与信息处理4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

5“信息”和“数据”，这2个术语的概念在计算机信息处理中是既有区别又有联系的。计算机是一种基于二进制运算的信息处理机器，任何需要由计算机进行处理的信息，都必须进行一定程度的形式化，并表示成二进制编码的形式。这就引进了数据的概念。6国际标准化组织ISO：

“数据是计算机中对事实、概念或指令进行描述的一种特殊格式，这种（特殊）格式适合于使用计算机及其相关设备自动地进行传输、翻译（转换）或加工处理。”

在这个定义中，首先强调的是数据表达了一定的内容，即“事实、概念或指令”，这就是数据的语义；其次，数据具有一定的格式（即数据的语法），其目的是使计算机能自动进行加工处理、通信传递以及翻译转换。

数据的定义7信息处理过程信息施效（效应器官）信息获取（感觉器官）信息传递（神经系统）信息加工（大脑）信息传递（神经系统）事物客体8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91.1.2信息技术10信息技术术信息技术术：用来扩展展人的信信息器官官功能、、协助人人们进行行信息处处理的一一类技术术。人的信息息器官及及功能：：感觉器官官（眼耳耳鼻舌身身）———获取信信息神经网络络——传传递信息息思维器官官（大脑脑）———处理信信息并再再生信息息效应器官（手手脚）——施施用信息11基本信息技术术感知与识别技技术——扩展展感觉器官功功能,提高高人们的感知知范围、感知知精度和灵敏敏度通信技术与存存储技术———扩展神经网网络功能,消消除人们交交流信息的空空间和时间障障碍计算处理技术术——扩展思思维器官功能能,增强人人们的信息加加工处理能力力控制与显示技技术——扩展展效应器官功功能，增强人们的信信息控制能力力12信信息处理理系统13信息处理系统统用于辅助人们们进行信息获获取、传递、、存储、加工工处理、控制制及显示的综合使用各种种信息技术的系统。信息加工通信/存储控制与显示通信/存储感知与识别信息处理系统统结构14信息处理系统统分类依据自动化程程度——人工工的、半自动动的、全自动动的依据技术手段段——机械的的、电子的、、光学的依据通用性———专用的、、通用的……15信息处理系统统实例雷达是一种以以感知与识别别为主要目的的的系统电视/广播系系统是一种单单向的、点到到多点（面））的以信息传传递为主要目目的的系统电话是一种双双向的、点到到点的以信息息交互为主要要目的的系统统银行是一种以以处理金融业业务为主的系系统图书馆是一种种以信息收藏藏和检索为主主的系统Internet是一种跨越全全球的多功能能信息处理系系统161.2电电子信息技术术简介17微微电子技技术与集成电电路18微电子技术与与集成电路微电子技术：：以集成电路为为核心的电子子技术是是在电电子电路和系系统的超小型型化和微型化化过程中逐渐渐形成和发展展起来的。19电子线路使用用的基础元件件的演变真空电子管晶体管中小规规模集成电路路大规规模超大规模模集成电路20电子线路使用用的基础元件件的演变真空电子管在这个阶段产产生了广播、、电视、无线线电通信、仪仪器仪表、自自动化技术和和第一代电子子计算机晶体管1948年发明，再加加上印制电路路组装技术的的使用，使电电子电路在小小型化方面前前进了一大步步，产生了第第二代计算机机21电子线路使用用的基础元件件的演变集成电路(IntegratedCircuit，简简称IC)20世纪50年代出现，，以半导体单单晶片作为材材料，经平面面工艺加工制制造，将大量量晶体管、电电阻等元器件件及互连线构构成的电子线线路集成在基基片上，构成成一个微型化化的电路或系系统。现代集成电路路使用的半导导体材料通常常是硅(Si)，也可以以是化合物半半导体如砷化化镓(GaAs)等超大规模集成成电路小规模集成电电路第1---4代计算机的的对比22集成电路的规规模根据所包含的的晶体管数目目分为：集成电路规模集成度（个电子元件）小规模集成电路（SSI）＜100中规模集成电路（MSI）100~3000大规模集成电路（LSI）3000~10万超大规模集成电路（VLSI）10万~100万极大规模集成电路（ULSI）＞100万23微电子技术与与集成电路集成电路芯片片是微电子技技术的结晶，，它们是计算算机的核心。。先进的微电子子技术→→高高集成度芯片片→→高性能能的计算机→→→利用计算算机进行集成成电路的设计计、生产过程程控制及自动动测试，又能能制造出性能能高、成本更更低的集成电电路芯片24微电子技术与与集成电路集成电路是现现代信息产业业和信息社会会的基础集成电路是改改造和提升传传统产业的核核心技术2000年世界半导体体产值达2000亿美元电子信息产品品市场总额超超过1万亿美元据预测：未来来十年内世界界半导体的年年平均增长率率将达15%以上，2010年全世界半导导体的年销售售额可达到6000~8000亿美元，将支支持4~5万亿美元的电电子装备市场场。25集成电路的制制造(选讲)集成电路的制制造：400多道工序硅衬底晶圆芯片硅平面工艺剔除、分类集成电路封装成品成品测试26集成电路的制制造集成电路制造造厂（晶圆厂厂）生产的产产品包括：晶圆切片（也也简称为晶圆圆）超大规模集成成电路芯片（（可简称为芯芯片）晶圆芯片27晶圆厚度：不足1mm直径：6、8、12英寸寸晶棒单晶硅锭晶圆生产过程程:晶棒制制造，晶片制制造集成电路的制制造28集成电路的制制造芯片制造过程程：晶圆处理理、晶圆针测测、封装、成品测测试等。晶圆处理：在晶圆上制作作电路及电子子元件，晶圆圆上就形成了了一个个的小小格，即晶粒粒。晶圆针测：对每个晶粒检检测其电气特特性，并将不不合格的晶粒粒标上记号后后，将晶圆切切开，分割成成一颗颗单独独的晶粒。芯芯片制造过程程：晶圆处理理、晶圆针测测、封装、成成品测试等。处理后的晶圆圆（排满成百上上千个集成电电路）29封装后的集成成电路封装将单个的晶粒粒固定在塑胶胶或陶瓷制的的芯片基座上上，并把晶粒粒上蚀刻出的的一些引线与与基座底部伸伸出的插脚进进行连接，以以作为与外界界电路板连接接之用，最后后盖上塑胶盖盖板，用胶水水封死，封焊。集成电路的制制造30集成电路的制制造常见的封装形形式有单列直直插式（SIP）、两边带插插脚的双列直直插式（DIP）和四边带插插脚的阵列式式（PGA）、扁平贴片片式(QFP)、PLCC式、交错错网格式等。。如同在电脑脑里看到的那那些黑色或褐褐色边上带有有插脚或引线线的矩形小块块。31集成电路的制制造成品测试一般测试：将芯片置于各各种环境下测测试其电气特特性，如消耗耗功率、运行行速度、耐压压度等。经测测试后的芯片片，依其电气气特性划分为为不同等级。。特殊测试：根根据客户特殊殊需求的技术术参数，从相相近参数规格格、品种中拿拿出部分芯片片，做有针对对性的专门测测试，看是否否能满足客户户的特殊需求求，以决定是是否须为客户户设计专用芯芯片。经一般般测试合格的的产品贴上规规格、型号及及出厂日期等等标识的标签签并加以包装装后即可出厂厂。而未通过过测试的芯片片则视其达到到的参数情况况定作降级品品或废品。集成电路成品品32集成电路的制制造33集集成电路的发发展趋势集成电路的工工作速度主要取决于组组成逻辑门电电路的晶体管管的尺寸，晶晶体管的尺寸寸越小，其极极限工作频率率越高，门电电路的开关速速度就越快。。芯片上电路路元件的线条条越细，相同同面积的晶片片可容纳的晶晶体管就越多多，功能就越越强，速度也也越快。34集成电路的发发展趋势提高集成度，，关键在缩小小门电路面积积集成电路特点点：体积小、、重量轻、可可靠性高Moore定律单块集成电路路的集成度平平均每18～24个月翻一番——GordonE.Moore,1965年Intel公公司创始人35集成电路的发发展趋势Intel公司微处理器器集成度的发发展19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4晶体管数36集成电路的发发展趋势19992001200420082014工艺(μm)0.180.130.090.060.014晶体管(M)23.847.61355393500时钟频率(GHz)1.21.62.02.65510面积(mm2)340340390468901连线层数678910晶圆直径（mm）300300350400450引脚数目7009573350功耗（w）9013018337集成电路的发发展趋势目前集成电路路生产的主流流技术：12吋晶圆、0.18微米工艺，并并正在向14吋晶圆、0.09微米工艺过渡渡IntelP4：已采用用0.13μm工艺制造造生产AMD：有采采用0.13μm工艺制造造生产的CPU1（μm微米米）＝1/1,000,000（（米）美国半导体协协会(SIA)预测，到到2010年年将能达到18吋晶圆和和0.07～～0.05微微米的工艺。。在未来十年年时间里，集集成电路的技技术还将继续续遵循Moore定律得得到进一步的的发展38AMD采用0.13微米工艺制造造CPU39集成电路的发发展趋势问题与出路线宽进一步缩缩小、线路间间的距离越来来越窄以后，，干扰将越益益严重。为了减少这种种干扰，可以以采取减小电电流，降低电电压的方法来来解决。但是，当晶体体管的基本线线条小到纳米米级，线路的的电流微弱到到仅有几十个个甚至几个电电子流动时，，晶体管已逼逼近其物理极极限，它将无无法正常工作作。在纳米尺寸寸下，纳米米结构会表表现出一些些新的量子子现象和效效应，可以以利用这些些量子效应应研制具有有新功能的的量子器件件，从而把把芯片的研研制推向量量子世界的的新阶段——纳米芯片技技术。同时，人们们还在研究究将自然界界传播速度度最快的光光作为信息息的载体，，发展光子子学，研制制集成光路路，或把电电子与光子子并用，实实现光电子子集成。40集成电路的的发展趋势势光子计算机机光能够像电电一样来传传递信息，，甚至效果果更好。而而且，更重重要的一个个特点在于于它不会和和周围环境境发生相互互干扰的作作用。因为为当电子计计算机芯片片越来越趋趋向于0.18μm时，就会会产生很多多的问题,而光子计计算机就可可以避免。。41集成电路的的发展趋势势量子计算机机是运用量子子力学来设设计的，它它们的特点点是其潜在在的运算速速度将更大大于电子计计算机。从从理论上说说，它们的的速度提高高可以说是是没有止境境的，因为为量子计算算技术可以以在同一时时间内执行行各种操作作，同时有有足够的能能力来完成成现在电子计算算机还很难难完成的任任务，比如说完成成密码的破破译和语音音的识别等等。因因此，欧洲洲已经成立立了量子计算机研研究所，现现在估计，，量子计算机可能能会在今后后的十五年年左右出现。图为一种可可瞬间进行行图像数据据计算的光光电计算机机42集成电路的的发展趋势势分子计算机机现在已经开开发出来一一种能够由由氮气和二二氯化碳来来开动和闭闭关的分子子计算机，，这种超高高速的微型型计算机离离现实已经经很近了。。这种技术术将会导致致只需要利利用立体和和光线就能能够产生新新的、甚至至能够思考考的计算机机来解决目目前晶体管管的物理局局限，使得得未来的计计算机的功功能大大的的增加，尺尺寸大大的的缩小。43集成电路的的发展趋势势生物计算机机实际上就是是随着生物物技术的发发展，人们们将模仿人人的大脑制制造一种用用基因学的的机制来开开发的新一一代计算机机。现现在生生物计算机机的模型已已经出来。。以色列的的科学家制制造了一个个有可能会会比单个活活细胞还要要小的计算算机的模型型。这么微微小的计算算机也可能能将在我们们的体内漫漫游，监视视我们的健健康。也许许会纠正它它所发现人体内哪哪个地方脂脂肪的堆积积，帮助解决问题题。其实每每一个细胞胞实际上都是一个个复杂的生生物机件，，一个系统。用这这么一种仿仿生技术来来制造生物计算机机。44集成电路的的发展趋势势451.3通信技术入入门461.3.1概述通信：各种信信息的传递递现代通信：使用电波波或光波双双向传递信信息的技术术（电信））47概述通信三要素素：信源（信息的发发送者）信宿（信息的接接收者）信道（信息的载载体与传播播媒介）产生和发送信息的一端信源信宿通信线路信道噪声外界的干扰接收信息的一端481.3.2通信系系统的基本本原理数据通信:将数据(一串比特)从信源传输输到信宿的的过程.数据传输过过程49数据通信模模型及有关关的基本概概念信道调制解调（（编码器：：调制，解解码器：解解调）多路复用（（主干信道道）交换技术信源（宿）编码器（解码器）复用（分路）信道复用（分路）编码器（解码器）信源（宿）50信道的基本概念念信道的定义义：向某个方向向传输信息息的媒体。。一条通信线线路通常包包含一个发发送信道和和一个接收收信道。根据信号在在信道上的的传输方向向单工通信半双工通信信全双工通信信51信道的基本概念念单工通信（（单向通信信）发送端接收端信道数据监视信号52信道的基本概念念半双工通信信（双向交交替通信））发送端信道数据监视信号接收端发送端接收端开关开关53信道的基本概念念全双工通信信（双向同同时通信））信道数据监视信号发送端接收端发送端接收端信道数据监视信号54信道的种类类按传输的信信号类型可可将信道分分为：模拟信道：传输连续续的模拟信信号的信道道特点：频带带窄，信道道利用率高高；受噪声声干扰大例如：传输输语音信号号的架空明明线、双绞绞线，传输输广播电视视信号的宽宽带同轴电电缆数字信道：：传输离散的的数字信号号特点：信号号不失真，，准确性高高；数字设设备可大规规模集成，，价格便宜宜；易于加加密；要求求频带宽，，信道利用用率低例如：传输输计算机通通信所用的的信号的基基带同轴电缆、、光缆等55信道两类数字信信号：基带信号：：用两种不同同的电压值值表示数字字1和0的的信号，需需在数字信信道上传输输。宽带信号：：将基带信号号进行调制制，将其频频谱搬移到到较高的频频率处而形形成的模拟拟信号，这这种模拟信信号可以采采用频分复复用技术在在模拟信道道上传输。。按信号的传传输媒体分分类：有线信道：：电缆、光缆缆无线信道：：自由空间56信道信道的带宽宽：信道上所能能通过的信信号的频带带宽度。例如：标准电话线线路的信号号频带为300(Hz)~3400(Hz)其带宽为：：3400－300=3100(Hz)57调制解调基基本概念调制（Modulation）将基带数字字信号的波波形变换为为适合于模模拟信道传传输的模拟拟信号波形形。（将数字信信号转换成成模拟信号号）解调（Demodulation）将由调制器器变换过的的模拟信号号波形恢复复成原来的的基带数字字信号波形形。（将模拟信信号转换成成数字信号号）基本调制方方法：调幅，调频频，调相58幅移键控法法ASK———调幅频移键控法法FSK———调频相移键控法法PSK———调相数据 01 00 10（1）AM调幅（2）FM调频（3）phM调相F1F2F1F2F10相起始ππ相相起始0相起起始π相起始0相起始始各种调制方方法的调制制波形59多路路复复用用基基本本概概念念多路路复复用用为了了提提高高线线路路利利用用率率，，总总是是设设法法在在一一条条传传输输线线路路上上，，传传输输多多个个模模拟拟信信号号（（例例如如，，话话路路信信息息））或或数数字字信信号号，，这这就就是是多多路路复复用用。。多路路复复用用技技术术通通常常有有：频分分复复用用，，时时分分复复用用，，码码分分复复用用，波分分复复用用信道多路复用器多路复用器终端终端终端终端终端终端终端终端60多路路复复用用基基本本概概念念时分分多多路路复复用用把一一个个传传输输通通道道进进行行时时间间分分割割以以传传送送若若干干话话路路的的信信息息。。（（如如图图见见书书P134））61多路路复复用用基基本本概概念念频分分多路路复复用用将传传输输线线路路的的频频带带分分成成N部部分分，，每每一一个个部部分分均均可可作作为为一一个个独独立立的的传传输输信信道道使使用用。。这这样样在在一一对对传传输输线线路路上上可可有有N对对话话路路信信息息传传送送，，而而每每一一对对话话路路所所占占用用的的只只是是其其中中的的一一个个频频段段。。频分分制制通通信信又又称称载载波波通通信信，，它它是是模模拟拟通通信信的的主主要要手手段段。。62多路复用基本本概念信道使用的鸡鸡尾酒会原理理在一个大房间间里（一个信信道），有许许多对人在交交谈（多路信信号传输）：：时分复用———不同对的的人轮流交谈谈，一对交谈谈结束后另一一对再接上。。频分复用———不同对的的人分成不同同的组，每组组独立占用房房间内的一小小块区域，各各组人同时进进行自己的交交谈，互不干干扰。码分复用———不同对的人人分别用不同同语言进行交交谈，其它语语言只当作噪噪音不予理会会。63多路复用基本本概念波分多路复用用在单一光纤内内同步传输多多个不同波长长的光波，使使得数据传输输速度和容量量获得倍增64交换的基本概念交换：在广域网的情情况下，网络络节点是部分分连接，没有有直接互联的的节点间的通通信，必须经经过中转节点点的转换才能能实现。这种种由中转节点点参与的通信信和电话系统统中两个电话话用户间的通通话必须经由由电话交换机机的现象类似似，也称为交交换。中转的的节点称为交交换节点。交换技术能为为需要通信的的计算机建立立一个临时的的通信链路，，通信结束后后再拆除链路路。65交换的基本概念电路交换（线线路交换）为发送端和接接收端建立一一条临时的实实际物理通道道，供通信双双方使用，通通信完毕后，，交换机内的的连线被拆除除。例如：电话交交换机优点：交换方