第1章1.4 数字技术基础.ppt

1、上节回顾,1、信息定义：中国大百科全书的解释：从认识论层次来看，信息是指认识主体所感知或主体所表述的 “事物运动的状态及状态变化的方式”。 2、信息处理指内容：信息的收集、信息的加工、信息的存储、信息的传递、信息的施用。 3、人工信息处理的不足：算不快、 记不住、 传不远、 看（听）不清。 4、信息技术：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。 5、信息技术包括 ：感测(获取)与识别技术、通信技术、计算(处理) 与存储技术、控制与显示技术。,上节回顾,6、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。 7、微电子

2、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。 8、集成电路：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。 9、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； 10、集成电路按集成度分类：小、中、大、超大、极大,上节回顾,11、集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。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，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。 12、集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连

3、接线的尺寸上下功夫。 13、Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番。 14、IC卡：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,上节回顾,15、集成电路的工作速度主要取决于晶体管的尺寸。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，相同面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。 16、IC卡的类型 (按芯片分类)：存储器卡、 CPU卡； 按使用方式分类：接触、非接触； 17、通信：广而言之，通信就是信息的(远距离)传递与交流；现代通信使用电波或光波传递信息的技术，也称为电信,上节回顾,18、通信的三要素：信源、信

4、宿、信道； 19、电信号两种表现形式：模拟信号、数字信号； 20、载波：研究发现，高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波信号作为携带信息的载波，把模拟信号放在(调制在)载波上传输，则可比直接传输远得多。 21、模拟信号如何进行载波传输：调幅、调频、调相。 22、数字信号如何传输： 远距离传输方法通过载波来传输数字信号(频带传输) 近距离传输方法基带传输（usb、需作码型转换）,上节回顾,23、数字信号的三种调制方法：幅移键控、频移键控、相移键控；传输需要调制解调器； 24、降低传输成本：频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（

5、WDM）；码分多路复用、空分多路复用； 25、模拟通信技术 ：信源产生的模拟信号直接进行传输或者通过对载波调制后进行传输的通信技术。 26、数字通信:将信源产生的模拟信号转换为数字信号（或信源直接产生数字信号）之后，直接进行传输或通过用数字信号对载波进行数字调制来传输信息的技术。 27、模拟通信与数字通信技术熟优。,上节回顾,28、数字通信系统的主要性能指标 ：数据传输速率、信道带宽、误码率、端端延迟； 29、传输介质:(1)金属导体;(2)光导纤维;(3)无线电波 微波、红外线、激光。 30、微波：300MHz300GHz范围内的电磁波，波长为1 m1mm。 31、卫星通信: 中继站在人造地

6、球卫星上的一种微波通信。 32、移动通信：处于移动状态的对象相互间的通信。,1.4 数字技术基础,1.4.1 比特 1.4.2 比特与二进制数 1.4.3 整数（定点数）的表示 1.4.4 实数（浮点数）的表示 1.4.5 小结,1.4.1 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，binary digit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 如同DNA是人体组织的最小单位、原子是物质的最小组成单位一样，比特是组成数字信息的最小单位 数值、文字、符号、

7、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,比特在计算机中如何表示？,在计算机中表示二进位的方法： 电路的高电平状态或低电平状态(CPU) 电容的充电状态或放电状态(RAM) 两种不同的磁化状态(磁盘) 光盘面上的凹凸状态(光盘) ,例1：CPU内部二进位信息的表示,CPU内部通常使用高电平表示1，低电平表示0,磁盘表面微小区域中，磁性材料粒子的两种不同的磁化状态分别表示0和1,例2：磁盘存储器中比特的表示,例3：CD/DVD盘片上比特的表示,光盘表面的凹、凸状态用于表示和存储二进位信息,CD光盘表面 DVD光盘表面,比特的三种基本逻辑运

8、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 = A B A: 0 0 1 1 B: 0 1 0 1 F: 0 1 1 1 逻辑乘： F = A B A: 0 0 1 1 B: 0 1 0 1 F: 0 0 0 1 取反： F = NOT A A: NOT 0 NOT 1 F: 1 0,两个

9、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1 A: 0110 B: 1010 F: 1110 例2 A: 0110 B: 1010 F: 0010,比特的存储（1）,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）,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

10、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：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！(判断),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: 1 KB=210字节=1024 B （千字节

11、） MB: 1 MB=220字节=1024 KB（兆字节） GB: 1 GB=230字节=1024 MB（吉字节、千兆字节） TB: 1 TB=240字节=1024 GB（太字节、兆兆字节） 外存储器容量经常使用10的幂次来计算： 1MB103 KB 1 000 KB 1GB106 KB 1 000 000 KB 1TB 109 KB = 1 000 000 000 KB,现 象,160GB的移动硬盘 实际容量160,041,885,696 字节,为什么？,1.4.2 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

12、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,每一位可使用十个不同数字表示（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,每一位使用两个不同数字表示（0、1），即每一位使用 1 个“比特”表示 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

13、2 ） 标志： 尾部加B 例： 101.01 B =122021120 021122 5.25,八进制数,每一位使用八个不同数字表示（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,每一位使用十六个数字和符号表示（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 = 24

14、5.25,不同进位制数的比较,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,（必考内容） 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： 整数和小数分开转换 整数部分：除以2逆序取余 小数部分：乘以2顺序取整 例如：29.6875 11101.1011 B 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,二进制数 十进制数,转换方法： 二进制数的每一位乘以其相应的权值，然后累加即可得到它的十进制数值 例： 11101.1011B = 12412312202

15、1120 121022123124 = 29.6875,八进制数与二进制数的互换,八进制二进制：把每个八进制数字改写成等值的3位二进制数，且保持高低位的次序不变 例： 2467.32Q 010 100 110 111 . 011 010 B 二进制八进制：整数部分从低位向高位每3位用一个等值的八进制数来替换，不足3位时在高位补0凑满3位；小数部分从高位向低位每3位用一个等值八进制数来替换，不足3位时在低位补0凑满三位 例： 1 101 001 110.110 01 B 001 101 001 110.110 010 B 1516.62 Q,1位八进制数与3位二进制数的对应关系：,十六进制数与二

16、进制数的互换,转换方法：与八、二进制互换的方法类似 例1：35A2.CFH 11 0101 1010 0010.1100 1111B 例2：11 0100 1110.1100 11B 34E.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) 逻辑运算可以用门电路（与门、或门、非门等）实现 算术运算可以表达为逻辑运算，因此

17、二进制数的四则运算同样也可以使用门电路来实现 成千上万个门电路可以制作在集成电路上，工作速度极快，因而能高速度地完成二进制数的各种运算,1.4.3 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

18、-1范围内的所有正整数。,带符号整数的表示（1）,表示方法：用1位表示符号，其余用来表示数值部分,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,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 所以： - 43 的8位补码为：11

19、010101 例2： - 64用8位补码表示 所以： - 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