1、大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系1第一章 信息技术概述大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系2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4.初步理解通信系统的组成和数据通信的基本原理.5.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。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系31.1 信息与信息技术大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学
2、系41.1.1 信息与信息处理大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系5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 大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系6 “信息信息”和“数据数据”，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。大学计
3、算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系7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。数据的定义大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系8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
4、大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系9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、显示等大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系101.1.2 信息技术大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系11信息技术信息技术：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。人的信息器官及功能：感觉器官（眼耳鼻舌身）获取信息 神经网络传递信息 思维器官（大脑）处理信息并再生信息 效应器官（手脚）施用信息大学计算机信息技术大学计
5、算机信息技术淮海工学院 计算机科学系12基本信息技术 感知与识别技术扩展感觉器官功能,提高人们的感知范围、感知精度和灵敏度 通信技术与存储技术扩展神经网络功能,消除人们交流信息的空间和时间障碍 计算处理技术扩展思维器官功能,增强人们的信息加工处理能力 控制与显示技术扩展效应器官功能，增强人们的信息控制能力大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系131.1.3 信息处理系统大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系14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。信息加工通信/存储控制与显示通信/存储感知
6、与识别信息处理系统结构信息处理系统结构大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系15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、光学的依据通用性专用的、通用的大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系16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电话是一种双向的、点到点的以信息交互为主要目的的系统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 大学计算机信息技术大
7、学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系171.2 电子信息技术简介大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系181.2.1 微电子技术与集成电路大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系19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。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系20电子线路使用的基础元件的演变真空电子管 晶体管 中小规模集成电路 大规模超大规模集成电路大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系21电子线路使用的基础元件的演变 真
8、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 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大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系22电子线路使用的基础元件的演变 集成电路(Integrated Circuit，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。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 超大
9、规模集成电路超大规模集成电路小规模集成电路小规模集成电路第1-4代计算机的对比大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系23集成电路的规模根据所包含的晶体管数目分为：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）1003000大规模集成电路（LSI）300010万超大规模集成电路（VLSI）10万100万极大规模集成电路（ULSI）100万大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系24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，它们是计算机的核心。先进的微电子技术高集成度芯片高性能的计算机利用计算机进行集成电路
10、的设计、生产过程控制及自动测试，又能制造出性能高、成本更低的集成电路芯片大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系25微电子技术与集成电路 集成电路是现代信息产业和信息社会的基础 集成电路是改造和提升传统产业的核心技术 2000年世界半导体产值达2000亿美元 电子信息产品市场总额超过1万亿美元 据预测：未来十年内世界半导体的年平均增长率将达15%以上，2010年全世界半导体的年销售额可达到60008000亿美元，将支持45万亿美元的电子装备市场。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系261.2.2集成电路的制造(选讲)集成电路的制造：400多道工序大学
11、计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系27集成电路的制造 集成电路制造厂（晶圆厂）生产的产品包括：晶圆切片（也简称为晶圆）超大规模集成电路芯片（可简称为芯片）晶圆芯片大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系28晶圆晶圆厚度：不足厚度：不足1mm1mm直径：直径：6 6、8 8、1212英寸英寸晶棒晶棒单晶硅锭单晶硅锭晶圆生产过程:晶棒制造，晶片制造 集成电路的制造大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系29集成电路的制造 芯片制造过程：晶圆处理、晶圆针测、封装、成品测试等。晶圆处理：在晶圆上制作电路及电子元件，晶圆上就形成了一个个的小格
12、，即晶粒。晶圆针测：对每个晶粒检测其电气特性，并将不合格的晶粒标上记号后，将晶圆切开，分割成一颗颗单独的晶粒。芯片制造过程：晶圆处理、晶圆针测、封装、成品测试等。处理后的晶圆（排满成百上千个集成电路）大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系30封装后的集成电路 封装将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引线与基座底部伸出的插脚进行连接，以作为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶盖板，用胶水封死，封焊。集成电路的制造大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系31集成电路的制造常见的封装形式有单列直插式（SIP）、两边带插脚的双列直插
13、式（DIP）和四边带插脚的阵列式（PGA）、扁平贴片式(QFP)、PLCC式、交错网格式等。如同在电脑里看到的那些黑色或褐色边上带有插脚或引线的矩形小块。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系32集成电路的制造 成品测试 一般测试：将芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级。特殊测试：根据客户特殊需求的技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性的专门测试，看是否能满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片。经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签并加以包装后即可出厂。
14、而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定作降级品或废品。集成电路成品集成电路成品大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系33集成电路的制造介绍集成电路制造过程的网站：http:/ http:/ http:/ 计算机科学系341.2.3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。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系35集成电路的发展趋势 提高集成度，关键在缩小门电路面积 集
15、成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高 Moore定律单块集成电路的集成度平均每1824个月翻一番 Gordon E.Moore,1965年Intel公司创始人大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系36集成电路的发展趋势 Intel公司微处理器集成度的发展19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4晶体管数大学计算机信息技术大学计算机
16、信息技术淮海工学院 计算机科学系37集成电路的发展趋势1999199920012001200420042008200820142014工艺工艺(m)m)0.180.180.130.130.090.090.060.060.0140.014晶体管晶体管(M)M)23.823.847.647.613513553953935003500时钟频率时钟频率(GHz)GHz)1.21.21.61.62.02.02.6552.6551010面积面积(mmmm2 2)340340340340390390468468901901连线层数连线层数6 67 78 89 91010晶圆直径（晶圆直径（mmmm）3003
17、00300300350350400400450450引脚数目引脚数目70070095795733503350功耗（功耗（w w）9090130130183183大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系38集成电路的发展趋势 目前集成电路生产的主流技术：12吋晶圆、0.18微米工艺，并正在向14吋晶圆、0.09微米工艺过渡 Intel P4：已采用0.13m工艺制造生产 AMD：有采用0.13m工艺制造生产的CPU 1（m微米）1/1,000,000（米）美国半导体协会(SIA)预测，到2010年将能达到18吋晶圆和0.070.05微米的工艺。在未来十年时间里，集成电路的技术
18、还将继续遵循Moore定律得到进一步的发展大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系39AMD采用 0.13微米工艺制造CPU 大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系40集成电路的发展趋势问题与出路线宽进一步缩小、线路间的距离越来越窄以后，干扰将越益严重。为了减少这种干扰，可以采取减小电流，降低电压的方法来解决。但是，当晶体管的基本线条小到纳米级，线路的电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动时，晶体管已逼近其物理极限，它将无法正常工作。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，可以利用这些量子效应研制具有新功能的量子器件，从而把芯片的研制推向量
19、子世界的新阶段纳米芯片技术。同时，人们还在研究将自然界传播速度最快的光作为信息的载体，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。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系41集成电路的发展趋势u光子计算机光能够像电一样来传递信息，甚至效果更好。而且，更重要的一个特点在于它不会和周围环境发生相互干扰的作用。因为当电子计算机芯片越来越趋向于0.18m时，就会产生很多的问题,而光子计算机就可以避免。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系42集成电路的发展趋势u量子计算机是运用量子力学来设计的，它们的特点是其潜在的运算速度将更大于电子计算机。
20、从理论上说，它们的速度提高可以说是没有止境的，因为量子计算技术可以在同一时间内执行各种操作，同时有足够的能力来完成现在电子计算机还很难完成的任务，比如说完成密码的破译和语音的识别等等。因此，欧洲已经成立了量子计算机研究所，现在估计，量子计算机可能会在今后的十五年左右出现。图为一种可瞬间进行图像数据计算的光电计算机大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系43集成电路的发展趋势u分子计算机现在已经开发出来一种能够由氮气和二氯化碳来开动和闭关的分子计算机，这种超高速的微型计算机离现实已经很近了。这种技术将会导致只需要利用立体和光线就能够产生新的、甚至能够思考的计算机来解决目前晶体
21、管的物理局限，使得未来的计算机的功能大大的增加，尺寸大大的缩小。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系44集成电路的发展趋势u生物计算机实际上就是随着生物技术的发展，人们将模仿人的大脑制造一种用基因学的机制来开发的新一代计算机。现在生物计算机的模型已经出来。以色列的科学家制造了一个有可能会比单个活细胞还要小的计算机的模型。这么微小的计算机也可能将在我们的体内漫游，监视我们的健康。也许会纠正它所发现人体内哪个地方脂肪的堆积，帮助解决问题。其实每一个细胞实际上都是一个复杂的生物机件，一个系统。用这么一种仿生技术来制造生物计算机。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院
22、计算机科学系45集成电路的发展趋势 阅读文献：奋起迎接纳米科技争夺战网址：http:/ 计算机科学系461.3 通信技术入门大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系471.3.1 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（电信）大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系48概述 通信三要素：信源（信息的发送者）信宿（信息的接收者）信道（信息的载体与传播媒介）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大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系491.3.2 通信系统的基本原理 数据通信
23、:将数据(一串比特)从信源传输到信宿的过程.数据传输过程大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系50 数据通信模型及有关的基本概念 信道 调制解调（编码器：调制，解码器：解调）多路复用（主干信道）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）大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系51信道的基本概念 信道的定义：向某个方向传输信息的媒体。一条通信线路通常包含一个发送信道和一个接收信道。根据信号在信道上的传输方向单工通信半双工通信全双工通信大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系52信道的基本概
24、念 单工通信（单向通信）发送端接收端信道数据监视信号大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系53信道的基本概念 半双工通信（双向交替通信）发送端信道数据监视信号接收端发送端接收端开关开关大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系54信道的基本概念 全双工通信（双向同时通信）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大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系55信道的种类 按传输的信号类型可将信道分为：模拟信道：传输连续的模拟信号的信道特点：频带窄，信道利用率高；受噪声干扰大例如：传输语音信号的架空明线、双绞线，传输广播电视信
25、号的宽带同轴电缆 数字信道：传输离散的数字信号特点：信号不失真，准确性高；数字设备可大规模集成，价格便宜；易于加密；要求频带宽，信道利用率低例如：传输计算机通信所用的信号的基带 同轴电缆、光缆等大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系56信道 两类数字信号：基带信号：用两种不同的电压值表示数字1和0的信号，需在数字信道上传输。宽带信号：将基带信号进行调制，将其频谱搬移到较高的频率处而形成的模拟信号，这种模拟信号可以采用频分复用技术在模拟信道上传输。按信号的传输媒体分类：有线信道：电缆、光缆 无线信道：自由空间大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系57信
26、道 信道的带宽：信道上所能通过的信号的频带宽度。例如：标准电话线路的信号频带为 300(Hz)3400(Hz)其带宽为：3400 300=3100(Hz)大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系58调制解调基本概念 调制（Modulation）将基带数字信号的波形变换为适合于模拟信道传输的模拟信号波形。（将数字信号转换成模拟信号）解调（Demodulation）将由调制器变换过的模拟信号波形恢复成原来的基带数字信号波形。（将模拟信号转换成数字信号）基本调制方法：调幅，调频，调相大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系59 幅移键控法ASK调幅 频移键控法
27、FSK调频 相移键控法PSK调相数据010010（1）AM调幅（2）FM调频（3）phM调相F1F2 F1 F2 F10相起始 相起始 0相起始 相起始 0相起始各种调制方法的调制波形大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系60多路复用基本概念多路复用为了提高线路利用率，总是设法在一条传输线路上，传输多个模拟信号（例如，话路信息）或数字信号，这就是多路复用。多路复用技术通常有：频分复用，时分复用，码分复用，波分复用 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大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系61多路复用基本概念 时分多路复用 把一个传
28、输通道进行时间分割以传送若干话路的信息。（如图见书P134）把N个话路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执行操作。与此同时，其它设备与通道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上去。时分制通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法，因而PCM通信常称为时分多路通信。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系62多路复用基本概念 频分多路复用 将传输线路的频带分成N部分，每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。这样在一对传输线路上
29、可有N对话路信息传送，而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。频分制通信又称载波通信，它是模拟通信的主要手段。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系63多路复用基本概念 信道使用的鸡尾酒会原理 在一个大房间里（一个信道），有许多对人在交谈（多路信号传输）：时分复用 不同对的人轮流交谈，一对交谈结束后另一对再接上。频分复用 不同对的人分成不同的组，每组独立占用房间内的一小块区域，各组人同时进行自己的交谈，互不干扰。码分复用不同对的人分别用不同语言进行交谈，其它语言只当作噪音不予理会。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系64多路复用基本概念 波分多路复
30、用 在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，使得数据传输速度和容量获得倍增大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系65交换的基本概念交换：在广域网的情况下，网络节点是部分连接，没有直接互联的节点间的通信，必须经过中转节点的转换才能实现。这种由中转节点参与的通信和电话系统中两个电话用户间的通话必须经由电话交换机的现象类似，也称为交换。中转的节点称为交换节点。交换技术能为需要通信的计算机建立一个临时的通信链路，通信结束后再拆除链路。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系66交换的基本概念 电路交换（线路交换）为发送端和接收端建立一条临时的实际物理通道，供通
31、信双方使用，通信完毕后，交换机内的连线被拆除。例如：电话交换机优点：交换方式简单，适合远距离成批数据传输，建立一次连接可传送大量数据。缺点：线路利用率低，通信成本高大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系67交换的基本概念 分组交换（包交换）把需要传输的数据块分割成若干小块，然后为每个小块数据加上有关的地址信息及分组信息，组成一个数据包（也称为“分组”）。数据包的长度通常为几十到几百个字节。数据包按照类似于流水线的方式在网络中经过缓冲、转发而到达目的地。通信网络中每个结点为其相连的每条链路准备了一个缓冲区，每个数据包按照去向不同送入各个缓冲区排队，当某一条链路空闲时，就从相
32、应的缓冲区中取出一个数据包发送到下一结点，下一结点再进行转发，直至数据包到达接收端。接收端的计算机按照数据包的编号，将它们重新组装成为原来形式的数据块。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系68交换的基本概念 分组交换（包交换）优点：线路利用率高；收发双方不需同时工作，当接收方忙碌时，整个网络都可以作为它的缓冲；可以给数据包建立优先级，使得一些重要应用的数据包能优先传递。缺点：延时长，不宜用于实时通信或交互通信。大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系69传输介质有线介质双绞线同轴电缆光纤无线介质无线电波微波红外线激光大学计算机信息技术大学计算机信息技
33、术淮海工学院 计算机科学系70通信系统的性能指标信道带宽与信道的最高信息传输速率的关系：理想信道的最高码元传输速率(单位：Baud 波特)=2*信道带宽（Hz）（奈氏准则）理想信道的最高信息传输速率（单位：b/s，比特）=最高码元传输速率*一个码元携带的信息量 1 Mb/s=1000 b/s,1 Gb/s=1000 Mb/s 例如：信道带宽：3 KHz (3000Hz)最高码元传输速率：6000 Baud 一个码元携带 2 bit 的数据量,最高信息传输速率：12000 b/s=12 Mb/s大学计算机信息技术大学计算机信息技术淮海工学院 计算机科学系71通信系统的性能指标 误码率（error rate）指数据传输中出错数据占被传输数据总数的比例。局域网误码率。10-6 端-端延迟：指数据从信源传送到信宿所花费的时间。
