第1章 信息技术概述

大学计算机信息技术盐城工学院面向21世纪大学计算机基础教育序言一、本课程的地位与意义1.本课程是一门重要的技术基础课，各高校都十分重视，是学校的重要窗口课程2.计算机是当今信息化社会的重要工具之一，计算机信息处理能力已成为胜任本职工作的必备条件之一3.计算机应用能力要达到一定的水平——掌握office的日常使用，计算机等级考试证书(学习目标)序言二、本课程的学习要求1.多读：课本与参考材料、分析程序2.多练：课外练习与上机训练3.多交流：师生、学生之间要有相互学习，共同提高4.按时完成作业、实验报告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，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.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。信息化时代信息化时代按照托夫勒的观点，第三次浪潮是信息革命，大约从20世纪50年代中期开始，其代表性象征为“计算机”，主要以信息技术为主体，重点是创造和开发知识。随着农业时代和工业时代的衰落，人类社会正在向信息时代过渡，跨进第三次浪潮文明，其社会形态是由工业社会发展到信息社会。第三次浪潮的信息社会与前两次浪潮的农业社会和工业社会最大的区别，就是不再以体能和机械能为主，而是以智能为主。现代电子计算机之父：冯·诺依曼1931年，28岁的冯·诺依曼成为了美国普林斯顿大学第一批终身教授。l933年，刚过而立之年的前德国大学兼职讲师的冯·诺依曼又与爱因斯坦一起成为普林斯顿高等研究院的6位教授之一。最简单的来说，他的精髓贡献是2点：数字计算机的数制采用二进制；计算机应该按照程序顺序执行。1945年，冯·诺依曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理，后来，人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯.诺曼型结构”计算机。冯.诺曼结构的处理器使用同一个存储器，经由同一个总线传输。冯.诺曼结构处理器具有以下几个特点：1：必须有一个存储器；2：必须有一个控制器；3：必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；4：必须有输入设备和输出设备，用于进行人机通信。另外，程序和数据统一存储并在程序控制下自动工作信息是什么？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1.1信息与信息技术信息处理做什么？信息处理指的是与下列内容相关的行为和活动：•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、显示等信息处理过程信息施用（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）事物客体什么是信息技术？信息技术是指用来扩展人们信息器官功能、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）——施用信息信息技术基本信息技术(包括四个方面)•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基本信息技术信息处理系统1.什么是信息处理系统？信息处理系统是用于人们进行信息获取、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。2.信息处理系统的分类按自动化程度分：人工的、半自动的、全自动的。按技术手段分：机械的、电子的和光学的。按通用性分：专用的和通用的。信息处理系统结构信息加工通信/存储控制与显示通信/存储感知与识别信息处理系统输入输出信息处理系统实例•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。一、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。集成电路(IntegratedCircuit，简称IC):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。1.2微电子技术简介电子管晶体管小规模集成电路超大规模集成电路电子管、晶体管与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●按晶体管数目分：集成电路的分类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●按结构、工艺分：1.双极型2.MOS型3.双极-MOS型●按功能分：1.数字集成电路2.模拟集成电路●按用途分：1.通用集成电路2.专用集成电路集成电路的分类二、集成电路的制造*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集成电路的制造：400多道工序1.将单晶硅经切割、研磨、抛光，制成硅抛光片。2.经氧化、光刻、掺杂、互连等工艺，制成含有成百上千独立集成电路的晶圆。3.将晶圆切开，剔除废品，就成了一批芯片。4.将芯片安装在陶瓷基座上，将芯片与插脚连线并加盖封装，就成了集成电路。5.将成品进行测试、分级并打印标签，包装出厂。二、集成电路的制造*晶圆与芯片封装后的集成电路集成电路成品二、集成电路的制造*•集成电路的特点:体积小、重量轻、可靠性高。•集成电路的工作速度:主要取决于晶体管的尺寸。•Moore定律:单块集成电路的集成度平均每18～24个月翻一番。集成度是有极限的，因此，Moore定律不可能永远成立。•集成电路的发展：朝着纳米技术、集成光路、光电子集成方向。三、集成电路的发展趋势三、集成电路的发展趋势Intel公司微处理器集成度的发展19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4晶体管数1.3.1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）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）1.3通信技术入门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1.3.2数据通信基础输出数据输入数据发送器图3.3数据通信系统的模型公用电话网数据通信系统数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号PC机PC机ModemModem源系统目的系统传输系统源点传输系统器接收器终点发送的信号接收的信号输入信息输出信息1.调制与解调调制（Modulation）在发送端，需要将二进制数据变换成能在电话线或其他传输线路上传输的模拟信号，即所谓的调制（modulation）解调（Demodulation）而在接收端，则需要将收到的模拟信号重新还原成原来的二进制数据，即所谓的解调（demodulation）调制解调器(MODEM)基本调制方法：调幅，调频，调相数据010010（1）调幅（2）调频（3）调相F1F2F1F2F10相起始π相起始0相起始π相起始0相起始基本调制技术数据通信基础原始模拟信号载波信号V时间（s）时间（s）重叠的原始模拟信号幅度调制信号V时间（s）幅度调制数据通信基础（a）幅移键控法（b）频移键控法（c）相移键控法数字数据的模拟信号调制001101000100011010001000110100010V时间（s）频率调制调频信号2.多路复用技术多路复用技术为了提高通信线路传送信息的效率，通常采用在一条物理线路上建立多条通信信道的多路复用（Multiplexing）技术，多路复用技术使得在同一传输介质上可传输多个不同信源发出的信号，从而可充分利用通信线路的传输容量，提高传输介质的利用率。在输入端，多路复用器将若干个彼此无关的输入信号合并为在一条物理线路上传输的复合信号，从而多个数据源共享同一个传输介质，就像每个数据源都有自己的信道一样。而在输出端，则由多路解复用器将复合信号按通道号分离出来。2.多路复用技术当前采用的多路复用方式有频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing，简称FDM）、时分多路复用（TimeDivisionMultiplexing，简称TDM）和波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing，简称WDM)等。1.频分多路复用技术当介质的有效带宽超过被传输的信号带宽时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，即将信道的可用频带（带宽）按照频率不同，把传输频带分成若干个互不交叠的频段，每个信号占据其中一个频段，从而形成许多个子信道；在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理，这种技术称为频分多路复用技术（FDM：FrequencyDivisionMultiplexing）。2.多路复用技术时间子信道D子信道C子信道B子信道A可用频带频率FDM子信道示意图2.多路复用技术频分多路复用示意图2.多路复用技术2.时分多路复用技术如果传输介质能达到的传输速率超过单一信源要求的数据传输速率，可以采用时分多路复用技术（TDM：TimeDivisionMultiplexing）。这种多路复用技术的出发点是将一条线路按工作时间划分周期T，每一周期再划分成若干时间片t1，t2，t3……tn，轮流分配给多个信源来使用公共线路，在每一周期的每一时间片ti内，线路供一对终端使用，在时间片tj内，线路供另一对终端占用。例如A与A'通信时占用时间片t1，当A需要与A'交换数据时，它们只能在每一个周期的第一个时间片t1内进行通信，而在其他的时间片内这一用户不能进行通信。如果A与A'需要交换的信息很多，一个时间片内不能完成，则必须将信息分割成一个个小信息段，在每次占用线路的时间片里交换一段信息。2.多路复用技术时分多路复用示意图2.多路复用技术3.波分多路复用波分多路复用（Wave-lengthDivisionMultiplexing，WDM）是频分多路复用在光纤信道上使用的一个变种。WDM系统的核心器件是棱柱或衍射光栅。多根光纤发出的光信号到达同一个棱柱或衍射光栅，每根光纤里的光波处于不同的波段上，多束光信号通过棱柱或衍射光栅合到一根共享的光纤上，到达目的地后，再由一个棱柱或衍射光栅将光重新分解为多路光信号。2.多路复用技术共享光纤光纤4光纤5光纤6光纤1光纤2光纤3光谱F1F2F3F3F2F1共享光纤的光谱波分多路复用系统3.交换技术在任意两个要进行通信的终端之间建立一个临时的通信链路，通信结束后再拆除链路，这就是交换技术。●电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