第讲信息技术概述

第一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.描述通信技术的分类和通信技术的发展前景4.描述计算机信息处理的特点5.解释什么是信息化，信息化建设有哪些主要内容6.了解信息化指标体系的内容与意义1.1信息与信息技术1.1.1信息与信息处理信息定义•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“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。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1.1.2信息技术信息技术信息技术：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1.1.3信息处理系统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/存储感知与识别信息处理系统结构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……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1.2电子信息技术简介概述•现代信息技术的特点：–采用电(光)子技术：进行信息的收集、传递、加工、存储、显示与控制–以计算机为基础（computer_based）–以软件为核心（software_centric）•现代信息技术领域：–微电子、通信、广播、计算机、遥感遥测、自动控制、机器人等1.2.1微电子技术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。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电子线路使用的基础元件的演变•真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电子线路使用的基础元件的演变•集成电路(IntegratedCircuit，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)等超大规模集成电路小规模集成电路集成电路的规模•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）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）＞100万集成电路分类•根据所用晶体管结构、电路和工艺分为：双极型（Bipolar）集成电路、金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路双极－金属-氧化物-半导体集成电路（Bi-MOS）等集成电路分类•根据集成电路的功能分为：数字集成电路（如逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等）模拟集成电路（又称为线性电路，如信号放大器、功率放大器等）集成电路分类•根据用途分为：通用集成电路专用集成电路（ASIC）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。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18～24个月翻一番——GordonE.Moore,1965年Intel公司创始人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晶体管数集成电路的发展趋势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0.18μm时，就会产生很多的问题,而光子计算机就可以避免。集成电路的发展趋势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。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集成电路的发展趋势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。集成电路的发展趋势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。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：《生物芯片将怎样改变我们的生活》网址：•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）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）•通信系统模型：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）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概述•通信系统（电信网）组成：–终端设备（例如：电话机）–传输设备（例如：电话线）–交换设备（例如：程控交换机）通信系统（电信网）分类•按业务种类：电话网、电报网、数据通信网、传真通信网、图像通信网等•按服务区域范围：本地电信网、农村电信网、长途电信网、移动通信网、国际电信网等•按信息信号形式：模拟通信网、数字通信网、数字模拟混合网等通信系统（电信网）分类•按传输媒体分类：–电缆通信网–光缆通信网–短波通信网–微波通信网–卫星通信网–低轨道卫星移动通信网通信系统（电信网）分类•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）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。信道的基本概念•根据信号在信道上的传输方向–单工通信–半双工通信–全双工通信信道的基本概念•单工通信（单向通信）发送端接收端信道数据监视信号信道的基本概念•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•幅移键控法ASK——调幅•频移键控法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F1F2F1F2F10相起始π相起始0相起始π相起始0相起始各种调制方法的调制波形多路复用基本概念•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。多路复用基本概念•传输多路模拟信号将各路模拟信号按