江苏专转本计算机12第一章微电子技术与通信技术

第1章微电子技术与通信技术电子信息技术•现代信息技术的特点：–采用电(光)子技术：–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、机器人等信息技术三大基础技术1.微电子技术-----集成电路2.通信技术------通信系统3.计算机技术-----数字技术1.1微电子技术1.1.1微电子技术与集成电路微电子技术：以集成电路为核心的微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。电子电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电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电路使用的基础元件的演变•集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)：这是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，构成的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。集成电路的特点是：体积小，重量轻，可靠性高。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•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)•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。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6000~8000亿美元，将支持4~5万亿美元的电子装备市场。集成电路的制造集成电路的制造：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30年来微处理器集成度的发展19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4晶体管数集成电路技术的发展趋势年度（年）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）90130183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IntelP4：已采用0.13μm工艺制造生产•AMD：有采用0.13μm工艺制造生产的CPU•1（μm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0.07～0.05微米的工艺。在未来十年时间里，集成电路的技术还将继续遵循Moore定律得到进一步的发展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量子计算机这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。1.2通信技术1.2.1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）•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•通信系统（也称电信网）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•按传输媒体分类•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1.2.2数据通信基本原理及有关的基本概念–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•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2.调制解调调制解调基本概念•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3.多路复用•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。•时分多路复用把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息。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(脉冲编码调制)通信常称为时分多路通信。•码分多路复用用于无线移动通信。所有移动站点（例如手机）在整个频段上进行传输，多路信号同时传输时采用不同的编码原理加以区分。例如，每个站点有一个唯一的m位代码（芯片序列），当需要发送比特1时，站点发送其芯片序列；当需要发送比特0时，站点发送其芯片序列的补码。•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。•波分多路复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3.交换技术交换：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。交换技术有：电路交换与分组交换⑴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⑵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。这些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。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