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1、第1章 信息技术概述,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,1.1 信息与信息技术,（1）什么是信息（2）信息处理与信息技术（3）信息处理系统,信息是什么？(1),关于信息（information），至今并没有统一的定义日常生活中比较笼统和模糊的几种解释是：语言、文字、图画、照片等表示的内容（新闻、消息或知识）读书、上课、交谈等所学习和了解的知识、方法、事实和情况为了做判断、订计划或求解问题等所需要的数据、资料,信息是什么？(2),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”信息因
2、它所表达的内容而有一定的价值，也因能相互交流而体现其作用信息有多种表现形式，语言、文字、声音、图片等都是信息的表现形式(也称为信息的载体或媒体)信息与物质和能量同样重要，它是人们认识世界、改造世界的一种基本资源,什么是信息处理？,信息处理指的是与下列内容相关的行为和活动：信息的收集(如信息的感知、测量、获取、输入等)信息的加工(如信息的分类、计算、分析、转换等)信息的存储(如书写、摄影、录音、录像等)信息的传递(如邮寄、电报、电话、广播等)信息的施用(如控制、显示等),人工进行信息处理的过程,人工信息处理的不足：算不快 记不住 传不远 看（听）不清,手/脚/身,眼/耳/鼻/舌/身,什么是信息技
3、术？,信息技术（Information Technology，简称IT）指的是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。信息技术包括：扩展感觉器官功能的感测(获取)与识别技术扩展神经系统功能的通信技术扩展大脑功能的计算(处理)与存储技术扩展效应器官功能的控制与显示技术,信息技术的发展历史,语言的形成和使用 文字的创造 印刷技术的发明 望远镜、显微镜 电报和电话通信 广播、电视 雷达、卫星（遥感感测）计算机、机器人 因特网（Internet）,现代信息技术,3大特征：采用电子技术（包括激光技术）以数字技术（计算机）为基础以软件为核心内容：计算机、微电子、通信、广播、遥感遥
4、测、自动控制、机器人等,什么是信息处理系统？,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，可以通称为信息处理系统信息处理系统的结构：,信息处理系统举例,雷达：以感测与识别为主要目的电视/广播：以单向、点到多点的信息传递为主要目的电话：以双向、点到点的信息交互为主要目的银行：以处理金融信息为目的图书馆：以信息收藏和检索为主要目的因特网：跨越全球的多功能信息处理系统,1.2 微电子技术简介,（1）微电子技术与集成电路（2）集成电路的制造（3）集成电路的发展趋势（4）IC卡,(1)微电子技术与集成电路,微电子技术是信息技术领域中的关键技术，是发展电子信息产
5、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,电子电路中元器件的发展演变,微电子技术是以集成电路为核心的电子技术，它是在电子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。,电子管(1904),什么是集成电路？,集成电路(Integrated Circuit，简称IC)：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,超大规模集成电路,小规模集成电路,集成电路的分类,按用途分：通用集成电路专用集成电路（ASIC）按电路的功能分：数字集成电路模拟集成电路按
6、晶体管结构、电路和工艺分：双极型（Bipolar）电路金属氧化物半导体(MOS)电路按集成度(芯片中包含的元器件数目)分：,附：常见集成电路产品的类型,(2)集成电路的制造(选学),集成电路的制造工序繁多，从原料熔炼开始到最终产品包装大约需要400多道工序，工艺复杂且技术难度非常高，有一系列的关键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁净的无尘厂房内完成。目前兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶圆的集成电路工厂需投资人民币10亿元以上。,集成电路的制造流程,集成电路的封装,集成电路封装目的：电功能、散热功能、机械与化学保护功能 常见的封装方式：单列直插式（SIP）双列直插式（DIP）阵列式（PGA）
7、塑料有引线芯片载体（PLCC）扁平贴片式(PQFP)球栅阵列封装(BGA)小外形封装（SOP）,集成电路的封装形式,(3)集成电路的发展趋势,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。所以从集成电路问世以来，人们就一直在缩小晶体管、电阻、电容、连接线的尺寸上下功夫。,IC集成度提高的规律,Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番(Gordon E.Moore,1965年),晶体管数,例：Intel微处理器集成度的发展,酷睿2双核（2006）291410M晶体管酷睿2四核（200
8、7）820M 晶体管,集成电路技术的发展趋势,减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸 增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片,进一步提高集成度的问题与出路,问题：线宽进一步缩小后，晶体管线条小到纳米级时，其电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动，晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作出路：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，人们正在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件，使能开发出新的纳米芯片和量子计算机同时，正在研究将光作为信息的载体，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,(4)IC卡简介,几乎每个人每天都与IC卡打交道，例如我们的身
9、份证、手机SIM卡、交通卡、饭卡等等，什么是IC卡？它有哪些类型和用途？工作原理大致是怎样的？下面是简单介绍。,什么是 IC卡？,IC卡(chip card、smart card)，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特点：存储信息量大保密性能强可以防止伪造和窃用抗干扰能力强可靠性高应用举例：作为电子证件，记录持卡人的信息，用作身份识别（如身份证、考勤卡、医疗卡、住房卡等）作为电子钱包（如电话卡、公交卡、加油卡等）,IC卡的类型(按芯片分类),存储器卡：封装的集成电路为存储器，信息可长期保存，也可通过读卡器改写。结构简单，使用方便。用
10、于安全性要求不高的场合，如电话卡、水电费卡、公交卡、医疗卡等（带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路）CPU卡：封装的集成电路为中央处理器（CPU）和存储器，还配有芯片操作系统(Chip Operating System)，处理能力强，保密性更好，常用作证件和信用卡使用。手机中使用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡。,IC卡的类型(按使用方式分类),接触式IC卡(如电话IC卡)表面有方型镀金接口，共8个或6个镀金触点。使用时必须将IC卡插入读卡机，通过金属触点传输数据。用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易磨损、怕脏、寿命短非接触式IC卡(射频卡、感应卡)采用电磁感应方式无线传输数据，解决了无源
11、（卡中无电源）和免接触问题操作方便，快捷，采用全密封胶固化，防水、防污，使用寿命长用于读写信息较简单的场合，如身份验证等,非接触式IC卡,非接触式IC卡的工作原理（选学）,读卡器发出一组固定频率的无线电波(射频信号)，通过天线向外发射,IC卡激活后，通过辐射电磁信号将卡内数据发射出去(或接收读卡器送来的数据),当IC卡处在读卡器有效范围(一般为510cm)内时，卡内的一个LC串联谐振电路(谐振频率相同的)便产生电磁共振，使电容充电，从而为卡内其它电路提供2V的工作电压,读卡器收到数据后，通过接口将IC卡数据传送给PC，PC将判断该卡的合法性，作出相应处理,非接触式IC卡在身份证中的使用,第二代
12、身份证使用非接触式CPU卡，可实现“电子防伪”和“数字管理”两大功能：电子防伪措施：个人数据和人脸图像经过加密后存储在芯片中，需要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。以后还可以将人体生物特征如指纹等保存在芯片中，以进一步提高防伪性能数字管理功能：存储器能储存多达几兆字节的信息，采用分区存储，按不同安全等级授权读写采用数据库和网络技术，实现全国联网快速查询和身份识别，使二代证在公共安全、社会管理、电子政务、电子商务等方面发挥重要作用,1.3 通信技术入门,通信的基本原理 模拟通信与数字通信 光纤通信和无线通信 移动通信,1.3.1 通信的基本原理,（1）通信系统的基本模型（2）调制与解调（3）多
13、路复用技术,什么是通信(communication)？,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（telecommunication），如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等通信的发展历史：1836年，英国建成第一条电报线路(Morse电报)1876年，美国人研制成可供实用的电话20世纪初，马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信1918年出现收音机和无线电广播1938年第一个电视台开始播出1940s 出现彩色电视1960s 出现计算机网络,对通信系统的一般要求,远距离：传输距离要远低成本：传输成本要低高速度：从发生到接收的延迟时间要短可靠
14、：传输的信息不能有错误方便：任何时间和地点都能通信安全：传输的信息要保密，不能泄漏,通信系统的模型,通信的三要素：,举例:,信道的任务是迅速、可靠而准确地将信号从信源传输到信宿,被传输的信息都必须以某种电(或光)信号的形式才能进行传输,发送信息的设备,接收信息的设备,模拟信号与数字信号,通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号)才能进行传输,电信号(或光信号)有两种形式：模拟信号形式:通过连续变化的物理量（如信号的幅度）来表示信息，例如人们打电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克风)转换得到的电信号；数字信号形式:使用有限个状态(一般是2个状态)来表示（编码）信息，例如电报机、传真机
15、和计算机发出的信号都是数字信号,0 0 1 1 0 1 0 0 0 1,模拟信号如何传输？,近距离传输：直接传输(如：MP3播放器 耳机；计算机输出信号 投影仪)远距离传输：通过载波来传输模拟信号(如：广播电台收音机)什么是载波？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,模拟信号如何进行载波传输？三种调制方法,实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”：,数字信号如何传输？,近距离传输方法基带传输近距离传输时：不加处理直接进行（如：USB连接）较长距
16、离传输：需作码型转换（如：以太网中传输数字信号）,含有直流成分，不便于同步，不适合直接传输,平均直流电平为0，电平的变化可作为同步信号,远距离传输方法通过载波来传输数字信号(频带传输),数字信号的三种调制方法,小结1:远距离通信必须使用MODEM,通信一般是双向进行的，收发双方都需要调制器与解调器，它们通常做在一起，称为调制解调器(MODEM),信源信号通过调制器 调整载波的某个参数(幅度、频率或相位),到达目的地后，使用解调器把载波所携带的信号检测出来，恢复为原始信号的形式,经过调制后的载波信号，携带着被传输的信号在信道中进行长距离传输,怎样降低传输成本？,分析：通信系统中，传输线路的建设和
17、维护成本占整个系统成本的相当大的份额一条传输线路（铜线、光纤、无线电波）的容量通常远超过传输1路用户信号所需的能力降低成本采用的技术多路复用技术(Multiplexing)多路信号使用同一条传输线同时进行传输方法：频分多路复用（FDM）时分多路复用（TDM）波分多路复用（WDM）,频分多路复用(Frequency Division Multiplexing,FDM),思想：将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上，通过频分多路复用器(MUX)将它们复合成为一个信号，然后在同一传输线路上进行传输。抵达接收端之后，借助分路器(DEMUX)把不同频率的载波分离出来，送到不同的接收设备工作原理：
18、,将不同频率的载波信号合成在一起,使用一组滤波器分解出不同频率的载波信号,频分多路复用举例1,广播电台节目的发送与接收,常见广播电台使用的载波频率中波 900 KHz(南京经济台)中波1008 KHz(南京新闻台)短波 15.28 MHz(英国BBC)短波 15.29 MHz(VOA美国之音)调频104.3MHz(南京体育台)调频105.8MHz(南京音乐台),频分多路复用举例2,电视节目的发送与接收,时分多路复用(Time Division Multiplexing,TDM),思想：各通信终端（计算机、电话）以规定的顺序和时间轮流使用同一传输线路进行数据传输工作原理：,应用：主要使用在数字通
19、信领域，如电话中继通信、GSM手机、总线式以太网等,同步和异步时分多路复用,异步TDM的条件：发送信息中必须包含接收设备的地址！,小结2:多路复用可以降低通信成本,通信系统的原理示意图,多路复用技术使得成千上万路通信可以在同一条传输线上同时进行，大大节省了通信成本,频分多路、时分多路和波分多路等技术可以同时使用，以提高复用效率,1.3.2 模拟通信与数字通信,（1）模拟通信（2）数字通信（3）数字通信系统,模拟通信,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称为模拟通信技术 应用：(传统的)有线载波电话无线电广播电视（卫星电视、数字有线电视除外）优点：历史长，技术成熟
20、，结构简单，成本低缺点：在信号的调制和传输过程中易受噪声干扰，传输质量不够稳定趋势：已经越来越多地被数字通信所取代,模拟通信技术应用举例（1）,传统的有线载波电话,模拟通信技术应用举例（2）,电话拨号上网:利用模拟传输技术传输数字信号,模拟通信技术应用举例（2）,家庭计算机用户通过电话拨号接入计算机网络,调制解调器把计算机送出的数字信号,采用数字调制(频移键控或相移键控)的方法,调制成为适合于在用户电话线上传输的音频模拟信号,因特网服务提供商把接收到的模拟信号，通过解调器恢复成数字信号送给计算机,目前电话上网的最高传输速率：56Kbps,音频模拟信号在本地电话网中，采用模拟传输技术进行传输,什
21、么是数字通信？,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称为数字通信数字通信技术的优点：抗干扰能力强，差错可控制，无噪声积累，传输质量高灵活性好，能适应多种应用需求，声音、图像、数据均可传输传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理数字信号的加密比模拟信号容易，所以通信的安全性高数字电路容易用超大规模集成电路实现，有利于通信设备的小型化、微型化，也降低了功耗,数字通信采用的技术,数字调制/解调技术调幅；调频；调相多路复用技术时分多路；频分多路；波分多路交换技术电路交换；分组交换模-数和数-模转换技术
22、；数字编码和数据压缩技术,数字通信技术应用举例（1）,当今长途电话系统的中继通信,模拟声音信号在需要进行远距离传输之前，先使用PCM编码器变换为数字信号形式（此过程称为“数字化”）,接收方所在地区的交换局使用解码器把数字信号还原成模拟声音信号后，由用户线传输至接听方的电话机,数字信号经调制和复用后，通过光纤传输到接收方所在地区的交换局，再经解调和分路处理，恢复为数字信号,补充：PCM编码,PCM（脉冲编码调制）原理：将模拟信号按时间间隔T取样，再把取样得到的每一个样本用二进制整数表示,数字通信技术应用举例（2）,卫星电视数字传输：用数字传输技术传输模拟信号,数字信号经调制和复用后由天线发送至卫
23、星，再由卫星进行转发，被卫星地面接收站所接收,电视台的节目在发送到卫星去传输之前，先要把图像和伴音信号进行数字化，还要进行数据压缩,地面站对接收到的信号进行解调、解码后恢复为模拟信号，再经由有线电视电缆送到用户电视机上播放,小结：数字通信系统的模型,为了进行可靠的传输,为了高效率地进行远程传输,1.3.3 光纤通信与无线通信,（1）传输介质的类型与特点（2）光纤通信（3）无线通信,传输介质的类型与特点,双绞线和同轴电缆,原理：利用电流(电压)传输信息双绞线分类3类线(10 Mb/s)；5类线(100Mb/s)；6类线(200Mb/s)无屏蔽双绞线(UTP)；屏蔽双绞线(STP),同轴电缆分类基
24、带同轴电缆（50）传输数字信号宽带同轴电缆（75）传输模拟信号,光纤与光缆,光线,光波在光纤中的传播,光导纤维（光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去）,光波,光缆,光纤通信原理,光纤主要用于传输数字信号，0信号或1信号直接对光进行调制(即控制激光的通或断幅移键控ASK)光波的频率为10141015Hz，目前一束光每秒能携带2.5G或10G的二进位信号，通过波分多路复用（WDM）技术还可达到更大的通信容量,在发送端，由需要传输的数字信号（电信号）去驱动一个光源（半导体激光器或发光二极管），并对发出的光信号进行调制,在接收端，信号经放大后由光检测器（半导体光电管）
25、进行检测、解调，转换成电信号之后输出,调制后的光信号通过光纤进行传输，为了补偿光纤线路的损耗，消除信号失真和噪声干扰，每隔一定的距离要接入中继器,波分多路复用(Wave Division Multiplexing,WDM),为提高传输效率，1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波，每种光波各自传输自己所携带的信息，速率可达到 40G-100Gbit/s原理：,光纤,发送端有N个发送单元，它们各自发出不同波长的光波,通过复用器（称为合波器）合并起来，进入同一根光纤进行传输,接收端用分路器(称为分波器)将不同波长的光分开，分别送到各自的光电检测器恢复出原始信号,光纤通信的发展与应用,从上世纪80年
26、代起，世界各国开始大规模铺设光纤通信线路，光纤传输网已经成为几乎所有现代通信的基础平台高速光纤数字传输线路采用统一的国际标准，称为同步数字系列(SDH)，又称为同步光纤网(SONET)，它既是电话和有线电视的骨干传输网，又是计算机网络的骨干网 SDH的速率等级：,无线通信,原理：模拟信号或数字信号使用电磁波调制后进行传输,微波通信,微波：300MHz300GHz范围内的电磁波，波长为1 m1mm,特点：直线传播，不能沿地球表面传播（无绕射性），需要每隔几十公里设立一个中继站容量大、可靠性高建设费用低抗灾能力强应用：长途电话、蜂窝移动电话、全数字高清晰度电视（HDTV）等,卫星通信,卫星通信:中
27、继站在人造地球卫星上的一种微波通信优点：通信距离远、频带宽、容量大、抗干扰强、通信稳定缺点：造价高、技术复杂、有较大延时、同步轨道卫星数目仅180颗,赤道上方高度为35800公里的地方为地球同步轨道，卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同，在地面上看这种卫星好似静止不动。一颗同步轨道卫星覆盖约120，3颗同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部面积，进行二十四小时的全天候通信,卫星通信的重要应用GPS,例美国研制GPS系统24颗卫星在1.2万公里高空以12小时的周期绕地球运行地面任意点在任何时刻都可同时观测到4颗以上卫星原理：由于卫星的位置是精确可知的，通过地面接收机可测得与卫星的距离，利用三维
28、坐标中的距离计算公式，就可以推导出接收机的地理位置(经度、纬度和高程)定位精度：民用大约几十米军用可高得多,GPS卫星接收机,根据用途有：导航型、测地型、授时型等产品形式：独立的GPS导航仪，也可集成在电脑、手机、MP3(MP4)播放器、甚至手表中,1.3.4 移动通信,（1）什么是移动通信（2）移动通信原理（3）第2代和第3代移动通信,什么是移动通信？,处于移动状态的对象相互间的通信，如手机、无绳电话、寻呼系统等优点：克服通信终端位置对用户的限制，快速和及时地传递信息,基站,移动台（手机）,移动电话交换中心,公用电话网,蜂窝移动通信原理,每10km20km的区域称为单元（形似蜂窝），单元的中
29、央建有一个基站，该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，连成整个移动通信服务网所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，通话时使用两个频率（一个上行频率，一个下行频率），同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率进行通信，相互不影响,每个蜂窝单元中有200多个信道(GSM)。相邻单元不允许使用相同的频率，不相邻单元的频率允许重用,第二代移动通信系统,传输的是数字化的语音/文字信号使用频段：900MHz/1800MHz我国使用的2种标准：GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统)中国电信
30、的GSM网已基本实现县以上城市的覆盖,接入号有139135、130采用频分多路复用技术(分为124个上下行信道)和时分多路复用(每个信道8个连接)，每个蜂窝理论上支持992个连接，实际上可有200多个CDMA(码分多址接入，Code Division Multiple Access)所有手机都占用相同带宽和频率，在整个频段上进行信号传输,但它们分别采用不同的编码原理加以区分，即CDMA给每一手机分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的信号进行编码抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小，,第三代数字移动通信系统,第2代移动通信的不足：（1）数据传输速率过低（9.6kb/s或57kb
31、/s）（2）容量有限，不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。（3）不能实现覆盖全球的无缝连接第3代移动通信技术（简称3G）的目标：（1）全球漫游（2）适应多种环境，地面移动通信与卫星移动通信相结合（3）提供高质量的话音通信、数据通信和高分辨率图像通信（4）提供足够的系统容量，具有高保密性和优质的服务技术：频谱：1885 MHz 2025MHz，2110MHz2200MHz 传输速率：室内：2Mb/s，步行：384kb/s，快速移动：114kb/s标准：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA(时分-同步码分多址接入),国外3G的进展,2007年底统计,40个国家共190个 3G 网络已
32、经投入运行，71个国家的154 HSDPA 网络已投入运行 2007.6统计,全球3G用户数约2亿，占全球移动电话用户总数30亿的6.7%，日本（W-CDMA）和韩国（CDMA2000）3G用户数超过50（不兼容2G）欧洲：意大利、英国，超过20（兼容2G）北美、亚太、欧洲(俄罗斯)、非洲等：CDMA2000,我国3G通信的进展,已初步形成了TD-SCDMA核心网、基站、终端以及各种芯片的配套产品体系，打造了一条完整的产业链。中国移动从2008年4月1日起正式在北京、上海、天津、沈阳、广州、深圳、厦门和秦皇岛8个城市启动3G的社会化业务测试和试用，3G手机正式放号2009年，我国另2家电信运营
33、商（中国电信、中国联通）也获准3G移动通信牌照的发放，3G开始在我国大范围布点,2008中国电信业重组，力推3G,附：现代电话通信网络,小结,什么是通信？使用电波或光波传递信息对通信系统的要求：远距离调制解调技术(MODEM)低成本多路复用技术(Multiplexer)+交换技术(Switch)高速度光纤通信技术可靠信号不失真、无差错、保证通信畅通（数字通信）方便移动通信技术（无线、数字通信）安全加密、身份认证（数字通信）目前许多通信系统既采用模拟通信技术，也采用数字通信技术，总的趋势是数字化、光纤化、智能化！,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（
34、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、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
35、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
36、（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1A:0110 B:1010 F:1110例2A:0110 B:1010 F:0010,逻辑运算是用“门”电路实现的,比特的存储（1）,存储(记忆)1个比特需要使用具
37、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
38、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！,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）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 KB1
39、GB106 KB 1 000 000 KB1TB 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？,原 因:,相同的符号，有两种不同的含义！,不同进位制前缀的使用场合,内存、cache、半导体存储器芯片的容量均使用二进制前缀：512MB的内存条（1M220）256KB 的cache（1K 210）文件和文件夹的大小使用二进制前缀频率、传输速率等使用十进制前缀：主频 1GHz（1G109）传输速率 100Mbps（1M106）外存储器（硬盘、DVD光盘、U盘、存储卡等）容量：厂商标注的容量使用十进制前缀操作系统显示
40、的容量使用二进制前缀,解决方案：使用两种不同的前缀符号,已经采用IEC建议符号的有：Mozilla Firefox，BitTornado，Linux，以及其他一些GNU自由软件尚未采用IEC建议符号的有：微软公司,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
41、、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+
42、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=245.25,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 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：整数和小数放开转换 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
43、.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=124123122021120 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
44、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：,两个1位二进制数加法的实现,设被加数A，加数B
45、，用半加器完成加法，产生和数S，进位C,则半加器的规则是：,半加器的逻辑结构为：,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
46、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-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
47、表示,符号位 不变,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：11010101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
48、，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 位原码：-2n-1+12n-1-1补码可表示的整数范围 8位补码：-2727-1（-128127)n位补码：-2n-12n-1-1,-128表示为 10000000+127 表示为 01
49、111111,小结：3种整数的比较,计算机中整数有多种，同一个二进制代码表示不同类型的整数时，其含义（数值）可能不同 一个代码它到底代表哪种整数（或其它东西），是由指令决定的,1.4.4 实数(浮点数)的表示,（选讲）,实数的特点与表示方法,特点：既有整数部分又有小数部分，小数点位置不固定整数和纯小数是实数的特例任何一个实数总可以表达成一个乘幂和一个纯小数之积例如：56.725=0.56725102 0.0034756=-0.34756102 实数的表示方法（记阶法）：用3个部分表示乘幂中的指数：表示实数中小数点的位置纯小数部分(尾数)：表示实数中的有效数字部分数的正负(符号),二进制实数的浮
50、点表示,与十进制实数一样，二进制实数也可以用记阶法表示 例如：+1001.011B=+0.1001011B2 100 0.0010101B=0.10101B210 可见，任一个二进制实数 N 均可表示为：N=S2P（其中，是该数的符号；S是N 的尾数；P是N的阶码）因此，32位的单精度浮点数在计算机中可表示为：,小 结：用比特表示信息的优点,比特只有0和1两个符号，具有2个状态的器件和装置就能表示和存储比特，而制造两个稳定状态的电路又很容易比特的运算规则很简单，使用门电路就能高速度地实现二进制数的算术和逻辑运算比特不仅能表示“数”，而且能表示文字、符号、图像、声音，可以毫不费力地相互组合，开发
