第1章信息技术概述.ppt

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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 数字技术基础1.3 微电子技术简介,1.1 信息与信息技术,（1）什么是信息（2）信息技术与信息产业（3）信息化与信息社会,信息(information)是什么？,信息有多种多样的含义，至今并没有统一的定义日常生活中比较笼统和模糊的理解是：语言、文字、图画、照片等所表达的内容、事实或消息读书、听课、交谈等所学习和了解的知识、方法和情况为了做判断、订计划或解决问题等所需要的数据和资料比较正式也比较抽象一些的描述是：信息是事物运动状态和特征的反映信息就是信息，它不是物质也不是能量 信息与物质、能量是客观世界的三大构成要素。,美国哈佛大学的研究小组

2、提出了著名的资源三角形：没有物质，什么也不存在；没有能量，什么也不会发生；没有信息，任何事物都没有意义。,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,什么是信息技术？,信息技术（Information Technology，或 Information&Communication Technology，简称IT或ICT）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。内容包括：,信息技术的发展历史,语言的形成和使用 文字的创造 造纸技术的出现 印刷技术的发明 电报和电话通信 广播、电视 雷达、卫星 计算

3、机 因特网,第1次信息技术革命（3500050000年之前）,（20世纪4060年代）,（1000年之前）,第2次信息技术革命（大约3500年之前）,现代信息技术有什么特征？,三大特征：采用微电子和光电子器件以数字技术（计算机）为基础以软件为核心核心技术：计算机、集成电路、通信、广播、互联网、自动控制、机器人等,什么是信息产业？,信息产业(也称为“电子信息产业”)是指信息设备生产制造，以及利用这些设备进行信息采集、储存、传递、处理、制作与服务的所有行业与部门的总和,影视制作,动漫与游戏制作，数字文化(音乐/美术/广告等),电子出版,通信与广播，电子政务/商务/金融,网络教育,电子医疗,电子娱乐

4、/游戏,信息服务业,信息内容产业,芯片,计算机,手机,通信设备,数字电视,软件,电子器件等,信息基础设施,电信网络,广播电视网络,互联网络等的建设、维护、经营和管理,信息设备制造业,我国信息产业存在哪些问题？,(1)核心技术、关键设备和元器件受制于人（高端芯片、核心软件、关键元器件、高端设备以及专用设备等）(2)产业结构亟需优化（信息产业位于国际产业分工的价值链低端，加工组装的比重高，经济效益低，主要依靠降价销售参与市场竞争）(3)信息技术应用水平不高(4)体制机制有待完善,人类正进入信息社会,信息技术不断创新,信息产业持续发展,信息网络广泛普及,1.2 数字技术基础,1.2.1 比特1.2.

5、2 比特与二进制数1.2.3 信息在计算机中的表示1.2.4 比特的运算1.2.5 小结,1.2.1 信息的基本单位 比特(bit),（1）什么是比特（2）比特的存储（3）比特的传输,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,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

6、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 KB1GB106 KB 1 000 000 KB1TB 109 KB=1 000 000 000 KB,现 象,160GB的移动硬盘,为什么160GB的硬盘显示出来的容量只有149.05GB？8GB的U盘显示出来的容量只有7.46GB？,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：512

7、MB的内存条（其中 1M220）256KB 的cache（其中 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（其中 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的容量使用二进制前缀,比特的传输,信息是可以传输的，信息只有通过传输和交流才能发挥它的作用在数字通信技术中，信息的传输是通过比特的传输来实现的近距离传输时：直接将用于表示“0/1”的电信号或光信号进行传输（称为基带传输），例如：计算机读/写移动硬盘中的文件打印机打印某个文档的内容远距离传输或者无

8、线传输时：需要使用调制技术（参见第4章第1节）,比特的传输速率,传输速率表示每秒钟可传输的二进位数目，常用单位是：比特/秒(b/s)，也称“bps”。如 2400 bps(2400b/s)千比特/秒(kb/s)，1kb/s=103比特秒=1 000 b/s兆比特/秒(Mb/s)，1Mb/s=106比特秒=1 000 kb/s吉比特/秒(Gb/s)，1Gb/s=109比特秒=1 000 Mb/s太比特/秒(Tb/s)，1Tb/s=1012比特秒=1 000 Gb/s,1.2.2 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,不同进位制数的比较

9、,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 11101.1011 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,记住

10、2n的值很有用！,21=222=423=824=1625=3226=6427=12828=25629=512210=1024,211=2048212=4096213=8192214=16384215=32768216=65536220=1M230=1G240=1T,记住常用二进制小数的值！,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

11、等值八进制数来替换，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：,1.2.3 信息在计算机中的表示,无符号整数

12、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：用一位表示符号，其余用来表示数值部分,符号用最高位表示：“0”表示正号(+),“1”表示负号(-)数值部分有两种表示方法：(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：绝对值使用补码表示,原码表示举例：+43的8位原码为：00101011-43的8位原码为：10101011,选讲：带符号整数的表示（2）,负

13、数(的绝对值)如何用补码表示？先把绝对值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,选讲：带符号整数的表示（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，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

14、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！,选讲：带符号整数的表示（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 01111111,-2n-1 表示为 100000002n-1-1表示为 01111111,选讲：实数的特点与表示方法

15、,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（浮点表示法）：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),文字符号在计算机中的表示,日常使用的书面文字由一系列称为“字符”(character)的书写符号所构成计算机中常用字符的集合叫做“字符集”西文字符集中文(汉字)字符集（参见第5章）最常用的西文字符集是ASCII(American Standard C

16、ode for Information Interchange)字符集包含96个可打印字符和32个控制字符每个字符采用7个二进位进行编码计算机中使用1个字节存储1个ASCII 字符,标准ASCII字符集及其码表,96个可打印字符,32个控制字符,比特的3种基本逻辑运算,逻辑加：F=A B（“或”运算）,逻辑乘：F=A B（“与”运算）,取反：F=NOT A（“否定”运算）,开关闭合1，断开0,逻辑运算可以用开关电路实现！,两个多位数的逻辑运算,按位独立进行逻辑运算，每一位都不受其它位的影响例1A:0110 B:1010 F:1110例3A:0110 NOT A:1001,例2A:0110 B:

17、1010 F:0010,例4B:1010 NOT B:0101,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“多媒体”应用信息使用比特表示以后，可以通过多种方法进行“数据压缩”，从而大大降低信息传输和存储的成本。使用比特表示信息后，只要再附加一些额外的比特，就能发现甚至纠正信息传输和存储过程中的错误，大大提高了信息系统的可靠性,1.3 微电子技术简介,（1

18、）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、

19、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：,(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。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。,(3)集成电路的发展趋势,集成电路

20、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),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

21、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

22、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，有一定安全措施。用于电话卡、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

23、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（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,选学：非接触式IC卡在身份证中的使用,第二代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

24、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,选学：什么是电子标签(RFID)？,电子标签RFID(Radio Frequency Identification)，即射频标识技术，用于控制、检测和跟踪物体 标签进入阅读器磁场的有效范围后，发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签)，或者主动发送某一频率的信号(有源标签)；阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理,选学：RFID应用举例（1）,当电子标签进入阅读器的磁场后，它接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量，发送出存储在芯片中的信息，由阅读器读取，然后送CPU进行处理,使用RFID的车辆电子收费系统,（2）,（3）,（4）,（5）,（4）,（1）,（2）,选学：RFID应用举例（2）,使用RFID的图书馆管理系统,