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1、第2讲 数字技术基础,2.1 比特与二进制数2.2 字符和图像的表示2.3 比特的表示与存储2.4 比特的运算2.5 微电子技术简介,关于“数字”,数字、数字信号、数字媒体、数字技术、数字控制、数字通信、数字(码)相机、数字电视、数字设备数字化、数字城市、数字世界、数字社会、数字革命、数字鸿沟、数字化生存“数字”“d i g i t a l”，原意是数手指或脚趾的一种做法,“数字”(digital)的含义,现代信息技术中，digital指的是一类信息技术，与传统的模拟(analog)技术不同，它采用离散信号(主要是二进制信号)而非连续信号的形式来表示、处理、传输和存储信息,analog,dig
2、ital,德国数学家莱布尼兹发明了二进制算术是受伏羲八卦图启发的吗？,伏羲八卦图,周文王六十四卦图,2.1 比特与二进制数,（1）什么是比特（2）十进制与二进制（3）二进制、八进制与十六进制,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”、有时也简称为“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,信息的外部表示与内部表示,数值信息文字信息图像信息声音信息逻辑信息指令信息,二进制表示,表示要紧凑处理
3、要高效转换要简单交换要方便,信息的内部表示,信息的外部形式,注意：每种信息均有多种不同的二进制表示方法！,(供计算机存储和处理),(供用户使用),数值信息在计算机中的表示,数值,“数值”是一种信息，它有大小、可以进行四则运算，通常称为“数值”信息“数值”有不同的表示方法：日常生活中人们使用的是十进制数计算机内部使用的是二进制数程序员还使用是八进制和十六进制数问题：怎样表示？数值如何计算？相互如何转换？,十进制数,每一位可使用十个不同数字表示（0、1、2、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）例：,264.96=,200+60+4+0.
4、9+0.06=264.96,二进制数,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）例：,101.01 B=,4 0 1 0 1/4 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）例：365.2Q=,192 48 5 2/8 245.25,十六进制数,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
5、16）例：F5.4 H=,240 5 4/16 245.25,不同进位制数的比较,不同进位制数的相互转换,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,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=29.6875,十进制数 二进制数,转换方法：整数和小数分别转换 整数部分：除以2逆序取余 小数部分：乘以2顺序取整例1：29.25 11101.01 例2：29.8 11101.1100 1100.,注意：十进制小数转换成二进制时，可
6、能是无穷小数，应根据需要取近似值表示,记住2n的值！,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！,举例1：二进制整数的表示范围,举例2：IP地址的数目,2 MUST代理服务器的IP地址是（点分十进制表示），该IP地址的内部表示（二进制表示）是怎样的？,10101100,00010000,00110010,00001000,1 互联网不同IP地址一共有多少个？,互联网的
7、IP地址是使用32位的二进制数表示的，不同的IP地址对应一个不同的二进制数，所以所有不同IP地址的总数理论上是232个，即43亿个,2.2 文字/图像在计算机中的表示,字符、字符集及其编码,文字的基本元素是字母和符号，统称为“字符”，包括：字母、数字、标点、符号等字符集：某种语言所使用的一组特定字符的集合西文字符集中文字符集日文字符集字符的编码：字符集中每个字符都使用若干二进位表示，它们称为该字符的编码或代码(code),不同的字符集包含的字符数目与内容不同,西文字符集的编码：ASCII码,96个可打印字符,32个控制字符,例：英文文本在计算机中的表示,西文字符(英文字母或符号)在计算机中采用
8、的是ASCII码每个ASCII码在计算机中用8个二进位(1个字节，Byte)表示其中最高位为“0”,8个二进位称为1个字节，字节是计算机存储容量的计量单位！1个字节可存储1个西文字符!,汉字在计算机中如何表示？,汉字是记录汉语的文字，属于表意文字特点：数量大，字形复杂，同音字多，异体字多常用的汉字编码标准：GB2312国家标准：6000多常用汉字港澳台地区的汉字编码CNS 11643(BIG 5)GB18030国家标准Unicode的UTF-8Unicode的UTF-16,多文种字符集：包含世界各国和地区使用的75套书写符号共约10万字符，其中：拉丁字母、音节文字各种标点符号、数学符号、技术符
9、号、几何形状等中、日、韩统一汉字（称为CJK汉字，指中、日、韩、新、马及我国港、澳、台使用的汉字，不论其字义和读音有无区别，只要字形相同，就作为一个汉字，共约3万多个字）,多文种字符集的3种主要编码方案,例：不同的标准，不同的表示！,与字符的编码一样，图像、声音、视频等，也分别有许多编码标准：国际标准(ISO)、国家标准(GB)、工业标准、企业标准、,由于经济利益和政治体制等多种原因，相同的信息在计算机中可以有不同的表示，即采用不同的编码进行表示例如：“南京大学1234ABCD”的3种表示：,举例:浏览网页时选择“编码”的作用,图像在计算机中的表示,数字图像的组成像素,数字取样图像由大量“取样
10、点”组成取样点排列成M(列)N(行)的矩阵取样点是组成数字图像的基本单位，称为“像素”每个像素均用二进制数表示,例1：黑白图像的表示,每个像素使用1个比特表示：0=白；1=黑,例2：灰度图像的表示,每个像素用2位表示,共4 级灰度,每个像素用8位表示,共256级灰度,0 表示最暗255 表示最亮,例3：彩色图像的表示,彩色图像的每个像素有三个分量，分别表示R、G、B的亮度，假设3个分量分别用n,m,k个二进位表示，则它可表示2n+m+k种不同的颜色,数字图像的主要参数,1 图像大小(图像分辨率)：使用 水平分辨率 x 垂直分辨率 表示,160 x 240,320 x 480,数字图像的主要参数
11、,2 像素深度，即像素的所有颜色分量的二进位数目之和,8-bit 像素（256色）,24-bit 像素（1600万色）,3-bit 像素（8色）,真彩色,数字图像的主要参数,3 数字图像的数据量 计算公式（以字节为单位）：数据量=水平分辨率垂直分辨率像素深度8 例：几种不同大小的图像的数据量（未压缩时）：,（注：1K210，1M220）,举 例：数码相机,假设数码相机拍摄的彩色照片的分辨率是1200 x 900,其颜色数目为224色，该相机的存储卡容量为96MB(1M=106)，如果不进行数据压缩，那么该相机一次最多可以拍摄 多少 张数字相片？解：每张照片的数据量是：1200 x900 x(2
12、4/8)=3.24MB(未压缩)一次可拍摄照片数目：96MB/3.24MB30张如果存储卡容量是1GB呢？实际可以拍摄的数目是510倍,小结：用比特表示信息的优点,比特不仅能表示“数”，而且能表示文字、符号、图像、声音，并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,2.3 计算机中如何表示与存储比特,（1）CPU中比特的表示与存储（2）内存储器（3）硬盘存储器（4）光盘存储器,比特如何表示？
13、,1 0 1 1 0 0 1 0,1 0 0 1 0 0 1 0,1 0 0 1 0 0 1 1,1 1 1 1 1 1 1 1,1 两个状态2 稳定保持3 快速改变,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,内存中比特的存储,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,比特存储原理 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,断电后信息不再保持！,DRAM存储芯片（1Gb）,16384x16384,16384x16384,16384x16384,
14、16384x16384,集成电路技术可以在半导体芯片上制作出数以亿计的晶体管和电容器，从而构成了可存储大量二进位信息的半导体存储器芯片,PC机主存储器内存条,主存储器由14个内存条组成内存条由若干片DRAM芯片焊装在一小条印制电路板上制成,目前流行的是DDR2和DDR3内存条：均采用双列直插式，其触点分布在内存条的两面DDR2 和DDR3均有240个引脚PC机主板中一般都配备有2个或4个内存条插槽,内存容量的计量单位,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（kilobyte，千字节）:1 KB=210字节=1024 BMB（megabyte，兆字节）:1
15、MB=220字节=1024 KBGB（gigabyte，吉字节、千兆字节）:1 GB=230字节=1024 MBTB（terabyte，太字节、兆兆字节）:1 TB=240字节=1024 GB,硬盘存储器,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,磁盘存储器中比特的表示,硬盘存储器的结构,磁头浮在盘片表面进行数据读写,磁头靠气垫悬浮于盘片之上，距离盘片仅 0.0000254 毫米（百万分之一英吋）,磁盘的磁道和扇区,磁盘表面被分为许多同心圆，每个同心圆称为一个磁道。每个磁道都有一个编号，最外面的是0磁道,每个磁道被划分为若干段（段又叫扇区），每个扇区的存储容量均为51
16、2字节。每个扇区都有一个编号,注：所谓磁盘的格式化操作，就是在盘面上划分磁道和扇区，并在扇区中填写扇区号等信息的过程,硬盘的存储容量,容量计算方法：C2碟片数磁道数/面扇区数/磁道 512字节/扇区提高硬盘容量的途径：增加盘片上的磁道数目增加磁道中的扇区数目增加碟片数目,增大盘片直径：3.5、2.5、1.8英寸 提高纪录密度,硬盘(光盘、U盘)存储容量的单位,外存储器容量一般使用10的幂次来计算：1MB103 KB 1 000 KB1GB106 KB 1 000 000 KB1TB 109 KB=1 000 000 000 KB,奇怪，为什么？,原因分析,相同的符号，有两种不同的含义！,厂商标
17、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,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GN
18、U自由软件尚未采用IEC建议符号的有：微软公司,光盘存储器,光盘存储器的发展,（注：DVD和BD的容量均为单面单层的容量）,光盘的信息记录原理,光盘上的螺旋形光道,凹坑的边缘用来表示“1”，而凹坑和非凹坑的平坦部分表示“0”,为什么DVD容量比CD大得多？,1)更小的凹点长度(2.08x),2)数据轨道间隔更紧密(2.16x),3)采用较短波长的635nm或650nm的红色激光,使激光斑点直径缩小,提高信息的鉴别能力.4),2.4 比特的基本运算,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：,二进制数的3种基本逻辑运算,逻辑加：F=A B（“或”运
19、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,举例1：黑白图像的“取反”操作,举例2：灯泡的控制,条件：使用2个开关要求：使得楼上和楼下均可以控制电灯的“亮”和“暗”问题：应如何连接电路？,A、B进行“异或”运算（Exclusive OR），AB,假设：开关向上1，向下0 灯亮1，灯灭0,举例3：多位二进制数的逻辑运算,按位独立进行，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,例：子网掩码的作用,晶体管是一种电子开关,使用机械开关实现逻辑操作速度太慢，工作也不可靠！晶体管
20、好像是一个电子开关,它可以工作在两种状态：导通状态/绝缘状态，效果相当于A和B之间的接通或断开,若干晶体管组合可完成逻辑运算,门电路：,逻辑运算是用“门”电路实现的,小结1：数字技术的基础二进制,二进制数的运算有2类：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：，NOT.按位进行，不考虑进位二进制数的算术运算也是通过逻辑运算实现的逻辑运算可以用开关电路来实现数以千万计的开关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,2.5 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,微电子技术与
21、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,什么是电子电路？,电路板,电子电路由电阻，电容，电感和二极管、晶体管等元器件组成，它们通过导线连接起来，使电流在其中流动，完成信号的生成、放大、变换或传输等功能,过去，电路由单个元器件（分立元件）和电线连接而成，现在则大多制作成集成电路形式,电子电路中元器件的发展与演变,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)：通过一系列特定的加工
22、工艺，将晶体管、二极管和电阻、电容等器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统的功能集成电路的优点：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,各种各样的集成电路,IC是所有电子产品的核心,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,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
23、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。,制造业,集成电路的制造过程,集成电路生产线,集成电路产业发展迅速，创新能力不断增强。图为中芯国际集成电路有限公司12英寸超大规模集成电路生产线,(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
24、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
25、把电子与光子并用，实现光电子集成,复习题,二进制数与十进制数、八进制数、十六进制数的关系，掌握它们之间的相互转换方法。西文字符和汉字在计算机中如何表示？你知道哪些常用的汉字编码标准，它们有什么区别？黑白图像、灰度图像和彩色图像在计算机中如何表示？什么是图像的分辨率和像素深度，一幅图像的数据量如何计算？二进制信息在内存条、硬盘和光盘等存储器中如何存储？存储器容量的单位是什么？二进制信息的3种基本逻辑运算是什么含义？什么是集成电路？它的发展趋势如何？,光盘驱动器的工作原理,驱动器由光头、光头驱动机构、盘片驱动机构、控制电路等组成,激光器发出的激光经过透镜聚焦后到达光盘，从光盘上反射回来的激光束沿原
26、来的光路返回，到达激光束分离器后反射到光电检测器，由光电检测器把光信号变成电信号，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据,IC技术发展增大晶圆面积,增大硅晶圆的面积：使每块晶圆能生产更多的芯片比如，使用0.13微米的工艺在200mm的晶圆上可以生产大约179个处理器核心，而使用同样工艺在300mm的晶圆可以制造大约427个处理器核心，而实际成本提高不多,IC技术发展减小蚀刻尺寸,减小蚀刻尺寸，缩小晶体管、电阻、电容和连线的尺寸尺寸越小，开关速度越快，性能越高相同面积晶片可容纳的晶体管数目就越多，成本越低8086的蚀刻尺寸为 3mPentium的蚀刻尺寸是 0.80mPentium 4的蚀刻尺寸当前是 0.09m(90纳米)酷睿2双核的蚀刻尺寸为 0.065m（65纳米）酷睿2四核的蚀刻尺寸为 0.045m（45纳米）酷睿i7六核的蚀刻尺寸为 0.032m（32纳米）,
