第1章信息技术概述课件

1n信息就是信息，它既不是物质也不是能量。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）控制论创始人）n事物运动的状态及状态变化的方式事物运动的状态及状态变化的方式。客观事物立场客观事物立场n认认 识识 主主 体体 所所 感感 知知 或或 所所 表表 述述 的的 事事 物物 运运 动动 及及 其其 变变 化化 方方 式式 的的 形形 式式、内内 容容 和和 效效 用用。认识主体立场认识主体立场 1.1.1 信息与信息处理信息与信息处理1.1 信息与信息技术信息与信息技术08-Jul-242人工人工进行进行信息处理的过程信息处理的过程信息施效信息施效（效应器官）（效应器官）信息获取信息获取（感觉器官）（感觉器官）信息传递信息传递（神经系统）（神经系统）信息加工信息加工（大脑）（大脑）信息传递信息传递（神经系统）（神经系统）事物客体事物客体08-Jul-243与信息处理与信息处理相关的行为和活动相关的行为和活动n信息收集信息收集感知、测量、识别、获取、输入等感知、测量、识别、获取、输入等n信信息息加加工工分分类类、计计算算、分分析析、综综合合、转转换换、检检索索、管理等管理等n信息存储信息存储n信息传递信息传递n信息施用信息施用控制、显示等控制、显示等08-Jul-2441.1.2 信息技术信息技术信信息息技技术术：用用来来扩扩展展人人的的信信息息器器官官功功能能、协协助助人人们们进进行行信信息息处处理的一类技术。理的一类技术。人的信息器官及功能人的信息器官及功能：n 感觉器官（眼耳鼻舌身）感觉器官（眼耳鼻舌身）获取信息获取信息n 神经网络神经网络传递信息传递信息n 思维器官（大脑）思维器官（大脑）处理信息并再生信息处理信息并再生信息n 效应器官（手脚）效应器官（手脚）施用信息施用信息08-Jul-245基本信息技术基本信息技术n感感知知与与识识别别技技术术扩扩展展感感觉觉器器官官功功能能,提提高高人人们们的的感感知范围、感知精度和灵敏度知范围、感知精度和灵敏度n通通信信技技术术与与存存储储技技术术扩扩展展神神经经网网络络功功能能,消消除除人人们们交流信息的空间和时间障碍交流信息的空间和时间障碍n计计算算处处理理技技术术扩扩展展思思维维器器官官功功能能,增增强强人人们们的的信信息息加工处理能力加工处理能力n控控制制与与显显示示技技术术扩扩展展效效应应器器官官功功能能，增增强强人人们们的的信信息控制能力息控制能力08-Jul-2461.1.3 信息处理系统信息处理系统用用于于辅辅助助人人们们进进行行信信息息获获取取、传传递递、存存储储、加加工工处处理理、控控制制及及显显示示的的综综合合使使用用各各种种信信息息技术技术的系统。的系统。信息加工信息加工通信通信/存储存储控制与显示控制与显示通信通信/存储存储感知与识别感知与识别信息处理系统结构图信息处理系统结构图08-Jul-247信息处理系统实例信息处理系统实例n雷达雷达是一种以感知与识别为主要目的的系统是一种以感知与识别为主要目的的系统n电电视视/广广播播系系统统是是一一种种单单向向的的、点点到到多多点点（面面）的的以以信息传递为主要目的的系统信息传递为主要目的的系统n电电话话是是一一种种双双向向的的、点点到到点点的的以以信信息息交交互互为为主主要要目目的的的系统的系统n银行银行是一种以处理金融业务为主的系统是一种以处理金融业务为主的系统n图书馆图书馆是一种以信息收藏和检索为主的系统是一种以信息收藏和检索为主的系统nInternetInternet是一种跨越全球的多功能信息处理系统是一种跨越全球的多功能信息处理系统 08-Jul-2481.2.1微电子技术与集成电路微电子技术与集成电路微电子技术：微电子技术：以以集集成成电电路路为为核核心心的的电电子子技技术术是是在在电电子子电电路路和和系系统统的的超超小小型型化化和和微微型型化化过过程程中中逐逐渐渐形形成成和和发发展展起起来的。来的。1.2 微电子技术简介微电子技术简介08-Jul-249电子电路使用的基础元件的演变电子电路使用的基础元件的演变n真空电子管真空电子管 在这个阶段产生了广播、电视、无线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通信、仪器仪表、自动化技术和第一代电子计算机电子计算机n晶体管晶体管 1948年发明，再加上印制电路组年发明，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前进了一大步，产生了第二代计算机08-Jul-2410电子线路使用的基础元件的演变电子线路使用的基础元件的演变n集成电路集成电路(Integrated Circuit，简称简称IC)20世纪世纪50年代出现，以半导体年代出现，以半导体单晶片作为材料，经平面工艺加单晶片作为材料，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，构成一个微型化集成在基片上，构成一个微型化的电路或系统。的电路或系统。现代集成电路使用的半导体材料现代集成电路使用的半导体材料通常是硅通常是硅(Si)，也可以是化合物也可以是化合物半导体如砷化镓半导体如砷化镓(GaAs)等等 超大规模集成电路超大规模集成电路小规模集成电路小规模集成电路08-Jul-2411集成电路的规模集成电路的规模n根据所包含的晶体管数目分为：根据所包含的晶体管数目分为：集成电路规模集成电路规模集成度（个电子元件）集成度（个电子元件）小规模集成电路（小规模集成电路（SSI）100中中规模集成电路（规模集成电路（MSI）1003000大规模集成电路（大规模集成电路（LSI）300010万万超大规模集成电路（超大规模集成电路（VLSI）10万万100万万极大规模集成电路（极大规模集成电路（ULSI）100万万08-Jul-2412集成电路分类集成电路分类n根据所用晶体管结构、电路和工艺分为根据所用晶体管结构、电路和工艺分为：双极型双极型（Bipolar）集成电路、集成电路、金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)集成电路集成电路 双极金属双极金属-氧化物氧化物-半导体集成电路半导体集成电路（Bi-MOS）08-Jul-2413集成电路分类集成电路分类n根据集成电路的功能分为：根据集成电路的功能分为：数数字字集集成成电电路路（如如逻逻辑辑电电路路、存存储储器器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等）微处理器、微控制器、数字信号处理器等）模模拟拟集集成成电电路路（又又称称为为线线性性电电路路，如如信号放大器、功率放大器等信号放大器、功率放大器等）08-Jul-2414集成电路分类集成电路分类n根据用途分为：根据用途分为：通用集成电路通用集成电路(如如:微处理器和存储器芯片微处理器和存储器芯片)专用集成电路专用集成电路（ASIC）08-Jul-2415微电子技术与集成电路微电子技术与集成电路n集集电电路路芯芯片片是是微微电电子子技技术术的的结结晶晶，它它是是计计算算机机和和通通信信设设备的核心备的核心n先先进进的的微微电电子子技技术术高高集集成成度度芯芯片片高高性性能能的的计计算算机机利利用用计计算算机机进进行行集集成成电电路路的的设设计计、生生产产过过程程控控制制及及自自动动测测试试制制造造出出性性能能高高、成成本本更更低低的的集集成成电电路路芯芯片片08-Jul-2416n集成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高集成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高nMooreMoore定律定律单块集成电路的集成度平均每单块集成电路的集成度平均每1824个月翻一番个月翻一番 Gordon E.Moore,1965Gordon E.Moore,1965年年IntelIntel公司创始人公司创始人1.2.3集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势08-Jul-2417 Intel公司微处理器集成度的发展公司微处理器集成度的发展19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentium IIPentium IIIPentium 4晶体管数晶体管数1.2.3集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势08-Jul-24181999199920012001200420042008200820142014工艺工艺(m)m)0.180.180.130.130.090.090.060.060.0140.014晶体管晶体管(M)M)23.823.847.647.613513553953935003500时钟频率时钟频率(GHz)GHz)1.21.21.61.62.02.02.6552.6551010面积面积(mmmm2 2)340340340340390390468468901901连线层数连线层数6 67 78 89 91010晶圆直径（晶圆直径（mmmm）300300300300350350400400450450引脚数目引脚数目70070095795733503350功耗（功耗（w w）90901301301831831.2.3集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势08-Jul-2419n目前集成电路生产的主流技术：目前集成电路生产的主流技术：12吋吋晶晶圆圆、0.18微微米米工工艺艺，并并正正在在向向1414吋吋晶晶圆圆、0.090.09微米工艺过渡微米工艺过渡nIntel:P4P4：已采用已采用0.130.13mm工艺制造生产工艺制造生产nAMD:AMD:有采用有采用0.130.13mm工艺制造生产的工艺制造生产的CPUCPUn美国半导体协会美国半导体协会(SIA)(SIA)预测，到预测，到20102010年将能达到年将能达到1818吋晶圆和吋晶圆和0.070.070.050.05微米的工艺。在未来十微米的工艺。在未来十年时间里，集成电路的技术还将继续遵循年时间里，集成电路的技术还将继续遵循MooreMoore定律得到进一步的发展定律得到进一步的发展.1.2.3集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势08-Jul-2420n全称为全称为”集成电路卡集成电路卡”n英文名英文名:chip card 或或smart cardn按卡中所镶嵌的集成电路芯片可类按卡中所镶嵌的集成电路芯片可类:1.存储器卡存储器卡 容量容量:几几KB到几十到几十KB 主要应用场合主要应用场合:电话卡电话卡,水电费卡水电费卡,公交卡公交卡,医疗医疗卡卡 2.CPU卡卡(智能卡智能卡)主要应用场合主要应用场合:工作证件工作证件,信用卡信用卡(如如SIM卡卡)1.2.4 IC卡卡08-Jul-2421n 通信通信：各种信息的传递各种信息的传递n 现现代代通通信信：使使用用电电波波或或光光波波双双向向传传递递信信 息息 的的 技技 术术（通通 常常 称称 为为 电电 信信telecommunication）1.3 通信技术入门通信技术入门08-Jul-24221.3.1概述概述n 通信三要素：通信三要素：信源信源（信息的发送者）（信息的发送者）信宿信宿（信息的接收者）（信息的接收者）信道信道（信息的载体与传播媒介）（信息的载体与传播媒介）n 通信系统模型：通信系统模型：信源信源（宿）（宿）编码器编码器（解码器）（解码器）复用复用（分路）（分路）信道信道复用复用（分路）（分路）编码器编码器（解码器）（解码器）信源信源（宿）（宿）08-Jul-24231.3.4 传输介质传输介质n 金属导体金属导体:双绞线和同轴电缆双绞线和同轴电缆n 光导纤维光导纤维:简称光纤简称光纤n 无线电波无线电波:中波中波,短波短波,超短波和微波超短波和微波08-Jul-2424n有屏蔽双绞线（有屏蔽双绞线（STP）n无屏蔽双绞线（无屏蔽双绞线（UTP）n种类与传输速率种类与传输速率 三类线：三类线：10 Mb/s 五类线：五类线：100 Mb/s 六类线：六类线：200 Mb/sn常见应用常见应用电话系统（模拟信号）电话系统（模拟信号）局域网（数字信号）局域网（数字信号）RJ45RJ45接头接头双绞线双绞线 08-Jul-2425同轴电缆同轴电缆n具有良好的传输特性和屏蔽特性具有良好的传输特性和屏蔽特性n可以构成大容量的载波通信系统可以构成大容量的载波通信系统一对小同轴管可提供数千个话路一对小同轴管可提供数千个话路一对中同轴管可提供上万个话路一对中同轴管可提供上万个话路多管同轴电缆电路则能提供相当大的传输容量多管同轴电缆电路则能提供相当大的传输容量n用于主要传输干线用于主要传输干线n同轴电缆种类：同轴电缆种类：1.基带同轴电缆（基带同轴电缆（阻抗阻抗50）：）：(传输数字信号传输数字信号,主要应用在局域网中主要应用在局域网中)2.宽带同轴电缆（阻抗宽带同轴电缆（阻抗75）：）：(传输模拟信号传输模拟信号,主要应用在有线电视电缆中主要应用在有线电视电缆中)08-Jul-24262.光导纤维光导纤维n传输介质：光纤（光缆）传输介质：光纤（光缆）n传传输输的的信信号号：光光信信号号（数数字字信信号号，有有光光脉脉冲冲相相当当于于1，无光脉冲相当于，无光脉冲相当于0）n传输速率：传输速率：1 Gb/s 以上以上包层包层包层包层纤芯纤芯纤芯纤芯光纤的构成光纤的构成光纤的构成光纤的构成08-Jul-2427光缆示意图光缆示意图光缆示意图光缆示意图2.光导纤维光导纤维08-Jul-2428n光波在纤芯中的传输原理光波在纤芯中的传输原理 当光线的入射角足够大时，当光线的入射角足够大时，就会出现全反射，重复此过程，就会出现全反射，重复此过程，光就沿着光纤传播下去光就沿着光纤传播下去.n光纤种类光纤种类 多模多模：纤芯直径为：纤芯直径为 50 或或 62.5m，可以存在许多条入射角不可以存在许多条入射角不同的光线，各自以不同的反射角全反射传播下去（即：每一个同的光线，各自以不同的反射角全反射传播下去（即：每一个光线有一个不同的模式）。光线有一个不同的模式）。单模单模：只有一根光纤：只有一根光纤,纤芯直径为纤芯直径为 810 m（一个光波波长），一个光波波长），光线不出现反射，直接向前传输光线不出现反射，直接向前传输。衰耗小，在衰耗小，在 2.5 Gb/s 的的高速率下传输数十公里而不必采用中继器。高速率下传输数十公里而不必采用中继器。光线光线光线光线光波在光纤中的传播光波在光纤中的传播光波在光纤中的传播光波在光纤中的传播2.光导纤维光导纤维08-Jul-2429n 光纤通信系统光纤通信系统 调调制制器器发发信信电电路路激激励励电电路路信信息息解解调调器器收收信信电电路路放放大大电电路路信信息息光缆光缆中继器中继器发信设备发信设备收信设备收信设备电光变换器电光变换器光电变换器光电变换器2.光导纤维光导纤维08-Jul-2430n 光纤通信优点光纤通信优点n 传输频带非常宽，通信容量大传输频带非常宽，通信容量大n 抗雷电和电磁干扰、抗辐射能力强抗雷电和电磁干扰、抗辐射能力强n 无串音干扰，保密性强，不易被窃听或截取数据无串音干扰，保密性强，不易被窃听或截取数据n重量轻，便于运输和铺设重量轻，便于运输和铺设n 光纤通信缺点光纤通信缺点n精确连接两根光纤比较困难精确连接两根光纤比较困难2.光导纤维光导纤维08-Jul-24312.光纤通信光纤通信n光纤通信的瓶颈之一是光信号的传输距离光纤通信的瓶颈之一是光信号的传输距离。普通光纤网络中的信息在传输时每隔普通光纤网络中的信息在传输时每隔200km200km500km500km间需加入间需加入电放大器，将光信号还原成电信号进行放大，然后再转换成光信电放大器，将光信号还原成电信号进行放大，然后再转换成光信号继续传输。这不仅增加成本，还使号继续传输。这不仅增加成本，还使进一步提高进一步提高带宽变得越来越带宽变得越来越困难，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光困难，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电电和电/光转光转换所抵消。换所抵消。n全光网（全光网（All Optical NetworkAll Optical Network）：光信息流在通信网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，光信息流在通信网络中的传输及交换时始终以光的形式存在，不需要经过光不需要经过光/电、电电、电/光转换。光转换。全光网技术是光纤通讯领域的前全光网技术是光纤通讯领域的前沿技术。沿技术。08-Jul-24321.微波微波微微波波：一一种种具具有有较较高高频频率率(300MHz(300MHz300GHz)300GHz)的的电电磁磁波波。波长很短，通常为波长很短，通常为1 1米至米至1 1毫米。毫米。微波通信微波通信:是众多无线通信形式中的一种。是众多无线通信形式中的一种。3.无线电波无线电波(中波中波,短波短波,超短波和微波超短波和微波)08-Jul-2433通信卫通信卫通信卫通信卫星星星星对流层对流层对流层对流层不均匀体不均匀体不均匀体不均匀体微波通信微波通信n 微波远距离通信方式微波远距离通信方式：n 地面微波接力通信地面微波接力通信 如如终终端端站站 A，通通过过地地面面中中继继站站C，D，E,F，.，与与另另一一终终端端站站 H 进进行行通通信信。中中继继站站之之间间的的距距离大致与塔高平方成正比。一般为离大致与塔高平方成正比。一般为50公里左右。公里左右。n 卫星通信卫星通信 地地球球站站 A 经经通通信信卫卫星星（空空中中微微波波中中继继站站）与与另另一一地地球站球站 H 进行通信。是微波接力通信向太空的延伸。进行通信。是微波接力通信向太空的延伸。n 对流层散射通信对流层散射通信 终端站终端站X发出的微波信号经对流层散射传发出的微波信号经对流层散射传 到另到另一终端站一终端站Y进行通信。进行通信。08-Jul-2434微波通信微波通信n 微波通信优点微波通信优点：n 容量大容量大n 可靠性高可靠性高n 建设费用低建设费用低n 抗灾能力强抗灾能力强08-Jul-24352.卫星通信卫星通信利用人造地球卫星作为中继站转发无线利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，实现两或多个地球站之间的通信。电信号，实现两或多个地球站之间的通信。是微波接力通信技术与空间技术相结合是微波接力通信技术与空间技术相结合的产物。的产物。08-Jul-24362.卫星通信卫星通信n 通信卫星工作原理通信卫星工作原理 从从地地面面站站1发发出出的的无无线线电电信信号号，被被卫卫星星通通信信天天线线接接收收后后，首首先先在在通通信信转转发发器器中中进进行行放放大大、变变频频和和功功率率放放大大，然然后后由由卫卫星星的的通通信信天天线线把把放放大大后后的的信信号号重重新新发发向向地地面面站站2，从从而而实实现现两两个个地面站或多个地面站的远距离通信。地面站或多个地面站的远距离通信。通信卫星通信卫星通信卫星通信卫星地面站地面站地面站地面站1 1地面站地面站地面站地面站2 2地地地地 球球球球08-Jul-2437卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星卫星地球地球地球地球3580035800公里公里公里公里2.卫星通信卫星通信n同步轨道同步轨道卫星卫星(地球同步卫星地球同步卫星)赤道上方高度为赤道上方高度为36 000公里的公里的地方，卫星的运行周期与地球自转一地方，卫星的运行周期与地球自转一圈的周期相同，因此在地圈的周期相同，因此在地 面上看这种卫星好似静止不动面上看这种卫星好似静止不动。三颗三颗同步定点轨道同步定点轨道 卫星就可以覆盖地球卫星就可以覆盖地球的几乎全部面积，可以进行二十四小的几乎全部面积，可以进行二十四小时的全天候通信。时的全天候通信。天空中最多只能有天空中最多只能有180180颗地球同颗地球同步通信卫星。步通信卫星。08-Jul-24382.卫星通信卫星通信n 卫星通信特点卫星通信特点：优优点点：通通信信距距离离远远、频频带带宽宽、容容量量大大、抗抗干干扰扰强强、通通信信稳定稳定缺缺点点：造造价价高高（卫卫星星本本身身，发发射射卫卫星星的的火火箭箭）、技技术术复复杂杂、通通信信天天线线口口径径大大、有有较较大大延延时时、同同步步轨轨道道卫卫星星数数目目有限有限08-Jul-24391.3.5 移动通信移动通信n移动通信移动通信 处处于于移移动动状状态态的的对对象象之之间间的的通通信信，包包括括寻寻呼呼系系统统，蜂蜂窝窝移移动动电电话话（俗俗称称手手机机），集集群群调调度度，无绳电话和卫星系统。无绳电话和卫星系统。08-Jul-2440n 蜂窝移动通信系统组成蜂窝移动通信系统组成 移动台、基站、移动电话交换中心移动台、基站、移动电话交换中心移动电话网移动电话网移动电话网移动电话网基站的有效区域基站的有效区域基站的有效区域基站的有效区域1.3.5 移动通信移动通信08-Jul-2441n移动台移动台：是移动的通信终端，它是接收无线信号的接收机，包括是移动的通信终端，它是接收无线信号的接收机，包括手机，呼机，无绳电话等。手机，呼机，无绳电话等。n基站基站：是与移动台联系的一个固定收发机，它接收移动台的无线是与移动台联系的一个固定收发机，它接收移动台的无线信号，每个基站负责与一个特定区域（信号，每个基站负责与一个特定区域（10km 10km 20km20km的区域）的所的区域）的所有的移动台进行通信。有的移动台进行通信。n移动交换中心移动交换中心：与基站之间通过无线微波、电缆或光缆交换信息，与基站之间通过无线微波、电缆或光缆交换信息，移动交换中心再与公共电话网进行连接移动交换中心再与公共电话网进行连接。n每个基站的有效区域既相互分割，又彼此有所交叠，整个移动通信每个基站的有效区域既相互分割，又彼此有所交叠，整个移动通信网就像是蜂窝，所以也称为网就像是蜂窝，所以也称为“蜂窝式移动通信蜂窝式移动通信”。1.3.5 移动通信移动通信08-Jul-2442n蜂窝移动通信的发展蜂窝移动通信的发展第一代：传输模拟信号，使用频段第一代：传输模拟信号，使用频段800/900MHz800/900MHz第二代：传输数字信号，使用频段第二代：传输数字信号，使用频段900MHz900MHz1800MHz1800MHz标准如下：标准如下：GSMGSM（欧欧洲洲全全数数字字移移动动通通信信系系统统，全全球球可可移移动动通通信信系系统统,全全球球通通）(在中国和欧洲广泛使用在中国和欧洲广泛使用)IS-54IS-54（美国移动通信系统，数字系统并兼容模拟系统）美国移动通信系统，数字系统并兼容模拟系统）JDCJDC（日本移动通信系统，数字系统并兼容模拟系统）日本移动通信系统，数字系统并兼容模拟系统）1.3.5 移动通信移动通信08-Jul-2443n第三代移动通信系统第三代移动通信系统(3G)(全称全称3rd Generation)即即IMT-2000(国际移动电话国际移动电话)意指在意指在2000年左右开始商用并工作在年左右开始商用并工作在2000MHz(2GHz)频段频段上的国际移动通信系统。上的国际移动通信系统。其目标是：其目标是：n全球漫游，以低成本的多种模式的手机来实现全球漫游，以低成本的多种模式的手机来实现n适应多种环境，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起适应多种环境，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起n提供高质量的多媒体业务，包括高质量的话音通信、数据通信和高分辨提供高质量的多媒体业务，包括高质量的话音通信、数据通信和高分辨率的图像通信等率的图像通信等n提供足够的信息容量，具有高保密性和优质的服务提供足够的信息容量，具有高保密性和优质的服务1.3.5 移动通信移动通信08-Jul-24