第 1 章 信息技术概述

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

2. 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

3. 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 • ···

4. 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(载体) • 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

5. 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、电话等 ) • 信息的施用(如控制、显示等)

6. 信息技术（IT） 信息传递 (神经系统) 信息加工与 存储(大脑) 信息传递 (神经系统) 信息获取 (感觉器官) 信息施用 (效应器官) 事物客体 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 眼/耳/鼻/舌/身 手/脚/身

7. 什么是信息技术？ • 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

8. 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） ···

9. 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、遥感遥测、自动控制、机器人等

10. 通信/存储 信息加工 通信/存储 感测与识别 控制与显示 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：

11. 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

12. 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

13. (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

14. 电子管 (1904) 晶体管 (1948) 中/小规模 集成电路 (1950’s) 大规模/超大规模 集成电路(1970’s) 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。

15. 小规模集成电路 超大规模集成电路 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

16. 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：

17. 附：常见集成电路产品的类型

18. (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。

19. 硅平面工艺 检测、分类 封装 成品测试 硅抛光片 晶圆 芯片 集成电路 成品 单晶硅锭 硅平面工艺包括氧化、光刻、掺杂和互连等工序，最终在硅片上制成包含多层电路及电子元件的集成电路。通常每一硅抛光片上可制作成百上千个独立的集成电路，这种整整齐齐排满了集成电路的硅片称作“晶圆” 对晶圆上的每个电路进行检测，然后将晶圆切开成小片，把合格的电路分类，再封装成一个个独立的集成电路 进行成品测试，按其性能参数分为不同等级，贴上规格型号及出厂日期等标签，成品即可出厂 单晶硅锭经切割、研磨和抛光后制成镜面一样光滑的圆形薄片，称为“硅抛光片” 集成电路的制造流程

20. 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） • 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）

21. 集成电路的封装形式 FC-PGA2 封装方式 （Pentium 4 处理器） 集成电路插座

22. (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。

23. 晶体管数 例：Intel微处理器集成度的发展 100,000,000 Pentium 4 Pentium III 10,000,000 Pentium Pentium II 1,000,000 80486 80386 100,000 80286 8086 10,000 8080 8008 1,000 4004 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 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) • 安腾 Itanium 2（2002） 221M晶体管 • 安腾双核 Itanium 2 Dual-Core（2006） 1.7B晶体管

24. 集成电路技术的发展趋势

25. 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

26. (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。

27. 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）

28. 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。

29. 接触式IC卡 接触式IC卡的结构 非接触式IC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

30. 非接触式IC卡的工作原理（选学） 当IC卡处在读卡器有效范围(一般为5~10cm)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) 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

31. 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。需要时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，将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

32. 1.3 通信技术入门 1.3.1 通信的基本原理 1.3.2 模拟通信与数字通信 1.3.3 光纤通信和无线通信 1.3.4 移动通信

33. 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） 多路复用技术

34. 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A.G.Bell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 • 1940’s 出现彩色电视 • 1960’s 出现计算机网络

35. 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：从发生到接收延迟时间要短 • 可靠：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

36. 信号 信号 信源(宿) 信宿(源) 信 道 通信系统的模型 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 • 通信的三要素： 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 • 举例:

37. 信号 强度 t 模拟信号 信号 强度 t 数字信号 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、传真机和计算机发出的信号都是数字信号

38. 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

39. 载波信号 (高频正弦波) 调制信号 (连续信号) 调制后的 载波信号 传输 信号 传输 信号 调制后的 载波信号 调制器 解调器 调幅(AM) 载波信号 载波信号 调频(FM) 调相(PM) 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”：

40. 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） 较长距离传输：需作码型转换（如：以太网中传输数字信号） 曼彻斯特 编码 曼彻斯特 编码 NRZ 码 NRZ 码 码型 变换器 码型 变换器 双绞线 （网卡） （网卡） 0 0 1 1 0 1 二进位信号的 不归零制(NRZ)编码 电平从低到高表示0,从高到低表示1 二进位信号的 曼彻斯特编码 计算机 计算机 数字信号如何传输？ • 远距离传输方法——通过载波来传输数字信号(频带传输) 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

41. (高频正弦波) 调制信号 (两个状态) 数字调制、解调器： 调制后的 载波信号 传输 信号 传输 信号 调制后的 载波信号 调制器 解调器 (ASK) 幅移键控 载波信号 载波信号 (FSK) 频移键控 载波信号 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 相移键控 (PSK) 数字信号的三种调制方法

42. 信源(宿) 信宿(源) 调制后 的载波 调制后 的载波 信号 信号 调制 (解调)器 (调制) 解调器 信 道 载波 载波 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) 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 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

43. 怎样实现低成本传输？ • 分析： • 通信系统中，传输线路的建设和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 • 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）

44. f 调制 解调 共享的传输信道 DEMUX MUX 载波频率f1 载波频率f1 调制 解调 载波频率fn 载波频率fn 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： 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

45. 信号发射 信号接收 频分多路复用 分路器 (带通滤波器) 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)

46. 电视图像及其伴音 调制器 多路复用器 在天空中传输的电磁波器 电视调谐器 载波1 电视图像及其伴音 电视节目 解调器 调制器 载波2 电视信号 发射器 电视信号 接收器 电视图像及其伴音 调制器 (分路器) 载波n 频分多路复用举例2 • 电视节目的发送与接收

47. 终端 4 终端丁 多路分路器 多路复用器 数据 终端 3 终端丙 A H G F E D C B 终端 2 终端乙 传输线路 终端 1 终端甲 Demultiplexer Multiplexer t 4 3 2 1 4 3 2 1 时间片 A G C H D F D E B H C G E A F B 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：

48. 浪费 t1 t2 t3 同步TDM C1 D1 A2 B2 C2 A1 B1 D2 A B 周期1 周期2 C 节省带宽 D 异步TDM 待发数据 A1 B1 B2 C2 周期2 周期1 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！

49. 信源 （宿） 信源 （宿） 信源 （宿） 调制解调器 调制解调器 调制解调器 复用 （分路） 调制解调器 信源 （宿） 复用 （分路） 信道 调制解调器 信源 （宿） ··· ··· 调制解调器 信源 （宿） 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

50. 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