第1章 信息技術概述,1.1 信息與信息技術 1.2 數(shù)字技術基礎 1.3 微電子技術簡介,1.1 信息與信息技術,（1）什么是信息 （2）信息處理與信息技術 （3）信息處理系統(tǒng),信息是什么？,信息是“事物運動的狀態(tài)及狀態(tài)變化的方式” 信息有多種表現(xiàn)形式，語言、文字、聲音、圖片等都是信息的表現(xiàn)形式(也稱為信息的載體或媒體) 信息與物質(zhì)和能量同樣重要，它是人們認識世界、改造世界的一種基本資源,什么是信息處理？,信息處理指的是與下列內(nèi)容相關的行為和活動： 信息的收集(信息的感知、測量、獲取、輸入等) 信息的加工(信息的分類、計算、分析、轉(zhuǎn)換等) 信息的存儲(書寫、攝影、錄音、錄像等) 信息的傳遞(郵寄、電報、電話、廣播等 ) 信息的施用(控制、顯示等),人工進行信息處理的過程,人工信息處理的不足： 算不快 記不住 傳不遠 看（聽）不清,手/腳/身,眼/耳/鼻/舌/身,什么是信息技術？,信息技術（Information Technology，簡稱IT）指的是用來擴展人們信息器官功能、協(xié)助人們更有效地進行信息處理的一門技術。 信息技術包括： 擴展感覺器官功能的感測(獲取)與識別技術 擴展神經(jīng)系統(tǒng)功能的通信技術 擴展大腦功能的計算(處理) 與存儲技術 擴展效應器官功能的控制與顯示技術 ,現(xiàn)代信息技術,3大特征： 以數(shù)字技術（計算機）為基礎 采用電子技術（包括激光技術） 以計算機及其軟件為核心 內(nèi)容： 計算機、微電子、通信、廣播、遙感遙測、自動控制、機器人等,什么是信息處理系統(tǒng)？,用于輔助人們進行信息獲取、傳遞、存儲、加工處理、控制及顯示的綜合使用各種信息技術的系統(tǒng)，可以通稱為信息處理系統(tǒng) 信息處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：,信息處理系統(tǒng)舉例,雷達： 以感測與識別為主要目的 電視/廣播： 以單向、點到多點的信息傳遞為主要目的 電話：以雙向、點到點的信息交互為主要目的 銀行：以處理金融信息為目的 圖書館：以信息收藏和檢索為主要目的 因特網(wǎng)：跨越全球的多功能信息處理系統(tǒng),1.2 數(shù)字技術基礎,1.2.1 比特 1.2.2 比特與二進制數(shù) 1.2.3 整數(shù)（定點數(shù)）的表示 1.2.4 實數(shù)（浮點數(shù)）的表示 1.2.5 小結(jié),1.2.1 信息的基本單位 比特(bit),（1）什么是比特 （2）比特的邏輯 （3）比特的存儲,什么是比特？,比特（bit，binary digit的縮寫）中文翻譯為“二進位數(shù)字”、“二進位” 或簡稱為 “位” 比特只有 2 種取值：0和1，一般無大小之分 比特是組成數(shù)字信息的最小單位 數(shù)值、文字、符號、圖像、聲音、命令都可以使用比特來表示，其具體的表示方法就稱為“編碼”或“代碼”,例 用比特表示圖像,比特的三種基本邏輯運算,比特的取值“0”和“l(fā)” 可表示兩種不同的狀態(tài)（例如電位的高或低、命題的真或假） 比特的運算使用邏輯代數(shù)，它有3種基本邏輯運算： 邏輯加（也稱“或”運算，用符號“OR”、“”或“”表示） 邏輯乘（也稱“與”運算，用符號“AND”、 “”或“ ”表示，也可省略） 取反（也稱“非”運算，用符號“NOT”或上橫杠“”表示）,邏輯運算的規(guī)則,邏輯加： F = A B A: 0 0 1 1 B: 0 1 0 1 F: 0 1 1 1 邏輯乘： 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 0,兩個多位的二進制信息進行邏輯運算時，按位獨立進行，即每一位都不受其它位的影響： 例1 A: 0110 B: 1010 F: 1110 例2 A: 0110 B: 1010 F: 0010,比特的存儲（1）-CPU中比特的存儲,存儲(記憶)1個比特需要使用具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的元器件，例如：開關、燈泡等。,在計算機的CPU中，比特使用一種稱為“觸發(fā)器”的雙穩(wěn)態(tài)電路來存儲 觸發(fā)器有兩個狀態(tài)，可分別用來記憶0和1，1個觸發(fā)器可存儲1個比特 一組（例如8個或16個）觸發(fā)器可以存儲1組比特，稱為“寄存器” CPU中有幾十個甚至上百個寄存器,斷電后信息不再保持！,比特的存儲（2） -存儲器中比特的存儲,計算機存儲器中用電容器存儲二進位信息：當電容的兩極被加上電壓，它就被充電，電壓去掉后，充電狀態(tài)仍可保持一段時間，因而1個電容可用來存儲1個比特,信息存儲原理 電容C處于充電狀態(tài)時，表示1 電容C處于放電狀態(tài)時，表示0,集成電路技術可以在半導體芯片上制作出以億計的微型電容器，從而構(gòu)成了可存儲大量二進位信息的半導體存儲器芯片,斷電后信息不再保持！,比特的存儲（3） -磁盤、光盤中比特的存儲,磁盤：利用磁介質(zhì)表面區(qū)域的磁化狀態(tài)來存儲二進位信息,光盤：通過“刻”在光盤片表面上的微小凹坑來記錄二進位信息,斷電后信息可以保持！,存儲容量的計量單位,8個比特1個字節(jié)（byte，用大寫B(tài)表示） 計算機內(nèi)存儲器容量的計量單位： KB: 1 KB=210字節(jié)=1024 B （千字節(jié)） MB: 1 MB=220字節(jié)=1024 KB（兆字節(jié)） GB: 1 GB=230字節(jié)=1024 MB（吉字節(jié)、千兆字節(jié)） TB: 1 TB=240字節(jié)=1024 GB（太字節(jié)、兆兆字節(jié)） 外存儲器容量經(jīng)常使用10的冪次來計算： 1MB103 KB 1 000 KB 1GB106 KB 1 000 000 KB 1TB 109 KB = 1 000 000 000 KB,現(xiàn) 象,160GB的移動硬盤 實際容量160,041,885,696 字節(jié),為什么？,原 因:,相同的符號，有兩種不同的含義！,1.2.2 比特與二進制數(shù),（1）不同進位制數(shù)的表示和含義 （2）不同進位制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換 （3）二進制數(shù)的算術運算,不同進位制數(shù)的表示和含義,“數(shù)”是一種信息，它有大小（數(shù)值），可以進行四則運算 “數(shù)”有不同的表示方法。日常生活中人們使用的是十進制數(shù)，但計算機使用的是二進制數(shù)，程序員還使用八進制和十六進制數(shù)，它們怎樣表示？其數(shù)值如何計算？,十進制數(shù),十個數(shù)字（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9） 低位與高位的關系是：逢10進1 各位的權(quán)值是10的整數(shù)次冪（基數(shù)是10 ） 標志： 尾部加“D”或缺省 例：204.96= 21020101410091016102,二進制數(shù),兩個數(shù)字表示（0、1），每一位1 個“比特” 低位與高位的關系是：逢2進1 各位的權(quán)值是 2 的整數(shù)次冪（基數(shù)是2 ） 標志： 尾部加B 例：101.01 B = 122021120 021122 5.25,八進制數(shù),八個數(shù)字表示（0、1、2、3、4、5、6、7） 低位與高位的關系是：逢8進1 各位的權(quán)值是8的整數(shù)次冪（基數(shù)是8 ） 標志：尾部加Q 例：365.2Q = 382+ 681+ 580 + 281 = 245.25,十六進制數(shù),用十六個數(shù)字表示（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F ） 逢16進1, 基數(shù)為16 各位的權(quán)值是16的整數(shù)次冪（基數(shù)是16 ） 標志：尾部加H 例：F5.4H=15161 + 5160 + 4161 = 245.25,不同進制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換,熟練掌握不同進制數(shù)相互之間的轉(zhuǎn)換，在編寫程序和設計數(shù)字邏輯電路時很有用 只要學會二進制數(shù)與十進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，與八進制、十六進制數(shù)的轉(zhuǎn)換就不在話下了,十進制數(shù) 二進制數(shù),轉(zhuǎn)換方法： 整數(shù)和小數(shù)放開轉(zhuǎn)換 整數(shù)部分：除以2逆序取余 小數(shù)部分：乘以2順序取整 例如：29.6875 11101.1011 B 注意：十進制小數(shù)（如0.63）在轉(zhuǎn)換時會出現(xiàn)二進制無窮小數(shù)，這時只能取近似值,八進制數(shù)與二進制數(shù)的互換,八進制二進制： 例： 2467.32Q 010 100 110 111 . 011 010 B 二進制八進制： 例： 1 101 001 110.110 01 B 001 101 001 110.110 010 B 1516.62 Q,1位八進制數(shù)與3位二進制數(shù)的對應！,八進制數(shù) 二進制數(shù) 0 000 1 001 2 010 3 011 4 100 5 101 6 110 7 111,十六進制數(shù)與二進制數(shù)的互換,例1：35A2.CFH 11 0101 1010 0010.1100 1111B 例2：11 0100 1110.1100 11B 34E.CCH,1位十六進制數(shù)與4位二進制數(shù)的對應關系：,二進制數(shù)的算術運算,1位二進制數(shù)的加、減法運算規(guī)則：,2個多位二進制數(shù)的加、減法運算舉例：,小結(jié)：數(shù)字技術的基礎二進制,二進制數(shù)的運算有2類： 邏輯運算：，NOT. 按位進行，不考慮進位 算術運算: +, - , x , / . 從低位到高位逐位進行，需考慮低位的進位(借位),1.2.3 整數(shù)(定點數(shù))的表示,（1）計算機中數(shù)的類型 （2）無符號整數(shù)的表示 （3）帶符號整數(shù)的表示,PC機中數(shù)的主要類型,都采用二進制表示，有不同類型和不同長度 不同類型和不同長度的數(shù)各有不同的用途,計算機中的數(shù),小數(shù)點固定隱含在個位數(shù)右面,小數(shù)點不固定,無符號整數(shù)的表示,采用“自然碼”表示： 取值范圍由位數(shù)決定： 8位： 可表示0255 (28-1)范圍內(nèi)的所有正整數(shù) 16位： 可表示065535(216-1)范圍內(nèi)的所有正整數(shù) n位： 可表示 02n-1范圍內(nèi)的所有正整數(shù)。,帶符號整數(shù)的表示（1）,符號如何表示？ 用最高位表示，“0”表示正號(+),“1”表示負號(-) 數(shù)值部分如何表示？ (1)原碼表示： 整數(shù)的絕對值以二進制自然碼表示 (2)補碼表示： 正整數(shù)：絕對值以二進制自然碼表示 負整數(shù)：絕對值使用補碼表示,舉例： +43的8位原碼為： 00101011 - 43的8位原碼為： 10101011,表示方法,帶符號整數(shù)的編碼表示（2）,負數(shù)的絕對值如何用補碼表示？ 先表示為自然碼 將自然碼的每一位取反碼 在最低位加“1” 例1: - 43用8位補碼表示 - 43 的8位補碼為：11010101 例2： - 64用8位補碼表示 - 64 的8位補碼為：11000000,43 = 0101011 取反： 1010100 加1： 1010101,64 = 1000000 取反： 0111111 加1： 1000000,帶符號整數(shù)的編碼表示（3）,優(yōu)缺點分析： 原碼表示法 優(yōu)點：與日常使用的十進制表示方法一致，簡單直觀 缺點：加法與減法運算規(guī)則不統(tǒng)一，增加了成本；整數(shù)0 有“00000000”和“10000000”兩種表示形式，不方便 補碼表示法 優(yōu)點：加法與減法運算規(guī)則統(tǒng)一， 沒有“-0”,可表示的數(shù)比原碼多一個 缺點：不直觀，人使用不方便 結(jié)論：帶符號整數(shù)在計算機內(nèi)不采用“原碼”而采用“補碼”的形式表示！,帶符號整數(shù)的編碼表示（4）,原碼可表示的整數(shù)范圍 8位原碼： - 27+127- 1（- 127127） 16位原碼： - 215+1215- 1（- 3276732767） n 位原碼： - 2n-1+12n-1- 1 補碼可表示的整數(shù)范圍 8位補碼：- 2727- 1 （- 128127 ) n位補碼：- 2n-12n-1- 1,- 128表示為 10000000 +127 表示為 01111111,小結(jié)：3種整數(shù)的比較,計算機中整數(shù)有多種，同一個二進制代碼表示不同類型的整數(shù)時，其含義（數(shù)值）可能不同 一個代碼它到底代表哪種整數(shù)（或其它東西），是由指令決定的,1.2.4 實數(shù)(浮點數(shù))的表示,（選講）,實數(shù)的特點與表示方法,特點： 既有整數(shù)部分又有小數(shù)部分，小數(shù)點位置不固定 整數(shù)和純小數(shù)是實數(shù)的特例 任何一個實數(shù)總可以表達成一個乘冪和一個純小數(shù)之積 例如： 56.725 = 0.56725102 0.0034756 = -0.34756102 實數(shù)的表示方法（記階法）：用3個部分表示 乘冪中的指數(shù)：表示實數(shù)中小數(shù)點的位置 純小數(shù)部分(尾數(shù))：表示實數(shù)中的有效數(shù)字部分 數(shù)的正負(符號),二進制實數(shù)的浮點表示,與十進制實數(shù)一樣，二進制實數(shù)也可以用記階法表示 例如： +1001.011B = + 0.1001011B2 100 0.0010101B = 0.10101B210 可見，任一個二進制實數(shù) N 均可表示為： N=S2P （其中， 是該數(shù)的符號； S是N 的尾數(shù)；P是N的階碼） 因此，32位的單精度浮點數(shù)在計算機中可表示為：,小 結(jié)：用比特表示信息的優(yōu)點,比特只有0和1兩個符號，具有2個狀態(tài)的器件和裝置就能表示和存儲比特，而制造兩個穩(wěn)定狀態(tài)的電路又很容易 比特的運算規(guī)則很簡單，使用門電路就能高速度地實現(xiàn)二進制數(shù)的算術和邏輯運算 比特不僅能表示“數(shù)”，而且能表示文字、符號、圖像、聲音，可以毫不費力地相互組合，開發(fā)“多媒體”應用 信息使用比特表示以后，可以通過多種方法進行“數(shù)據(jù)壓縮”，從而大大降低信息傳輸和存儲的成本。 使用比特表示信息后，只要再附加一些額外的比特，就能發(fā)現(xiàn)甚至糾正信息傳輸和存儲過程中的錯誤，大大提高了信息系統(tǒng)的可靠性,1.3 微電子技術簡介,（1）微電子技術與集成電路 （2）集成電路的制造 （3）集成電路的發(fā)展趨勢 （4）IC卡,(1)微電子技術與集成電路,微電子技術是信息技術領域中的關鍵技術，是發(fā)展電子信息產(chǎn)業(yè)和各項高技術的基礎 微電子技術的核心是集成電路技術,電子電路中元器件的發(fā)展演變,微電子技術是以集成電路為核心的電子技術，它是在電子元器件小型化、微型化的過程中發(fā)展起來的。,電子管 (1904),什么是集成電路？,集成電路 (Integrated Circuit，簡稱IC)： 以半導體單晶片作為基片,采用平面工藝，將晶體管、電阻、電容等元器件及其連線所構(gòu)成的電路制作在基片上所構(gòu)成的一個微型化的電路或系統(tǒng) 集成電路的優(yōu)點： 體積小、重量輕 功耗小、成本低 速度快、可靠性高,超大規(guī)模集成電路,小規(guī)模集成電路,集成電路的分類,按用途分： 通用集成電路 專用集成電路（ASIC） 按電路的功能分： 數(shù)字集成電路 模擬集成電路 按集成度(芯片中包含的元器件數(shù)目)分：,IC集成度提高的規(guī)律,Moore定律：單塊集成電路的集成度平均每18個月翻一番 (Gordon E.Moore,1965年),晶體管數(shù),例：Intel微處理器集成度的發(fā)展,酷睿2雙核 （2006） 291410M晶體管 酷睿2四核 （2007） 820M 晶體管,進一步提高集成度的問題與出路,問題： 線寬進一步縮小后，晶體管線條小到納米級時，其電流微弱到僅有幾十個甚至幾個電子流動，晶體管將逼近其物理極限而無法正常工作 出路： 在納米尺寸下，納米結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)出一些新的量子現(xiàn)象和效應，人們正在利用這些量子效應研制具有全新功能的量子器件，使能開發(fā)出新的納米芯片和量子計算機 同時，正在研究將光作為信息的載體，發(fā)展光子學，研制集成光路，或把電子與光子并用，實現(xiàn)光電子集成,(4) IC卡簡介,幾乎每個人每天都與IC卡打交道，例如我們的身份證、手機SIM卡、交通卡、飯卡等等，什么是IC卡？它有哪些類型和用途？工作原理大致是怎樣的？下面是簡單介紹。,什么是 IC卡？,IC卡(chip card、smart card)，又稱為集成電路卡，它是把集成電路芯片密封在塑料卡基片內(nèi)，使其成為能存儲信息、處理和傳遞數(shù)據(jù)的載體 特點： 存儲信息量大 保密性能強 可以防止偽造和竊用 抗干擾能力強 可靠性高 應用舉例： 作為電子證件，記錄持卡人的信息，用作身份識別（如身份證、考勤卡、醫(yī)療卡、住房卡等） 作為電子錢包（如電話卡、公交卡、加油卡等）,IC卡的類型(按芯片分類),存儲器卡：封裝的集成電路為存儲器，信息可長期保存，也可通過讀卡器改寫。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。用于安全性要求不高的場合，如電話卡、水電費卡、公交卡、醫(yī)療卡等 （帶加密邏輯的存儲器卡增加了加密電路） CPU卡：封裝的集成電路為中央處理器（CPU）和存儲器，還配有芯片操作系統(tǒng)(Chip Operating System)，處理能力強，保密性更好，常用作證件和信用卡使用。手機中使用的SIM卡就是一種特殊的CPU卡。,IC卡的類型(按使用方式分類),接觸式IC卡(如電話IC卡) 表面有方型鍍金接口，共8個或6個鍍金觸點。使用時必須將IC卡插入讀卡機，通過金屬觸點傳輸數(shù)據(jù)。 用于信息量大、讀寫操作比較復雜的場合,但易磨損、怕臟、壽命短 非接觸式IC卡(射頻卡、感應卡) 采用電磁感應方式無線傳輸數(shù)據(jù)，解決了無源（卡中無電源）和免接觸問題 操作方便，快捷，采用全密封膠固化，防水、防污，使用壽命長 用于讀寫信息較簡單的場合，如身份驗證等,非接觸式IC卡,作業(yè)：,1. 將以下數(shù)據(jù)用十進制表示： 1010011.01B、206.4Q、3E7.C 2. 將以下數(shù)據(jù)用二進制表示： 35.25、125.63、 206.4Q、3E7.C 3. 將以下數(shù)據(jù)分別用八進制、十六進制表示： 1011011.01B、215.625 4. 寫出34、-34、-127的8位原碼 5. 寫出34、-34、-127、-128的8位補碼,