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第1章信息技术概述本章学习目标与要求了解什么是信息，什么是信息处理，什么是信息技术了解什么是微电子技术，它的作用和意义了解通信系统的分类和通信技术的发展前景理解什么是比特和比特的运算掌握二进制数与十进制数、八进制数、十六进制数的关系，熟悉整数和实数在计算机内的表示方法1.1信息与信息技术1.1.1信息与信息处理信息的定义信息就是信息，它既不是物质也不是能量。——N.Wiener（控制论创始人）事物运动的状态及状态变化的方式。——客观事物立场认识主体所感知或所表述的事物运动及其变化方式的形式、内容和效用。——认识主体立场下面有关信息描述错误是_______。A、信息就是信息，它既不是物质也不是能量B、事物运动的状态及状态变化的方式C、认识主体所感知或所表述的事物运动及其变化方式的形式、内容和效用D、信息有一定的能量信息处理过程人们获取信息、传递信息、加工（处理）信息并按照信息加工的结果，通过手、脚等效应器官作用于事物客体的一个典型过程：信息施效（效应器官）信息获取（感觉器官）信息传递（神经系统）信息加工（大脑）信息传递（神经系统）事物客体与信息处理相关的行为和活动信息收集——感知、测量、识别、获取、输入等信息加工——分类、计算、分析、综合、转换、检索、管理等信息存储信息传递信息施用——控制、显示等1.1.2信息技术信息技术的概念信息技术是研究信息的获取、传输和处理的技术由计算机技术、通信技术、微电子技术结合而成，有时也叫做“现代信息技术”。也就是说，信息技术是利用计算机进行信息处理，利用现代电子通信技术从事信息采集、存储、加工、利用以及相关产品制造、技术开发、信息服务的新学科。信息科学的概念信息科学是以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机等技术为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门新兴的综合性学科。现代信息技术感知与识别技术–雷达、卫星遥感等–扩展感觉器官功能，提高人们的感知范围、感知精度和灵敏度通信技术与存储技术–电话、电视、因特网(Internet)等–扩展神经网络功能，消除人们交流信息的空间和时间障碍信息处理技术–计算机等–扩展思维器官功能,增强人们的信息加工处理能力；控制技术–机器人等–扩展效应器官功能，增强人们的信息控制能力1.1.3信息处理系统信息处理系统的概念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。信息处理系统的结构信息处理系统的特点以计算机为基础。由输入、输出、处理三部分组成，或者说由硬件（包括中央处理机、存储器、输入输出设备等）、系统软件（包括操作系统、实用程序、数据库管理系统等）、应用程序和数据库所组成。一个信息处理系统是一个信息转换机构，有一组转换规则。系统根据输入内容和数据库内容决定输出内容，或根据输入内容修改数据库内容。系统必须能识别输入信息。对于以计算机为核心的信息处理系统，如果输入信息是数值数据，则系统可以直接接收，不需要任何转换；如果输入信息是非数值信息（包括图像、报告、文献、消息、语音和文字等），则必须转换为数值数据后才能予以处理。信息处理系统分类从自动化程度来看，有人工的、半自动的和全自动的；从技术手段来看，有机械的、电子的和光学的；从适用范围来看，有专用的和通用的；从应用领域来看更是品种繁多。如管理信息系统、机票预订系统、医院信息系统等；按系统的结构和处理方式区分,如批处理系统、随机处理系统、交互式处理系统、实时处理系统等。信息处理系统实例雷达是一种以感知与识别为主要目的的系统电视/广播系统是一种单向的、点到多点（面）的以信息传递为主要目的的系统电话是一种双向的、点到点的以信息交互为主要目的的系统银行是一种以处理金融业务为主的系统图书馆是一种以信息收藏和检索为主的系统Internet是一种跨越全球的多功能信息处理系统信息技术包括_____。A、感知与识别技术、通信技术与存储技术、计算处理技术B、通信技术与存储技术、计算处理技术、控制与显示技术C、感知与识别技术、通信技术与存储技术、计算处理技术、控制与显示技术D、感知与识别技术、计算处理技术、控制与显示技术依据自动化程度，信息处理系统分类分为_______。A、人工的、半自动的、全自动的B、人工的、机械的、电子的C、机械的、电子的、光学的D、专用的、通用的1.2微电子技术简介1.2.1微电子技术电子线路使用的基础元件的演变真空电子管晶体管中小规模集成电路大规模超大规模集成电路电子线路使用的基础元件的演变真空电子管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子计算机晶体管1948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前进了一大步，产生了第二代计算机电子线路使用的基础元件的演变集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)20世纪50年代出现，以半导体单晶片作为材料，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，构成一个微型化的电路或系统。现代集成电路使用的半导体材料通常是硅(Si)，也可以是化合物半导体如砷化镓(GaAs)等超大规模集成电路小规模集成电路微电子技术的概念晶体管成为集成电路技术发展的基础现代微电子技术就是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。11、电子线路使用的基础元件的演变过程为_______。A、晶体管→中小规模集成电路→大规模超大规模集成电路B、真空电子管→晶体管→中小规模集成电路→大规模超大规模集成电路C、真空电子管→晶体管→中小规模集成电路D、真空电子管→中小规模集成电路→大规模超大规模集成电路1.2.2集成电路集成电路的概念集成电路的生产始于1959年，其特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快。衡量微电子技术进步的标志要在三个方面：–一是缩小芯片中器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度；–二是增加芯片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模；–三是开拓有针对性的设计应用。集成电路的概念集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。集成电路芯片是微电子技术的结晶，它是计算机和通信设备的硬件核心，是现代信息产业的基础。集成电路的规模根据所包含的晶体管数目分为：集成电路规模集成度（个电子元件）小规模集成电路（SSI）＜100中规模集成电路（MSI）100~3000大规模集成电路（LSI）3000~10万超大规模集成电路（VLSI）10万~100万极大规模集成电路（ULSI）＞100万1.2.3集成电路类型按功能结构分类集成电路按其功能、结构的不同可以分为–模拟集成电路模拟集成电路用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等–数字集成电路数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如VCD、DVD重放的音频信号和视频信号）。按制作工艺分类集成电路按制作工艺可分为–半导体集成电路–膜集成电路。类厚膜集成电路薄膜集成电路按导电类型不同分类集成电路按导电类型可分为–双极型集成电路双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。–单极型集成电路。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS等类型。参考以通常的NPN或PNP型双极型晶体管为基础的单片集成电路。它是1958年世界上最早制成的集成电路。双极型集成电路主要以硅材料为衬底，在平面工艺基础上采用埋层工艺和隔离技术，以双极型晶体管为基础元件。按功能可分为数字集成电路和模拟集成电路两类。在数字集成电路的发展过程中，曾出现了多种不同类型的电路形式，典型的双极型数字集成电路主要有晶体管-晶体管逻辑电路(TTL)，发射极耦合逻辑电路(ECL)，TTL电路形式发展较早，工艺比较成熟。ECL电路速度快，但功耗大。I2L电路速度较慢，但集成密度高。按用途分类根据用途分为：–通用集成电路（如微处理器和存储器芯片等）–专用集成电路（ASIC）ApplicationSpecificIntegratedCircuit在集成电路界被认为是一种为专门目的而设计的集成电路。集成电路的制造硅衬底晶圆芯片硅平面工艺剔除、分类集成电路封装成品成品测试集成电路的制造：400多道工序晶圆厚度：不足1mm直径：6、8、12英寸晶棒单晶硅锭晶圆生产过程:晶棒制造，晶片制造硅衬底晶圆芯片硅平面工艺剔除、分类集成电路封装成品成品测试芯片制造过程：晶圆处理、晶圆针测、封装、成品测试等。–晶圆处理：在晶圆上制作电路及电子元件，晶圆上就形成了一个个的小格，即晶粒。–晶圆针测：对每个晶粒检测其电气特性，并将不合格的晶粒标上记号后，将晶圆切开，分割成一颗颗单独的晶粒。处理后的晶圆（排满成百上千个集成电路）硅衬底晶圆芯片硅平面工艺剔除、分类集成电路封装成品成品测试封装后的集成电路封装将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出的一些引线与基座底部伸出的插脚进行连接，以作为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶盖板，用胶水封死，封焊。硅衬底晶圆芯片硅平面工艺剔除、分类集成电路封装成品成品测试硅衬底晶圆芯片硅平面工艺剔除、分类集成电路封装成品成品测试常见的封装形式有–单列直插式（SIP）–两边带插脚的双列直插式（DIP）–四边带插脚的阵列式（PGA）–扁平贴片式(QFP)–PLCC式–交错网格式等。集成电路成品硅衬底晶圆芯片硅平面工艺剔除、分类集成电路封装成品成品测试成品测试–一般测试：将芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片，依其电气特性划分为不同等级。–特殊测试：根据客户特殊需求的技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性的专门测试，看是否能满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片。经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签并加以包装后即可出厂。而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定作降级品或废品。1.2.4集成电路及其发展趋势集成电路的工作速度主要取决于组成逻辑门电路的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。芯片上电路元件的线条越细，相同面积的晶片可容纳的晶体管就越多，功能就越强，速度也越快。集成电路的发展趋势提高集成度，关键在缩小门电路面积集成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高Moore定律–单块集成电路的集成度平均每18～24个月翻一番——GordonE.Moore,1965年，Intel公司创始人集成电路的发展趋势30年来Intel公司微处理器集成度的发展19701975198019851990199520001,00010,000100,0001,000,00010,000,000100,000,0004004800880808086802868038680486PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium4晶体管数集成电路的发展趋势世界上集成电路大生产的主流技术已经达到12～14英寸晶圆、0.09μm(微米)的工艺水平。根据美国半导体协会预测到2010年将能达到18英寸晶圆和0.07～0.05μm的工艺水平。1（μm微米）＝1/1,000,000（米）集成电路的发展趋势19992001200420082014工艺(μm)0.180.130.090.060.014晶体管(M)23.847.61355393500时钟频率(GHz)1.21.62.02.65510面积(mm2)340340390468901连线层数678910晶圆直径（mm）300300350400450引脚数目70095