信息技术概述

-1-第1章信息技术概述第1章信息技术概述本章备考要点本章基本概念比较多，而且相互联系比较紧密，需要考生理解概念并建立起概念之间的联系。本章常考知识点主要有：1.信息、信息处理、信息技术的概念2.微电子技术与集成电路3.现代通信的含义4.了解有线载波通信、光纤通信、微波通信、卫星通信本章五基详解1.1信息技术基本概念1.1.1信息信息是指事物运动的状态及状态变化的方式，是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。与信息处理相关的行为和活动：信息收集，信息加工（计算、分析、检索等），信息存储，信息传递和信息施用（控制、显示等）。1.1.2信息技术信息技术：用来扩展人的信息器官功能、协助人们进行信息处理的一类技术。1.1.3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。-2-第1章信息技术概述1.2微电子技术现代信息技术中的三大核心技术：微电子技术、通信技术和计算机技术。现代信息技术的主要特征：以数字技术为基础，以计算机为核心。1.2.1基本概念微电子技术：以集成电路为核心的电子技术，是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的。1.2.2微电子技术的基础元件演变基础元件原理与应用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。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。小规模集成电路，使得电子电路进一步缩小，产生了第三代计算机。超大规模集成电路，使得电子电路微型化，产生了第四代计算机。我们目前所使用的计算机都属于第四代计算机。1.2.3集成电路的分类(1)按晶体管数目分类①小规模(SSI)：小于100个电子元件-3-第1章信息技术概述②中规模(MSI)：100～3000③大规模(LSI)：3000～10万④超大规模(VLSI)：10万～100万⑤极大规模(ULSI)：大于100万(2)按结构、工艺分类双极型(bipolar)、金属-氧化物-半导体(MOS)型和双极-MOS型(bi-MOS)。(3)按功能分类数字集成电路和模拟集成电路。(4)按用途分类通用集成电路和专用集成电路(ASIC，ApplicationSpecificIntegratedCircuit)。专用集成电路是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。目前用CPLD（复杂可编程逻辑器件）和FPGA（现场可编程逻辑阵列）来进行ASIC设计是最为流行的方式之一，它们的共性是都具有用户现场可编程特性，都支持边界扫描技术，但两者在集成度、速度以及编程方式上具有各自的特点。1.2.4集成电路的制造集成电路是在硅衬底上制作而成的。单晶硅——硅抛光片——硅平面工艺过程——晶圆——芯片。1.2.5集成电路的发展趋势集成电路特点：体积小、重量轻、可靠性高。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。提高集成度，关键在缩小门电路面积。Moore定律：单块集成电路的集成度平均每18～24个月翻一番（Intel公司创始人GordonE.Moore，1965年）。但是，当晶体管的基本线条小到纳米（nm）级，线路的电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动时，晶体管已逼近其物理极限，它将无法正常工作。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。当前技术前沿是探索量子世界的“纳米芯片技术”，同时发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子-4-第1章信息技术概述并用，实现光电子集成。综上，当前单块集成电路的集成度是有极限的，因此，Moore定律不可能永远成立。1.3通信技术1.3.1基本概念1.概念辨析从广义角度来说，各种信息的传递均可称之为通信。现代通信则专指使用电波或光波传递信息的技术。如广播、电视、电报、电话、传真等。电信专指双向通信。如网络、电话等。通信系统也称电信网，它连接着大量用户，由终端设备（例如：电话机）、传输设备（例如：电话线）、交换设备（例如：程控交换机）等组成。2.通信三要素信源（信息的发送者），信宿（信息的接收者），信道（信息的载体与传播媒介）。1.3.2典型通信技术介绍1.调制与解调技术调制（Modulation）：将基带数字信号的波形变换为适合于模拟信道传输的模拟信号波形。（将数字信号转换成模拟信号）解调（Demodulation）：将由调制器变换过的模拟信号波形恢复成原来的基带数字信号波形。（将模拟信号转换成数字信号）基本调制方法：调幅（幅移键控法ASK），调频（频移键控法FSK），调相（相移键控法PSK）2.多路复用技术为了提高线路利用率，总是设法在一条传输线路上，传输多个模拟信号（例如，语音信息）或数字信号，这就是多路复用。-5-第1章信息技术概述多路复用技术通常有：频分复用，时分复用，波分复用(1)频分多路复用将传输线路的频带分成N部分，每一个部分均可作为一个独立的传输信道使用。这样在一对传输线路上可有N对话路信息传送，而每一对话路所占用的只是其中的一个频段。频分制通信又称载波通信，它是模拟通信的主要手段。(2)时分多路复用把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息。把N个话路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通道的时间。当轮到某个设备时，这个设备与通道接通，执行操作。与此同时，其它设备与通道的联系均被切断。待指定的使用时间间隔一到，则通过时分多路转换开关把通道联接到下一个要连接的设备上去。(3)波分多路复用在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，使得数据传输速度和容量获得倍增。3.交换技术交换：在任意两个需要进行通信的计算机之间建立一个临时的通信链路，通信结束后再拆除链路，称为交换技术。由中转节点参与的通信，中转的节点称为交换节点。(1)电路交换（线路交换）为发送端和接收端建立一条临时的实际物理通道，供通信双方使用，通信完毕后，交换机内的连线被拆除。例如：电话交换机优点：交换方式简单，适合远距离成批数据传输，建立一次连接可传送大量数据。缺点：线路利用率低，通信成本高。(2)分组交换（包交换）把需要传输的数据块分割成若干小块，然后为每个小块数据加上有关的地址信息及分组信息，组成一个数据包（也称为“分组”）。通信网络中每个结点为其相连的每条链路准备了一个缓冲区，每个数据包按照去向不同送入各个缓冲区排队，当某一条链路空闲时，就从相应的缓冲区中取出一个数据包发送到下一结点，下一结点再进行转发，直至数据包到达接收端。接收端的计算机按照数据包的编-6-第1章信息技术概述号，将它们重新组装成为原来形式的数据块。例如：互联网络优点：线路利用率高；收发双方不需同时工作，当接收方忙碌时，整个网络都可以作为它的缓冲；可以给数据包建立优先级，使得一些重要应用的数据包能优先传递。缺点：延时长，不宜用于实时通信或交互通信。1.3.3常见通信系统介绍1.有线载波通信采用的传输介质：架空明线，对称电缆，同轴电缆。通信原理：利用频率分割原理，实现在有线信道上的多路复用。其过程是：发信端的各路信号对不同载波频率进行调制，分别搬移到不同的频带后，同时在同一线路上传输。收信端对线路信号放大后，按上述相反顺序用滤波器分开各路信号，经过解调恢复原来的信息。应用范围：有线载波通信主要用来传输电话、电报、传真和数据，也可以传输广播、可视电话和电视节目。2.光纤通信利用光纤传导光信号进行通信的一种技术。发端：实现信号的电-光转换。收端：实现信号的光-电转换。全光网（AON）：不进行光-电、电-光转换，速度提高，成本降低，它是信息高速公路的基础。优点：可靠性强，传输频带非常宽，通信容量大（速度最快）；抗雷电和电磁干扰、抗辐射能力强；无串音干扰，保密性强，不易被窃听或截取数据；传输损耗小，通讯距离长。缺点：精确连接两根光纤比较困难。超长距离传输会有信号损耗，因此要加入光中继器。3.无线通信系统(1)微波通信无线电波可以按频率（或波长）分成中波、短波、超短波和微波。不用波段-7-第1章信息技术概述按照自身特性用于不同的通信系统。类型特点用途中波沿地面传播，绕射能力强广播和海上通信短波较强的电离层反射能力环球通信超短波、微波沿地面传播能差，容易被洗掉，容易透过电离层，进入宇宙空间，不易在电离层反射传播。但频率极高，波长很短，可直线传播，也可从物体上反射。地面微波接力通信，两个中继站之间的距离一般为50km左右。如移动通信、数字电视传输等。卫星通信。对流层散射通信(2)卫星通信中、低轨道卫星：相对于地面是运动的，覆盖范围小，地面天线必须跟踪卫星。但损耗小、延时少。同步定点卫星：位于赤道上空大约36，000公里，相对于地面固定不动，覆盖范围大，三颗卫星几乎可以覆盖地球全部面积。卫星通信的特点：通信距离远，频带宽，容量大，干扰小，较稳定。但造价高、技术复杂，有一定延时。(3)移动通信系统移动通信是指处于移动状态的对象之间的通信，它包括蜂窝移动、集群调度、无绳电话、寻呼系统和卫星系统。①第一代移动通信采用模拟技术。②第二代移动通信广泛采用数字技术（GSM，CDMA，JDC，IS-95）。③第三代移动通信实现目标：全球漫游；适应多种环境；提供高质量多媒体业务；提供大容量、高保密性和优质服务移动通信系统组成：①移动台：是移动的通信终端，是接收无线信号的接收机，包括手机，呼机，无绳电话等。②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信号，每个基站负责与一个特定区域（10km～20km的区域）的所有的移动台进行通信。③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，移动交-8-第1章信息技术概述换中心再与公共电话网进行连接。基站和移动交换中心之间通过微波或有线交换信息进行彼此联系，移动交换中心再与共公电话网进行连接。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“蜂窝式移动通信”。1.4计算机技术1.4.1计算机的发展代别年代使用的主要元器件配置的软件主要应用第1代20世纪40年代中期～50年代末期CPU：电子管内存：磁鼓使用机器语言和汇编语言编写程序科学计算和工程计算第2代50年代中、后期～60年代中期CPU：晶体管内存：磁芯使用FORTRAN等高级程序设计语言开始广泛应用于数据处理领域第3代60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI内存：SSI，MSI半导体存储器操作系统，数据库管理系统等开始使用在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用第4代20世纪70年代中期以来CPU：LSI、VLSI内存：LSI、VLSI的半导体存储器软件工程、分布式计算、网络软件等开始广泛使用深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机1.4.2计算机中单位换算基础位（bit，比特）：表示信息的最小单位。1bit简写为1b(注意是小写英文字母b)。字节（Byte）：最常用的信息基本单位。1Byte简写为1B（注意是大写英文字母B）字长：计算机一次能处理的二进制的位数，或指运算器和寄存器的宽度，如字长是32位的CPU所在的计算机又称为32位机，这里的32位就是字长，通常也可称为双字。掌握以下基本换算：1B=8b1字=2字节★★★-9-第1章信息技术概述字节（B）（Byte）1B=8bit千字节(KB)（千，KiloByte）字节1KB=1024Byte=210Byte兆字节(MB)（兆，MegaByte)字节1MB=1024KB=220Byte千兆字节(GB)（京，