《信息技術(shù)概述》

第1章信息技術(shù)概述1.1信息與信息技術(shù)1.2數(shù)字技術(shù)根底1.3微電子技術(shù)簡介1.1信息與信息技術(shù)〔1〕什么是信息〔2〕信息處理與信息技術(shù)〔3〕信息處理系統(tǒng)信息是什么？信息是“事物運(yùn)動(dòng)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(rèn)識(shí)世界、改造世界的一種根本資源什么是信息處理？信息處理指的是與以下內(nèi)容相關(guān)的行為和活動(dòng)：信息的收集(信息的感知、測(cè)量、獲取、輸入等)信息的加工(信息的分類、計(jì)算、分析、轉(zhuǎn)換等)信息的存儲(chǔ)(書寫、攝影、錄音、錄像等)信息的傳遞(郵寄、電報(bào)、、播送等)信息的施用(控制、顯示等)人工進(jìn)行信息處理的過程人工信息處理的缺乏：算不快記不住傳不遠(yuǎn)看〔聽〕不清事物客體信息獲取(感覺器官)信息加工與存儲(chǔ)(大腦)信息傳遞(神經(jīng)系統(tǒng))信息施用(效應(yīng)器官)信息傳遞(神經(jīng)系統(tǒng))信息技術(shù)（IT）手/腳/身眼/耳/鼻/舌/身什么是信息技術(shù)？信息技術(shù)〔InformationTechnology，簡稱IT〕指的是用來擴(kuò)展人們信息器官功能、協(xié)助人們更有效地進(jìn)行信息處理的一門技術(shù)。信息技術(shù)包括：擴(kuò)展感覺器官功能的感測(cè)(獲取)與識(shí)別技術(shù)擴(kuò)展神經(jīng)系統(tǒng)功能的通信技術(shù)擴(kuò)展大腦功能的計(jì)算(處理)與存儲(chǔ)技術(shù)擴(kuò)展效應(yīng)器官功能的控制與顯示技術(shù)······現(xiàn)代信息技術(shù)3大特征：以數(shù)字技術(shù)〔計(jì)算機(jī)〕為根底采用電子技術(shù)〔包括激光技術(shù)〕以計(jì)算機(jī)及其軟件為核心內(nèi)容：計(jì)算機(jī)、微電子、通信、播送、遙感遙測(cè)、自動(dòng)控制、機(jī)器人等什么是信息處理系統(tǒng)？用于輔助人們進(jìn)行信息獲取、傳遞、存儲(chǔ)、加工處理、控制及顯示的綜合使用各種信息技術(shù)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)：傳輸/存儲(chǔ)信息加工傳輸/存儲(chǔ)控制與顯示感測(cè)與識(shí)別信息輸入信息輸出信息處理系統(tǒng)舉例雷達(dá)：以感測(cè)與識(shí)別為主要目的電視/播送：以單向、點(diǎn)到多點(diǎn)的信息傳遞為主要目的：以雙向、點(diǎn)到點(diǎn)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(shù)根底 1.2.1比特 1.2.2比特與二進(jìn)制數(shù) 1.2.3整數(shù)〔定點(diǎn)數(shù)〕的表示 1.2.4實(shí)數(shù)〔浮點(diǎn)數(shù)〕的表示 1.2.5小結(jié)1.2.1信息的根本單位

——比特(bit)〔1〕什么是比特〔2〕比特的邏輯〔3〕比特的存儲(chǔ)什么是比特？比特〔bit，binarydigit的縮寫〕中文翻譯為“二進(jìn)位數(shù)字〞、“二進(jìn)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(hào)、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根本邏輯運(yùn)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(yùn)算使用邏輯代數(shù)，它有3種根本邏輯運(yùn)算：邏輯加〔也稱“或〞運(yùn)算，用符號(hào)“OR〞、“∨〞或“＋〞表示〕邏輯乘〔也稱“與〞運(yùn)算，用符號(hào)“AND〞、“∧〞或“·〞表示，也可省略〕取反〔也稱“非〞運(yùn)算，用符號(hào)“NOT〞或上橫杠“ˉ〞表示〕邏輯運(yùn)算的規(guī)那么邏輯加：F=A∨

BA: 0 0 1 1B:∨0

∨1

∨0

∨1F: 0 1 1 1邏輯乘：F=A·BA: 0 0 1 1B:∧0

∧1

∧0

∧1F: 0 0 0 1取反：F=NOTAA:NOT 0

NOT 1

F: 1 0兩個(gè)多位的二進(jìn)制信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算時(shí)，按位獨(dú)立進(jìn)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(chǔ)〔1〕--CPU中比特的存儲(chǔ)存儲(chǔ)(記憶)1個(gè)比特需要使用具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的元器件，例如：開關(guān)、燈泡等。在計(jì)算機(jī)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(chǔ)觸發(fā)器有兩個(gè)狀態(tài)，可分別用來記憶0和1，1個(gè)觸發(fā)器可存儲(chǔ)1個(gè)比特一組〔例如8個(gè)或16個(gè)〕觸發(fā)器可以存儲(chǔ)1組比特，稱為“存放器〞CPU中有幾十個(gè)甚至上百個(gè)存放器

﹠﹠SdRdQQ斷電后信息不再保持！比特的存儲(chǔ)〔2〕--存儲(chǔ)器中比特的存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中用電容器存儲(chǔ)二進(jìn)位信息：當(dāng)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(shí)間，因而1個(gè)電容可用來存儲(chǔ)1個(gè)比特信息存儲(chǔ)原理電容C處于充電狀態(tài)時(shí)，表示1電容C處于放電狀態(tài)時(shí)，表示0存儲(chǔ)單元字線位線C讀放大器集成電路技術(shù)可以在半導(dǎo)體芯片上制作出以億計(jì)的微型電容器，從而構(gòu)成了可存儲(chǔ)大量二進(jìn)位信息的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片斷電后信息不再保持！比特的存儲(chǔ)〔3〕--磁盤、光盤中比特的存儲(chǔ)磁盤：利用磁介質(zhì)外表區(qū)域的磁化狀態(tài)來存儲(chǔ)二進(jìn)位信息光盤：通過“刻〞在光盤片外表上的微小凹坑來記錄二進(jìn)位信息磁盤表面磁性材料粒子斷電后信息可以保持！存儲(chǔ)容量的計(jì)量單位8個(gè)比特＝1個(gè)字節(jié)〔byte，用大寫B(tài)表示〕計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器容量的計(jì)量單位：KB:1KB=210字節(jié)=1024B〔千字節(jié)〕MB:1MB=220字節(jié)=1024KB〔兆字節(jié)〕GB:1GB=230字節(jié)=1024MB〔吉字節(jié)、千兆字節(jié)〕TB:1TB=240字節(jié)=1024GB〔太字節(jié)、兆兆字節(jié)〕外存儲(chǔ)器容量經(jīng)常使用10的冪次來計(jì)算：1MB＝103KB＝1000KB1GB＝106KB＝1000000KB1TB＝109KB=1000000000KB現(xiàn)象160GB的移動(dòng)硬盤實(shí)際容量＝160,041,885,696字節(jié)為什么？原因:前綴名稱前綴符號(hào)十進(jìn)制前綴二進(jìn)制前綴比值kilok/K103210=1,0240.976megaM106220=1,048,5760.954gigaG109230=1,073,741,8240.931teraT1012240=1,099,511,627,7760.909petaP1015250=1,125,899,906,842,6240.888exaE1018260=1,152,921,504,606,846,9760.867zettaZ1021270=1,180,591,620,717,411,303,4240.847yottaY1024280=

1,208,925,819,614,629,174,706,1760.827相同的符號(hào)，有兩種不同的含義！1.2.2比特與二進(jìn)制數(shù)〔1〕不同進(jìn)位制數(shù)的表示和含義〔2〕不同進(jìn)位制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換〔3〕二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算不同進(jìn)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(jìn)行四那么運(yùn)算“數(shù)〞有不同的表示方法。日常生活中人們使用的是十進(jìn)制數(shù)，但計(jì)算機(jī)使用的是二進(jìn)制數(shù)，程序員還使用八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)，它們?cè)鯓颖硎?？其?shù)值如何計(jì)算？十進(jìn)制數(shù)十個(gè)數(shù)字〔0、1、2、3、4、5、6、7、8、9〕低位與高位的關(guān)系是：逢10進(jìn)1各位的權(quán)值是10的整數(shù)次冪〔基數(shù)是10〕標(biāo)志：尾部加“D〞或缺省例：204.96=2×102＋0×101＋4×100＋9×10－1＋6×10－2二進(jìn)制數(shù)兩個(gè)數(shù)字表示〔0、1〕，每一位1個(gè)“比特〞低位與高位的關(guān)系是：逢2進(jìn)1各位的權(quán)值是2的整數(shù)次冪〔基數(shù)是2〕標(biāo)志：尾部加B例：101.01B=1×22＋0×21＋1×20＋0×2－1＋1×2－2＝5.25八進(jìn)制數(shù)八個(gè)數(shù)字表示〔0、1、2、3、4、5、6、7〕低位與高位的關(guān)系是：逢8進(jìn)1各位的權(quán)值是8的整數(shù)次冪〔基數(shù)是8〕標(biāo)志：尾部加Q例：365.2Q=3×82+6×81+5×80+2×8－1=245.25十六進(jìn)制數(shù)用十六個(gè)數(shù)字表示〔0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F〕逢16進(jìn)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(biāo)志：尾部加H例：F5.4H=15×161+5×160+4×16－1=245.25不同進(jìn)制數(shù)的相互轉(zhuǎn)換熟練掌握不同進(jìn)制數(shù)相互之間的轉(zhuǎn)換，在編寫程序和設(shè)計(jì)數(shù)字邏輯電路時(shí)很有用只要學(xué)會(huì)二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換，與八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換就不在話下了十進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換方法： 整數(shù)和小數(shù)放開轉(zhuǎn)換整數(shù)局部：除以2逆序取余小數(shù)局部：乘以2順序取整例如：29.687511101.1011B

注意：十進(jìn)制小數(shù)〔如0.63〕在轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)出現(xiàn)二進(jìn)制無窮小數(shù)，這時(shí)只能取近似值129371421222200111余數(shù)低位高位整數(shù)部分小數(shù)部分0.6875×21.37500.75001.50001.0000×2×2×2高位低位八進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)的互換八進(jìn)制→二進(jìn)制：例：2467.32Q

→

010100110111.011010B二進(jìn)制→八進(jìn)制：例：

1101001110.11001B

→001101001110.110010B→

1516.62Q

1位八進(jìn)制數(shù)與3位二進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)！八進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)

00001001201030114100510161107111十六進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù)的互換例1：35A2.CFH

→11010110100010.11001111B例2：1101001110.110011B→34E.CCH十六進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)十六進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)

0000081000

1000191001

20010A1010

30011B1011

40100C110050101D110160110E111070111F11111位十六進(jìn)制數(shù)與4位二進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系：二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算1位二進(jìn)制數(shù)的加、減法運(yùn)算規(guī)那么：被加數(shù)加數(shù)和進(jìn)位

0000011010101101（a）加法規(guī)則被減數(shù)減數(shù)差借位

0000011110101100（b）減法規(guī)則2個(gè)多位二進(jìn)制數(shù)的加、減法運(yùn)算舉例：01011001+0100－010010010101由低位到高位逐位進(jìn)行！小結(jié)：數(shù)字技術(shù)的根底——二進(jìn)制二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算有2類：邏輯運(yùn)算：∨，∧，NOT.按位進(jìn)行，不考慮進(jìn)位算術(shù)運(yùn)算:+,-,x,/.從低位到高位逐位進(jìn)行，需考慮低位的進(jìn)位(借位)

1.2.3整數(shù)(定點(diǎn)數(shù))的表示〔1〕計(jì)算機(jī)中數(shù)的類型〔2〕無符號(hào)整數(shù)的表示〔3〕帶符號(hào)整數(shù)的表示PC機(jī)中數(shù)的主要類型都采用二進(jìn)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(jì)算機(jī)中的數(shù)整數(shù)(定點(diǎn)數(shù))實(shí)數(shù)(浮點(diǎn)數(shù))無符號(hào)整數(shù)帶符號(hào)整數(shù)32位（單精度浮點(diǎn)數(shù)）64位（雙精度浮點(diǎn)數(shù)）128位（擴(kuò)充精度浮點(diǎn)數(shù)）8位(0～28-1)16位(0～216-1)32位(0～232-1)32位(-231～231-1)短整數(shù)64位(-263～263-1)長整數(shù)16位(-215～215-1)16位整數(shù)8位(-27～27-1)小數(shù)點(diǎn)固定隱含在個(gè)位數(shù)右面小數(shù)點(diǎn)不固定無符號(hào)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0～255(28-1)范圍內(nèi)的所有正整數(shù)16位： 可表示0～65535(216-1)范圍內(nèi)的所有正整數(shù)n位： 可表示0～2n-1范圍內(nèi)的所有正整數(shù)。十進(jìn)制數(shù)8位無符號(hào)整數(shù)

00000000010000000120000001030000001140000010050000010125211111100253111111012541111111025511111111······帶符號(hào)整數(shù)的表示〔1〕符號(hào)如何表示？ 用最高位表示，“0〞表示正號(hào)(+),“1〞表示負(fù)號(hào)(-)數(shù)值局部如何表示？ (1)原碼表示： 整數(shù)的絕對(duì)值以二進(jìn)制自然碼表示 (2)補(bǔ)碼表示： 正整數(shù)：絕對(duì)值以二進(jìn)制自然碼表示 負(fù)整數(shù)：絕對(duì)值使用補(bǔ)碼表示···符號(hào)位數(shù)值部分最低位最高位舉例：

[+43]的8位原碼為：00101011[-43]的8位原碼為：

10101011表示方法帶符號(hào)整數(shù)的編碼表示〔2〕負(fù)數(shù)的絕對(duì)值如何用補(bǔ)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(bǔ)碼表示[-43]的8位補(bǔ)碼為：11010101例2：[-64]用8位補(bǔ)碼表示[-64]的8位補(bǔ)碼為：1100000043=>0101011取反：1010100加1：101010164=>1000000取反：0111111加1：1000000帶符號(hào)整數(shù)的編碼表示〔3〕優(yōu)缺點(diǎn)分析：原碼表示法優(yōu)點(diǎn)：與日常使用的十進(jìn)制表示方法一致，簡單直觀缺點(diǎn)：加法與減法運(yùn)算規(guī)那么不統(tǒng)一，增加了本錢；整數(shù)0有“00000000〞和“10000000〞兩種表示形式，不方便補(bǔ)碼表示法優(yōu)點(diǎn)：加法與減法運(yùn)算規(guī)那么統(tǒng)一，沒有“-0〞,可表示的數(shù)比原碼多一個(gè)缺點(diǎn)：不直觀，人使用不方便結(jié)論：帶符號(hào)整數(shù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)不采用“原碼〞而采用“補(bǔ)碼〞的形式表示！帶符號(hào)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+1～27-1〔-127～127〕16位原碼：-215+1～215-1〔-32767～32767〕n位原碼：-2n-1+1～2n-1-1補(bǔ)碼可表示的整數(shù)范圍8位補(bǔ)碼：-27～27-1〔-128～127)

n位補(bǔ)碼：-2n-1～2n-1-1-128表示為10000000+127表示為01111111小結(jié)：3種整數(shù)的比較8位二進(jìn)制碼表示無符號(hào)整數(shù)時(shí)的數(shù)值表示帶符號(hào)整數(shù)(原碼)時(shí)的值表示帶符號(hào)整數(shù)(補(bǔ)碼)時(shí)的值0000000000000000001111……………………0111111112712712710000000128-0-12810000001129-1-127……………………11111111255-127-1計(jì)算機(jī)中整數(shù)有多種，同一個(gè)二進(jìn)制代碼表示不同類型的整數(shù)時(shí)，其含義〔數(shù)值〕可能不同一個(gè)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(shí)數(shù)(浮點(diǎn)數(shù))的表示〔選講〕實(shí)數(shù)的特點(diǎn)與表示方法特點(diǎn)：既有整數(shù)局部又有小數(shù)局部，小數(shù)點(diǎn)位置不固定整數(shù)和純小數(shù)是實(shí)數(shù)的特例任何一個(gè)實(shí)數(shù)總可以表達(dá)成一個(gè)乘冪和一個(gè)純小數(shù)之積例如：56.725=0.56725×102－0.0034756=-0.34756×10－2實(shí)數(shù)的表示方法〔記階法〕：用3個(gè)局部表示乘冪中的指數(shù)：表示實(shí)數(shù)中小數(shù)點(diǎn)的位置純小數(shù)局部(尾數(shù))：表示實(shí)數(shù)中的有效數(shù)字局部數(shù)的正負(fù)(符號(hào))二進(jìn)制實(shí)數(shù)的浮點(diǎn)表示與十進(jìn)制實(shí)數(shù)一樣，二進(jìn)制實(shí)數(shù)也可以用記階法表示例如：+1001.011B=+0.1001011B×2100 －0.0010101B=－0.10101B×2－10可見，任一個(gè)二進(jìn)制實(shí)數(shù)N均可表示為： N=±S×2P〔其中，±是該數(shù)的符號(hào)；S是N的尾數(shù)；P是N的階碼〕因此，32位的單精度浮點(diǎn)數(shù)在計(jì)算機(jī)中可表示為：尾數(shù)符號(hào)位8位23位階碼小結(jié)：用比特表示信息的優(yōu)點(diǎn)比特只有0和1兩個(gè)符號(hào)，具有2個(gè)狀態(tài)的器件和裝置就能表示和存儲(chǔ)比特，而制造兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的電路又很容易比特的運(yùn)算規(guī)那么很簡單，使用門電路就能高速度地實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算比特不僅能表示“數(shù)〞，而且能表示文字、符號(hào)、圖像、聲音，可以毫不費(fèi)力地相互組合，開發(fā)“多媒體〞應(yīng)用信息使用比特表示以后，可以通過多種方法進(jìn)行“數(shù)據(jù)壓縮〞，從而大大降低信息傳輸和存儲(chǔ)的本錢。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(chǔ)過程中的錯(cuò)誤，大大提高了信息系統(tǒng)的可靠性1.3微電子技術(shù)簡介〔1〕微電子技術(shù)與集成電路〔2〕集成電路的制造〔3〕集成電路的開展趨勢(shì)〔4〕IC卡(1)微電子技術(shù)與集成電路微電子技術(shù)是信息技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，是開展電子信息產(chǎn)業(yè)和各項(xiàng)高技術(shù)的根底微電子技術(shù)的核心是集成電路技術(shù)電子電路中元器件的開展演變晶體管(1948)中/小規(guī)模集成電路(1950’s)微電子技術(shù)是以集成電路為核心的電子技術(shù)，它是在電子元器件小型化、微型化的過程中開展起來的。大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路(1970’s)電子管(1904)什么是集成電路？集成電路(IntegratedCircuit，簡稱IC)： 以半導(dǎo)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(gè)微型化的電路或系統(tǒng)集成電路的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕功耗小、本錢低速度快、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：集成電路規(guī)模元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路（SSI）＜100中規(guī)模集成電路（MSI）100~3000大規(guī)模集成電路（LSI）3000~10萬超大規(guī)模集成電路（VLSI）10萬~幾十億極大規(guī)模集成電路（ULSI）＞100萬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(gè)月翻一番(GordonE.Moore,1965年)晶體管數(shù)例：Intel微處理器集成度的開展酷睿2雙核〔2006〕 291～410M晶體管酷睿2四核〔2007〕 820M晶體管100019701975198019851990199520001000010000010610x106

100x10640048008808080868028680386PentiumPentiumIIPentiumIIIPentium48048620101000x106CORE2DuoCORE2Quad進(jìn)一步提高集成度的問題與出路問題：線寬進(jìn)一步縮小后，晶體管線條小到納米級(jí)時(shí)，其電流微弱到僅有幾十個(gè)甚至幾個(gè)電子流動(dòng)，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