作者：丁志云,赵晓静
出版社：电子工业出版社
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大学计算机信息技术导论试读：
前言
大学计算机基础课程是教育部规定的在校大学生必须开设的一门公共计算机课程，各高校都非常重视这门课程的建设，是学生学习其他计算机课程的基础，为学生学习其专业课程服务。
进入21世纪，随着计算机基础教育逐渐普及到中、小学课程，给大学课堂的计算机基础教育提出了更高的要求，针对“非零起点”和“个体差异”，如何组织大学课堂的计算机教学是摆在我们面前的重大课题，教材也应根据这一实际情况来组织编写，一方面要照顾到基础薄弱的学生，另一方面要考虑基础好的学生的情况，让这些学生也能学到更多的知识，所以教材编写要有层次感，各取所需。
本书以信息技术为主线，以培养大学生的信息素养为根本宗旨，提高大学生利用信息技术的意识和能力，即信息的采集、整理、加工、分析、评价、发布和运用能力，充分考虑到信息意识情感、信息伦理道德修养、信息科学知识和信息技术操作和应用等“信息素养”的各个层面，为大学生的学习、工作和生活服务。本书共6章，第1章信息技术概述，综合阐述了信息技术的主要内容；第2章计算机组成原理，介绍了作为信息技术核心的计算机的组成和基本工作原理；第3章计算机软件，介绍了计算机软件系统的组成，操作系统的功能和常用操作系统的特点，程序设计语言、算法和数据结构的基本知识；第4章计算机网络，介绍了计算机网络的功能，局域网和广域网的组成和特点，国际互联网Internet的常用服务功能；第5章数字媒体技术与应用，介绍了文字、声音、图像、动画和视频等多种媒体信息在计算机中的表示及应用；第6章数据库技术与信息系统，简单介绍了数据库方面的知识，关系型数据库的基本操作，典型信息系统。
本书由长期从事大学计算机基础教学的一线教师参加编写，凝聚了他们的多年科研与教学改革的成果，以现代教育学、心理学、课程论、学习论、教学论、系统论、控制论和信息论等基本理论为依据，系统全面地论述了信息技术各方面的知识。教材从大学生的认知规律出发，坚持把信息技术作为大学生获取信息、探索问题、合作学习、构建知识的认知工具，由浅入深、循序渐进，语言流畅，通俗易懂，图文并茂，力求知识的新颖性。本书可作为大中专高等院校大学计算机信息技术课程的教科书，也可作为社会上各种计算机考试的参考书，其他计算机应用人员也将从本书中得到启发和裨益。本书还有一本配套的实验指导书，可作为学生上机操作用书。
本书第1章由陈玉泉编写，第2章由李曙英编写，第3章由刘模群编写，第4章由陈舜青编写，第5章由赵晓静编写，第6章由丁志云编写，庄燕滨主审。全书由丁志云和赵晓静统稿定稿。在本书的编写过程中得到了华容茂老师和各位同事的关心和指导。限于水平，不足之处敬请指正。
作者编委会名单
主任委员 庄燕滨
副主任委员 张永常 邵晓根 范剑波 沈振平 倪伟 马正华 范兴南
华容茂
委员（以姓名笔画为序）
丁志云 丁海军 王琳 石敏辉 刘玉龙 刘红玲 朱宇光 朱信诚 冷英男 闵立清 吴胜 杨玉东 杨茂云 张宗杰 张碧霞 张献忠 查志琴 赵立江 赵梅 郭小荟 徐煜明 唐土生 唐学忠 程红林 彭珠 韩雁第1章 信息技术概述
本章要点
◆ 信息与信息技术的基本概念
◆ 微电子技术的作用和意义
◆ 通信技术的分类及其发展前景
◆ 计算机信息处理的特点
◆ 信息二进制编码的一般概念1.1 信息与信息技术概述1.1.1 信息与信息科学
1.信息的概念
随着生产力的发展和科技的进步，人类社会已经步入了信息时代。信息是现代社会生活中一个非常流行的词汇，但人类至今对信息这个概念并没有一个严格的定义。到目前为止，关于信息的种种不同定义已超过百种。例如，在《辞源》中将信息定义为“信息就是收信者事先所不知道的报道”。在《简明社会科学词典》中对信息的定义是“作为日常用语，指音信、消息；作为科学术语，可以简单地理解为消息接受者预先不知道的报道”。
最早对信息的科学解释源于通信技术发展的需要。1928年，哈特莱（R.V.L.Hartley）在《贝尔系统技术杂志》上发表的《信息传输》一文中，首先提出了“信息”这一概念，他把信息理解为选择通信符号的方式，并用选择的自由度来计量这种信息量的大小。1948年另一位美国数学家香农（C.E.Shannon）在《贝尔系统技术杂志》发表了题为“通信的数学理论”的长篇文章，他以概率论为工具，阐述了通信工程中的一系列基本理论问题，建立了信息从信源（发送方）通过信道（传输途径）传递给信宿（接收方）的通信系统模型，并给出了计算信源信息量和信道容量的方法和计算信息熵的公式。他对信息的解释是，信息是用来减少随机不定性的东西。该文被认为是信息论诞生的标志。控制论创始人之一，美国科学家维纳（N.Wiener）曾经指出：信息就是信息，既不是物质，也不是能量，专门指出了信息是区别于物质和能量的第三类资源。
我国学者钟义信站在认识主体立场上认为：从认识论层次来看，信息则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的运动状态及其变化方式的形式、含义和效用。例如，我国的人口统计表明，我国当前人口总数已达13亿（状态），并以每年约0.6%的自然增长率增长（状态变化方式），13亿和0.6%就是我国人口统计的信息。
虽然，对于信息的定义，至今仍是众说纷纭。但人们已经认识到，信息是一种宝贵的资源，与人类的生存和发展有着密切的联系。材料（物质）、能源（能量）和信息是组成人类社会现代文明的三大要素，三者之间可以相互转化，能源和物质能换取信息，信息能转化为物质和能源，也能节约物质和能源。
信息与物质和能源不同之处在于物质和能源是消耗性的，而信息则是越用越多，是增值性的积累。信息可被记载或存储于多种媒介上，人们通过对已有信息的加工处理还可再生信息。信息既可压缩，又可扩散，既可以光速传播，又可渗透到其他各个学科和各种社会资源中去。
2.信息处理与信息的分类
信息处理过程是指为获取更有效的信息而施加于信息的所有操作，包括信息的收集、加工和存储、传递、施用。也就是说，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、识别、获取、输入等。
◆信息的加工，如分类、计算、分析、综合、转换、检索、管理等。
◆信息的存储，如书写、录音、录像等。
◆信息的传递，如电话、邮寄、传真、网络发布等。
◆信息的施用，如控制、显示等。
信息的分类方法很多，若按信息的内容可分为政治、军事、经济、科技、文化、市场等；按信息的表示形式可分为数值、文字、声音、图像、视频等；按信息的载体可分为电信号、光信号、声信号等；按信息处理时的电信号的形式可分为离散的、连续的；按信息的逻辑性可分为真实的、虚假的；按信息的作用可分为有用的、无用的、有害的。
3.信息科学
信息科学是一门新兴的、跨多学科的科学。信息科学的研究内容主要包括：
◆阐明信息的概念和本质（哲学信息论）；
◆探讨信息的度量和变换（基本信息论）；
◆研究信息的提取方法（识别信息论）；
◆探索信息的传递规律（通信理论）；
◆探明信息的处理机制（智能理论）；
◆探究信息的再生理论（决策理论）；
◆阐明信息的调节原则（控制理论）；
◆完善信息的组织理论（系统理论）。
由上所知，信息科学是以各种系统、各门学科中的信息为对象，以信息的运动规律作为主要研究内容，广泛地研究信息的本质和特点，以及信息的收集、加工、存储、传递、控制和利用的一般规律，使得人类对信息现象的认识不断丰富和完善。1.1.2 信息技术
信息技术是指涉及信息的产生、获取、识别、变换、存储、传送、处理、检索、检测、控制、分析和利用等与信息有关的方法和手段。
信息技术能够延长或扩展人类的信息器官功能。人类的信息器官主要有感觉器官、神经网络、思维器官和效应器官，它们分别用于获取信息、传递信息、处理并再生信息，以及施用信息使其产生实际效用。因此，基本的信息技术包括：
◆扩展感觉器官功能的感测与识别技术；
◆扩展神经网络功能的通信技术；
◆扩展思维器官功能的处理（计算）与存储技术；
◆扩展效应器官功能的控制与显示技术。
1.信息感测与识别技术
信息感测与识别技术的作用是扩展人的感觉器官获取信息的功能。它包括信息识别、信息提取、信息检测等技术。这类技术的总称是“传感技术”。
目前，传感技术的发展使得一大批新型敏感元件不断问世，除了人们熟悉的普通照相机能够收集可见光波的信息，微音器（也称传声器或麦克风、话筒）能够收集声波信息之外，现在还大量应用着收集红外、紫外等光波波段的敏感元件，帮助人们提取那些人眼所见不到的特殊信息。另外，还有超声和次声传感器，可以帮助人们获得那些人耳听不到的信息。不仅如此，人们还制造了各种嗅敏、味敏、光敏、热敏、磁敏、湿敏及一些综合敏感元件。这样，就可以把那些人类感觉器官收集不到的各种有用信息提取出来，从而延伸和扩展人类收集信息的功能。传感技术、测量技术与通信技术相结合而产生的遥感遥测技术，更使人感知信息的能力得到进一步的加强。
信息识别技术是对存在的信息进行分类、提取。通常采用模式识别的数据挖掘方法，有统计模式识别方法、神经网络方法和结构模式的识别方法等。信息识别技术已在各个领域中得到广泛的应用，如数字图像识别技术、语音识别技术、生物识别技术、指纹识别技术和射频识别技术等。
2.信息通信技术
信息通信技术的发展速度之快是惊人的，从传统的电话、电报、收音机、电视到如今的移动电话、传真、卫星通信、互联网等，这些新的、大众可用的现代通信方式使数据和信息的传递效率得到很大的提高，几乎消除了人们交流信息的空间和时间障碍，实现了信息快速、可靠、安全的转移。
3.信息处理（计算）与存储技术
信息处理的作用是去粗取精、去伪存真，从原始信息中抽象出具有普遍意义的规律，成为可用的信息。
信息处理包括信息交换、记录、检索、共享和对信息的编码、压缩、加密、差错处理等。在对信息进行处理的基础上，还可形成一些新的更深层次的决策信息，这也被称为信息的“再生”。目前信息处理的装置主要是计算机。当今计算机技术同样取得了飞速的发展，体积越来越小，功能越来越强，智能化程度越来越高。计算机的应用也取得了很大的发展。例如，电子出版系统的应用改变了的传统印刷、出版业；计算机文字处理系统的应用使作家改变了原来的写作方式；光盘的应用使人类的信息存储能力得到了很大程度的延伸，出现了电子图书这样的新一代电子出版物；多媒体技术的发展使音乐创作、动画制作等成为普通人可以涉足的领域；互联网将使人类真正步入数字化生活。
随着互联网及电子商务的应用发展，存储已不再是附属于服务器的辅助备份设备，信息的有效存储保护、备份和恢复已成为信息系统的重要组成部分之一。存储技术正朝着全智能化方向发展，未来的存储不仅具有更大的容量、更高的速度和性能价格比，而且还将具有自恢复和自管理功能，同时具有高度的开放性和互操作性。
4.信息控制技术
信息控制技术是信息过程的最后环节，也就是信息的施效过程。控制的本质是改变控制对象的状态和方式，包括控制技术、显示技术等。
由此可见，现代信息技术的核心技术有微电子技术、通信技术、计算机技术和光技术，它们都是用来开发、收集、传送和处理信息资源的。其中，计算机技术与通信技术是信息技术的两大支柱，主要特征是以数字技术为基础，以计算机技术为核心，采用光电子技术进行信息的收集、存储、处理、传递、显示与控制。
现代信息技术是一门涉及面很广、内容极其复杂的综合性应用技术。它综合汲取了微电子学、光学、材料学及数学、逻辑学等众多学科的成果，集现代科技之大成，全面提高了信息处理各个环节的工作效率与水平，使各种信息处理系统能力大大加强，为人类社会的发展进步发挥了巨大作用。1.1.3 信息处理系统
当今信息社会中，用于辅助人们进行信息获取、传送、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，通称为信息处理系统。信息处理系统一般具有如图1-1所示的结构。图1-1 信息处理系统示意图
现在世界上存在着许多不同的信息处理系统，可以从不同的角度对其进行分类。例如，依据自动化程度来划分，可以分为人工的、半自动的、全自动的；依据技术手段来划分，可以分为机械的、电子的、光学的；依据用途范围来划分，可以分为专用的、通用的。
也可从应用领域来对信息系统进行分类，例如，大家所熟悉的因特网（Internet）是一种贯通全球的多功能信息处理系统，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信息处理系统，而图书馆则是一种以信息收藏和检索为主的信息处理系统。1.1.4 信息产业
信息科学与技术的的发展大大促进了信息产业的发展，信息技术正在成为世界各国经济增长的新动力。而信息产业的发展，尤其是信息服务业的发展，给经营者和消费者提供了许多便利，也加快了人们的工作效率和生活节奏。现代办公在许多地区和领域已实现无纸化、远程化和信息化；银行系统和商家联网，开始了无纸币交易；而国际间的物流系统已大大减少了传统运输的繁文缛节。例如，北美地区的地面运输已开始无纸化传输物流信息。
对于信息产业的界定，在国际上没有统一标准，欧、美、日等均有不同定义，我国目前对信息产业的分类包括如下四部分。
◆电子信息设备：包括电子信息及其相关设备的制造、批发和零售等。
◆电子信息传播：包括电信服务、广播电视传播服务、卫星通信、网络服务等。
◆电子信息技术服务：包括计算机技术服务、软件设计服务等。
◆其他信息服务：包括新闻、出版、电影、音像，以及图书馆和档案馆活动等。1.2 微电子技术简介
微电子技术是现代信息技术中的核心技术之一，本节将对微电子技术的基础知识作简单介绍。1.2.1 微电子技术与集成电路
1.概述
微电子技术是信息技术领域中的核心技术，是现代信息技术的基础。微电子技术已经渗透到现代高科技的各个领域，我们通常所接触的电子产品，包括通信系统、计算机与网络系统、智能化系统、自动控制系统、空间技术甚至现代家用电器等，都是在微电子技术的基础上发展起来的。可以说，今天一切技术领域的发展都离不开微电子技术，尤其对于计算机技术来说它更是基础和核心。
所谓微电子是相对“强电”、“弱电”等概念而言，指它处理的电子信号极其微小。微电子技术是实现电子电路系统超小型化、微型化的技术，主要包括芯片技术，也就是半导体集成电路制造技术（含超精细加工技术、薄膜生长和控制技术、高密度组装技术、过程检测和过程控制技术等）、计算机辅助设计与计算机辅助测试技术、掩模制造技术、材料加工技术、可靠性技术、封装技术和辐射加固技术等。所涉及的行业主要包括化工、光电技术、半导体材料、精密设备制造、软件等，其中又以芯片的设计与制造技术为核心。
早期的电子技术以真空电子管为基础元器件，如图1-2（a）所示。例如，世界上第一台计算机ENIAC就是以电子管为主要元器件的，它使用了18000多个电子管和1500多个继电器。后来，美国贝尔研究室的三位科学家研制成功第一个晶体三极管（简称三极管），如图1-2（b）所示，并因此获得了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管成为集成电路技术发展的基础，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。集成电路是指利用氧化、蚀刻、扩散等方法，将电子电路中大量的电阻、电容、二极管和三极管等元器件及其互联线，做在一个微小面积半导体芯片内，组成能实现某一特定逻辑功能的电路系统。其芯片比用分立元器件制作的电子线路单元具有更小的体积、更强大的功能、更低的能耗和单位成本，并能提供较高的工作速度和可靠性。现代集成电路使用的半导体材料主要是硅（Si），也可以使用半导体化合物，如砷化镓（GaAs）等材料。
微电子技术真正的历史不过40多年，可是在这短短的几十年中，微电子技术取得了突飞猛进的发展。集成电路的集成度由几十个元器件的小规模集成电路发展到今天上亿个元器件的极大规模集成电路。
2.集成电路分类
根据单只芯片所包含的晶体管、电阻、电容等电子元器件数目可以分为小规模、中规模、大规模、超大规模和极大规模集成电路。通常人们将集成度小于100个电子元器件的集成电路称为小规模集成电路（SSI），如图1-2（c）所示；集成度在100～3000个电子元器件之间的集成电路称为中规模集成电路（MSI）；集成度在3000～10万个电子元器件的集成电路称为大规模集成电路（LSI）；集成度在10万～100万个电子元器件的集成电路称为超大规模集成电路（VLSI），如图1-2（d）所示；超过100万个电子元器件的集成电路称为极大规模集成电路（ULSI）。一般对于VLSI和ULSI并不进行严格区分，而是统称为VLSI。集成电路规模分类见表1-1。图1-2 电子管、晶体管与集成电路表1-1 集成电路规模分类
根据集成电路所用晶体管结构和工艺的不同，可分为双极型（Bipolar）集成电路、金属氧化物半导体（MOS）集成电路、双极-金属氧化物半导体（Bi-MOS）集成电路。
根据电信号类型和集成电路的功能不同，可分为数字集成电路（如逻辑电路、存储器、微处理器、微控制器、数字信号处理器等）和模拟集成电路（又称为线性电路，如信号放大器、功率放大器等）。
根据集成电路的用途不同，可分为专用集成电路与通用集成电路。专用集成电路是按照某种应用的特殊要求而专门设计、定制的集成电路，如用于电视、照相机、洗衣机等家电产品内的IC芯片就属于专用集成电路。通用集成电路中最典型的是微处理器和存储器芯片，应用极为广泛。计算机的换代主要取决于这两项集成电路的集成规模。人们已经公认“一代微电子芯片代表一代整机产品”。以人们所熟悉的个人计算机（电脑）为例，其中央处理器（CPU）就是一只微电子芯片，它是计算机进行运算和管理的大脑，是决定着计算机档次高低的主要因素。正是由于CPU芯片从80386、80486到Pentium系列的改进，才有了计算机从386、486到Pentium的更新换代。近两年Intel公司推出的Core 2（酷睿2）系列芯片正大量应用在笔记本电脑和台式计算机，人们所熟悉的Pentium计算机将逐渐淡出我们的视线。存储器是具有信息存储能力的器件，随着集成电路的发展，半导体存储器早已大规模地取代了过去使用的磁性存储器，成为计算机进行数字运算和信息处理过程中的信息存储器件。
3.IC卡
当今世界，微电子技术早已悄悄进入人们的日常生活之中。IC卡的出现，给人们的生活带来了很大的便利。IC卡是“集成电路卡”的缩写，它把集成电路芯片密封在一个塑料卡基片内部，使其成为能够存储、处理和传递数据的载体。IC卡采用的是非易失性电子电路（也称闪存，在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）记录数据，因此它能长期可靠地存储数据，并可以有控制地反复读出。它与磁卡的功能相似，但它却不受磁场、电场的影响，没有退磁之忧，无需维护，只要在正常的环境下使用与保存，寿命较长。
IC卡从功能上可分为三类，即存储器卡、带加密功能的存储卡和CPU卡。存储器卡的结构简单，使用方便，主要用于安全性要求不是很高的的场合。常用的存储器卡有电话卡、公交卡等。带加密的存储卡是除了存储器卡外，还增加了加密电路。CPU卡上则是集成了微处理器、程序存储器和数据存储器，同时配有操作系统。因此，这种卡具有智能处理功能，保密性更好，应用灵活性大，常被用做证件和信用卡使用。例如，手机用的SIM卡，它除了存储用户的身份信息外，还可将电话号码、短信息等大量内容存储在卡上。
IC卡按使用方式可分为接触式和非接触式两种。接触式IC卡，其卡的一个表面有一个镀金接口，有6个或8个触点，如电话IC卡。使用时必须将卡插入读卡机卡口内，通过接口的金属触点传输数据。这种IC卡易磨损，使用寿命较短，通常用于存储信息量大、读/写操作比较复杂的场合。非接触式IC卡，又称为射频（Radio Frequency）卡，它是采用电磁感应方式无线传输数据的，并且电源也由电磁感应电流提供。使用时，IC卡只要在读卡器有效区域内，无需接触，均可与读卡器交换数据，操作非常简单、方便。这种IC卡由于采用全密封胶固化，防水，防污，因此使用寿命很长，常用于身份验证等场合。例如，我国第二代居民身份证就是采用的这种IC卡芯片制成的。它由四部分组成，分别是射频天线、控制模块、存储模块和加密模块。1.2.2 集成电路的制造
集成电路是在硅衬底上制作而成的，制造过程要经过400多道工序，可以简单的理解为以下几个过程，如图1-3所示。（1）将单晶硅经切割、研磨、抛光，制成硅抛光片。（2）经氧化、光刻、掺杂、互联等工艺，制成含有成百上千独立集成电路的晶圆。按其直径分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸和12英寸等规格。晶圆越大，同一晶圆上可生产的IC芯片就越多，成本就越低，但对材料和生产技术的要求也越高。（3）将晶圆切开，剔除废品，就成了一批芯片。图1-3 集成电路制造过程示意图（4）将芯片安装在陶瓷基座上，将芯片与插脚连线并加盖封装，就成了集成电路。封装的作用首先是密封、防止物理损伤、防尘，其次是采用标准接口。封装技术关系到产品的功能性。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）和球栅阵列式（BGA）等。（5）将成品进行测试、分级并打印标签，就可包装出厂。
集成电路生产设备涉及现今制造技术中最复杂而要求十分苛刻的工艺过程与技术。为了获得高合格率，芯片中集成的数千万个元器件必须保证 100%完好率，一颗小于 1μm 的灰尘都会导致集成电路芯片的失败。因此，集成电路必须在超净环境下生产，而其制造过程中所需的材料、气体和试剂必须是超纯的。其他高密度封装技术、测试技术、微缺陷和玷污的检测与分析技术都是必不可少的环节。1.2.3 集成电路的发展趋势
近年来，单块集成电路的集成度一直保持着平均每18～24个月就提高一倍的趋势，这就是著名的Moore定律，是Intel公司的创始人之一摩尔（G.E.Moore）1965年4月19日在《微电子学》双周刊杂志上发表的《在集成电路中塞进更多的元件》一文中所预测的。例如，Intel公司自1971年推出的第一款微处理器4004起，8008、8086、8088、80386、80486、Pentium（奔腾）系列和Core 2（酷睿2双核）系列微处理器的集成度基本上是按照这个规律发展的。-9
目前，世界集成电路技术已经进入纳米（1 纳米=10米）时代，全球已有多条 90nm（纳米）的生产线用于规模化生产，基于70～65nm水平线宽的生产技术基本成形，而Intel公司的CPU芯片（Core 2 Quad）也已经采用了45nm的生产工艺，芯片集成度已达到10的9次幂。
衡量微电子技术进步的标志主要有以下几个方面：（1）开拓有针对性的设计应用。（2）增加芯片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模。（3）缩小芯片中元器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度。（4）先进的封装技术。
在集成电路发展初期，电路都从元器件的物理版图设计入手，后来出现了IC单元库（Cell-Lib），使用IC设计从元器件级进入到逻辑级，这样的设计思路使大批电路和逻辑设计人员可以直接参与IC设计，极大地推动了IC产业的发展。但IC不是最终产品，它只有被装入整机系统才能发挥它的作用。IC是通过印制电路板（PCB）等技术实现整机系统的。尽管IC的速度可以很高，功耗可以很小，但由于PCB中IC之间的连线延迟，PCB可靠性及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统IC设计技术已经无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于IC设计与工艺技术水平不断提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高，目前已经出现可以将整个系统集成在一个IC芯片上的系统级芯片SoC（System on Chip）。
SoC与IC的设计原理是不同的，它是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、软件（嵌入式的操作系统、应用软件系统）、芯片结构、各层次电路直至元器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能。
微电子技术从IC向SoC转变不仅是一种概念上的突破，同时也是信息技术发展的必然结果。目前，SoC技术已经崭露头角，21世纪将是SoC技术真正快速发展的时期。
随着微电子技术的快速发展，大批量的具有高可靠性和高精度的微电子结构模块不断问世，其应用领域也越来越广泛。这种技术一旦与其他学科相结合，便会形成一系列崭新的学科和重大的经济增长点。例如，比较典型的有MEMS（微电子机械系统，或称微机电系统）技术和生物芯片等。MEMS技术是微电子技术与机械、光学等领域相互结合而成的。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统及电源于一体的微机电系统。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。而生物芯片则是微电子技术与生物工程技术结合的产物，其加工技术则主要依赖于微电子加工技术。例如，采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出含有多达10万～20万种DNA基因片段的芯片。此外，光学与微电子学的结合，发展为光电子技术，被称为尖端中的尖端。美国《时代》杂志预测：21世纪将成为光电子时代，其主要应用领域包括激光技术、红外技术、光纤通信技术等。
当前，世界上集成电路生产的主流技术已经使晶圆直径达到12～14英寸，不远的将来16英寸晶圆也将问世。随着集成电路技术的不断发展，集成电路的封装形式也在不断作出相应的调整变化。封装技术已进步到CSP（Chip Size Package，芯片尺寸封装技术）。它减小了芯片封装外形的尺寸，基本做到了裸芯片尺寸有多大，封装尺寸就有多大。
目前，随着集成电路技术的迅猛发展，一些障碍也相伴而生。例如，为提高集成度，缩小晶体管基本线条的宽度和它们之间的相互距离，会带来线路干扰加重；可以采用进一步降低电压，减小电流（降低功耗）的方法来解决。但当晶体管的基本线条小到纳米级，在这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，可能会出现一些新的量子现象和效应。人们正在研究如何利用这些量子效应研制具有新功能的量子器件，这就是纳米芯片技术。1.3 通信技术入门1.3.1 概述
通信就是指信息的传递。例如，人之间的对话是通信，用手势表达情绪是通信，用烽火台传递战事情况是通信，快马与驿站传送文件也是通信。
现代通信指的是使用电波或光波传递信息的技术，通常称为电信（Telecommunication），国际上称为远程通信。只有当电波能被用做信息载体时，人类才真正进入高速通信时代。1837年，莫尔斯发明电报机，并设计莫尔斯电报码，从此人类进入现代通信时代。如果在地球上两个最远的端点进行电报联络，两万公里之间，用“电”传“报”，只需十五分之一秒。1876年，贝尔发明电话机。这样，利用电磁波不仅可以传输文字，还可以传输语音，由此大大拓展了通信的内涵，加快了通信技术的发展进程。1895年，马可尼发明无线电设备，从而开创了无线电通信发展的道路。随着社会需求、生产力的发展和科学技术的进步，尤其是电子管、晶体管和集成电路等电子器件的发明，大大促进了通信技术和通信方式的飞速发展。
现代通信技术主要有数字通信技术、程控交换技术、信息传输技术、通信网络技术、数据通信与数据网、ISDN与ATM技术、宽带IP技术、接入网与接入技术。
现代通信技术的一个重要特点是通信技术与计算机技术的紧密结合。由于大量采用计算机技术，不仅大大加快了通信的发展速度，而且也使现代通信可以为广大用户提供种类更多和质量更高的服务。计算机技术及其他高科技的介入，使现代通信技术形成了许多分支，如卫星通信、光纤通信、图文电视广播、移动通信、种类繁多的电话通信等。总之，当今世界上各种通信网络已经覆盖全球。
从总体上看，现代通信技术实际上就是构建通信系统和通信网络的技术。通信系统目前主要是电信网（Telecommunication Network）系统，它连接着大量的用户，由终端设备、传输设备、交换设备等组成。
电信网有多种类型，按业务种类分为电话网、电报网、数据通信网、传真通信网、图像通信网等；按服务范围分为本地电信网、农村电信网、长途电信网、移动通信网、国际电信网等；按传输媒介分为电缆通信网、光缆通信网、卫星通信网、用户光纤网、低轨道卫星移动通信网等；按信号形式分为模拟通信网、数字通信网、模拟数字混合网等。
对于通信网络，主要分为电话网、支撑网、智能网和因特网系统。电话网是用于交互型语音通信、开放电话业务的电信网。一个完整的电信网除了有以传递信息为主的业务网外，还需要有若干个用以保障业务网正常运行，增强网络功能，提高网络服务质量的支撑网。支撑网主要包括No.7信令网、数字同步网和电信管理网。而智能网是在原有的网络基础上，为快速、方便、经济、灵活地生成和实现各种电信新业务而建立的附加网络结构。1.3.2 通信系统的基本原理
1.通信系统的简单模型
实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒介的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例，通信系统的组成（也称为简单模型）如图1-4所示。图1-4 通信系统的简单模型
信源（信息源，也称发送终端）的作用是把待传输的信息转换成原始电信号，如电话机、传真机、计算机等都可作为信源。信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制的原始电信号，基带信号有数字基带信号和模拟基带信号。相应地，信源也有数字信源和模拟信源。例如，电话机、传真机属于模拟信源，输出的是模拟信号；计算机则是数字信源，输出的是离散数字信号。
发送设备的基本功能是将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，正弦调制是最常见的变换方式，经正弦调制后的信号称为频带信号。
信道是指信息传输的通道，是由传输介质和相关的中间通信设备组成的。它可以是有线的，也可以是无线的。例如，在有线信道中，信道可以是双绞线、同轴电缆或光纤；在无线传输中，大气层及外太空是信道。信号在通信系统中传输时，不可避免地会受到系统外部和内部噪声的干扰。在分析时往往把信道中的所有噪声及分散在通信系统中其他各处的噪声折合到信道上统一用一个等效噪声源来表示，如图1-4所示。
根据信号在信道上的传输方向，信道的传输模式可分为单工、半双工和全双工。单工是指数据的单向传输，无线电广播就是单工通信的一个实例；半双工是指数据可以双向传输，通信的双方都具有发送器和接收器，但不能在同一时刻双向传输（即在同一时刻信道只能在一个方向传输），如对讲机信息的传送；全双工是指数据可以同时双向传输，如电话机通话时的信息传送。
接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从接收信号（如频带信号）中消除干扰并准确地恢复出相应的原基带信号。
信宿（也称接收终端）是将基带信号恢复成原始信号。例如，电话机将对方传来的电信号还原成了声音。
通信的基本任务是传递信息，实现通信至少应由三个要素组成，即信源、信宿和信道。在信息传递的过程中，它要将有用的信息无失真、高效率地进行传输，同时还要对无用信息和有害信息进行抑制并有效剔除。为了提高信道的传输效率，减少传输中差错，在信息送到信道上去传输之前，必须对它按某种方式进行编码，到达目的地后，还必须进行相应的解码。而当今的通信技术不仅要实现有效的传递信息，并且还具有信息存储、检索、识别、转换、处理和显示等多种功能。
2.模拟通信系统模型
通信中信息的传递是通过信号来实现的，信号是信息的载体。如果信号的幅度值是连续的，则这样的信号被称为模拟信号，如语音信号、电视图像信号等。如果信号的幅度值被限定在有限个数值之内，是离散的，则这样的信号被称为数字信号，如电报信号、计算机输入/输出信号等。实际上，一个信号既可用模拟信号来表示，又可用数字信号来表示。因此，模拟信号和数字信号在一定条件可进行相互转换。
图1-4给出的是通信系统的简单模型，按照信道中所传信号的形式不同，可进一步具体化为模拟通信系统或数字通信系统。
人们把信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统。模拟通信系统的组成可由一般通信系统模型略加改变而成，就是将图1-4所示的一般通信系统模型中的发送设备和接收设备分别用调制器、解调器所代替，如图1-5所示。图1-5 模拟通信系统模型
对于模拟通信系统，它主要包含两种重要变换：把连续信息变换成电信号（发送端信源完成）和把电信号恢复成最初的连续信息（接收端信宿完成）。由于从信源输出的电信号（基带信号）具有频率较低的频谱分量，一般不能直接作为传输信号送到信道中去。因此，模拟通信系统中常有第二种变换，即将基带信号转换成其适合信道传输的信号，这一变换由调制器完成；在接收端同样需经相反的变换，它由解调器完成。经过调制后的信号通常称为已调信号。已调信号有三个基本特性：一是携带有信息，二是适合在信道中传输，三是频谱具有带通形式，且中心频率远离零频。因而已调信号又常称为频带信号。
必须指出，信息从发送端到接收端的传递过程中，并非仅有以上两种变换，通常在一个通信系统里可能还有滤波、放大、天线辐射与接收、控制等过程。对信号传输而言，由于上面两种变换对信号形式的变化起着决定性作用，因此它们是通信过程中的重要方面。而其他过程对信号变化来说，没有发生质的作用，只不过是对信号进行了放大和改善特性等。
3.数字通信系统模型
信道中传输数字信号的系统，称为数字通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统、数字基带传输通信系统、模拟信号数字化传输通信系统。（1）数字频带传输通信系统
数字通信的基本特征是，它的信息或信号具有“离散”或“可用数字表达”的特性。
数字信号传输时，信道噪声或干扰所造成的差错，原则上是可以控制的。这是通过所谓的差错控制编码来实现的。于是，就首先需要在发送端增加一个编码器，而在接收端需要一个解码器。其次，当需要实现保密通信时，可对数字基带信号进行人为“扰乱”（加密），此时在接收端就必须进行解密。再次，由于数字通信传输的是一个接一个按一定节拍传送的数字信号，因而接收端必须保持与发送端相同的节拍，否则，就会因收发步调不一致而造成混乱。另外，为了表述信息内容，基带信号都是按消息特征进行编组的，于是，在收发之间一组组编码的规律也必须一致，否则接收时消息的真正内容将无法恢复。在数字通信中，称节拍一致为“位同步”或“码元同步”，而称编组一致为“群同步”或“帧同步”，综上所述，点对点的数字频带通信系统模型一般如图1-6所示。图1-6 点对点的数字频带传输通信系统模型
需要说明的是，图1-6中调制器/解调器、加密器/解密器、编码器/译码器等环节，在具体通信系统中是否全部采用，这要取决于具体设计条件和要求。但在一个系统中，如果发送端有调制/加密/编码，则接收端必须有解调/解密/译码。通常把有调制器/解调器的数字通信系统称为数字频带传输通信系统。（2）数字基带传输通信系统
与频带传输系统相对应，把没有调制器/解调器的数字通信系统称为数字基带传输通信系统，如图1-7所示。
图1-7中基带信号形成器可能包括编码器、加密器及波形变换等，接收滤波器也可能包括译码器、解密器等。图1-7 数字基带传输通信系统模型（3）模拟信号数字化传输通信系统
上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带信号，实际上，在日常生活中大部分信号（如语音信号）为连续变化的模拟信号。那么要实现模拟信号在数字通信系统中的传输，则必须在发送端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端则需进行相反的转换，即D/A转换。实现模拟信号数字化传输的系统如图1-8所示。图1-8 模拟信号数字化传输通信系统模型
4.数字通信系统的性能指标（1）信道的数据传输速率
信道的数据传输速率是指实际进行数据传输时单位时间内所传输的二进位数目，通常用比特/秒（b/s）、千比特/秒（kb/s）、兆比特/秒（Mb/s）、吉比特/秒（Gb/s）和太比特/秒（Tb/s）作为计量单位。例如一个数字通信系统，它每秒传输5000个二进位数目，它的数据传输速率是5000比特/秒（5000b/s）。（2）信道带宽
在模拟通信系统中，带宽是指保证模拟信号不失真地进行传输的最大频率变化范围。在数字通信系统中，带宽则是指一个信道允许的最大数据传输速率，也称做信道容量。信道带宽与通信系统采用的传输介质、信号调制方法等因素有关，是评价通信系统性能的重要指标之一。（3）误码率
误码率是指数据传输中规定时间内出错数据与被传输数据总数之比。误码率越小，信道传输质量越高。（4）端-端延迟
端-端延迟指数据从信源传送到信宿所花费的时间。
5.模拟通信技术与数字通信技术的比较
模拟通信的主要优点是直观且容易实现，结构比较简单，成本低；但抗干扰能力弱，传输质量不够稳定且保密性差（信号在传输过程中不可避免地会受到外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多），尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听。
模拟通信的历史已经很久了，但目前模拟通信已经越来越多地被数字通信所取代。因为数字通信与模拟通信相比具有明显的优点：首先是抗干扰能力强，因为数字通信是采用再生中继方式，能够消除噪声，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的影响，可高质量地进行远距离通信。此外，它还具有适应各种通信业务的要求（如电话、图像、数据等），便于实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现加密处理，更便于实现通信网的计算机智能化管理等优点。
数字通信的缺点是占用频带较宽，技术要求相对模拟通信复杂，尤其是同步技术要求精度很高。此外，进行模数转换时会带来量化误差。
6.调制与解调（1）调制（Modulation）
调制的作用是将信源产生的信号变换成适合在信道中传输的信号。对于数字通信系统来说，就是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）。例如，计算机所传输的数据实际上是一连串的“0”或“1”、“0”和“1”在计算机中分别是用高、低电平来表示的。在近距离传输数据时，可以将发送方的电信号通过电缆直接传送给接收设备。然而当需要长距离传输数据时，如果也直接传送代表二进位信息的电平信号，那么导线的电阻会使电信号逐渐减弱，以至于最终接收方无法收到或者识别信号。
人们发现，正弦波之类的持续振荡信号能够在长距离通信中比其他信号传送得更远，因此可以把这种正弦波信号作为携带信息的“载波”。在传送数据时，发送方根据“0”和“1”的区别调整正弦载波的幅度、频率或相位，这个过程称为“调制”（见图1-9），经过正弦调制后，就可以进行长距离传输了。图1-9 数据、载波与3种调制技术
所谓调制实际上就是进行波形转换，最基本的调制方法有下列三种：
◆调幅（AM）指载波的振幅随基带数字信号变化而变化。
◆调频（FM）指载波的频率随基带数字信号变化而变化。
◆调相（PM）指载波的初始相位随基带数字信号变化而变化。
针对以上三种基本调制方法，可以得到对数字信号进行模拟调制的三种基本形式：
◆幅移键控法ASK（Amplitude Shift Keying）。
◆频移键控法FSK（Frequency Shift Keying）。
◆相移键控法PSK（Phase Shift Keying）。
为了达到更高的传输速率，还可以采用更为复杂的混合调制方法，如将ASK和PSK组合成振幅、相位混合的调制方法，从而进一步提高传输速率。（2）解调（Demodulation）
解调是调制的反变换，它的作用是从带有干扰的接收信号（如频带信号）中准确地恢复出相应的原基带信号。对于数字通信系统来说，就是将远距离传输过来的正弦波信号携带的信息检测出来，并转换成适合计算机接收的高、低电平形式。这个过程称为“解调”。
由于计算机网络中的数据通信一般都是双向进行的，所以调制与解调总是成对使用，调制解调器（MODEM）就是用来实现信号调制和解调功能的一种专用设备，如图1-10所示。图1-10 调制解调器（MODEM）的使用
7.多路复用技术
电信线路是构成电信网的基础设施之一，在整个电信网的投资中占有很大的比例。为了降低成本，充分有效地利用通信线路，采用多路复用技术（Multiplexing），就可以实现在同一条通信线路上传送多路信号，如图1-11所示。图1-11 多路复用示意图
多路复用技术可以提高电信传输系统的传输能力，扩大线路容量，降低通信系统建设成本。因而无论是在有线传输系统还是无线传输系统，都已经得到广泛的应用。
在有线电信方面，早期的传输线路一对线只能传送一路电话，后来发明了载波电话，使上述情况有了突破。单路载波电话在一对线上可以通两路电话，使线路的利用率提高了一倍。后来陆续开发出3路、12路、60路载波电话等，使电信线路的传输能力提高了几倍、几十倍。同轴电缆载波系统更使通信的容量从几百路提高到几千路、上万路。20世纪70年代后期，开始大量使用光纤通信。一条光纤就可以传输成百上千路电话。到20世纪90年代中期，一根光纤可以开通几万路电话。此后人们又研究开发了新的多路复用技术，称做“波分多路复用（WDM）”。因为可见光的不同频率对应着不同的波长（即不同的颜色），多种不同颜色的光波同时在一根光纤中传输时相互不会干扰，在接收端使用一块玻璃棱镜即可把不同波长（颜色）的光波分开，从而达到多路数据传输共享同一根光纤的目的。现在一根光纤已能开通几十万路电话，而且还在继续迅速提高。
在无线通信方面，多路复用技术也得到广泛的应用。早在20世纪30年代初期，在无线电通信中就使用了多路复用技术。20世纪40年代以后，微波通信中更是广泛地应用了多路复用技术。20世纪到80年代，模拟调频微波通信的容量已经高达1800～2700路。20世纪80年代末发展起来的数字微波通信，多路复用的容量更高。自1964年8月19日美国成功发射第一颗地球同步卫星辛康（syncom）3号以后，世界开始了新的卫星通信时代。到20世纪90年代，新的卫星通信系统应用多路复用技术，可以承载约35 000路电话和多路电视节目的传输。
多路复用技术的基本原理：各路信号在进入同一个有线的或无线的传输媒质之前，先采用调制技术把它们调制为互相不会混淆的已调制信号，然后进入传输媒质传送到对方，对方接收后再用解调技术对这些信号加以区分，并使它们恢复成原来的信号，从而达到多路复用的目的。频分多路复用FDM（Frequency Division Multiplexing）和时分多路复用TDM（Time Division Multiplexing）是两种最常用的多路复用技术。
频分多路复用是指使用不同的频率来复用多路信号的方法。其基本原理是每一个发送设备使用一个给定频率的载波来传输数据，每一个接收设备被设置成为只接收给定频率的载波。所有不同频率的载波可在同一时间通过同一导线而不会互相干扰。
时分多路复用是指各路信号在同一信道上占有不同时间间隙进行通信的方法。例如，把N个话路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流地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，其他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连接到下一个要连接的设备上去。时分多路复用通信也称时间分割通信，它是数字电话多路通信的主要方法。
时分多路复用可分为同步多路复用和异步多路复用。前者是指不论终端设备有无数据传送要求，多路复用器都要为每个终端分配一个时间片；后者是指当被扫描的终端无数据发送，则多路复用器不给该终端分配时间片，而是立即去扫描下一个终端。只有当被扫描的终端有数据发送时，才给该终端分配一个时间片。采用异步多路复用时必须为传输的数据加上发送地址和目的地址，以便能正确识别发送者和接收者。
此外，还有码分多路复用和波分多路复用。码分多路复用是指多路信号同时传输时采用不同的编码原理加以区分，它被用于无线移动通信。波分多路复用是指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。
8.数据交换技术
通常通信双方并不是在两点之间采用固定的连接方式来实现通信的，而是在任意两个要进行通信的终端之间建立一个临时的通信链路，通信结束后再撤销链路，这就是数据交换技术。（1）电路交换
电路交换又称线路交换，现在的PSTN（简单电话网络）在连接两部电话时，多采用电路交换方式。当拨打方拨出一个电话号码，交换机进行查找地址，找到后就将主叫方电话线路与被叫方电话线路进行连接，两方形成一个通路，此时其他人均不能使用这条通路（因此会产生占线现象），直到一方要求拆除（这里指挂断）线路。这种交换方式比较简单，缺点是线路利用率低，通信成本高。（2）分组交换
分组交换也称包交换，它是将用户的数据分割成若干个一定长度的数据包。这些数据包就称为分组，在每个分组前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何处及误码校验等，然后交换机（在分组通信中称为结点机）核对接收分组无误码且认为不会发生拥塞后向信源端回送一个确认信息，信源端可接着发送下一批分组。交换机根据每个分组头里的地址标志，将它们沿着最佳的路由发往目的地。如果到达同一路由的分组数太多，交换机将对这些分组存储或选择别的路由迂回转发。到达目的地后，再按照数据包的编号，将它们重新组装成原来形式的数据，这一过程就称为分组交换，它很类似于邮寄信件。进行分组交换的通信网称为分组交换网。
分组交换技术具有一些明显的优点：一是每次传送的数据长度较短，出错率低；二是便于动态地选择传输路径，从而提高传输的效率。1.3.3 传输介质
传输介质是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，是信号传输的媒介，是通信系统中最基本也是最底层的组成部分。通信系统中采用的传输介质可分为有线介质和无线介质两大类。不同的传输介质具有不同的特性，对数据通信质量有很大影响。
利用有线传输介质可以使数据在其中传输时不仅可获得较高的传输效率，且易于保证传输的正确性、可靠性；利用无线传输介质通过自由空间去传输信息，省去了线路的架设，但存在传输效率低、易被窃听、易受干扰等缺点。
有线载波通信所用的传输介质，主要有双绞线、同轴电缆和光缆。
1.双绞钱
双绞线是现在最常用的传输介质，它由两条相互绝缘的铜线组成，典型直径为1mm。两根线绞结在一起是为了防止其电磁感应对邻近双绞线产生干扰。多根这样的双绞线捆在一起，外面加上护套，就构成了双绞线电缆。现流行的双绞线电缆中一般包含4个双绞线对，如图1-12（a）所示。双绞线接头为具有国际标准的RJ-45插头和插座。双绞线分为屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）和无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）两种。无屏蔽双绞线适用于网络流量不大的场合中。屏蔽双绞线是在双绞线外面加上了用金属丝编织成的屏蔽层，具有较强的抗电磁干扰能力，适用于网络流量较大的高速网络协议应用。双绞线根据性能又可分为5类、6类和7类，现在常用的5类非屏蔽双绞线，其频率带宽为100MHz，能够可靠地运行4Mb/s、10Mb/s和16Mb/s的网络系统。当运行100Mb/s以太网时，可使用屏蔽双绞线以提高网络在高速传输时的抗干扰。双绞线价格便宜且安装方便。
2.同轴电缆
同轴电缆主要由内导体、绝缘层、外屏蔽层和外部保护层构成，如图1-12（b）所示。它的横截面是一组同心圆，最外圈是外绝缘层，紧贴着的是一圈起屏蔽作用的金属编织层，再往里面是绝缘体，用来分隔编织的外导体和内导体，内导体可以用单股芯线（铜导线）或多股绞合线。同轴电缆具有良好的传输特性和屏蔽特性，可以构成大容量的载波通信系统。图1-12 双绞线与同轴电缆
目前广泛使用的同轴电缆有两种：一种是阻抗为 50Ω的基带同轴电缆，用于传输数字信号，主要应用于计算机局域网中；另一种是阻抗为 75Ω的宽带同轴电缆，用于传输宽带模拟信号，主要应用于
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