x第七讲现代信息技术

公共选修课现代物理概论

第七讲

现代信息技术介

现代生活中的主要通信方式邮政：正在萎缩电话：很大发展，形形色色的电话及通信方式网络技术：正在兴起现代社会是信息社会每时每刻有海量的信息需要传递信息具有价值信息学科是现代科学技术的前沿学科信息技术是当今科学技术的先导技术信息产业是优先发展的支柱产业信息行业是就业形势良好，收入较高的行业从信息技术获益大众传媒广播、电视、报纸、新闻文化娱乐网吧、电视科学技术离不开电子信息技术（含通信技术）工农业生产改造传统产业，建立新型工农业生产体系战争军事空军、海军、导弹、坦克…从我们的身边看电话的普及程度网络的普及程度电子邮件和手机短信的使用电子商务，需要解决：网络通信技术物流传递技术社会信用保障体系信息定义信息就是信息，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

信息就是能够使熵减少的东西——仙农（信息论奠基人）信息的特征信息来源物质，它又不是物质。信息也来源精神，它又不限于精神领域。信息与能量息息相关，它又与能量有本质区别。信息具有知识本性，它有比知识内涵更广泛和松弛。信息是具体的，它又可以被感知处理和利用。信息可被共享。语法信息在传递和处理过程中永不增值。在封闭系统中，语法信息的最大可能值不变。信息的性质信息是普遍存在的。信息是无限的。对同一事物,不同的观察者可获得的信息可能不同信息可以在时间和空间中从一点转移到另一点信息可以由不同的载体和方法载荷,不改变信息本身。信息可以用来消除系统的不定性,增加系统的有序性(负熵)。通信网网与计计算机机网的的互相相渗透透通信计算算机计算机机通通信

1977年1987年1997年机型大型机 个人电脑网络电脑对象专业人员工作人员进入家庭用途科学军事办公管理无所不包信息数字文本多媒体输入打孔纸带键盘鼠标语音扫描存储磁芯磁带IC磁盘 光盘信息技技术发发展之之快，，对人人类文文明影影响之之深远远，远远远超超出人人们的的想象象!中国互互联网网络信信息中中心(CNNIC)统计1600800400210117.562199719981998199919992000200410.316.3012.316.3012.316.3012.31上网网人人数数(万人人)10000我国的的电脑脑家庭庭用户户50年来，，体积积、功功耗、、速度度、容容量，，提高了1亿倍，，价格格降低低了1亿倍。。年代存存储储器典典型型容量量价价格1979磁磁芯256k(105)4元/位位1999半导体体128M(108)10-5元64x64=4096

16x4kx2=128k

128kx2=256k0.5元/位十年增增长103105从计算算的机机器到到无所所不能能的电电脑1.从数值值计算算到数数据库库解决弹弹道、、解码码等军军事需需要开开始图灵理理想机机:带子、、读写写头、、控制制器冯••诺诺依曼曼：二进制制、程程序存存储100:1少数专专家的的神圣圣殿堂堂2.多媒体体、网网络多种信信息数数字化化，营营造现现实之之外的的世界，，通过过网络络实现现信息息共享享图形界界面的的操作作系统统：鼠标、、扫描描、采采集..…….因特网网、光光传输输技术术：信息的的远程程交互互传输输1:1现代人人重要要的工工具3.家用电电器的的信息息化无所不不在、、无所所不能能像纸张张一样样便宜宜的微微处理理器：：音乐芯芯片的的运算算能力力超过ENIAC2010年年将降降至4美美分微处理理器、、传感感器和和激光光技术术的组合合将使使人类类进入入智能能化时时代1:100人类生生活的的必须须105造造纸术术1050活活字字印刷刷1876电电话话1894无无声声电影影无线电电电报报1906收收音音机广播电电台信息技技术的的演变变1936黑白电电视1948彩彩色电电视1945电子计计算机机1950录录音音机1956录录像像机1982个人电电脑1993信息高高速公公路基本信信息技技术感知与与识别别技术术——扩扩展感感觉器器官功功能,提提高人人们的的感知知范围围、感感知精精度和和灵敏敏度通信技技术与与存储储技术术——扩扩展神神经网网络功功能,消消除人人们交交流信信息的的空间间和时时间障障碍计算处处理技技术——扩扩展思思维器器官功功能,增增强人人们的的信息息加工工处理理能力力控制与与显示示技术术——扩扩展效效应器器官功功能，，增强人人们的的信息息控制制能力力信息处处理系系统实实例雷达是一种种以感感知与与识别别为主主要目目的的的系统统电视/广播播系统是是一种种单向向的、、点到到多点点（面面）的的以信信息传传递为为主要要目的的的系系统电话是一种种双向向的、、点到到点的的以信信息交交互为为主要要目的的的系系统银行是一种种以处处理金金融业业务为为主的的系统统图书馆馆是一种种以信信息收收藏和和检索索为主主的系系统Internet是一种种跨越越全球球的多多功能能信息息处理理系统统电子线线路使使用的的基础础元件件的演演变真空电电子管管晶晶体管管中中小规规模集集成电电路大大规规模超超大规规模集集成电电路电子线线路使使用的的基础础元件件的演演变真空电电子管管在这个个阶段段产生生了广广播、、电视视、无无线电电通信信、仪仪器仪仪表、、自动动化技技术和和第一一代电电子计计算机机晶体管管1948年发明明，再再加上上印制制电路路组装装技术术的使使用，，使电电子电电路在在小型型化方方面前前进了了一大大步，，产生生了第第二代代计算算机电子线线路使使用的的基础础元件件的演演变集成电电路(IntegratedCircuit，简简称IC)20世世纪50年年代出出现，，以半半导体体单晶晶片作作为材材料，，经平平面工工艺加加工制制造，，将大大量晶晶体管管、电电阻等等元器器件及及互连连线构构成的的电子子线路路集成成在基基片上上，构构成一一个微微型化化的电电路或或系统统。现代集集成电电路使使用的的半导导体材材料通通常是是硅(Si)，，也可可以是是化合合物半半导体体如砷砷化镓镓(GaAs)等小规模模集成成电路路超大规规模集集成电电路集成电电路的的规模模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）＞100万根据所所包含含的晶晶体管管数目目分为为：集成电电路分分类根据集集成电电路的的功能能分为为：数字集集成电电路（如逻逻辑电电路、、存储储器、、微处处理器器、微微控制制器、、数字字信号号处理理器等等）模拟集集成电电路（又称称为线线性电电路，，如信信号放放大器器、功功率放放大器器等）微电子子技术术与集集成电电路集成电电路芯芯片是是微电电子技技术的的结晶晶，它它们是是计算算机的的核心心。先进的的微电电子技技术→→→高高集成成度芯芯片→→→高高性能能的计计算机机→→→利用用计算算机进进行集集成电电路的的设计计、生生产过过程控控制及及自动动测试试，又又能制制造出出性能能高、、成本本更低低的集集成电电路芯芯片微电子子技术术与集集成电电路集成电电路是是现代代信息息产业业和信信息社社会的的基础础集成电电路是是改造造和提提升传传统产产业的的核心心技术术2000年世界界半导导体产产值达达2000亿美元元电子信信息产产品市市场总总额超超过1万亿美美元据预测测：未未来十十年内内世界界半导导体的的年平平均增增长率率将达达15%以上，，2010年全世世界半半导体体的年年销售售额可可达到到6000~8000亿美元元，将将支持持4~5万亿美美元的的电子子装备备市场场。集成电电路的的制造造集成电电路的的制造造：400多道道工序序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电路的的制造造集成电电路制制造厂厂（晶晶圆厂厂）生生产的的产品品包括括：晶圆切切片（（也简简称为为晶圆圆）超大规规模集集成电电路芯芯片（（可简简称为为芯片片）晶圆:在每每一硅硅光片片可制制作出出许多多独立立的集集成电电路，，这种种排排满了了集成成电路路的硅硅片称称为““晶圆圆”。。芯片：将将合格的的集成电电路分类类排列，，这种集集成电路路小片，，称为““芯片””。集成电路路的发展展趋势集成电路路的工作作速度主要取决决于组成成逻辑门门电路的的晶体管管的尺寸寸，晶体体管的尺尺寸越小小，其极极限工作作频率越越高，门门电路的的开关速速度就越越快。芯芯片上电电路元件件的线条条越细，，相同面面积的晶晶片可容容纳的晶晶体管就就越多，，功能就就越强，，速度也也越快。。提高集成成度，关关键在缩缩小门电电路面积积集成电路路特点：：体积小小、重量量轻、可可靠性高高Moore定律单块集成成电路的的集成度度平均每每18～24个月翻一一番——GordonE.Moore,1965年年Intel公司司创始人人问题与出出路线宽进一一步缩小小、线路路间的距距离越来来越窄以以后，干干扰将越越益严重重。为了减少少这种干干扰，可可以采取取减小电电流，降降低电压压的方法法来解决决。但是，当当晶体管管的基本本线条小小到纳米米级，线线路的电电流微弱弱到仅有有几十个个甚至几几个电子子流动时时，晶体体管已逼逼近其物物理极限限，它将将无法正正常工作作。在纳米尺寸寸下，纳米米结构会会表现出出一些新新的量子现象象和效应应，可以利利用这些些量子效效应研制制具有新新功能的的量子器器件，从从而把芯芯片的研研制推向向量子世世界的新新阶段——纳米芯片片技术。同时，人人们还在在研究将将自然界界传播速速度最快快的光作作为信息息的载体体，发展展光子学学，研制制集成光光路，或或把电子子与光子子并用，，实现光电子集集成。通信技术术通信三要要素：信源（信息的的发送者者）信宿（信息的的接收者者）信道（信息的的载体与与传播媒媒介）产生和发送信息的一端信源信宿通信线路信道噪声外界的干扰接收信息的一端通信系统统分类有线载波波通信光纤通信信微波通信信卫星通信信移动通信信有线载波波通信有线载波波通信：：主要传输输电话，，电报、、传真、、数据也可传输输广播、、可视电电话、电电视节目目依据所用的传传输介质质，有线载载波通信信可分为为：明线载波系统统对称电缆缆载波系统统同轴电缆缆载波系统统光纤通信信传输介质质：光纤纤（光缆缆）传输的信信号：光光信号（（数字信信号，有有光脉冲冲相当于于1，无无光脉冲冲相当于于0）传输速率率：1Gb/s以上包层纤芯光纤的构成光纤通信信光波在纤纤芯中的的传输原原理当光线的的入射角角足够大大时，就就会出现全全反射，，重复此此过程，，光就沿着着光纤传传播下去去光纤种类类多模：纤芯直直径为50或62.5μm，可以存存在许多多条入射射角不同同的光线线，各自自以不同同的反射射角全反反射传播播下去（（即：每每一个光光线有一一个不同同的模式式）。单模：纤芯直直径为8—10μm（一个光光波波长长），光光线不出出现反射射，直接接向前传传输。衰耗耗小，在在2.5Gb/s的高速率率下传输输数十公公里而不不必采用用中继器器。光纤通信信系统调制器发信电路激励电路信息解调器收信电路放大电路信息光缆中继器发信设备收信设备光纤通信信优点传输频带带非常宽宽，通信信容量大大抗雷电和和电磁干干扰、抗抗辐射能能力强无串音干干扰，保保密性强强，不易易被窃听听或截取取数据传输损耗耗小，通通讯距离离长数据速率率为420Mbps、距离为119km、无中继器器时，误误码率为为10-8重量轻，，便于运运输和铺铺设光纤通信信缺点精确连接接两根光光纤比较较困难光纤通信信技术光纤通信信系统技技术更新新换代80年代代末：PDH（（PlesiochronousDigitalHierarchy准准同步数数字系列列）系统统90年代代中期：：SDH（SynchronousDigitalHierarchy同步步数字系系列）系系统现在：WDM（（WavelengthDivisionMultiplexing波波分复复用）系系统波分复用用技术能能在单一一光纤内内同步传传输多个个不同波波长的光光波，让让数据传传输速度度和容量量获得倍倍增光纤通信信的发展展前景光纤通信信的瓶颈颈之一是是光信号号的传输输距离。焦点在““信号放放大”。。普通光纤纤网络中中的信息息在传输输时每隔隔200km～500km间需加入入电放大大器，将将光信号号还原成成电信号号进行放放大，然然后再转转换成光光信号继继续传输输。这不不仅增加加成本，，还使进一步提提高带宽宽变得越越来越困困难，超超高速传传输所带带来的经经济效益益将被昂昂贵的光光/电和和电/光光转换所所抵消。。全光网（（AllOpticalNetwork）：光信息流流在通信信网络中中的传输输及交换换时始终终以光的的形式存存在，不不需要经经过光/电、电/光转换。。全光网技技术是光光纤通讯讯领域的的前沿技技术，是是21世世纪真正正的高速速公路。。微波通信信微波：一一种具有有较高频频率(300MHz～300GHz)的电磁磁波。波长很短短，通常常为1米米至1毫毫米。微波通信信是众多多无线通通信形式式中的一一种。有人认为为未来只只有两种种通信手手段：光纤：用用于所有有固定设设备（电电话、传传真机、、计算机机）通信信无线通信信：用于于所有移移动通信信。卫星通信信利用人造造地球卫卫星作为为中继站站转发无无线电信信号，实实现两或或多个地地球站之之间的通通信。是微波接接力通信信技术与与空间技技术相结结合的产产物。卫星通信信通信卫星星工作原原理从地面站站1发出的无无线电信信号，被被卫星通通信天线线接收后后，首先先在通信信转发器器中进行行放大、变频和功率放放大，然然后由卫卫星的通通信天线线把放大大后的信信号重新新发向地地面站2，从而实实现两个个地面站站或多个个地面站站的远距距离通信信。通信卫星地面站1地面站2地球信息通信信技术辉辉煌煌依旧（（1）NetworkandOpticalFiberCommunications(网网络与光光纤通信信技术)无线通信信的历史史：1901年年12月月12日日，意大大利工程程师马可可尼首次次实现跨跨越大西西洋的无无线电通通信。容容量：几几bit/s（（bps）。100年年后的今今天，骨骨干光纤纤传输的的容量：：10Gbps。网络通信信的广泛泛应用：：电子商务务，电子子政务，，网上医医疗，网网上教学学，…。。网络成为为现代生生活的重重要媒体体。全世界有有4.14亿人人经常上上网。技术发展展：窄带带宽带；有有线无线；；固定移动最后1km和接接入问题题：ISDN，，ADSL，CableModem，光光纤瓶颈：光光电转换换。最终终有可能能导致光光学信息息处理技技术代替替电子信信息处理理技术MobileCommunications第一代模拟的第二代数字的第三代无线与互互联网等等多媒体体通信相相结合第四代100MB，动动画、音音乐等第五代多媒体，，3D会会议，3D游戏戏10problemsfacedbytheinternet身份识别别保护知识识产权;保护个人人隐私;新一代网网络通信信协议;新一代互互联网技技术;无线上网网技术;传统电话话线路与与网络融融合技术术;更有效的的网络视视频传输输技术;垃圾邮件件的过滤滤技术;网络安全全技术网络交换换系统和和CDMA系统统示意图图信息通信信技术辉辉煌煌依旧（（2）计算机技技术2001年出现现了分子子电路由晶体管管、开关关、导线线等构成成分子电电路，可可以进行行计算；；《科学》》杂志将将其列为为年度十十大科技技进展的的榜首；；意义：最最终将导导致运算算速度最最快的计计算机的的诞生（（目前的的运算速速度：12万亿亿次/秒秒，国产产的4千千亿次/秒）。。2001年出现现了生物物计算机机由DNA分子（（软件））和酶分分子（硬硬件）构构成尺寸：1万亿个个这样的的生物计计算机只只有一滴滴水那么么大运算能力力惊人计算机芯芯片2002年计算算机芯片片的最新新进展2002年1月月，P4，f=4GHz；2002年4月月，Motorola,Philips,STMicro-electronics组建建战略联联盟；2002年8月月，IBM，SONY，TOSHIBA联合合研制新新型计算算机芯片片；2002年9月月，SAMSUN推推出512M，，1G动动态RAM，突突破纳米米级（100nm）；；