当前位置:首页 >> 其它课程 >> 第一章 信息技术概述

第一章 信息技术概述


计算机专转本 (南师大)
徐建军

1

第一章 信息技术概述

第一章 信息技术概述
1.1 信息与信息技术 1.2 微电子技术简介

1.3 通信技术入门
1.4 数字技术基础

3

1.1
?

r />信息与信息技术

什么是信息 ? 信息处理与信息技术 ? 信息处理系统
4

什麽是信息?(1)
信息概述

信息同物质和能源一样,是人们赖 以生存与发展的重要资源。人类通过信 息认识各种事物,借助信息的交流沟通 人与人之间的联系,互相协作,从而推 动社会前进。
5

什麽是信息?(1)
日常生活中信息的几种解释: ? 语言、文字、图画、照片等表示的内容(新闻、消息 或知识) ? 读书、上课、交谈等所学习和了解的知识、方法、事 实和情况 ? 为了做判断、订计划或求解问题等所需要的数据、资 料 ? ???

6

什麽是信息?(2)
? 中国大百科全书的解释:从认识论层次来看,信息是指认 识主体所感知或主体所表述的 “事物运动的状态及状态 变化的方式”

? 信息因它所表达的内容而有一定的价值,也因能相互交流
而体现其作用 ? 信息有多种表现形式,语言、文字、声音、图片等都是信

息的表现形式(载体)
? 信息与物质和能量同样重要,它是人们认识世界、改造世 界的一种基本资源
7

什麽是信息?(2)
信息的主要特征

可传递性和共享性 ? 信息必须依附于载体 ? 信息的可处理性
?
8

什么是信息处理?
? 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、获取、输入等) ? 信息的加工(如信息的分类、计算、分析、转换等) ? 信息的存储(如书写、摄影、录音、录像等) ? 信息的传递(如邮寄、电报、电话等 ) ? 信息的施用(如控制、显示等)

9

人工进行信息处理的过程
信息传递 (神经系统) 信息加工与 存储(大脑)
眼/耳/鼻/舌/ 身
手/脚/ 身

信息传递 (神经系统)

信息获取 (感觉器官)

事物客体

信息施用 (效应器官)

? 人工信息处理的不足:

? ? ? ?

算不快 记不住 传不远 看(听)不清

信息技术(IT)
10

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。 人的信息器官及功能: ? 感觉器官(眼耳鼻舌身)——获取信息

? 神经网络——传递信息
? 思维器官(大脑)——处理信息并再生信息 ? 效应器官(手脚)——施用信息
11

基本信息技术
? 感知与识别技术 ——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 ——扩展神经网络功能, 消
除人们交流信息的空间和时间障碍 ? 计算处理技术 ——扩展思维器官功能, 增强人们 的信息加工处理能力 ? 控制与显示技术 ——扩展效应器官功能,增强人 们的信息控制能力
12

信息技术的发展历史
◎语言的形成和使用 ◎文字的创造 ◎印刷技术的发明 ◎望远镜、显微镜 ◎电报和电话通信 ◎广播、电视 ◎雷达、卫星(遥感感测)

◎计算机、机器人
◎因特网(Internet)

???
13

现代信息技术
? 3大特征:

? 采用电子技术(包括激光技术)进行信息的收集、传 递、加工、存储、显示与控制

? 以数字技术(计算机)为基础
? 以软件为核心
? 领域:

? 微电子、通信、广播、计算机、遥感遥测、自动控制 、机器人等
14

什么是信息处理系统?
? 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,可以通称为信息处理系 统
通信/存储 信息加工 通信/存储

感测与识别
输入

控制与显示
输出

信息处理系统结构
15

信息处理系统举例
? 雷达: 以感测与识别为主要目的的系统
以单向、点到多点(面)的以信息传递 ? 电视/广播:

为主要目的的系统

? 电话:以双向、点到点的信息交互为主要目的的系统
? 银行:以处理金融信息为目的的系统 ? 图书馆:以信息收藏和检索为主要目的的系统 ? 因特网:跨越全球的多功能信息处理系统

16

1.2

微电子技术简介

? 微电子技术与集成电路 ? 集成电路的制造 ? 集成电路的发展趋势 ? IC卡

17

(1)微电子技术与集成电路
? 微电子技术是信息技术领域中的关键技术 ,是发展电子信息产业和各项高技术的基 础 ? 微电子技术的核心是集成电路技术

18

电子电路中元器件的发展演变
电子管 (1904) 晶体管 (1948)

中/小规模 集成电路 (1950’s)

大规模/超大规模 集成电路(1970’s)

? 微电子技术是以集成电路为核心的电子技术,它是在电 子元器件小型化、微型化的过程中发展起来的。
19

什么是集成电路?
? 集成电路 (Integrated Circuit,简称IC): 以半导体单晶片作为基片,采用平面工艺,将晶

体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电
路制作在基片上所构成的一个微型化的电路或系 统
小规模集成电路

? 集成电路的优点:
? 体积小、重量轻 ? 功耗小、成本低

? 速度快、可靠性高

超大规模集成电路
20

集成电路的分类
? 按用途分:
? 通用集成电路 ? 专用集成电路(ASIC)

集成电路规模

元器件数目 <100 100~3000 3000~10万

? 按电路的功能分:
? 数字集成电路 ? 模拟集成电路

小规模集成电 路(SSI)

中规模集成电 路(MSI) ? 按晶体管结构、电路和工艺分:大规模集成电 ? 双极型(Bipolar)电路 路(LSI)
? 金属氧化物半导体(MOS)电路 ? ·· ·· ··

? 按集成度(芯片中包含的元器件 极大规模集成 数目)分: 电路(ULSI)

超大规模集成 电路(VLSI)

10万~100万
>100万
21

(2)集成电路的制造(选学)
? 集成电路的制造工序繁多,从原料熔炼开 始到最终产品包装大约需要400多道工序, 工艺复杂且技术难度非常高,有一系列的关 键技术。许多工序必须在恒温、恒湿、超洁 净的无尘厂房内完成。 ? 目前兴建一个有两条生产线能加工8英寸晶 圆的集成电路工厂需投资人民币10亿元以上 。
22

集成电路的制造流程
硅抛光片 硅平面工艺

晶圆 检测、分类

芯片 封装 集成电路 成品测试 成品

单晶 硅锭

单晶硅锭经切 割、研磨和抛 光后制成镜面 一样光滑的圆 形薄片,称为 “硅抛光片”

硅平面工艺包括氧化、光刻、 掺杂和互连等工序,最终在 硅片上制成包含多层电路及 电子元件的集成电路。通常 每一硅抛光片上可制作成百 上千个独立的集成电路,这 种整整齐齐排满了集成电路 的硅片称作“晶圆”

对晶圆上的每个 电路进行检测, 然后将晶圆切开 成小片,把合格 的电路分类,再 封装成一个个独 立的集成电路

进行成品测试, 按其性能参数 分为不同等级, 贴上规格型号 及出厂日期等 标签,成品即 可出厂
23

集成电路的封装
集成电路封装目的:
电功能、散热功能、机械与化学保护功能

常见的封装方式: ? 单列直插式(SIP) ? 双列直插式 (DIP) ? 阵列式(PGA) ? 塑料有引线芯片载体(PLCC)

? 扁平贴片式(PQFP)
? 球栅阵列封装(BGA) ? 小外形封装(SOP)
24

集成电路的封装形式

FC-PGA2
(Pentium 4

封装方式
处理器) 集成电路插座

25

(3)集成电路的发展趋势
? 集成电路的工作速度主要取决于晶体管的 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,相同 面积的晶片可容纳的晶体管数目就越多。 ? 所以从集成电路问世以来,人们就一直在 缩小晶体管、电阻、电容、连接线的尺寸 上下功夫。

26

IC集成度提高的规律
Moore定律:单块集成电路的集成度平均每18个月翻一番
don E.Moore,1965年) (Gor

例:Intel微处理器集成度的发 展
Pentium 80486 80386 80286 8086

Pentium 4
Pentium III Pentium II

晶体管数 100,000,000

10,000,000

1,000,000

100,000

10,000 8080 8008 4004 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 1,000

27

集成电路技术的发展趋势
1999
工艺(μm) 0.18

2001
0.13

2004
0.09

2008
0.06

2014
0.014

晶体管(M)
时钟频率(GHz) 面积(mm2) 连线层数 晶圆直径(英寸) 引脚数目 功耗(w)

23.8
1.2 340 6 12 700 90

47.6
1.6 340 7 12

135
2.0 390 8 14 957 130

539
2.655 468 9 16

3500
10 901 10 18 3350 183

28

进一步提高集成度的问题与出路
? 问题:
? 线宽进一步缩小后,晶体管线条小到纳米级时,其电流微弱到仅有几 十个甚至几个电子流动,晶体管将逼近其物理极限而无法正常工作 ? 出路: ? 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,人们正 在利用这些量子效应研制具有全新功能的量子器件,使能开发出新的 纳米芯片和量子计算机 ? 同时,人们还在研究将自然界传播速度最快的光作为信息的载体,发 展光子学,研制集成光路,或把电子与光子并用,实现光电子集成

29

集成电路的发展趋势
?

光子计算机 光能够像电一样来传递信 息,甚至效果更好。而且,更 重要的一个特点在于它不会和 周围环境发生相互干扰的作用 。

30

(4) IC卡简介
几乎每个人每天都与IC卡打交道,例如我 们的身份证、手机SIM卡、交通卡、饭卡等等,

什么是IC卡?它有哪些类型和用途?工作原
理大致是怎样的?下面是简单介绍。

31

什么是 IC卡?
? IC卡(chip card、smart card),又称为集成电路卡,它是把集成电路 芯片密封在塑料卡基片内,使其成为能存储信息、处理和传递数据的 载体 ? 特点: ? 存储信息量大 ? 保密性能强 ? 可以防止伪造和窃用 ? 抗干扰能力强 ? 可靠性高 ? 应用举例: ? 作为电子证件,记录持卡人的信息,用作身份识别(如身份证、 考勤卡、医疗卡、住房卡等) ? 作为电子钱包(如电话卡、公交卡、加油卡等)
32

IC卡的类型(按芯片分类)
? 存储器卡:封装的集成电路为存储器,信息可长期保存 ,也可通过读卡器改写。结构简单,使用方便。用于安 全性要求不高的场合,如电话卡、水电费卡、公交卡、

医疗卡等
(带加密逻辑的存储器卡增加了加密电路) ? CPU卡:封装的集成电路为中央处理器(CPU)和存储

器,还配有操作系统(Chip Operating System),处理能力
强,保密性更好,常用作证件和信用卡使用。手机中使 用的SIM卡就是一种特殊的CPU卡。
33

IC卡的类型(按使用方式分类)
? 接触式IC卡(如电话IC卡) ? 表面有方型镀金接口,共8个或6个镀金触点。使用 时必须将IC卡插入读卡机,通过金属触点传输数据 。 ? 用于信息量大、读写操作比较复杂的场合,但易磨损 、怕脏、寿命短 ? 非接触式IC卡(射频卡、感应卡) ? 采用电磁感应方式无线传输数据,解决了无源(卡 中无电源)和免接触问题 ? 操作方便,快捷,采用全密封胶固化,防水、防污 ,使用寿命长 ? 用于读写信息较简单的场合,如身份验证等

接触式IC卡

接触式IC卡的结构

非接触式IC卡 34

非接触式IC卡在身份证中的使用
? 第二代身份证使用非接触式CPU卡,可实现“电子防伪”和“ 数字管理”两大功能 :
? 电子防伪措施:个人数据和人脸图像经过加密后存储在芯片中, 需要时可通过非接触式读卡器读出进行验证。需要时还可以将人 体生物特征如指纹等保存在芯片中,以进一步提高防伪性能 ? 数字管理功能: ? 存储器能储存多达几兆字节的信息,采用分区存储,按不同安 全等级授权读写

? 采用数据库和网络技术,实现全国联网快速查询和身份识别, 将使二代证在公共安全、社会管理、电子政务、电子商务等方 面发挥重要作用

35

1.3
1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4

通信技术入门

通信的基本原理 模拟通信与数字通信 光纤通信和无线通信 移动通信

36

1.3.1

通信的基本原理

? 通信系统的基本模型

? 调制与解调 ? 多路复用技术

37

什么是通信(communication)?
? 通信就是信息的(远距离)传递与交流 ? 现代通信——使用电波或光波传递信息的技术,也称为电信(teleco mmunication),如电报、电话、传真、电子邮件、BBS、QQ等 ? 通信的发展历史: ? 1836年,英国建成第一条电报线路(Morse电报) ? 1876年,美国人A.G.Bell研制成可供实用的电话 ? 20世纪初,马可尼实现了跨越大西洋的无线电报通信 ? 1918年出现收音机和无线电广播 ? 1938年第一个电视台开始播出 ? 1940’s 出现彩色电视 ? 1960’s 出现计算机网络

38

对通信系统的一般要求
? 远距离:传输距离要远 ? 低成本:传输成本要低 ? 高速度:从发生到接收延迟时间要短 ? 可靠:传输的信息不能有错误 ? 方便:任何时间和地点都能通信

? 安全:传输的信息要保密,不能泄漏

39

通信系统的模型
? 通信的三要素: 信源(宿)
发送信息 的设备

信息的载体与传播媒介。信道 的任务是迅速、可靠而准确地 将信号从信源传输到信宿

信 号

信道

信 号

信宿(源)

? 举例:
信源/信宿 信号

被传输的信息都必须以 某种电(或光)信号的形 式才能进行传输
有线电话
电话座机 话音经电话机转换成 为变化的电流信号 手机 话音经电话机转换成为压缩 编码后的数字信号

接收信息 的设备
计算机通信
计算机 编码、打包后的数字信号

移动电话

信道

电话线和中继器等传 输设备

无线电波、基站等

双绞线、集线器、路由器、光 纤等

40

信道的种类
? 按传输的信号类型可将信道分为: ? 模拟信道:传输连续的模拟信号的信道 特点:频带窄,信道利用率高;受噪声干扰大 例如:传输语音信号的架空明线、双绞线,传输广播电视信号的 宽带同轴电缆 ? 数字信道:传输离散的数字信号 特点:信号不失真,准确性高;数字设备可大规模集成,价格便 宜;易于加密;要求频带宽,信道利用率低 例如:传输计算机通信所用的信号的基带 同轴电缆、光缆等
41

信道的种类
? 按信号的传输媒体可将信道分为: ? 有线信道:电缆、光缆

? 无线信道:自由空间

42

模拟信号与数字信号
? 通信系统中被传输的信息必须转换成某种电信号(或光信号) 才能进 行传输 ? 电信号(或光信号) 有两种形式: ? 模拟信号形式: 通过连续变化的物理量( 如信号的幅度)来表示信息,例如人们打
信号 强度

电话或者播音员播音时声音经话筒(麦克
风)转换得到的电信号; ? 数字信号形式: 使用有限个状态(一般是2

模拟信号
信号 强度

t

个状态)来表示(编码)信息,例如电报
机、传真机和计算机发出的信号都是数字 信号

t 数字信号
43

模拟信号如何传输?
? 近距离传输:
? 直接传输 (如:MP3播放器 ->耳机 ;计算机输出信号-> 投影仪)

? 远距离传输:
? 通过载波来传输模拟信号(如:广播电台->收音机)

? 什么是载波? ? 研究发现,高频振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信

号传送得更远。因此若把高频振荡的正弦波信号作为携带信息的
载波,把模拟信号放在(调制在)载波上传输,则可比直接传输远 得多

44

模拟信号如何进行载波传输? —— 三种调制方法
载波信号
(高频正弦波)

调制信号 (连续信号)
调幅(AM)

调频(FM) 调相(PM)

实现信号调制与解调的设备分别称为“调制器”和“解调器”:
传输 信号

调制器
载波信号

调制后的 载波信号

调制后的 载波信号

解调器
载波信号

传输 信号

45

两类数字信号:
?基带信号: 用两种不同的电压值表示数字1和0的信号,需 在数字信道上传输。 ?宽带信号:

将基带信号进行调制,将其频谱搬移到较高的
频率处而形成的模拟信号,这种模拟信号可以采用频 分复用技术在模拟信道上传输。

46

数字信号如何传输?
? 远距离传输方法——通过载波来传输数字信号(频带传输) ? 近距离传输方法——基带传输 ? 近距离传输时:不加处理直接进行(如:USB连接) ? 较长距离传输:需作码型转换(如:以太网中传输数字信号)
计算机
NRZ 码

码型 变换器
(网卡)

曼彻斯特 编码

双绞线

曼彻斯特 编码

码型 变换器
(网卡)

NRZ 码

计算机

含有直流成分, 不便于同步,不 适合直接传输 平均直流电平为0, 电平的变化可作 为同步信号

二进位信号的 不归零制(NRZ)编码 二进位信号的 曼彻斯特编码

0

0

1

1

0

1
电平从低 到高表示 0,从高到 低表示1
47

数字信号的三种调制方法
载波信号
(高频正弦波)

调制信号 (两个状态)
幅移键控 (ASK) 频移键控 (FSK)

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

0

相移键控 (PSK)

数字调制、解调器:
传输 信号

调制器
载波信号

调制后的 载波信号

调制后的 载波信号

解调器

传输 信号

载波信号

48

小结1: 远距离通信必须使用MODEM
? 通信一般是双向进行的,收发双方都需要调制器与解调器, 它们通常做在一起,称为调制解调器(MODEM)
信源(宿)
信号

调制 (解调)器 载波

调制后 的载波 信道

调制后 的载波

(调制) 解调器 载波

信号

信宿(源)

信源信号通过调 制器 调整载波 的某个参数(幅 度、频率或相位)

经过调制后的载波 信号,携带着被传 输的信号在信道中 进行长距离传输

到达目的地后,使用 解调器把载波所携带 的信号检测出来,恢 复为原始信号的形式
49

怎样实现低成本传输?
? 分析:

? 通信系统中,传输线路的建设和维护成本占整个系统成本的相当大的份额
? 一条传输线路(铜线、光纤、无线电波)的容量通常远超过传输1路用户信号所需的 能力 ? 采用的技术——多路复用技术(Multiplexing) ? 为了提高线路利用率,设法在一条传输线路上,传输多个模拟信号(例如,话路信 息)或数字信号,这就是多路复用。 ? 方法: ? 频分多路复用(FDM) ? 时分多路复用(TDM)

? 波分多路复用(WDM)
终端 终端 终端 终端

信道
多路复用器

多路复用器

终端 终端 终端 终端
50

频分多路复用(FDM)
? 思想:将每个通信终端发送的信号调制在不同频率的载波上,通过频分多路复用 器(MUX)将它们复合成为一个信号,然后在同一传输线路上进行传输。抵达接收端 之后,借助分路器(DEMUX)把不同频率的载波分离出来,送到不同的接收设备

? 工作原理:
调制
f

解调 MUX

载波频率f1 调制 载波频率fn

DEMUX

共享的传输信道

载波频率f1 解调

将不同频率 的载波信号 合成在一起

使用一组滤波器 分解出不同频率 的载波信号

载波频率fn

51

频分多路复用举例
? 电视节目的发送与接收
电视图像 及其伴音 调制器
载波1

电视图像 及其伴音

调制器
载波2

电视图像 及其伴音

调制器
载波n

多 路 复 用 器

在天空中传输的 电磁波器

电视信号 发射器

电视信号 接收器

电 视 调 谐 器
(分路器)

解调器

电视节目

频道

载波频率(MHz)

频道

载波频率(MHz)

频道

载波频率(MHz)

1 2 3 4

87.75 95.75 103.75 115.25

5 6 7 8

123.25 206.25 214.25 222.25

9 10 11 12

230.25 238.25 246.25 254.25
52

时分多路复用(TDM)
把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息。

? 思想:各通信终端(计算机、电话)以规定的顺序和时间轮流使用同一传输 线路进行数据传输
? 工作原理:
终端 4 H G F E 终端 1 D H D 终端丁 G C HGF E D CBA F B 终端丙 终端乙 E A 终端甲

多路复用器
C B

多路分路器

终端 3 终端 2

数据

传输线路
A

t
43214321 时间片

Multiplexer

Demultiplexer

53

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

54

小结2: 多路复用可以降低通信成本
? 通信系统的原理示意图
信源 (宿) 信源 (宿)
调制解调器 调制解调器

信源 (宿) 信源 (宿)

调制解调器

复用 (分路)

信道

???
信源 (宿)
调制解调器

复用 (分路)

调制解调器

???
调制解调器

信源 (宿)

频分多路、时分多路和波 分多路等技术可以同时使 用,以提高复用效率

多路复用技术使得成千上 万路通信可以在同一条传 输线上同时进行,大大节 省了通信成本
55

1.3.2

模拟通信与数字通信

? 模拟通信

? 数字通信 ? 数字通信系统

56

模拟通信
? 信源产生的模拟信号直接进行传输或者通过对载波调制后进行 传输的通信技术称为模拟通信技术 ? 应用:
? (传统的)有线载波电话 ? 无线电广播 ? 电视(卫星电视、数字有线电视除外)

? 优点:历史长,技术成熟,结构简单,成本低 ? 缺点:在信号的调制和传输过程中易受噪声干扰,传输质量不 够稳定 ? 趋势:已经越来越多地被数字通信所取代

57

模拟通信技术应用举例(1)
? 传统的有线载波电话
用户线 本地交换机

2x2交换机原理
长途线 本地交换机 中继线 电子开关

中继线

长途交换机

长途交换机

用户线

MODEM
载波1

MODEM
载波2

MODEM
载波n

多 路 复 用 分 路 器

传输线路
(中继线和长途线)

多 路 复 用 分 路 器

MODEM
载波1

MODEM
载波2

(

使用对称电缆或同轴电缆,前者每 一对线可传输60路电话,后者可提 供成千上万个话路

(

)

)

MODEM
载波n

58

模拟通信技术应用举例(2)
? 电话拨号上网: 利用模拟传输技术传输数字信号

59

模拟通信技术应用举例(3)
? 家庭计算机用户通过电话拨号接入计算机网络 模拟通信技术

数字 信号

数字 信号

计算机
家庭用户

MODEM

本地 电话网

MODEM

计算机网络
因特网服务提供商(ISP)

调制解调器把计算机送出的 数字信号,采用数字调制(频 移键控或相移键控)的方法, 调制成为适合于在用户电话 线上传输的音频模拟信号

音频模拟信号在本 地电话网中,采用 模拟传输技术进行 传输

因特网服务提供商把 接收到的模拟信号, 通过解调器恢复成数 字信号送给计算机

? 目前电话上网的最高传输速率: 56Kbps
60

什么是数字通信?
?

将信源产生的模拟信号转换为数字信号(或信源直接产生数字 信号)之后,直接进行传输或通过用数字信号对载波进行数字 调制来传输信息的技术称为数字通信 数字通信技术的优点:
? ? ?

?

抗干扰能力强,差错可控制,无噪声积累,传输质量高 灵活性好,能适应多种应用需求,声音、图像、数据均可传输 传输的数字信号可以直接由计算机进行存储、管理和处理

?
?

数字信号的加密比模拟信号容易,所以通信的安全性高
数字电路容易用超大规模集成电路实现,有利于通信设备的小型化、 微型化,也降低了功耗

61

数字通信采用的技术
?

数字调制/解调技术
?

调幅;调频;调相

?

多路复用技术
?

时分多路;频分多路;波分多路
电路交换;分组交换

?

交换技术
?

?
?

模-数和数-模转换技术;
数字编码和数据压缩技术
62

数字通信技术应用举例(1)
? 当今长途电话系统的中继通信
模拟传输技术
PCM 编码器

数字传输技术

模拟传输技 术
PCM 解码器
分 路 器 PCM 解码器 (用户线) (本地电话局)

PCM 编码器 (用户线)

多 光纤传输线路 路 复 (中继线和长途线) 用 器

(本地电话局)

模拟声音信号在需要进 行远距离传输之前,先 使用PCM编码器变换 为数字信号形式(此过 程称为“数字化”)

数字信号经调制和复用 后,通过光纤传输到接 收方所在地区的交换局, 再经解调和分路处理, 恢复为数字信号

接收方所在地区的交换 局使用解码器把数字信 号还原成模拟声音信号 后,由用户线传输至接 听方的电话机
63

补充:PCM编码
? PCM(脉冲编码调制)原理:将模拟信号按时间间隔T取样,再 把取样得到的每一个样本用二进制整数表示 A
10 3 2 4 5 5 0 1 6 7

取样周期

样本

12

8

9

10

11

t
T 样本 量化值 PCM码 样本 量化值 PCM码

? PCM编码的结果,就 是将模拟信号转换 成为一组数字信号

1 2 3 4 5 6

3 8 10 9 6 4

0011 1000 1010 1001 0110 0100

8 7 9 10 11 12

3 4 3 4 4 6

0011 0100 0011 0100 0100 0110

64

数字通信技术应用举例(2)
? 卫星电视数字传输:用数字传输技术传输模拟信号
数字传输技术
电视图像 及其伴音 数字 调制
载波 电视信号 发射器

编码器

在空中传输 的电磁波器 电视信号 接收器

数字 解调
载波

解码器

电视机

电视台的节目在发送到 卫星去传输之前,先要 把图像和伴音信号进行 数字化,还要进行数据 压缩

数字信号经调制和复 用后由天线发送至卫 星,再由卫星进行转 发,被卫星地面接收 站所接收

地面站对接收到的信号 进行解调、解码后恢复 为模拟信号,再经由有 线电视电缆送到用户电 视机上播放

65

小结:数字通信系统的模型
信 源
压 缩 编 码 加 密 编 码 信 道 编 码 调 制 与 复 用 信 道
噪声

解 调 与 分 路

信 道 解 码

解 密

解 压 缩

信 宿

信源编码

信源解码

发送端
为了进 行可靠 的传输 为了高效率地 进行远程传输

接收端

66

数字通信系统的主要性能指标
? 数据传输速率(简称数据速率, data rate)

? 指实际进行数据传输时单位时间内传送的二进位数目
? 计量单位: “位/秒”(bps) 、“千位/秒”(kbps) 、“兆位/秒”(Mbp s) 或“千兆位/秒”(Gbps)等 ? 信道带宽(也称为信道容量, bandwidth) ? 一个信道允许的最大数据传输速率 ? 信道带宽与采用的传输介质、传输距离、多路复用方法、调制解调方法 等密切相关

? 误码率(error rate)
? 指数据传输中规定时间内出错数据占被传输数据总数的比例 ? 端-端延迟(end-end delay) ? 指数据从信源传送到信宿所花费的时间。
67

1.3.3 光纤通信与无线通信
? 传输介质的类型与特点

? 光纤通信 ? 无线通信

68

传输介质的类型与特点
介质
金属导体

类型
双绞线 同轴电缆

特点
成本低,易受外部高频电磁波干扰, 误码率较高;传输距离有限 传输特性和屏蔽特性良好,可作为传 输干线长距离传输载波信号,但成本 较高

应用
固定电话本地回路、 计算机局域网 固定电话中继线路、 有线电视接入

光导纤维

光缆

传输损耗小,通讯距离长,容量大,屏 电话、电视等通信系 蔽特性非常好,不易被窃听,重量轻, 统的远程干线,计算 便于运输和铺设。缺点是精确连接两根 机网络的干线 光纤很困难 建设费用低,抗灾能力强,容量大,无 线接入使得通信更加方便.但易被窃听、 易受干扰 广播,电视,移动通 信系统,计算机无线 局域网

无线电波 微波 红外线 激光

69

双绞线
? 原理:利用电流(电压)传输信息
? 双绞线分类

无屏蔽双绞线

? 3类线(10 Mb/s); ? 5类线(100Mb/s); 套管
信号线

? 6类线(200Mb/s)
? 无屏蔽双绞线 (UTP); ? 屏蔽双绞线 (STP)

地线 RJ45接头

?常见应用 电话系统(模拟信号) 局域网(数字信号)
70

双绞线
特点: ? 数字信号、模拟信号均可传输 ? 各线对采用双扭线,减少了线对之间的串扰 ? 频带较电话线宽,每对线可传输60路电话信号,多线 对能提供上千个话路,适用于干线通信 缺点: ? 容易受到外部高频电磁波干扰,且线路本身会产生一 定噪声,误码率较高 ? 如用作数据通信网络的传输介质,每隔一定距离需要 使用中继器或放大器
71

同轴电缆
? 同轴电缆分类 ? 基带同轴电缆(50Ω ) ?传输数字信号 ? 宽带同轴电缆(75Ω ) ?传输模拟信号
? ? ? 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 主要用于传输干线
金属屏蔽 外绝缘层

内层导线 绝缘体

同轴电缆

常见应用: 有线电视系统(模拟信号)

局域网(数字信号)

72

光线 光纤与光缆

? 光导纤维(光线的入射角足够大时,就会出现全反射,重复此 过程,光就沿着光纤传播下去)
光波

纤芯

光波在光纤中的传播

? 光缆

包层

保护层

多根光纤
保护层 防止光泄漏的吸收外壳 起保护作用的防护层 外绝缘层
73

光纤与光缆
?传输的信号:光信号(数字信号,有光脉冲相当于1,无光脉冲相当于0) ?传输速率:1 Gb/s 以上

光缆示意图
74

光纤通信原理
? 光纤主要用于传输数字信号, 0信号或1信号直接对光进行调制(即控制激光的通或断 ——幅移键控ASK)

? 光波的频率为1014~1015Hz,目前一束光每秒能携带2.5G或10G的二进位信号,通过波
分多路复用(WDM)技术还可达到更大的通信容量
光纤 驱动 电路 光源 光调 制器 中继器 光纤 放大 电路 光检 测器 输出 电路

电信号

电信号

发送单元(电/光转换)

传输单元

接收单元(光/电转换)

在发送端,由需要传输的 数字信号(电信号)去驱 动一个光源(半导体激光 器或发光二极管),并对 发出的光信号进行调制

调制后的光信号通过光纤 进行传输,为了补偿光纤 线路的损耗,消除信号失 真和噪声干扰,每隔一定 的距离要接入中继器

在接收端,信号经放大后 由光检测器(半导体光电 管)进行检测、解调,转 换成电信号之后输出
75

波分多路复用(WDM)
? 为提高传输效率,1根光纤中可以同时传输几种不同波长的光波,每种光波各自传输自 己所携带的信息,速率可达到 40G-100Gbit/s ? 原理:

发送端有N个 发送单元,它 们各自发出不 同波长的光波

通过复用器(称 为合波器)合并 起来,进入同一 根光纤进行传输

接收端用分路器(称为 分波器)将不同波长的 光分开,分别送到各 自的光电检测器恢复 出原始信号

光纤

76

光纤通信
? 光纤通信优点

? 传输频带非常宽,通信容量大 ? 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 数据速率为420Mbps、距离为119km、无中继器时,误码率为10-8

? 重量轻,便于运输和铺设
? 光纤通信缺点

? 精确连接两根光纤比较困难

77

无线通信
? 原理:模拟信号或数字信号使用电磁波调制后进行传输
电磁波的种类与频率范围
无线电波: 104 ~ 1011 (Hz) 中波: 0.3 ~ 3 (MHz) 无线广播 短波: 3 ~ 30 (MHz) 超短波: 30 ~ 300 (MHz) 电视、通信 微波: 0.3 ~ 300 (GHz) 红外线: 1011 ~ 1014 (Hz) 通信 可见光: 1014 (Hz) 紫外线: 1014 ~ 1016 (Hz) 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 Hz
同轴电缆 AM广播 FM广播和TV 地面微波 卫星 中波 短波 超短波 无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线 78 光纤

104

105
双绞线

106

微波通信
? 微波:300MHz~300GHz范围内的电磁波 ,波长为1 m~1mm
?特点:

?直线传播,不能沿地球表 面传播(无绕射性),需 要每隔几十公里设立一个 中继站 ?容量大、可靠性高 ?建设费用低

?抗灾能力强
?应用:长途电话、蜂窝移动电 话、全数字高清晰度电视(HD TV)等
79

卫星通信
? 卫星通信: 中继站在人造地球卫星上的一种微波
通信卫星

通信 ? 优点:通信距离远、频带宽、容量大、抗干 扰强、通信稳定 ? 缺点:造价高、技术复杂、有较大延时、同 步轨道卫星数目仅180颗
卫星

地 球 地面站1 地面站2

赤道上方高度为35800公里的地方为地球同

步轨道,卫星的运行周期与地球自转一圈的
35800公 里

周期相同,在地面上看这种卫星好似静止不 动。一颗同步轨道卫星覆盖约120°, 3颗 同步定点轨道卫星可以覆盖地球的几乎全部

地球 卫星 卫星

面积,进行二十四小时的全天候通信
80

1.3.4

移动通信

? 什么是移动通信

? 移动通信原理 ? 第2代和第3代移动通信

81

什么是移动通信?
? 处于移动状态的对象相互间的通信,如手机、无绳电话、寻呼系统等 ? 优点:克服通信终端位置对用户的限制,快速和及时地传递信息

移动电 话交换 中心 基站 移动台 (手机)

公用电话网

82

蜂窝移动通信原理
? 每10km~20km的区域称为单元(形似 蜂窝),单元的中央建有一个基站,该 单元内所有手机都向该基站发送信号并 接收基站发给的信号 ? 所有单元既相互分割,又彼此有所交叠 ,连成整个移动通信服务网 ? 所有基站都通过微波或电缆、光缆与移 动交换中心通信 ? 手机每个时刻都处于某个特定单元的基 站控制之下,通话时使用两个频率(一 个上行频率,一个下行频率),同一单 元内同一时刻的不同手机使用不同的频 率进行通信,相互不影响

移动 交换 中心 电话交 换中心
? 每个蜂窝单元中有200多个信

道(GSM)。
? 相邻单元不允许使用相同的 频率,不相邻单元的频率允 许重用

83

第二代移动通信系统
? 传输的是数字化的语音/文字信号 ? 使用频段:900MHz/1800MHz ? 我国使用的2种标准:
? GSM(欧洲移动通信系统,也称全球通、全数字系统) ? 中国电信的GSM网已基本实现县以上城市的覆盖, 接入号有13 9~135、130
? 采用频分多路复用技术(分为124个上下行信道)和时分多路复用(每 个信道8个连接),每个蜂窝理论上支持992个连接,实际上可有20 0多个

? CDMA (码分多址接入,Code Division Multiple Access) ? 所有手机都占用相同带宽和频率,在整个频段上进行信号传输 ,但它们分别采用不同的编码原理加以区分,即CDMA给每一 手机分配一个唯一的码序列(扩频码),并用它对承载信息的 信号进行编码 ? 抗干扰能力强,系统容量大,接通率高,噪声小,

84

第三代数字移动通信系统
? 第2代移动通信的不足:
(1)数据传输速率过低(9.6kb/s或57kb/s) (2)容量有限,不能满足发达地区手机用户高度密集的要求。 (3)不能实现覆盖全球的无缝连接

? 第3代移动通信技术(简称3G)的目标:
(1)全球漫游 (2)适应多种环境,地面移动通信与卫星移动通信相结合 (3)提供高质量的话音通信、数据通信和高分辨率图像通信 (4)提供足够的系统容量,具有高保密性和优质的服务 ? 技术: ? 频谱:1885 MHz ~2025MHz,2110MHz~2200MHz ? 传输速率:室内:2Mb/s,步行:384kb/s,快速移动:114kb/s ? 标准:WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA(时分-同步码分多址接入)

85

附:现代电话通信网络
通信卫星 地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备 地 球 站 微 波 设 备 光 传 输 终 端 设 备 市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备 长 途 交 换 设 备 数 字 多 路 设 备 数 字 多 路 设 备 长 途 交 换 设 备 市 内 交 换 设 备 移 动 交 换 设 备 基 站 基 站

用户

基 站 基 站

光再生中继设备 (光放大器)

长途网 本地网 移动网 本地网

86

小结
? 什么是通信? ? 使用电波或光波传递信息 ? 对通信系统的要求: ? 远距离——调制解调技术(MODEM) ? 低成本——多路复用技术(Multiplexer)+交换技术(Switch)

? 高速度——光纤通信技术
? 可靠——信号不失真、无差错、保证通信畅通(数字通信) ? 方便——移动通信技术(无线、数字通信) ? 安全——加密、身份认证(数字通信) ? 目前许多通信系统既采用模拟通信技术,也采用数字通信技术,总的趋势是数 字化、光纤化
87

1.4 数字技术基础
1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5 比特 比特与二进制数 整数(定点数)的表示 实数(浮点数)的表示 小结

88

1.4.1

信息的基本单位
——比特(bit)
? 什么是比特 ? 比特的逻辑 ? 比特的存储
89

什么是比特?
? 比特(bit,binary digit的缩写)中文翻译为“二进 位数字”、“二进位” 或简称为 “位” ? 比特只有 2 种取值:0,1

? 如同DNA是人体组织的最小单位、原子是物质的最小
组成单位一样,比特是组成数字信息的最小单位 ? 数值、文字、符号、图像、声音、命令··都可以使 ·· ·· 用比特来表示,其具体的表示方法就称为“编码” 或“代码”
90

例 用 比 特 表 示 图 像
91

比特在计算机中如何表示?
? 在计算机中表示二进位的方法:

?电路的高电平状态或低电平状态(CPU) ?电容的充电状态或放电状态(RAM) ?两种不同的磁化状态(磁盘) ?光盘面上的凹凸状态(光盘) ????

92

例1:CPU内部二进位信息的表示
? CPU内部通常使用高电平表示1,低电平表示0
0 3.3V 2.8V 1 0

0.5V
0.0V

+3v V 0 0

1

93

例2:磁盘存储器中比特的表示
? 磁盘表面微小区域中,磁性材料粒子的两种不同的磁化状 态分别表示0和1
磁盘 表面

磁性材料粒子

94

例3:CD/DVD盘片上比特的表示
? 光盘表面的凹、凸状态用于表示和存储二进位信息

CD光盘表面

DVD光盘表面
95

比特的三种基本逻辑运算
? 比特的取值“0”和“l” 可表示两种不同的状态(例如电位的 高或低、命题的真或假) ? 比特的运算使用逻辑代数,它有3种基本逻辑运算: ? 逻辑加(也称“或”运算,用符号“OR”、“∨”或“+ ”表示) ? 逻辑乘(也称“与”运算,用符号“AND”、 “∧”或“ · ”表示,也可省略) ? 取反(也称“非”运算,用符号“NOT”或上横杠“?”表 示)
96

逻辑运算的规则
逻辑加: F = A ∨ B
A: B: F: A: B: F: 0 ∨0 0 0 ∧0 0 0


0 ∨1 1

1
∨0

1 1 ∧0 0

1 ∨1 1 1


逻辑乘: F = A · B
1 1 1 0

? 两个多位的二进制信息进 行逻辑运算时,按位独立 进行,即每一位都不受其 它位的影响:

例1
A: B: ∨ F: 0110 1010 1110

取反: F = NOT A A: NOT 0 NOT F: 1 0

例2 1
A: 0110 B: ∧ 1010 F: 0010

97

比特的存储(1)
? 存储(记忆)1个比特需要使用具有两种稳定状态的元器件 ,例如:开关、灯泡等。 ? 在计算机的CPU中,比特使用一种称为“触 发器”的双稳态电路来存储 ? 触发器有两个状态,可分别用来记忆0和1, 1个触发器可存储1个比特
Q

Q

? 一组(例如8个或16个)触发器可以存储1组 比特,称为“寄存器”
? CPU中有几十个甚至上百个寄存器




Sd

Rd

断电后信息不再保持!
98

比特的存储(2)
? 计算机存储器中用电容器存储二进位信息:当电容的两极被加 上电压,它就被充电,电压去掉后,充电状态仍可保持一段时 间,因而1个电容可用来存储1个比特
字线
C

信息存储原理 ? 电容C处于充电状态 时,表示1

存储单元
位线
读放大器

? 电容C处于放电状态 时,表示0

? 集成电路技术可以在半导体芯片上制作出以亿计的微型电容器, 从而构成了可存储大量二进位信息的半导体存储器芯片

断电后信息不再保持!
99

比特的存储(3)
? 磁盘:利用磁介质表面区域的磁化状态来存储二进位信息
磁性材料粒子
磁盘 表面

? 光盘:通过“刻”在光盘片表 面上的微小凹坑来记录二进位 信息

断电后信息可以保持!
100

存储容量的计量单位
? 8个比特=1个字节(byte,用大写B表示) ?计算机内存储器容量的计量单位:
? KB: 1 KB=210字节=1024 B (千字节) ? MB: 1 MB=220字节=1024 KB(兆字节) ? GB: 1 GB=230字节=1024 MB(吉字节、千兆字节) ? TB: 1 TB=240字节=1024 GB(太字节、兆兆字节)

?外存储器容量经常使用10的幂次来计算:
? 1MB=103 KB =1 000 KB ? 1GB=106 KB =1 000 000 KB ? 1TB= 109 KB = 1 000 000 000 KB
101

1.4.2

比特与二进制数

? 不同进位制数的表示和含义

? 不同进位制数的相互转换 ? 二进制数的算术运算

102

不同进位制数的表示和含义
? “数”是一种信息,它有大小(数值),可 以进行四则运算
? “数”有不同的表示方法。日常生活中人们 使用的是十进制数,但计算机使用的是二进 制数,程序员还使用八进制和十六进制数, 它们怎样表示?其数值如何计算?

103

1、十进制 ?数码为:0~9;基数是10。 ?运算规律:逢十进一,即:9+1=10。 ?十进制数的按权展开式: 5?103=5000 5?102= 5?101= 5?100= 50
103、102、101、100称 为十进制的权。各数 500 位的权是10的幂。

任意一个十进制数 5 都可以表示为各个 + 数位上的数码与其 5 5 5 5 =5555 对应的权的乘积之 ?同样的数码在不同的数位上代表的数值不同。 和,称按权展开式。 又如:(209.04)10= 2?102 +0?101+9?100+0?10-1+4 ?10-2

即:(5555)10=5?103 +5?102+5?101+5?100

?标志: 尾部加D
104

2、二进制 ?数码为:0、1;基数是2。 ?运算规律:逢二进一,即:1+1=10。 ?二进制数的按权展开式: 如:(101.01)2= 1?22 +0?21+1?20+0?2-1+1 ?2-2 =(5.25)10

各数位的权是2的幂
?标志: 尾部加B
105

3、八进制 ?数码为:0~7;基数是8。 ?运算规律:逢八进一,即:7+1=10。 ? 标志:尾部加Q ?八进制数的权展开式: 如:(207.04)8= 2?82 +0?81+7?80+0?8-1+4 ?8-2 =(135.0625)10 4、十六进制

各数位的权是8的幂

?数码为:0~9、A~F;基数是16。 ?运算规律:逢十六进一,即:F+1=10。 ?标志:尾部加H ?十六进制数的权展开式: 如:(D8.A)2= 13?161 +8?160+10 ?16-1=(216.625)10

各数位的权是16的幂

106

结论

①一般地,N进制需要用到N个数码,基数是N;运算规 律为逢N进一。 ②如果一个N进制数M包含n位整数和m位小数,即 (an-1 an-2 … a1 a0 ·a-1 a-2 … a-m)2 则该数的按权展开式为: (M) = an-1?Nn-1 + an-2 ?Nn-2 + … +a1?N1+ a0 ?N0 +a-1 ?N-1+a-2 ?N-2+… +a-m?N-m

③由按权展开式很容易将一个N进制数转换为十进制数

107

不同进制数的相互转换
?熟练掌握不同进制数相互之间的转换, 在编写程序和设计数字逻辑电路时是很 有用的

108

数制转换
将N进制数按权展开,即可以转换为十进制数。 1、二进制数与八进制数的相互转换
1位八进制 数与3位二 进制数的对 应 关 系 :
八进制数 0 1 2 3 二进制数 000 001 010 011 八进制数 4 5 6 7 二进制数 100 101 110 111

(1)二进制数转换为八进制数: 将二进制数由小数点开 始,整数部分向左,小数部分向右,每3位分成一组,不够 3位补零,则每组二进制数便是一位八进制数。

0 0 1 1 0 1 0 1 0 . 0 1 0 = (152.2)8
109

(2)八进制数转换为二进制数:将每位八进制数用3位二进

制数表示。

(374.26)8 = 011 111 100 . 010 110
2、二进制数与十六进制数的相互转换 ? 1位十六进制数与4位二进制数的对应关系:

十六进制数 0 1 2 3 4 5 6 7

二进制数 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111

十六进制数 8 9 A B C D E F

二进制数 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
110

二进制数与十六进制数的相互转换, 按照每4位二进制数对应于一位十六进制 数进行转换。
0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 . 0 1 1 0 = (1E8.6)16 (AF4.76)16 = 1010 1111 0100 . 0111 0110

111

3、十进制数转换为二、八、十六进制数
? (以二进制为例:215.6875D) ? 转换原则:整数部分:用除以2逆序取余 小数部分:用乘以2顺序取整,转换后再合并。

? 整数部分:

? 例:

除基数取余.
取余时, 由下而上

11010111

2 215 2 107 2 53 2 26 2 13 2 6 2 3 2 1 0

.....1 .....1 .....1 .....0 .....1 .....0 .....1 .....1
112

小数部分:

乘基数取整.
(只乘小数部分) 取整时, 由上而下

例:

0.1011

0.6875 * 2 1..... 1.3750 1 * 2 0..... 0.7500 0 * 2 1..... 1.5000 1 * 2 1..... 1.0000 1

(215.6875)10=(11010111.1011)2
113

注 意:
十进制小数(如0.63)在转换时会出现
二进制无穷小数,这时只能取近似值

采用基数连除、连乘法,可将十
进制数转换为任意的N进制数。

114

几种进制数之间的对应关系
十进制数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 二进制数 00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000 01001 01010 01011 01100 01101 01110 01111 八进制数 0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 十六进制数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E 115 F

二进制数的算术运算
? 1位二进制数的加、减法运算规 和 进位 则: 被加数 加数
0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 被减数 减数 0 0 0 1 1 0 1 1 差 0 1 1 0 借位 0 1 0 0

(a)加法规则

(b)减法规则

?2个多位二进制数的加、减法运算举例:
0101 + 0100 1001 1001 - 0100 0101

由低位到高位逐 位进行!
116

小结:数字技术的基础——二进制
? 二进制数的运算有2类:

? 逻辑运算:∨,∧,NOT. 按位进行,不考虑进位 ? 算术运算: +, - , x , / . 进行,需考虑低位的进位(借位) 从低位到高位逐位

? 逻辑运算可以用门电路(与门、或门、非门等)实现 ? 算术运算可以表达为逻辑运算,因此二进制数的四则运算同样 也可以使用门电路来实现 ? 成千上万个门电路可以制作在集成电路上,工作速度极快,因 而能高速度地完成二进制数的各种运算
117

1.4.3

整数(定点数)的表示

? 计算机中数的类型

? 无符号整数的表示 ? 带符号整数的表示

118

PC机中数的主要类型
小数点固定隐含 在个位数右面

整数 计 (定点数) 8位(-27 +1~27-1) 算 带符号整数 16位(-215 +1~215-1) 16位整数 机 32位(-231 +1~231-1) 短整数 中 64位(-263 +1~263-1) 长整数 的 32位(单精度浮点数) 数 实数 64位(双精度浮点数) (浮点数) 128位(扩充精度浮点数) 小数 点不
固定

无符号整数

8位(0~28-1) 16位(0~216-1) 32位(0~232-1)

? 都采用二进制表示,有不同类型和不同长度 ? 不同类型和不同长度的数各有不同的用途

119

无符号整数的表示
? 采用“自然码”表示: ? 取值范围由位数决定:

? 8位:

可表示0~255 (28-1)范围内 的所有正整数
? 16位:

可表示0~65535(216-1)范围 内的所有正整数
? n位: 可表示 有正整数。 0~2n-1范围内的所

十进制数 8位无符号整数 0 00000000 1 00000001 2 00000010 3 00000011 4 00000100 5 00000101
??? ???

252 253 254 255

11111100 11111101 11111110 11111111
120

带符号整数的表示(1)
? 表示方法:用1位表示符号,其余用来表示数值部分
最 高 位 最 低 位

??? 符号位
数值部分 ? 符号如何表示? 用最高位表示,“0”表示正号(+),“1”表示负号(-) ? 数值部分如何表示?
(1) 原码表示: 整数的绝对值以二进制自然码表示 (2) 补码表示: 正整数:绝对值以二进制自然码表示 负整数:绝对值使用补码表示

举例: [+43]的8位原码为: 00101011 [- 43]的8位原码为: 10101011
121

带符号整数的编码表示(2)
? 负数的绝对值如何用补码表示?

1. 先表示为自然码 2. 将自然码的每一位取反码 3. 在最低位加“1” ? 例1: [- 43]用8位补码表示 所以:
[- 43] 的8位补码为:11010101 ? 例2: [- 64]用8位补码表示 所以: [- 64] 的8位补码为:11000000

(1) (2) (3) (1) (2) (3)

43 => 0101011 取反: 1010100 加1: 1010101 64 => 1000000 取反: 0111111 加1: 1000000
122

带符号整数的编码表示(2)
77 1001101
原码 反码 补码
1 1 0 0 1 1 0 1
1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1

-77

123

带符号整数的编码表示(3)
? 优缺点分析: ? 原码表示法 ? 优点:与日常使用的十进制表示方法一致,简单直观 ? 缺点:加法与减法运算规则不统一,增加了成本;整数0 有“00 000000”和“10000000”两种表示形式,不方便 ? 补码表示法 ? 优点:加法与减法运算规则统一, 没有“-0”,可表示的数比原 码多一个

? 缺点:不直观,人使用不方便
? 结论:带符号整数在计算机内不采用“原码”而采用“补码”的形式表 示!

124

带符号整数的编码表示(4)
? 原码可表示的整数范围

8位原码: - 27+1~27- 1(- 127~127)
16位原码: - 215+1~215- 1(- 32767~32767) n 位原码: - 2n-1+1~2n-1- 1 ? 补码可表示的整数范围 8位补码:- 27~27- 1 (- 128~127 )
- 128表示为 10000000 +127 表示为 01111111

n位补码:- 2n-1~2n-1- 1
125

小结:3种整数的比较
? 计算机中整数有多种,同一个二进制代码表示不同类型的整数时, 其含义(数值)可能不同 ? 一个代码它到底代表哪种整数(或其它东西),是由指令决定的
8位二进制码 表示无符号整数 时的数值 0 1 ?? 127 128 129 ?? 255 表示带符号整数(原码) 时的值 0 1 ?? 127 - 0 - 1 ?? - 127 表示带符号整数(补码) 时的值 0 1 ?? 127 - 128 - 127 ?? - 1

0000 0000 0000 0001 ?? 0111 1111 1000 0000 1000 0001 ?? 1111 1111

126

1.4.4

实数(浮点数)的表示
(选讲)

127

实数的特点与表示方法
?

特点:

? 既有整数部分又有小数部分,小数点位置不固定 ? 整数和纯小数是实数的特例 ? 任何一个实数总可以表达成一个乘幂和一个纯小数之 积 ? 例如: 56.725 = 0.56725?102

-0.0034756 = -0.34756?10-2
? 实数的表示方法(记阶法):用3个部分表示

1. 乘幂中的指数:表示实数中小数点的位置 2. 纯小数部分(尾数):表示实数中的有效数字部分 3. 数的正负(符号)
128

二进制实数的浮点表示
? 与十进制实数一样,二进制实数也可以用记阶法表示 ? 例如: +1001.011B = + 0.1001011B?2 100 -0.0010101B = -0.10101B?2-10 可见,任一个二进制实数 N 均可表示为:
二进制数的底数是2, 指数表示小数点的位 置左移4位, 用二进制表示为100。

N=±S?2P (其中, ±是该数的符号; S是N 的尾数;P是N的阶码)

129

数据在计算机中的表示方式
?因此,32位的单精度浮点数在计算机中可表示为:

31 30

24 23 22

0


阶符 阶码
阶码部分


数符 尾数
尾数部分

浮 点 数

如:

-0.0010101B = -0.10101B?2-10
130

小 结:用比特表示信息的优点
1.比特只有0和1两个符号,具有2个状态的器件和装置就能表示和存储 比特,而制造两个稳定状态的电路又很容易 2.比特的运算规则很简单,使用门电路就能高速度地实现二进制数的 算术和逻辑运算

3.比特不仅能表示“数”,而且能表示文字、符号、图像、声音,可 以毫不费力地相互组合,开发“多媒体”应用
4.信息使用比特表示以后,可以通过多种方法进行“数据压缩”,从 而大大降低信息传输和存储的成本。 5.使用比特表示信息后,只要再附加一些额外的比特,就能发现甚至 纠正信息传输和存储过程中的错误,大大提高了信息系统的可靠性

131


更多相关文档:

第一章 信息技术概论

第一章 信息技术概论_工学_高等教育_教育专区。第一章_信息技术概述__练习题_带答案).doc 一、判断题 1.现代计算机中使用的集成电路绝大部分是模拟电路。F 2...

第一章-信息技术课程发展概况

第一章 信息技术课程发展概况引言信息技术的广泛应用引发了社会层面的文化建设, 同时也引发了 对人的内在素养的某种结构性的追求, 所以我们经常可以看到这样的 描述...

第一章 计算机及信息技术概述

第一章一、填空题 计算机及信息技术概述 1. 英国数学家图灵在1936年提出了对数字计算机具有深远影响的___模型。 匈牙利 裔科学家冯.诺依曼提出了数字计算机的___...

第一章 信息技术概述

第一章 信息技术概述 1.1 信息与信息技术(选择或填空,1 道题)重要概念: 1、信息;2、信息技术; 3、信息处理系统:雷达、电视/广播系统、电话、银行及图书馆所...

第一章_信息技术概述__练习题_带答案)

第一章_信息技术概述__练习题_带答案)_其它课程_高中教育_教育专区。第一章 一、判断题 1.现代计算机中使用的集成电路绝大部分是模拟电路。F 2.集成电路芯片...

第1章信息技术概述学习指导

第1章信息技术概述学习指导_教育学_高等教育_教育专区。大一计算机复习资料第一章【目的和要求】 信息技术概述 1. 【了解】什么是信息、信息处理的过程,什么是信息...

第一章 信息技术概述

第一章信息技术概述测试题... 6页 1财富值如要投诉违规内容,请到百度文库投诉中心;如要提出功能问题或意见建议,请点击此处进行反馈。 ...

第一章 信息技术概述要点和真题

并不是所有的十进制小数均可用其它进制精确的表示出来 第一章 信息技术概述(约占 10-12 分)涉及计 算 1.信息是指事物运动的状态及变化的方式(客观),是认识...

第一章 信息技术概论

第一章 信息技术概论一、单项选择题 1、信息是人们表达、传输、保存、处理的消息、情报和知识等内容。下列各选 项中属于信息的是( (A)报纸 (C)电视机 )(B)...

第一章信息技术概述

第一章信息技术概述第一章信息技术概述隐藏>> 28114742.doc 第一章 信息技术概述 内容摘要: 1.简要介绍信息 信息技术的概念、特征、 简要介绍信息、 内容摘要: ...
更多相关标签:
第一章 职业概述 | 第一章 浙江旅游概述 | 第一章 商务秘书概述 | 演讲与沟通第一章概述 | 第一章 应用写作概述 | 第一章 性学概述测验 | 第一章电子商务概述 | 第一章 继承制度概述 |
网站地图

文档资料共享网 nexoncn.com copyright ©right 2010-2020。
文档资料共享网内容来自网络,如有侵犯请联系客服。email:zhit325@126.com