第一講電子信息工程發(fā)展史

第一講電子信息工程發(fā)展史第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一引子：

欲了解一門學(xué)科，最好的辦法是先讀讀它的歷史。第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一發(fā)展史的主要內(nèi)容1.經(jīng)典理論的主要成果；2.重要發(fā)明及其應(yīng)用；*3.歷史的啟示第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一一、重要的經(jīng)典理論發(fā)現(xiàn)1、早期的磁學(xué)研究我國古代早就發(fā)現(xiàn)了電磁現(xiàn)象。公元前2637年，我國人祖黃帝利用磁制成了羅盤針，羅盤的發(fā)現(xiàn)是我國四大發(fā)明之一。據(jù)司馬遷記載，公元前9世紀(jì)，航海家已使用指南針導(dǎo)航了。第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1600年，（相差4227年）英國物理學(xué)家吉爾伯特經(jīng)過自己實(shí)驗(yàn)得到了大量磁力現(xiàn)象，建立了重要的理論體系。他還證明了諾曼發(fā)現(xiàn)的磁傾角的存在。他曾預(yù)言在地球的北極，磁針將會(huì)變成豎直的，后來被赫德森在1609年所證實(shí)。他發(fā)現(xiàn)過兩極裝有鐵帽的磁石，磁力大大增加，并且發(fā)現(xiàn)磁石與鐵塊越靠近，吸引力越大，同時(shí)證明了磁石越大對鐵塊的吸引也越大。他還發(fā)現(xiàn)吸引是相互作用的。吉爾伯特被世人稱之為磁學(xué)之父。第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一2、早期的電學(xué)研究1600年，德國科學(xué)家?guī)炖锟酥瞥闪说谝慌_(tái)產(chǎn)生靜電的裝置。1749年，（相差145年）美國科學(xué)家富蘭克林，他在電的研究方面作了大量實(shí)驗(yàn)，他借用了數(shù)學(xué)上正負(fù)數(shù)的概念，第一個(gè)科學(xué)地用正電、負(fù)電概念表示電荷性質(zhì)。并提出了電荷不能創(chuàng)生、也不能消滅的思想，后人在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了電荷守恒定律。他最先提出了避雷針的設(shè)想，由此而制造的避雷針，避免了雷擊災(zāi)難，破除了迷信。第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一

富蘭克林簡介

他出身貧寒，10歲便輟學(xué)做工，12歲起在印刷所當(dāng)學(xué)徒、幫工．但他刻苦好學(xué)，因而，他以僅讀過兩年小學(xué)的學(xué)歷，被美國的哈佛大學(xué)、耶魯大學(xué)，英國的牛津大學(xué)、愛丁堡大學(xué)、圣安德魯大學(xué)等錄取，六七所大學(xué)授予碩士學(xué)位或博士學(xué)位。他是自學(xué)成才的典范。第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1785年（相差36年）法國人庫倫用自己發(fā)明的扭秤建立了靜電學(xué)中著名的庫侖定律。同年，他在給法國科學(xué)院的《電力定律》的論文中詳細(xì)地介紹了他的實(shí)驗(yàn)裝置，測試經(jīng)過和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1800年，（相差15年）意大利物理學(xué)家伏特（A.Vlota,1745-1827）發(fā)明了第一種化學(xué)電源—銅鋅電池，它能夠把化學(xué)能不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，維持單一方向的電流持續(xù)流動(dòng)。不久他就開始應(yīng)用他的理論制造各種有獨(dú)創(chuàng)性的儀器，這一發(fā)明具有時(shí)代的意義，引起了電磁學(xué)的一場革命。第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一伏特簡介伏特生于意大利科莫一個(gè)富有的天主教家庭里。伏特十六歲時(shí)開始與一些著名的電學(xué)家通信，其中有巴黎的諾萊和都靈的貝卡里亞。貝卡里亞是一位很有成就的國際知名的電學(xué)家，他勸告伏特少提出理論，多做實(shí)驗(yàn)。事實(shí)上，伏特年青時(shí)期的理論思想遠(yuǎn)不如他的實(shí)驗(yàn)重要。隨著歲月的流逝，伏特對靜電的了解至少可以和當(dāng)時(shí)最好的電學(xué)家媲美。第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一3、電磁學(xué)的研究

1820年，（相差20年）丹麥物理學(xué)家奧斯特（H.C.Oerster,1777-1851.）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了電流對磁針的作用，即電流的磁效應(yīng)，同年7月21日以《關(guān)于磁針上，電沖突作用的實(shí)驗(yàn)》這篇短短的論文使歐洲物理學(xué)界產(chǎn)生了極大震動(dòng)，導(dǎo)致了大批實(shí)驗(yàn)成果的出現(xiàn)，由此開辟了物理學(xué)的新領(lǐng)域──電磁學(xué)。打開了近代電磁學(xué)的突破口。第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1825年，（相差5年）法國科學(xué)家安培（H,M.Ampere,1775-1836）提出了著名的安培定律。他從1820年開始在測量電流的磁效應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)載流導(dǎo)線可以互相吸引，又可以互相排斥。這一發(fā)現(xiàn)成為研究電學(xué)的基本定律，為電動(dòng)機(jī)的發(fā)明作了理論上的準(zhǔn)備。生于里昂一個(gè)富商的家庭，1824年擔(dān)任法蘭西學(xué)院實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授。第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1827年，當(dāng)時(shí)德國的一位教師歐姆（G.S.Ohm,1787-1854），1827年，發(fā)表了《動(dòng)力電路的數(shù)學(xué)研究》，提出了今天普遍應(yīng)用的歐姆定律，時(shí)年40歲。該定律揭示了電阻上電壓與電流的定量關(guān)系。歐姆的研究，主要是在1817～1827年擔(dān)任中學(xué)物理教師期間進(jìn)行的！此外，他對幾何學(xué)（1817年，他的《幾何學(xué)教科書》一書出版）、聲學(xué)、儀器制造等方面都做出了重大貢獻(xiàn)。第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一歐姆簡介1803年歐姆考入埃爾蘭根大學(xué)學(xué)習(xí)，后來由于家庭經(jīng)濟(jì)困難，于1806年他被迫退學(xué)。通過自學(xué)，他于1811年又重新回到愛爾蘭大學(xué)，順利地取得了博士學(xué)位。大學(xué)畢業(yè)后，歐姆靠教書維持生活。從1820年起，他開始研究電磁學(xué)。為了紀(jì)念他，人們把電阻的單位命名為歐姆。其定義是：在電路中兩點(diǎn)間，當(dāng)通過1安培穩(wěn)恒電流時(shí)，如果這兩點(diǎn)間的電壓為1伏特，那么這兩點(diǎn)間導(dǎo)體的電阻便定義為1歐姆。

第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1831年8月26日終于，英國物理學(xué)家法拉第（M.Faraday,1791-1867）（相差6年）完成了電磁感應(yīng)定律的研究。該定律揭示了磁變生電的規(guī)律。這一發(fā)現(xiàn)成為發(fā)電機(jī)和變壓器的基本原理，從而使機(jī)械能變?yōu)殡娔艹蔀榭赡?，推?dòng)了電在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，使人類邁向了電氣時(shí)代。第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一法拉第簡介法拉第生于薩里郡紐因頓的一個(gè)鐵匠家庭。13歲就在一家書店當(dāng)送報(bào)和裝訂書籍的學(xué)徒。他有強(qiáng)烈的求知欲，擠出一切休息時(shí)間貪婪地力圖把他裝訂的一切書籍內(nèi)容都從頭讀一遍。讀后還工工整整地作讀書筆記；用一些簡單器皿照著書上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，把自己的閣樓變成了小實(shí)驗(yàn)室。他家境貧寒，未受過系統(tǒng)的正規(guī)教育，但卻在眾多領(lǐng)域中作出驚人成就，是英國著名物理學(xué)家、化學(xué)家。在化學(xué)、電化學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域都做出過杰出貢獻(xiàn)堪稱刻苦勤奮、探索真理、不計(jì)個(gè)人名利的典范，對于青少年富有教育意義。他的導(dǎo)師戴維（皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室主任），世人卻知者甚少。第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一在這家書店呆了八年，他廢寢忘食、如饑似渴地學(xué)習(xí)。他發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。經(jīng)過戴維（皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室主任）的推薦。1813年3月，24歲的法拉第擔(dān)任了皇家學(xué)院助理實(shí)驗(yàn)員。他堅(jiān)信既然電能產(chǎn)生磁，那么磁也能產(chǎn)生電。他終于發(fā)現(xiàn)在線圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)的磁體可以在導(dǎo)線中產(chǎn)生電流。第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一4、電路理論及電磁場理論的研究

1847年，（相差16年）德國科學(xué)家基爾霍夫(G.R.Kirchhoff,1824-1887)1845年，在他還是一個(gè)21歲大學(xué)生的時(shí)候提出了著名的電流定律和電壓定律，這一年，他發(fā)表了第一篇論文，提出了穩(wěn)恒電路網(wǎng)絡(luò)中電流、電壓、電阻關(guān)系的兩條電路定律,即著名的基爾霍夫第一電路定律和基爾霍夫第二電路定律，解決了電器設(shè)計(jì)中電路方面的難題。第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一后來又研究了電路中電的流動(dòng)和分布，從而闡明了電路中兩點(diǎn)間的電勢差和靜電學(xué)的電勢這兩個(gè)物理量在量綱和單位上的一致。使基爾霍夫電路定律具有更廣泛的意義，這成為電路分析最基本的依據(jù)。直到現(xiàn)在，基爾霍夫電路定律仍舊是解決復(fù)雜電路問題的重要工具?；鶢柣舴虮环Q為“電路求解大師”。第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1864年，蘇格蘭科學(xué)家麥克斯韋（J.C.Maxwell,1831-1879），1865年春（當(dāng)時(shí)他32歲），開始系統(tǒng)地總結(jié)他的關(guān)于電磁學(xué)的研究成果，完成了電磁場理論的經(jīng)典巨著《論電和磁》，并于1873年出版，提出一組關(guān)于電和磁共同遵守的數(shù)學(xué)方程，即麥克斯韋方程，他預(yù)言空間一定存在電磁波。第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1889年，（相差25年）德國物理學(xué)家赫茲（H.R.Hertz,1857-1894）赫茲對人類最偉大的貢獻(xiàn)是用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，即他經(jīng)過艱苦的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，證明麥克斯韋所預(yù)言的電磁波確實(shí)存在。第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.2重要發(fā)明及其應(yīng)用1）.1843年，畫家出身的美國人莫爾斯終于發(fā)明了電報(bào)，用他當(dāng)時(shí)的電報(bào)機(jī)，可從華盛頓向40英里的巴爾的摩發(fā)出電文。在他研究之初，為了說服別人為他投資，他得到的回答常常是：“先生，用導(dǎo)線傳遞消息，你為啥不發(fā)明一個(gè)能飛向月球的火箭呢？”但莫爾斯的創(chuàng)造欲望經(jīng)過十多年的奮斗終于實(shí)現(xiàn)了1第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一2）1866年，德國工程師西門子，他是電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、有軌電車和指南針式電報(bào)機(jī)的發(fā)明人，改進(jìn)過海底電纜,提出平爐煉鋼法,革新了煉鋼工藝,西門子公司創(chuàng)始人。他發(fā)現(xiàn)了電動(dòng)原理并用在發(fā)電機(jī)的改進(jìn)上。由于電在各方面的應(yīng)用日益廣泛，如照明、電解電鍍、電力拖動(dòng)等，迫切需要更方便地獲取電能，以提高效率、降低成本。1882-年，直流高壓輸電試驗(yàn)成功。但由于直流高壓不便于用戶直接使用，同年在發(fā)明變壓器的基礎(chǔ)上又實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離交流高壓輸電。從此，電氣化時(shí)代開始了。第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一3）1875年，美國科學(xué)家貝爾（A.G.Bell,1847-1922）發(fā)明了電話。貝爾當(dāng)時(shí)僅是一名聾啞人學(xué)校的教師，經(jīng)過不斷改進(jìn)，到1878年，他實(shí)現(xiàn)了從波士頓到紐約之間200英里（1英里=1.609344Km=1760碼）的首次長途通話。貝爾曾經(jīng)把電話的話音比喻為歌聲，他說：“這歌聲是永不停止的，因?yàn)檫@是對生活故事的歌頌，而生活是永不停止的。那高懸的電話線正在把生與死、成功與失敗的消息傳遍全球?！?/p>

第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一4）1879年，美國的發(fā)明家愛迪生（T.A.Edison,1847-1931），他一生只在學(xué)校里讀過三個(gè)月的書，但他勤奮好學(xué)，勤于思考，并發(fā)明了電燈、留聲機(jī)、電影攝影機(jī)等多種成果，為人類作出了重大的貢獻(xiàn)。是舉世聞名的美國電學(xué)家和發(fā)明家，被譽(yù)為“發(fā)明大王”。愛迪生一生共有約兩千項(xiàng)創(chuàng)造發(fā)明，為人類的文明和進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)。發(fā)明的電燈是鎢絲電燈。用電照亮了千家萬戶。第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一5）1894年，意大利的發(fā)明家馬可尼（G,Marconi,1874-1937）和俄國的波波夫分別發(fā)明了無線電發(fā)射和接受。沒有受過正規(guī)大學(xué)教育的20歲的馬可尼利用赫茲的火花振蕩器作為發(fā)射器，通過電鍵的開、閉產(chǎn)生斷續(xù)的電磁波信號。1895年他發(fā)射的信號傳送距離可達(dá)1公里以上，1897年發(fā)射的信號可在20km之外接收到，從此開始了無線電通信的時(shí)代。第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一6)英國科學(xué)家湯姆遜（J.Thomson,1856-1940）在1895-1897年間反復(fù)測試，證明了電子確實(shí)存在。隨后，英國科學(xué)家弗萊明（J.A.Fleming）在愛迪生發(fā)明的熱二極管的基礎(chǔ)上發(fā)明了實(shí)用的真空二極管。它具有單向?qū)щ娞匦?，能用來整流或檢波。7)

1907年，美國人福斯特（L.D.Forest）發(fā)明了真空三極管

第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1925年，英國的貝爾德(J.L.Baird）首先發(fā)明電視。幾乎在同時(shí)，美國無線電公司（R.C.A）的工程師諾基（V.K.Zworykin）發(fā)明了電視顯像管。1933年，他利用真空二極管、真空三極管和顯像管，最早發(fā)明了電視機(jī)。1936年，黑白電視機(jī)就正式問世了。圖1.1是貝爾德等發(fā)明的早期電視。

第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一圖1.1貝爾德等發(fā)明早期電視第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一9）1946年，美國數(shù)學(xué)家諾依曼（J.V.Noumann）為主設(shè)計(jì)了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，這是一個(gè)世界奇跡。這臺(tái)計(jì)算機(jī)是在美國賓西法尼亞大學(xué)莫爾電子工程學(xué)院研制成功。這臺(tái)計(jì)算機(jī)叫作艾尼亞克（ENIAC，ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)。它占地約165平方米，使用了18000只真空電子管，重30噸，每秒鐘可運(yùn)算5000次。馮·諾依曼對人類的最大貢獻(xiàn)是對計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析的開拓性工作。第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一中國計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展1956年（相差10年），夏培肅完成了第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)運(yùn)算器和控制器的設(shè)計(jì)工作，同時(shí)編寫了中國第一本電子計(jì)算機(jī)原理講義。1957年（相差11年），哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功中國第一臺(tái)模擬式電子計(jì)算機(jī)。1958年（相差12年），中國第一臺(tái)計(jì)算機(jī)--103型通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)研制成功，運(yùn)行速度每秒1500次。1959年，中國研制成功104型電子計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度每秒1萬次。1960年，中國第一臺(tái)大型通用電子計(jì)算機(jī)--107型通用電子數(shù)字計(jì)算機(jī)研制成功。第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1963年，中國第一臺(tái)大型晶體管電子計(jì)算機(jī)--109機(jī)研制成功。1964年，441B全晶體管計(jì)算機(jī)研制成功。1965年，中國第一臺(tái)百萬次集成電路計(jì)算機(jī)"DJS－Ⅱ"型操作系統(tǒng)編制完成。1967年，新型晶體管大型通用數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生。1969年，北京大學(xué)承接研制百萬次集成電路數(shù)字電子計(jì)算機(jī)--150機(jī)。1970年，中國第一臺(tái)具有多道程序分時(shí)操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)匯編語言的計(jì)算機(jī)--441B－Ⅲ型全晶體管計(jì)算機(jī)研制成功。第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1972年，每秒運(yùn)算11萬次的大型集成電路通用數(shù)字電子計(jì)算機(jī)研制成功。1973年，中國第一臺(tái)百萬次集成電路電子計(jì)算機(jī)研制成功。1974年，DJS－130、131、132、135、140、152、153等13個(gè)機(jī)型先后研制成功。1976年，DJS－183、184、185、186、1804機(jī)研制成功。1977年，中國第一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)DJS－050機(jī)研制成功。1979年，中國研制成功每秒運(yùn)算500萬次的集成電路計(jì)算機(jī)--HDS－9，王選用中國第一臺(tái)激光照排機(jī)排出樣書。第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1981年，中國研制成功的260機(jī)平均運(yùn)算速度達(dá)到每秒100萬次。1983年，"銀河Ⅰ號"巨型計(jì)算機(jī)研制成功，運(yùn)算速度達(dá)每秒1億次。1984年，聯(lián)想集團(tuán)的前身--新技術(shù)發(fā)展公司成立，中國出現(xiàn)第一次微機(jī)熱。1985年，華光Ⅱ型漢字激光照排系統(tǒng)投入生產(chǎn)性使用。1986年，中華學(xué)習(xí)機(jī)投入生產(chǎn)。1987年，第一臺(tái)國產(chǎn)的286微機(jī)--長城286正式推出。1988年，第一臺(tái)國產(chǎn)386微機(jī)--長城386推出，中國發(fā)現(xiàn)首例計(jì)算機(jī)病毒。1990年，中國首臺(tái)高智能計(jì)算機(jī)--EST／IS4260智能工作站誕生，長城486計(jì)算機(jī)問世。第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1991年，新華社、科技日報(bào)、經(jīng)濟(jì)日報(bào)正式啟用漢字激光照排系統(tǒng)。1992年，中國最大的漢字字符集--6萬電腦漢字字庫正式建立。1993年，中國第一臺(tái)10億次巨型銀河計(jì)算機(jī)Ⅱ型通過鑒定。1994年，銀河計(jì)算機(jī)Ⅱ型在國家氣象局投入正式運(yùn)行，用于天氣中期預(yù)報(bào)。1995年，曙光1000大型機(jī)通過鑒定，其峰值可達(dá)每秒25億次。1996年，國產(chǎn)聯(lián)想電腦在國內(nèi)微機(jī)市場銷售量第一。1997年，銀河－Ⅲ并行巨型計(jì)算機(jī)研制成功。第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1998年，中國微機(jī)銷量達(dá)408萬臺(tái)，國產(chǎn)占有率高達(dá)71．9％。1999年，銀河四代巨型機(jī)研制成功。2000年，我國自行研制成功高性能計(jì)算機(jī)"神威I"，其主要技術(shù)指標(biāo)和性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。我國成為繼美國、日本之后世界上第三個(gè)具備研制高性能計(jì)算機(jī)能力的國家。第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一

人類的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)是不斷發(fā)展的，永遠(yuǎn)不會(huì)停止在一個(gè)水平上。1948年起，固態(tài)電子學(xué)的時(shí)代向我們走來。從20世紀(jì)50年代末期開始，科學(xué)又把人類帶入了微電子學(xué)時(shí)代。1958年，世界上第一片集成電路（IntegratedCircuit,IC）在美國德克薩斯州誕生了。1961年，福查德公司生產(chǎn)出了第一片商用IC。到20世紀(jì)60年代末，在大約四分之一英寸（1英寸=2.539999918厘米）見方（約6.1平方厘米）的小硅片上可以集成6800個(gè)晶體管和數(shù)千個(gè)其他元件。

第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一超大規(guī)模集成電路（VLSI）。例如80386微處理器，在面積約為10mmXl0