何谓电子信息?

本人电子信息科班出身,从本科到研究生未更换专业直至毕业后进入通信行业,虽说中间是有想法转去新闻传媒实现年少时被韩寒等人勾起文艺青年梦想,梦想诚然可贵,但真正让我压抑不了换专业的念头的原因还是专业课太难了,特别是通信和信道编码,这种满页公式的课程催眠能力十足,上课期间进入睡眠状态的速度比晚上睡觉还快,直到工作两年后的今天在回首过往的课程才跟刚回过神儿似的恍然大悟:原来这句话是这个意思。

什么是电子信息这个问题是最近同事闲聊时问我的,听到这个问题的时候千头万绪涌上心头却不知道如何用语言表达,说实话上学时我对该专业并没有归属感,选报该专业也是填报志愿时听人说该专业较难而涌起的那我来试试到底有多难的念头,从过往的技术路线来看我其实更倾向于平台软开,写个脚本做个网页什么的是我的最爱,对硬件兴趣不大,甚至对平台依赖性较强的C/C++也不怎么感兴趣,对VC更提不起兴致,快要进博物馆的VC6.0我厌恶到都没法打开它,VC这种IDE封装了太多的技术实现细节,调试完程序后那种机制实现了但却不知道底层如何实现的感觉太不舒服了,所以Unix/Linux工具链简直是IT界的福音,因此对专业课程并不认同的我选择参加技术社团作为消磨时间的活动,现在想想计算机协会的会长竟然由我这个非计算机专业的人担任并且主抓技术讲解普及事务挺有意思的,那些即将在未来赚取高薪的小码农们难道都躲在不知名的小角落敲代码?曾经的我一度认为我以后的工作不会跟这些让我困惑的东西沾边,然而这个世界并没有给我逃离的机会,不过在工作两年后再回望这个专业确实感受到了亲切, 不同的技术领域本质上都是相通的,软件无论写的如何天花乱坠最终也是要转变成机器语言由硬件逻辑实现,信号调制不管实现的多么精妙最终也是通过波形携带传递,所以现在才算明白,技术难难在了客观,而容易则容易在了主观,看不懂的话就先保持一知半解,时间会丰富我们的感官认识,感性材料达到一定的程度很多想不明白的事情就能够理解了,坐井观天的悲哀的在于如何看多久世界都是这么小。

电子信息这一概念较为宽泛不容易解释但可以简单等同于电子技术,和电子这一概念对应的还有电气概念,一般电子简称弱电,而电气简称强电,二者都衍生于物理电磁学科的发展,而电磁学又离不开数学的分析与论证,同时也反向促进了数学的发展,强电较弱电粗犷,主要考虑到电力的产生,传输和存储,高压传输电缆能跟人的手臂一样粗;而弱电则比较精细,研究电/磁信号的产生,传输,处理和存储,其中较为重要的是信号的传输与处理,因此电子技术通常是指弱电技术。人们在电磁现象的基础上使用分立元件以及微电子技术发展实现的集成电路芯片构建各种功能电路,传统硬件电路是不基于程序控制的,伟人冯诺依曼构建出了控制器电路实现了基于预编程序的电路系统,也就是我们常见的计算机(computer),在微电子技术的帮助下将运算器和控制器电路(主要)集成到硅片上制成芯片就产生了伟大的CPU/MPU,计算机系统主要用于实现信息的处理,在程序的帮助下无需更换硬件结构即可实现特定的信息处理功能;另外对信息的传递研究衍生出了通信技术,并由此培育出了通信行业,其中移动通信技术是当前构建物联网社会的支撑性技术。因此弱电的技术路线为 :

数学(微积分、线性代数、概率论、积分变换)  |  物理(电磁学)
电路(模电、数电、高频)
集成电路(微电子、FPGA)  |  计算机(微处理器、微控制器/单片机)
通信(信息论、调制、信道编码)

其中基础学科在此不在赘述,刚接触确实不太好理解,但书读百遍其意自现,虽说现在让我做高频仿真还是很发憷,高频信号因为波长较短在电路中还要考虑相移,导致计算公式复杂到让人生畏的程度,而且资料较晦涩难懂,对于之前遇到的想通过自学进入高频行业做EMC的那位同学我怀有深深的敬意;集成电路设计则完全没有接触过,FPGA倒是用来仿真过信号灯,体会到果然硬件是可以实现一切软件层面上所谓的算法,有师兄毕业后从事国产FPGA这一伟大的事业,但路途飘摇因不甘中电58所养老所以去了京微雅格,然后整个部门转投联芯科技,目前貌似回了武汉,行业烧钱且技术鸿沟真心不容意跨越。

计算机系统绝对是伟大的发明,现在的稍微智能点的电子设备几乎都是程序驱动的电路系统,简单的来讲:

计算机系统=CPU(控制器、运算器) + 存储器(RAM+ROM) + 接口电路(SATA、PCIe、USB) + 外围电路(硬盘、显卡)

计算机之所以称其为基于程序是因为控制器电路的存在,一般控制器电路由程序计数器(PC),指令寄存器和操作控制器构成,程序计数器里存放存储器寻址地址,控制器电路默认逻辑是使用PC进行寻址,将寻址得到的指令存放在指令寄存器内,在通过指令译码器进行译码,依照译码数据对应的控制逻辑在确定的时间发送确定的控制信号给确定的部件,因此程序计数器的位宽决定了CPU的寻址宽度。

目前计算机各部件电路主要以芯片的形式实现,芯片引脚大体可以分为地址(A)线引脚、数据(D)线引脚以及控制(C)引脚,分别对应连接三大并行总线地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)

地址总线(AB):连接CPU地址线和芯片地址线,单向传送CPU寻址信号,进行存储器和接口芯片中存储单元/寄存器的选择;芯片地址线串接到地址总线。
数据总线(DB):连接CPU数据线和芯片数据线,双向传递数据信号;芯片数据线并接到数据总线。
控制总线(CB):连接CPU I/O口和芯片控制线,一般单向传递控制信号。

总线结构决定着存储器的存储单元以及接口电路寄存器的编址,接口电路用来实现相应的接口标准,一般使用相应的接口芯片构成,比如硬盘的SATA接口、显卡的PCIe接口以及常用的USB接口,使用标准接口可以通用化与CPU相连的总线结构,仅需考虑外围电路与接口的通信线路设计,虽然接口电路不变,但因为连接的外围电路不同会使得CPU与接口电路数据交互逻辑有差异,因此需要编写驱动程序用来实现CPU与特定外围电路的通信。

CPU也可以称为微处理器(MPU)目前主流技术有Intel的X86架构和ARM的ARM架构,其中x86的CPU采CISC性能较强但功耗也较大,一般用于PC和服务器,而ARM架构采用RISC功耗较低虽然性能比不上X86,但广泛用于手机、平板等嵌入式领域。随着集成电路的发展,开始出现了MPU、存储器以及相应功能电路集成的控制器芯片,一般称之为微控制器(MCU)也称之为单片机, 从早期源自intel的51单片机到现在ARM内核的STM32和S3C2440,软件方面也从裸机程序发展到LINUX内核。

通信技术特别是移动通信的业务逻辑都已经由标准化组织(3GPP)规范实现了,各厂商的产品优劣在相同技术标准下也就体现为硬件系统设计性能以及对应软件算法集成优化程度,目前移动通信技术核心网侧接受了以计算机网络为标志IT技术的影响已经全面IP化,无线侧说不定以后微波通信和卫星通信也都能实现在移动通信的框架里。

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