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本书可作为电子信息类专业导论课程的教材。作者从身边感性事物“智能手机”入手，介绍移动通信、集成电路、计算之芯、信息存储、数码影像、人机交互、移动互联、移动应用八个方面的专业知识。通过追溯科学发现、技术发明与产业创新的演变历史，穿插人物故事、创业案例，将电子信息的专业内涵蕴藏其中，使读者不仅能了解专业技术，还能体会到工程师的能力与态度，甚至科学家与企业家的精神。展望未来，将智能手机与5G/6G、物联网、大数据、云计算、人工智能、集成电路、无人驾驶等核心技术与前沿产业紧密联系起来，彰显电子信息类专业发展的无限可能性。选择智能手机，不只是由于其产业重要性、社会普及性、技术综合性，而且同学们已经具有长期使用经验，由此追寻背后的科学原理、工程技术、人文艺术、创新创业，容易激发大家的学习兴趣，符合认知规律和教育原理。

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ISBN：9787121456732

开本：16(185*260)

页数：328

字数：525

本书目录

目  录 

第1章  移动通信	1
1.1  移动通信的早期历史	2
1.1.1  通信的早期历史：有线电报与电话	2
1.1.2  给信息插上翅膀：无线电通信技术	3
1.1.3  通信的数学理论：香农及其信息论	4
1.2  第一代移动通信：移动通信探索时代	5
1.2.1  蜂窝移动通信系统的诞生	5
1.2.2  模拟信号与模拟通信系统	7
1.2.3  移动通信的骨和肉：基站与频谱资源	8
1.2.4  模拟移动通信系统：频分多址（FDMA）	10
1.3  第二代移动通信：长江后浪推前浪	10
1.3.1  数字时代的赶超者：诺基亚与GSM	11
1.3.2  卧薪尝胆的颠覆者：高通与CDMA	13
1.4  第三代移动通信：中国标准崭露头角	15
1.4.1  CDMA技术、波束赋形及其智能天线	16
1.4.2  TD-SCDMA：中国标准开始登上舞台	18
1.4.3  智能手机：推动3G业务快速发展	20
1.5  第四代移动通信：中国与欧盟并驾齐驱	22
1.5.1  OFDM技术：似曾相识燕归来	23
1.5.2  MIMO技术：柳暗花明又一村	24
1.5.3  4G时代：中国企业的群体突破	25
1.6  第五代移动通信：中国企业开始领跑	26
1.6.1  5G的三大应用场景与性能指标	26
1.6.2  5G关键技术：无线、编码与网络	29
1.6.3  5G标准与产业：突显中国的力量	33
1.7  总结与展望	36
思考题	37
参考文献	38
第2章  集成电路	39
2.1  从电子管到晶体管	40
2.1.1  晶体检波器：电子器件的首秀	40
2.1.2  电子管：电子时代的来临	40
2.1.3  晶体管诞生：信息时代的开端	43
2.2  集成电路的发明与发展	46
2.2.1  集成电路的诞生：基尔比与诺伊斯	46
2.2.2  集成电路的发展：摩尔与摩尔定律	50
2.3  集成电路的制造工艺	52
2.3.1  集成电路的器件演进	52
2.3.2  集成电路的制造设备	59
2.3.3  集成电路的工艺流程	63
2.4  集成电路设计与EDA	65
2.4.1  集成电路设计流程与设计自动化	66
2.4.2  专用集成电路ASIC：专用芯片	67
2.4.3  可编程芯片FPGA：万能数字芯片	68
2.4.4  系统级芯片SoC：软硬件协同设计	69
2.5  集成电路产业发展模式	70
2.5.1  集成器件制造（IDM）模式	70
2.5.2  集成电路Fabless与Foundry模式	70
2.5.3  集成电路设计的IP模式	72
2.5.4  集成电路的封装与测试	72
2.5.5  集成电路产业生态系统	73
2.6  总结与展望	74
思考题	75
参考文献	76
第3章  计算之芯	77
3.1  图灵、冯·诺依曼与大型计算机	78
3.1.1  图灵与逻辑计算原型：图灵机	78
3.1.2  ENIAC与冯·诺依曼计算体系架构	80
3.1.3  大型计算机与IBM System/360	83
3.2  个人计算机与微处理器	86
3.2.1  英特尔与微处理器的诞生	86
3.2.2  牵牛星：PC的雏形	87
3.2.3  Apple-Ⅱ：PC商业化	89
3.2.4  IBM PC与兼容机的普及	90
3.2.5  Wintel商业生态的形成	91
3.3  计算体系架构与指令集	92
3.3.1  英特尔的第一个X86体系	93
3.3.2  融合GPU的CPU系列产品	94
3.3.3  复杂指令集与精简指令集	94
3.3.4  ARM的诞生及其生态系统	96
3.3.5  ARM的商业模式：IP授权	97
3.3.6  ARM搭上智能手机的快车	98
3.3.7  ARM的挑战与RISC-V的机遇	99
3.4  基带处理器	100
3.4.1  基带处理器概述	100
3.4.2  高通基带处理器	101
3.4.3  华为基带处理器	102
3.4.4  其他基带处理器	103
3.5  图形处理器	104
3.5.1  什么是图形处理器	104
3.5.2  苹果的图形处理器	105
3.5.3  高通的图形处理器	106
3.5.4  华为的图形处理器	106
3.6  移动处理器与人工智能	107
3.6.1  人工智能简介	107
3.6.2  华为麒麟与神经网络处理器	108
3.6.3  苹果处理器与神经网络引擎	109
3.6.4  高通骁龙与神经网络处理引擎	110
3.7  非冯·诺依曼架构	110
3.7.1  存算一体技术	110
3.7.2  类脑计算技术	110
3.8  总结与展望	111
思考题	112
参考文献	113
第4章  信息存储	114
4.1  机械硬盘发展简史	115
4.1.1  机械硬盘的诞生与IBM 350	115
4.1.2  温彻斯特技术与PC硬盘	116
4.1.3  硬盘的快速发展与GMR技术	117
4.1.4  微硬盘与音乐播放器iPod	119
4.2  固态硬盘发展简史	121
4.2.1  浮栅晶体管与EPROM	121
4.2.2  NAND的发明与产业化	124
4.2.3  闪存早期应用：优盘的发明	126
4.2.4  闪存大规模应用：固态硬盘	126
4.2.5  大容量闪存：MLC与3D NAND	127
4.2.6  长江存储与闪存国产化之路	129
4.3  计算机内存：SRAM与DRAM	130
4.3.1  静态随机存储器与存储体系架构	130
4.3.2  登纳德与动态随机存储器的发明	132
4.3.3  动态随机存储器的快速发展之路	134
4.3.4  动态随机存储器的大容量化方法	135
4.4  忆阻器与阻变式随机存储器	136
4.4.1  蔡少棠教授与迷失的第四元件	136
4.4.2  无心插柳：忆阻器元件的发现	137
4.4.3  阻变式随机存储器：非易失性	139
4.4.4  忆阻器与存内计算、类脑计算	139
4.5  自旋电子与磁性随机存储器	140
4.5.1  巨磁阻效应与自旋电子学的诞生	140
4.5.2  隧穿磁阻效应与磁性随机存储器	141
4.5.3  自旋转移矩磁性随机存储器	143
4.5.4  自旋轨道矩磁性随机存储器	145
4.6  总结与展望	148
思考题	149
参考文献	149
第5章  数码影像	151
5.1  摄影与摄像：留住精彩瞬间	152
5.1.1  影像系统的基本结构	152
5.1.2  数码摄影与智能手机	154
5.1.3  多摄：量变引发质变	155
5.1.4  人像模式与ToF镜头	157
5.1.5  高倍变焦与潜望式镜头	158
5.2  图像传感器与智能处理	159
5.2.1  开启数码影像的大门：CCD图像传感器	159
5.2.2  数码影像跃上新台阶：CMOS图像传感器	162
5.2.3  镜头背后的影像功臣：ISP与图像信号处理	163
5.2.4  数码影像自动化核心：AI智能处理技术	163
5.3  薄膜晶体管-液晶显示（TFT-LCD）	165
5.3.1  TFT-LCD的概念与早期发展	165
5.3.2  液晶的发现与液晶物理学	168
5.3.3  TFT-LCD产业化：日本企业从小处入手	170
5.3.4  TFT-LCD产业转移：韩国的反周期投资	173
5.3.5  TFT-LCD产业再转移：中国的超越之路	174
5.4  有机发光二极管（OLED）	177
5.4.1  OLED的发明与邓青云的贡献	177
5.4.2  OLED产业化：韩国发展历程	179
5.4.3  OLED产业转移：中国赶超之路	180
5.4.4  MicroLED与显示技术的未来	181
5.5  总结与展望	182
思考题	183
参考文献	184
第6章  人机交互	185
6.1　图形交互：计算机与互联网普及的基石	186
6.1.1　鼠标与图形用户界面的首秀：在线系统（NLS）	186
6.1.2　鼠标与图形用户界面的雏形：施乐Alto	188
6.1.3　鼠标与图形用户界面的商用：苹果Macintosh	190
6.1.4　鼠标与图形用户界面的普及：微软Windows	193
6.1.5　图形交互：WIMP界面范式	194
6.2　触控交互：突破智能手机的人机交互瓶颈	195
6.2.1　按键交互：智能手机发展中的最大瓶颈	195
6.2.2　多点触控：从概念原型走向触摸屏系统	196
6.2.3　触控交互：苹果首款智能手机的最大亮点	199
6.2.4　触控交互的应用：安卓、小米、华为的UI设计	201
6.3　人机交互：功不可没的传感器	204
6.3.1　传感器原理与微机电系统（MEMS）	204
6.3.2　加速度传感器：测量手机运动	206
6.3.3　角速度传感器：测量手机姿态	207
6.3.4　方位传感器：感知手机方位	207
6.3.5　环境传感器：感知距离与光强	208
6.4　自然交互：人机融合与人工智能	209
6.4.1　指纹识别：最经典的生物特征识别	209
6.4.2　人脸识别：相面就能确认你的身份	210
6.4.3　语音交互：人类最重要的交流方式	210
6.4.4　手势交互：与智能手机也能打哑谜	212
6.4.5　人工智能：让机器来理解你的想法	213
6.5　总结与展望	214
思考题	215
参考文献	216
第7章  移动互联	217
7.1　互联网起源与发展	218
7.1.1　互联网前身：阿帕网从构想走向现实	218
7.1.2　早期互联网：因特网与万维网的诞生	220
7.1.3　浏览器之争：微软和网景的世纪之战	223
7.1.4　互联网门户：雅虎与新浪、搜狐、网易	226
7.2　互联网的普及	228
7.2.1　搜索引擎：新时代的互联网霸主	228
7.2.2　电子商务：挑战传统的商业模式	231
7.2.3　社交网络：从社交生活到新媒体	235
7.3　幕后的英雄：现代通信网络	238
7.3.1　网络协议：互联网的交通规则	238
7.3.2　路由技术：架起互联网的桥梁	239
7.3.3　光纤通信：铺设信息高速公路	241
7.4　互联网发展新趋势	242
7.4.1　移动互联网：随时随地在线	242
7.4.2　云计算：虚拟资源按需供应	244
7.4.3　大数据：挖掘其内在的价值	246
7.4.4　数据智能：自动化与精准化	247
7.4.5　物联网：将万物接入互联网	248
7.5　总结与展望	249
思考题	250
参考文献	250
第8章  应用软件	252
8.1　App Store与移动应用生态系统	253
8.1.1　苹果App Store的艰难问世	253
8.1.2　苹果App Store的快速发展	255
8.1.3　苹果打造移动应用生态系统	257
8.1.4　苹果移动应用生态面临的挑战	259
8.2　移动应用：类平台化发展战略	260
8.2.1　图片社交：Instagram	260
8.2.2　超级应用：腾讯微信	263
8.2.3　电商平台：手机淘宝	266
8.3　幕后英雄：智能手机操作系统	267
8.3.1　智能手机操作系统概述	267
8.3.2　安卓操作系统悄然问世	269
8.3.3  安卓操作系统开源策略	270
8.3.4  鸿蒙与物联网操作系统	273
8.4  移动替代：移动应用丰富生活	274
8.4.1  从游戏机转向手机游戏	274
8.4.2  被装进口袋里的工具箱	276
8.4.3  移动新闻与个性化推荐	278
8.4.4  移动社交与短视频	279
8.4.5  移动中的智能精准服务	281
8.5  总结与展望	283
思考题	284
参考文献	284
第9章  培养体系	286
9.1　数理基础	288
9.1.1　数学的意义	288
9.1.2　分析数学	289
9.1.3　高等代数	290
9.1.4　随机数学	291
9.1.5　基础物理	293
9.2　专业基础	294
9.2.1　图像获取与处理	294
9.2.2　电路与系统	295
9.2.3　图像共享	296
9.2.4　电磁场与微波技术	297
9.3　教学改革	297
9.3.1　优化课程体系	298
9.3.2　创新创业课程	299
9.3.3　教学方法改革	301
9.4　综合实验	302
9.4.1　电子设计基础训练	303
9.4.2　单片机基础训练	303
9.4.3　跨课程综合设计	304
9.4.4　跨专业综合实践	305
9.5　科技实践	305
9.5.1　走进科研实验室	306
9.5.2　科研训练计划	307
9.5.3　参加科技竞赛	308
9.6　总结与展望	309
思考题	310
参考文献	311

展开

前言

前  言 

教育家杜威认为，学习是一个从已知到未知的过程。教育家佐藤学也有类似表达方式，他认为学习是从已知世界到未知世界的旅程。因此，我们选择从大家非常熟悉的智能手机出发，漫游电子信息的发展历史，品鉴科学发现、技术发明故事和产业创新案例，寻访引领技术创新的科学家和推动技术产业化的企业家，聊一聊他们的成长故事和他们眼中的优秀人才，不仅可以了解专业技术，还能理解工程师的能力与态度，甚至科学家与企业家的精神。
教育家怀特海把教育分为三个阶段：浪漫、精确、综合运用。专业导论课程，在大学的人才培养体系中，位于“浪漫”阶段，不强调精确表达，需要借助感性事物和有趣的故事吸引学生。专业导论课程的教学目的是重新认识专业、认识行业，能够回应大学新生的关切，理解数理基础的重要性，处理好理论与实验、实践的关系等。
第1章，移动通信，它是智能手机的主要功能。移动通信的理论基础是电磁场与信息论，工程技术是蜂窝移动通信。从1G模拟通信、2G数字通信、3G宽带通信到4G移动互联，通信与互联网趋向融合，智能手机逐渐成为信息产业发展的新引擎；5G从移动互联拓展到工业互联网，而6G将开启“万物智联”的新时代，对工科教育来说，需要重视跨界综合能力的培养。3G移动通信，中国技术标准崭露头角；4G移动通信，中国与欧盟技术标准并驾齐驱，中国企业实现群体突破；5G移动通信，中国企业开始领跑，尤其是信道编码标准的中美之争，凸显数理基础研究的重要性。
第2章，集成电路，它是智能手机的核心基础。拆解智能手机，你能看到其主要部件，如智能处理器、内存、闪存、图像传感器，都运用了集成电路。不仅是智能手机，电视机、PC、智能汽车等，都运用了大量的集成电路。集成电路的诞生和发展，有肖克利、基尔比、诺伊斯、摩尔等多位著名科学家共同努力。集成电路产业链，包括设计、制造、封装与测试，还有EDA工具、工艺设备等，在摩尔定律的支配下，产业生态不断演化，应用领域不断延伸。集成电路是智能化时代的工业基础、信息产业的基石，也是关系到国家安全的重大基础性产业。
第3章，计算之芯，它是智能手机的中枢大脑。回顾历史，图灵机与冯·诺依曼计算体系架构的提出，为计算机的发展奠定了理论基础。大型计算机的诞生与商用，为计算机科学与技术奠定了基础，也为集成电路的发展提供了动力。微处理器的发明与PC的发展，Wintel生态系统的形成打破了IBM的垄断，加速了PC与互联网的普及。“计算”逐渐渗透到科学研究各个领域，“仿真”驱动产品开发成为创业创新的动力，“计算思维”成为大学生的重要素养。智能处理器，从集成应用处理器、基带处理器，到集成图形处理器、人工智能引擎，功能越来越强大，也是集成电路制造先进工艺首要推动力。
第4章，信息存储，它是智能手机的记忆场所。机械硬盘、固态硬盘与内存技术是计算机发展的基础。得益于磁阻效应、巨磁阻效应等物理机理的发现与产业化，硬盘小型化与大存储容量得以快速发展。闪存的发明提供了一种大容量的半导体存储技术，随后诞生了优盘、存储卡、固态硬盘，为互联网、大数据的发展奠定了基础。正在发展中的非易失性存储技术，如阻变随机存储、磁性随机存储，为突破冯·诺依曼计算体系的瓶颈提供了新途径，也为低功耗、抗辐射、高可靠存储器的发展增添了机会。在大数据时代，存储技术的重要性不言而喻，我国正在快速追赶中。
第5章，数码影像，它是智能手机的核心竞争力。留住精彩的瞬间需要镜头、图像传感器与图像处理引擎，摄影的自动化与影像的后期处理得益于人工智能技术的发展。智能手机的普及，催生了一个全民摄影时代，人们的创造力被无限激发，同时海量图像数据的积累引发了图像搜索引擎。而再现美丽的影像就需要液晶显示屏。液晶显示技术起源于美国，液晶之父德热纳是法国科学家，产业化则是日本与韩国企业完成的，目前产业的主导权正在向中国转移。透过京东方和王东升的故事，体会到高精尖产业追赶者的企业家精神。物联网时代，万物皆显示，表明显示技术的重要性。
第6章，人机交互，它是提升人类智能的重要途径。鼠标与图形用户界面形成了图形交互，是计算机得以普及的前提条件。触控交互则是智能手机的核心技术，它开启了手机交互的新时代，交互设计关乎技术，更重要的在于对人性的把握。传感器不仅在人机交互中功不可没，并且它是连接物理世界与数字世界的桥梁，它也是大规模物联网的核心技术。传感器的小型化、微型化依赖于微电子微机械技术。人工智能与传感器的结合，如指纹识别、人脸识别、语音交互、手势交互，使得让人理解机器的人机交互方式转变为让机器理解人，实现了人与机器间的自然交互，甚至使人与机器融为一体。未来6G移动通信将实现通、感、算一体化，传感器将发挥更大的作用。
第7章，移动互联，它为智能手机增添了强大威力。移动互联网是移动通信与互联网的融合，它拓展了电子信息专业的外延。搜索引擎、电子商务、社交网络的发展让虚拟世界走进了现实生活，开启了网络新经济和新零售时代，为年轻人的创业提供了巨大机会，在美国和中国诞生了一批年轻的创业者，真可谓“自古英雄出少年”。他们敏锐地抓住了互联网发展的机遇。互联网的幕后英雄是网络协议、路由器与光纤通信等技术，发展趋势是移动互联、云计算、大数据与万物互联。移动互联与数据智能的结合，催生了“精准”业务，如今日头条，能够根据用户的偏好进行推荐。
第8章，应用软件，它彰显了智能手机的魅力。富有创意的App，源自App Store生态系统，不仅充分展现了iPhone的硬件潜力，而且也为苹果公司创造出巨大的商业价值。智能手机的发展，孕育出了平台化应用软件，如图片社交Instagram、腾讯微信与手机淘宝等。应用软件的基础是操作系统，先介绍苹果iOS与谷歌Android，然后是小米MIUI、华为EMUI与鸿蒙操作系统。华为、小米从定制UI开始逐渐深入到操作系统内核，同时构筑了商业生态系统。从产品、平台的竞争，发展到商业生态系统的竞争，系统思维能力显得更加重要。移动改变生活，游戏机、照相机、个人日报、短视频、位置服务等成为移动应用，被称为装在口袋里的工具箱。值得一提的是字节跳动旗下的Tik Tok短视频业务成功地走向了世界，而我国“北斗三号”系统的建成也标志着全球服务新时代的到来。
第9章，培养体系，以北京航空航天大学电子信息工程专业培养方案为例进行解读。第一，介绍数学与物理两类基础课程的重要性、主要教学内容、学习方法和课外参考书。第二，从图像获取与处理、电路与系统、图像共享、电磁场与微波技术四个方面，将电子信息类专业的基础课程内容与智能手机联系在一起。第三，面对5G、人工智能的快速发展和新工科教育改革要求，探讨了课程体系的优化思路、结合专业开展创业教育的途径和教学方法。第四，课程是大学教育的核心，而贯通课程之间的纽带则是每学期的综合实验，课内实验可以帮助理解并巩固课堂讲授的理论，而综合实验则强调灵活运用多门课程中的知识解决复杂问题。第五，科技实践对于学生的综合能力的提升非常有益，走进实验室、主持大创项目、参加科技竞赛等途径，有助于学生主动探寻个性化的大学之路。
本书是在2020年出版的《电子信息类专业导论》（第2版）基础上，经过3年的持续改进，总结提炼而成的，也是国家级一流专业“电子信息工程”“通信工程”和国际级一流课程“电子信息工程导论”建设的教学成果之一。本书继承了第2版的框架，主要修改了教学内容，补充了3年来信息产业的新进展及其参考文献，重写了每章的引言、总结与展望、思考题。对第2版中不规范的文字表达进行了修改。为了便于学生自学，更好地领会每一章所蕴含的教育意义，重新设计了思考题。学生自学时，可以先看思考题然后带着问题阅读，也可以先阅读再看思考题。根据自己的兴趣和先有经验，选择其中一个思考题，也可以自己拟定题目撰写学习总结。全部学习结束后，汇聚每章学习总结形成全课程的学习成果。
本书体现了作者从事“电子信息工程导论”课程的13年大班教学、5轮次慕课教学，新生研讨课“从智能手机谈起”8年的小班翻转课堂教学的实践经验，也融合了13年本科教学副院长、6年士谔书院学业总导师的工作经验。在这些教学实践中，一直致力于探索电子信息专业教什么、学什么、怎么教、怎么学。
本书的完成离不开长期合作的领导、同事、同行及辅导员们的支持与帮助。黄勤教授、张岩副教授修改了本书第 1 章部分内容。彭守仲副教授和康旺副教授负责第2章至第4章的修订工作。陈鹏辉讲师在第5章至第8章中补充并修订了部分内容。竺南直博士对全书提出了修改意见并参与了第1章、第9章的编写工作。张悦教授、王昭昊副教授、张玉玺副教授和王韫副教授在修订过程中提出了诸多建设性意见。作者曾多次受邀在教学会议上交流过关于导论课程的建设经验，得到了同行们的支持和鼓励，也收获了许多宝贵意见。本书曾获学校重点教改、双百资源课、课程思政、MOOC和一流课程建设项目与教材出版基金的资助，为持续开展课程内容与教学方法的改革提供了经费保障。在此表示衷心感谢。
 
虽然本书历经多年的教学实践，对内容与文字做过多次修改，但是由于电子信息领域的快速发展和新时期国家对人才培养目标提出的新要求，使得无论是教学内容的选择还是文字表达都有待进一步完善。希望读者多提宝贵意见！
意见和建议请发至作者邮箱zyg@buaa.edu.cn。

张有光  
2023年5月

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作者简介

张有光，现任北京航空航天大学电子信息工程学院教授、博士生导师，北京市教学名师，校教师教学培训专家组组长、校青年教师基本功比赛总教练，士谔书院学业总导师，工信部研究型教学团队负责人。

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