課程研究

課程名稱學科前沿

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指導教師

理學院

學科前沿課程研究報告

21世紀，隨著現代科學技術的飛速發展，人類歷史即將進入一個嶄新的時代──信息時

代。其鮮明的時代特征是，支撐這個時代的諸如能源、交通、材料和信息等基礎產業均將得

到高度發展，并能充分滿足社會發展及人民生活的多方面需求。

根據對國內外電子科學與技術行業的現狀和發展趨勢分析，美國、西歐、日本、韓國、臺灣

地區的電子科學與技術產業已經步入上升軌道。中國隨著市場開放和外資的不斷涌入，電子

科學與技術產業開始煥發活力。中國“十一五”規劃的建議書將信息產業列入重點扶植產業之

一，中國軍事和航天事業的蓬勃發展也必然帶動電子科學與技術行業的發展和內需。中國電

子科學與技術產業將有一個明顯的發展空間，高科技含量的自主研發的產品將進入市場，形

成自主研發和來料加工共存的局面；中國大、中、小企業的分布和產品結構趨于合理，出口

產品將穩步增加；高技術含量產品將向民用化發展，必然促進產品的內需和產量。

一、電子信許姬 息科學學科領域的技術

電子信息科學學科領域的技術包括：微電子技術、嵌入式系統技術、計算機控制技術、

通信技術、傳感器技術等。

二、電子科學學科領域各技術的現狀分析

1、微電子技術現狀分析

微電子技術一般是指以集成電路技術為代表，制造和使用微小型電子元器件和電路，實

現電子系統功能新型技術，主要涉及研究集成電路的設計、制造、封裝相關的技術與工藝。

由于實現信息化的網絡、計算機和各種電子設備的基礎是集成電路，因此微電子技術是電子

信息技術的核心技術和戰略性技術，是信息社會的基石。

微電子技術相關行業主要是集成電路行業和半導體制造行業，它們既是技術密集型產業，

又是投資密集型產業，是電子工業中的重工業。與集成電路應用相關的主要行業有：計算機

及其外設、家用電器及民用電子產品、通信器材、工業自動化設備、國防軍事、醫療儀器等。

1）國際情況：微電子工業發展的主導國家是美國和日本，發達國家和地區有韓國和西歐。

從技術層面上考慮，集成電路制造技術的發展經歷了6個階段：小規模集成電路（SSI）(1962

年)、中規模集成電路（MSI）(1966年)、大規模集成電路（LSI）(1967年)、超大規模集成

電路（VLSI）(1977年)、特大規模集成電路（ULSI）(1993年)和巨大規模集成電路（GSI）

1994年。

2）國內情況：中國微電子技術產業現狀分為大陸和臺灣地區。中國臺灣地區，90年代半導

體工業進入迅猛發展時期，1991—1997年間其工業規模年均增長率高達32%。已經成為世

界半導體制造中心和國際上主要的芯片供應地。特別是在半導體晶片生產方面，其產量占全

世界晶片產量的20%。中國內地，集成電路起步于1965年。但在之后30年間發展緩慢，

與世界發達國家和地區的差距愈拉愈遠。到了“九五”計劃期間，國家加大投資,才拉開了新世

紀中國內地加速發展微電子產業的序幕。通過啟動“909工程”，成功建成25條芯片制造線。

中國集成電路市場持續快速增長。2003年中國集成電路產量為96.3億元，產值達到1470

億元，比2002年增長22.5%。巨大的市場吸引國際知名集成電路企業紛紛來華投資。

2、嵌入式系統技術現狀分析

隨著信息化，智能化，網絡化的發展，嵌入式系統技術也將獲得廣闊的發展空間。美國

著名未來學家尼葛洛龐帝99年1月訪華時預言，4～5年后嵌入式智能（電腦)工具將是

PC和因特網之后最偉大的發明。我國著名嵌入式系統專家沈緒榜院士98年11月在武漢全

國第11次微機學術交流會上發表的《計算機的發展與技術》一文中，對未來10年以嵌入

式芯片為基礎的計算機工業進行了科學的闡述和展望。1999年世界電子產品產值已超

過12000億美元，2000年達到13000億美元，預計2005年，銷售額將達18000億美元。

進入20世紀90年代，嵌入式技術全面展開，目前已成為通信和消費類產品的共同發

展方向。在通信領域，數字技術正在全面取代模擬技術。在廣播電視領域，美國已開始由模

擬電視向數字電視轉變，歐洲的DVB（數字電視廣播）技術已在全球大多數國家推廣。數

字音頻廣播（DAB）也已進入商品化試播階段。而軟件、集成電路和新型元器件在產業發

展中的作用日益重要。所有上述產品中，都離不開嵌入式系統技術。前途無可計量的維納斯

計劃生產機頂盒，核心技術就是采用32位以上芯片級的嵌入式技術。在個人領域中，嵌入

式產品將主要是個人商用，作為個人移動的數據處理和通訊軟件。由于嵌入式設備具有自然

的人機交互界面，GUI屏幕為中心的多媒體界面給人很大的親和力。手寫文字輸入、語音撥

號上網、收發電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。

目前一些先進的PDA在顯示屏幕上已實現漢字寫入、短消息語音發布，日用范圍也將

日益廣闊。對于企業專用解決方案，如物流管理、條碼掃描、移動信息采集等，這種小型手

持嵌入式系統將發揮巨大的作用。自動控制領域，不僅可以用于ATM機，自動售貨機，工

業控制等專用設備，和移動通訊設備結合、GPS、娛樂相結合，嵌入式系統同樣可以發揮

巨大的作用。近期長虹推出的ADSL產品，結合網絡，控制，信息，這種智能化，網絡化

將是家電發展的新趨勢。

硬件方面，不僅有各大公司的微處理器芯片，還有用于學習和研發的各種配套開發包。

目前低層系統和硬件平臺經過若干年的研究，已經相對比較成熟，實現各種功能的芯片應有

盡有。而且巨大的市場需求給我們提供了學習研發的資金和技術力量。

從軟件方面講，也有相當部分的成熟軟件系統。國外商品化的嵌入式實時操作系統，已

進入我國市場的有WindRiver、Microsoft、QNX和Nuclear等產品。我國自主開發的嵌入

式系統軟件產品如科銀(CoreTek)公司的嵌入式軟件開發平臺DeltaSystem，中科院推出的

Hopen嵌入式操作系統（雖然還不夠完善）。同時由于是研究熱點，所以我們可以在網上找

到各種各樣的免費資源，從各大廠商的開發文檔，到各種驅動，程序源代碼，甚至很多廠商

還提供微處理器的樣片。這對于我們從事這方面的研發，無疑是個資源寶庫。對于軟件設計

來說，不管是上手還是進一步開發，都相對來說比較容易。這就使得很多生手能夠比較快的

進入研究狀態，利于發揮大家的積極創造性。

今天嵌入式系統帶來的工業年產值已超過了1萬億美元，1997年來自美國嵌入式

系統大會(EmbeddedSystemConference)的報告指出，未來5年僅基于嵌入式計算機系統

的全數字電視產品，就將在美國產生一個每年1500億美元的新市場。美國汽車大王福特公

司的高級經理也曾宣稱，“福特出售的?計算能力?已超過了IBM”，由此可以想見嵌入式計算

機工業的規模和廣度。1998年11月在美國加州舉行的嵌入式系統大會上，基于RTOS的

EmbeddedInternet成為一個技術新熱點。在國內，“維納斯計劃”和“女鍋計劃”一度鬧得沸

沸揚揚，機頂盒、雷鋒的話 信息j家電這兩年更成了IT熱點，而實際上這些都是嵌入式系統在特定

環境下的一個特定應用。據調查，目前國際上已有兩百多種嵌入式操作系統，而各種各樣的

開發工具、應用于嵌入式開發的儀器設備更是不可勝數。在國內，雖然嵌入式應用、開發很

廣，但該領域卻幾乎還是空白，只有三兩家公司和極少數人員在從事這方面工作。由此可見，

嵌入式系統技術發展的空間真是無比廣大。

3、傳感器技術現狀分析

傳感器技術是現代科技的前沿技術,是制造業自動化和信息化的基礎，國外已經得到迅速

發展。隨著國內工業自動化、信息化和國防現代化的發展,傳感器的年需求量持續增長。由

于國內傳感器技術的創新和新產品開發能力落后于國外先進水平,制約了工業自動化和信

息化技術的發展。

4、計算機控制技術現狀分析

計算機控制就是用計算機對一個動態對象或過程進行控制。在計算機控制系統中，用計

算機代替自動控制系統中的常規控制設備，對動態系統進行調節和控制，這是對自動控制系

統所使用的技術裝備的一種革新。這一革新，改變了自動控制系統的結構，也導致對這類系

統的分析和設計發生較多的變化。在初步介紹計算機控制系統之后，分別介紹計算機控制技

術的特點和基本設計過程。

隨著計算機技術的發展，計算機控制越來越深入地滲透于生產之中。因此，設計一個性

能良好的計算機控制系統是非常重要的。計算機控制系統包括硬件、軟件和控制算法3個方

面，一個完整的設計還需要考慮系統的抗干擾性能，使系統能長期有效地運行。在綜述部分

對計算機控制技術的發展方向進行展望。近年來我國在控制規律、控制方案、實施技術以及

大規模的集中控制方面，有一定數量的成功典型，經濟效益也比較顯著。近年來，還開始運

用數學模型方法，探討和推廣現代控制理論在化工過程控制中的應用，結合微型計算機的推

廣應用，不少項目開展了計算機控制和調度管理的研究，使生產的技術水平和經濟效益都有

較大的提高

5、通信技術現狀分析

隨著經濟社會的發展、科學技術的進步以及法制建設的不斷完善,通信技術得到了迅速

的發展,但在發展的過程中,也出現了一系列問題,遇到了很多的障礙,很重要的障礙就是技

術上的問題,目前我國正逐漸進入3G時代,通信技術在我國取得了令全球矚目的快速發展。

如今,通信技術隨著科技的發展取得了出色的成績,這一應用已深入到人們生活和工作的各

個方面,包括日常使用的手機、無線電話等,其中3G、WLAN、UWB、藍牙、寬帶衛星系統、

數字電視都是21世紀最熱門的無線通信技術的應用。移動通信技術在中國從第一代發展到

第四代的移動數據、移動計算及移動多媒體運作的移動通信技術。所有技術的發展都不可能

在一夜之間實現，從ＧＳＭ、ＧＰＲＳ、ＣＤＭＡ到第４代，需要不斷演進，而且這些技術

可以同時存在。４Ｇ是３Ｇ技術的進一步演化，是在傳統通信網絡和技術的基礎上不斷提高

無線通信的網絡效率和功能。同時，它包含的不僅僅是一項技術，而是多種技術的融合。不

僅僅包括傳統移動通信領域的技術，還包括寬帶無線接入領域的新技術及廣播電視領域的技

術。

三、電子科學學科領域各技術的發展趨勢

1、微電子技術的發展趨勢

21世紀的微電子技術將從目前的3G時代逐步發展到3T時代，即存儲量由Gb發展到Tb，

集成電路中器件的速度由GHz發展到THz，數據傳輸速率由Gbps發展到Tbps。以硅基CMOS電

路為主流工藝，21世紀硅微電子技術的發展趨勢主要體現在三方面:一是繼續增大晶圓尺

寸和縮小器件的特征尺寸。發達國家和地區正在向納米階段進軍。二是集成電路(IC)將發

展成為系統集成芯片(SOC)。SOC進一步發展，可以將各種物理的、化學的和生物的敏感器

和執行器與信息處理系統集成在一起，從而完成從信息獲取、處理、存儲、傳輸到執行的系

統功能，這是一個更廣義上的系統集成芯片。SOC是微電子設計領域的一場革命，21世紀

將是SOC技術真正快速發展的時期。三是微電子技術與其它學科相結合。典型例子是微機電

系統技術(MEMS)和生物芯片［2］。前者是微電子技術與機械、材料、傳感器等多學科交

叉產生的，后者則是與生物工程技術結合的產物。21世紀人類將全面進上角標 入信息化社會，對

微電子信息技術將不斷提出更高的發展要求，微電子技術仍將繼續是21世紀中最為重要的和

最有活力的高科技領域之一。

2、嵌入式系統應急演練方案 技術發展趨勢

信息時代，數字時代使得嵌入式產品獲得了巨大的發展契機，為嵌入式市場展現了美好

的前景，同時也對嵌入式生產廠商提出了新的挑戰，從中我們可以看出未來嵌入式系統的幾

大發展趨勢：

1)嵌入式開發是一項系統工程，因此要求嵌入式系統廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統

本身，同時還需要提供強大的硬件開發工具和軟件包支持。

目前很多廠商已經充分考慮到這一點，在主推系統的同時，將開發環境也作為重點推廣。

比如三星在推廣Arm7，Arm9芯片的同時還提供開發板及支持包（BSP），而WindowCE

在主推系統時也提供EmbeddedVC++作為開發工具，還有Vxworks的Tonado開發環境，

DeltaOS的Limda編譯環境等等都是這一趨勢的典型體現。當然，這也是市場競爭的結果。

2)網絡化、信息化的要求隨著因特網技術的成熟、帶寬的提高日益提高，使得以往單一

功能的設備如電話、手機、冰箱、微波爐等功能不再單一，結構更加復雜。

這就要求芯片設計廠商在芯片上集成更多的功能，為了滿足應用功能的升級，設計師們

一方面采用更強大的嵌入式處理器如32位、64位RISC芯片或信號處理器DSP增強處理

能力，同時增加功能接口，如USB，擴展總線類型，如CANBUS，加強對多媒體、圖形等

的處理，逐步實施片上系統（SOC）的概念。軟件方面采用實時多任務編程技術和交叉開

發工具技術來控制功能復雜性，簡化應用程序設計、保障軟件質量和縮短開發周期。

3)網絡互聯成為必然趨勢。

未來的嵌入式設備為了適應網絡發展的要求，必然要求硬件上提供各種網絡通信接口。

傳統的單片機對于網絡支持不足，而新一代的嵌入式處理器已經開始內嵌網絡接口，除了支

持TCP/IP協議，還有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一

種或者幾種，同時也需要提供相應的通信組網協議軟件和物理層驅動軟件。軟件方面系統內

核支持網絡模塊，甚至可以在設備上嵌入Web瀏覽器，真正實現隨時隨地用各種設備上網。

4)精簡系統內核、算法，降低功耗和軟硬件成本。

未來的嵌入式產品是軟硬件緊密結合的設備，為了減低功耗和成本，需要設計者盡量精

簡系統內核，只保留和系統功能緊密相關的軟硬件，利用最低的資源實現最適當的功能，這

就要求設計者選用最佳的編程模型和不斷改進算法，優化編譯器性能。因此，既要軟件人員

有豐富的硬件知識，又需要發展先進嵌入式軟件技術，如Java、Web和WAP等。

5)提供友好的多媒體人機界面

嵌入式設備能與用戶親密接觸，最重要的因素就是它能提供非常友好的用戶界面。圖像

界面，靈活的控制方式，使得人們感覺嵌入式設備就象是一個熟悉的老朋友。這方面的要求

使得嵌入式軟件設計者要在圖形界面，多媒體技術上痛下苦功。手寫文字輸入、語音撥號上

網、收發電子郵件以及彩色圖形、圖像都會使使用者獲得自由的感受。目前一些先進的PDA

在顯示屏幕上已實現漢字寫入、短消息語音發布，但一般的嵌入式設備距離這個要求還有很

長的路要走。

3、傳感器技術的什么是地緣政治 發展趨勢

我國傳感器技術發展方向就當前科技技術發展來看，我國主要傳感器技術今后的發展方

向可有幾方面：

1）新材料的研發。隨著材料行業對傳感器敏感材料進一步的開發，傳感器新敏感材料

不斷推出，高新材料已廣泛用于新型傳感器制造研發中，新材料的開發對傳感器行業起著決

定性的作用。

2）向集成化、智能化、數字化發展：隨著現代化的發展，傳感器的

功能已突破傳統的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號（如0-10mV），而是經過微電

腦處理好后的數字信號，有點甚至帶有控制功能，即智能傳感器。3.3向微功耗及無源化發

展：傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時離不開電源，開發微功耗的傳感器及無源

傳感器是必然的發展方向。

4、計算機控制系統的發展趨勢

DCS和工業控制計算機技術正在相互滲透發展，并擴大各自的應用領域。原來一般流程

工業的控制多選用集散型控制系統（DCS），離散型制造業的控制多采用可編程控制器（PLC）。

隨著DCS和PLC相互滲透發展繼而擴大自己的應用領域，將出現DCS和PLC融合于一體的集

成過程控制系統。工業控制網絡將向有線和無線相結合的方向發展。計算機網絡技術、無線

技術以及智能傳感器技術的結合，產生了基于無線技術的網絡化智能傳感器。這種基于無線

技術的網絡化智能傳感器使得工業現場的數據能夠通過無線鏈路直接在網絡上傳輸、發布和

共享。工業控制軟件己向組態化方向發展，工業控制軟件主要包括人機界面軟件、控制軟件

以及生產管理軟件等

5、通信技術的發展趨勢

基于現代通信技術的發展現狀,結合計算機網絡技術,再考慮到市場動態、客戶需求,

未來通信技術的發展將具備以下特點。(1)從點對點。演進到多點對多點間通信發展:傳統的

點對點應用整合方式,已無法滿足市場的發展需求,而采用平衡發送和差分接收的方式實現

一個主機與多個從機之間的通信,如電視會議系統等,將是未來通信技術的一大發展趨勢。(2)

雙(多)向控制:這樣的交互性表現在內部對象間任意復雜的通信,參與通訊的任何一方如果

沒有以隧道方式進行工作,都可發出控制請求并得到系統的響應。(3)實時性:隨著CPU、內

存等硬件運行速度的不斷提高,交換設備的信息量、信息熵、碼元速率、信息速率以及信道

容量也在不斷提高,這樣不但提高了系統的實時性,也極大的提高了系統的可靠性。例如:可

視電話、www等服務項目中的靜態圖像傳送,將來很可能逐漸被常規實時動態差分GPS所替

代。構建立體、多元化的通信網絡系統:人類從外界獲得的信息約90%來自視、聽、觸、嗅、

味覺,而由于當前的通信技術只能提供試聽業務,已經不能滿足人們越來越多的對于多媒體

業務的需求。未來市場的需求必定會對信息化系統的建設提出了更高要求,要求它對信息源

的收集、加工處理、存取和利用更接近自然,更接近人的生活。雖然在正常人的生活中,90%

的信息量是由視覺獲取的,但更加全面、更加逼真的信息交流始終是人類追求的更高目標。

因此,未來通信的信息將是在視、聽、觸、嗅覺上呈現立體擬真享受。(4)信息再現的仿

真化:通信系統傳輸的信息在到達目的地后,需要電子數據的形式將文字、圖像、聲音、動

畫等多種形式恢復再現。以美女的mm 目前通信系統中普遍使用的顯示器、音箱、耳機、打印機等配置,

其恢復的視場、聲場總是與真實相去甚遠。而近年來以虛擬現實技術和面向對象的仿真方法

相結合的仿真系統,卻可以對場景的模擬達到很高的水平。因而,通信技術是未來實現高數據

速率傳輸、改善傳輸質量、提高系統容量的重要途徑,高仿真度也將是其一大特點。

四、電子科學學科的應用前景

電子科學學科領域各技術的發展使得物聯網應運而生。物聯網是繼因特網之后將對人們

日常生活帶來巨大變化的又一新興技術。工業和信息化部發布的《“十二五”物聯網發展規

劃》明確了“十二五”期間將重點發展物聯網綜合產業，物聯網已成為行業發展的新熱點。

我國物聯網經過近年來的快速發展已從概念階段進入到應用領域，在許多領域的技術已達到

國際先進水平。

在國家大力推動工業化與信息化兩化融合的大背景下，物聯網將是工業乃至更多行業信

息化過程中一個比較現實的突破口。一旦物聯網大規模普及，無數的物品需要加裝更加小巧

智能的傳感器，用于動物、植物、機器等物品的傳感器與電子標簽及配套的接口裝置數量大

大超過目前的手機數量，這將大大推進信息技術元件的生產，給市場帶來巨大商機。引導企

業間通過聯合并購、品牌經營、虛擬經營等方式形成大型的物聯網企業或企業聯合體，提高

產業集中度，這是物聯網企業的發展趨勢。作為未來信息科技發展的方向，物聯網必將融入

我們每一個人的日常生活，就如互聯網一樣無法抗拒，漸漸與生活息息相關。