1 計算科學(xué)導(dǎo)論結(jié)業(yè)論文 (黃路路 計算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院 112 班 112436) 摘要：本文采用簡潔的語言淺顯扼要的講解了計算機(jī)的系統(tǒng)理論知識，起拋磚引玉的作用。本文核心知識 共包含四大部分：計算理論、計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、信息的表示、計算科學(xué)與 C 語言的鏈接。希望這篇論文 能引導(dǎo)同學(xué)們對計算機(jī)產(chǎn)生濃厚興趣并為同學(xué)們指明計算機(jī)學(xué)科學(xué)習(xí)的方向。 關(guān)鍵字：算法計算機(jī)科學(xué)存儲器程序軟件馮諾伊曼模型二進(jìn)制表示法像素視頻小數(shù) 整數(shù)浮點(diǎn)數(shù)中央處理單元字節(jié)位模式 1 引言 歡迎分享本文！你將從這里了解更多的計算機(jī)專業(yè)知識和技能。計算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)是一個充滿了挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇的年輕學(xué)科。計算機(jī)應(yīng)用機(jī)器及系統(tǒng)給現(xiàn)今社 會帶來了巨大的方便，它在我們的生活中已越來越重要。現(xiàn)在讓我們一起走進(jìn) 計算機(jī)的世界了解它的原理和性能，深入了解它、應(yīng)用它吧！ 2 計算理論 1) 機(jī)器計算的思想 計算是人類長久的活動，從古時候的結(jié)繩而治、鬼谷論、孫子剩余定理等， 到現(xiàn)在高速發(fā)展的計算科學(xué)領(lǐng)域無不說明這一點(diǎn)。后來，人類又通過模擬替代 的表達(dá)形式確立了機(jī)器計算的思想。隨后出現(xiàn)的算盤、機(jī)械式計算機(jī)等原始的 計算機(jī)器更彰顯了勞動人民偉大的計算智慧。就這樣，機(jī)器計算向計算機(jī)進(jìn)化， 計算機(jī)科學(xué)時代到來了！ 2) 可計算性與計算模型 A 可計算性 2 生活中的問題一般可以分為兩類：可解問題或不可解問題。無法用計算機(jī) 解決的問題我們稱為不可解問題，該問題不具有可計算性；而能夠被計算機(jī)解 決的問題稱為可解問題，這樣的問題具有可計算性。兩者的區(qū)別是判斷出是否 能用計算機(jī)解決，這個判斷過程由人來進(jìn)行。 B 計算模型 兩種典型的計算模型：波斯特的計算模型和圖靈的計算模型。A 波斯特的 計算模型： 從計算的本質(zhì)上描述可計算性， 是純代數(shù)形式。 B 圖靈的計算模型 (圖 靈機(jī)) ：從計算的過程上描述可計算性，是圖形形式。圖靈的計算模型是現(xiàn)代計 算機(jī)設(shè)計的思想來源。 3 計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1) 馮諾依曼模型 馮諾依曼模型著眼于計算機(jī)(黑盒)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，定義了處理過程。它 主要基于三個想法。首先是四個子系統(tǒng)：包括用來存儲數(shù)據(jù)的區(qū)域──存儲器， 進(jìn)行計算和邏輯操作的地方──算術(shù)邏輯單元，對存儲器、算術(shù)邏輯單元、輸 入/輸出等子系統(tǒng)的操作進(jìn)行控制的單元──控制單元，以及與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交 換的單元──輸入輸出單元。其次是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行存儲程序、程序控制的操 作，以此為計算方法設(shè)計的計算模型。 馮諾依曼模型的主要特征在于存儲程序的概念。盡管早期的計算機(jī)沒有 使用這種模型，但它還是使用了程序的概念。馮諾依曼模型新定義了編程術(shù) 語的新概念，而存儲程序、程序控制正是馮諾依曼模型的核心。在圖靈機(jī)的 奠基下出現(xiàn)的馮諾依曼模型正是現(xiàn)今社會所使用的計算機(jī)的核心系統(tǒng)理論， 讓我們一起緬懷先知，接過先知智慧的接力棒向科學(xué)更高峰攀登吧！ 3 以下是計算機(jī)的結(jié)構(gòu)原理示意圖： 2) 硬件系統(tǒng) 構(gòu)成計算機(jī)的實(shí)體及其連接稱為硬件。硬件由硬件設(shè)備和硬件結(jié)構(gòu)組成， 其中硬件設(shè)備是基礎(chǔ)，硬件結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵，并且硬件結(jié)構(gòu)的作用最大。 A 硬件結(jié)構(gòu) 硬件結(jié)構(gòu)是總線結(jié)構(gòu)，它有三種：A 面向 CPU 的單總線結(jié)構(gòu)；B 面向內(nèi)存 的單總線結(jié)構(gòu)；C 面向內(nèi)存的雙總線結(jié)構(gòu)。 輸 入 接口 控制器 存儲器 運(yùn)算器 輸出 接口 4 B 硬件設(shè)備 硬件設(shè)備由 CPU、存儲器、非存儲設(shè)備構(gòu)成。中央處理單元 CPU 用于數(shù)據(jù) 的運(yùn)算，它是計算機(jī)的大腦，控制管理計算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行程序和管理外設(shè) 的功能。存儲器分為內(nèi)存和外存(硬盤) ，內(nèi)存有兩種類型：隨機(jī)存取存儲器 (RAM)和只讀存儲器(ROM) ；外存常指磁介質(zhì)存儲設(shè)備──磁盤和光存儲 設(shè)備──光盤，外存僅僅存儲數(shù)據(jù)。 3) 軟件系統(tǒng) 軟件是使得硬件能夠正常工作的程序的集合。它的原始概念是：為了運(yùn)行 管理、維護(hù)計算機(jī)系統(tǒng)所編制的程序的綜合。而現(xiàn)在它的更新概念是：為了運(yùn) 行管理、維護(hù)計算機(jī)系統(tǒng)所編制的程序的總和，以及在這些程序開發(fā)過程中所 用到的一切文檔資料。 軟件分為起管理、維護(hù)作用的系統(tǒng)軟件，應(yīng)用軟件，游戲軟件和作為軟件 開發(fā)工具的支撐軟件。作為計算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)者，我們應(yīng)考慮市場需求及科研價 值去開發(fā)新軟件推動計算機(jī)行業(yè)乃至全社會的進(jìn)步、繁榮！ 4 信息的表示 1) 二進(jìn)制的表示方法 眾所周知， 在機(jī)器內(nèi)部所有的信息都是用二進(jìn)制表示的， 可為什么用二進(jìn)制呢？ 二進(jìn)制表示有哪些優(yōu)勢呢？ 首先二進(jìn)制運(yùn)算簡單；二進(jìn)制以 2 為基數(shù)，只有三條運(yùn)算規(guī)則，便于計算 機(jī)進(jìn)行簡單的運(yùn)算操作。其次，二進(jìn)制具有物理易實(shí)現(xiàn)性；因?yàn)槎M(jìn)制中只有 0 和 1 兩種數(shù)符，更易于用數(shù)學(xué)中的邏輯值 0 和 1 以物理狀態(tài)模擬出來進(jìn)行存儲 和操作。最后二進(jìn)制節(jié)約寄存器材；表達(dá)同一個數(shù)二進(jìn)制更節(jié)約存儲使用的器 5 材(三進(jìn)制最節(jié)省器材，但三進(jìn)制在其他兩方面不如二進(jìn)制，故選用二進(jìn)制) 。 2) 數(shù)值信息的機(jī)內(nèi)表示 數(shù)值信息指的是數(shù)碼(數(shù)字、字母等字符) 、正負(fù)號、小數(shù)點(diǎn)。 A 數(shù)碼： 數(shù)碼是由相應(yīng)的數(shù)碼對應(yīng) ASCⅡ代碼譯為十進(jìn)制再兌換為二進(jìn)制進(jìn)行存儲 并表示。 B 正負(fù)號： 正負(fù)號的表示是在把正負(fù)號符號位數(shù)碼化，使用反碼或補(bǔ)碼的方式加以表 示。 C 小數(shù)點(diǎn)的機(jī)內(nèi)表示： 首先，必須說明的是二進(jìn)制數(shù)符表示兩個狀態(tài)，它不能表示小數(shù)點(diǎn)的具體 位置，因此小數(shù)點(diǎn)不能用二進(jìn)制表示。小數(shù)點(diǎn)也有兩種表示方法：A 定點(diǎn)表示 法，即把小數(shù)點(diǎn)固定在最高位之前或最低位之后，再把小數(shù)放置進(jìn)去，最后用 比例因子記下其移動的位數(shù)； B 浮點(diǎn)表示法， 用復(fù)乘的方法把小數(shù)位轉(zhuǎn)化為整數(shù) 再進(jìn)行存儲。浮點(diǎn)表示法表示數(shù)的范圍比較大。 3) 非數(shù)值信息的機(jī)內(nèi)表示 *非數(shù)值信息的機(jī)內(nèi)表示采用的是編碼理論。 A 字符的表示 字符用 ASCⅡ碼進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換后再在機(jī)內(nèi)表示。 B 圖像的表示 現(xiàn)在，圖像在計算機(jī)中有兩種表示方法：位圖圖形和矢量圖形。A 位圖圖 形中，圖像被分成像素矩陣，每個像素是一個小點(diǎn)。像素的大小取決于分辨率。 6 然后把每一個像素賦值為位模式，由 0 和 1 分別表示白像素和黑像素(黑白照 一個點(diǎn)就是一個字節(jié)，彩照每個點(diǎn)用三個字節(jié)) 。最后位模式被一個接一個記錄 并存儲在計算機(jī)中。B 矢量圖形中，將圖像分解成曲線和直線的組合，其中每一 個曲線或直線由數(shù)學(xué)公式表示，這些公式的組合被存儲在計算機(jī)中。矢量圖形 的好處是可以隨意放大或縮小圖形。 C 聲音的機(jī)內(nèi)表示 聲意的機(jī)內(nèi)表示采用“采樣”技術(shù)，把采樣值量化轉(zhuǎn)為位模式存儲起來。 當(dāng)采樣頻率大于等于二倍信息頻率時就能保證很好的保真度。 D 漢字的機(jī)內(nèi)表示 漢字是三級結(jié)構(gòu)字、詞、句，其中字是基本單位，并且大部分字都是多音 節(jié)的。漢字在機(jī)內(nèi)表示分為機(jī)內(nèi)碼和字模碼兩種，機(jī)內(nèi)碼浪費(fèi)器材并不易操作， 而字模碼往往比較慢，因此漢字的機(jī)內(nèi)表示具有很大的研發(fā)空間。漢字在機(jī)器 中的極限是由存儲空間及漢字的輸入問題限制的。漢字的輸入方式主要有 A 漢 字編碼 B 光電掃描 C 聲音輸入，輸入限制指的是編碼輸入中的同碼問題以及光 電、聲控中的辨別問題。延續(xù)了幾千年的漢字是我們中華名族的驕傲，讓我們 一起努力更好的解決這些問題，讓漢字的應(yīng)用更完美吧！ 5 計算機(jī)科學(xué)與 C 語言鏈接 1) 程序的生成 首先在文本編輯器上編輯程序代碼，輸入編輯器的文件稱為源文件。然后 通過編譯器對源程序進(jìn)行處理和翻譯，最后生成目標(biāo)程序。一個源程序可以生 成多個目標(biāo)程序。 2)C 語言的編譯特點(diǎn) 7 C 語言是一種常見的過程化語言， 該語言被絕大多數(shù)程序員認(rèn)為是幾種現(xiàn)代 語言如 C++、Java、PERL 的始祖。C 語言有 32 個關(guān)鍵字，9 種控制語句，34 種表達(dá)式， 以及擁有眾多可調(diào)用函數(shù)的函數(shù)庫 (函數(shù)是 C 語言程序的基本單位) 。 編程中，bit 為一個二進(jìn)制位，byte 為八個二進(jìn)制位，C 語言可對 bit 和 byte 進(jìn) 行直接操作，因此 C 語言既有高級語言的特點(diǎn)又有高級語言的特點(diǎn)。 3)程序設(shè)計的核心步驟 ● 程序=算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+程序設(shè)計方法+語言工具和環(huán)境 編程的四個步驟： A 分析階段：進(jìn)行問題分析、建立數(shù)學(xué)模型。對用戶、要求、方法進(jìn)行定 義并分析出來。 B 設(shè)計階段：進(jìn)行算法設(shè)計，使任務(wù)模塊化并分解為特定操作，然后設(shè)計 流程圖形象的去表達(dá)算法。 C 實(shí)現(xiàn)階段：程序編制，用程序設(shè)計語言把算法編為程序。 D 測試階段：使用黑盒測試和白盒測試的方法去檢驗(yàn)程序。 6 知識小結(jié)： 計算理論1 機(jī)器計算的思想 2 可計算性和計算模型 8 1 馮諾依曼模式 計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2 硬件系統(tǒng)(CPU、存儲器、輸入/輸出) 3 軟件系統(tǒng)(軟件概念、軟件分類) 1 二進(jìn)制的表示方法 信息的表示2 數(shù)值信息的機(jī)內(nèi)表示(數(shù)碼、正負(fù)號、 小數(shù)點(diǎn)) 3 非數(shù)值信息的機(jī)內(nèi)表示(字符、圖像、 聲音、漢字) 1 程序的生成 9 計算科學(xué)與 C 語言的鏈接2 C 語言的編譯特點(diǎn) 3 程序設(shè)計的核心步驟 7 結(jié)束語： 現(xiàn)今社會，計算機(jī)發(fā)展瞬息萬變，計算機(jī)在社會中的作用也越來越越大， 作為計算機(jī)專業(yè)設(shè)計人員，我們要善于學(xué)習(xí)和創(chuàng)新，把握計算機(jī)發(fā)展動向，去 努力學(xué)習(xí)、開拓創(chuàng)新、適應(yīng)社會、造福社會！本篇論文已結(jié)束，限于個人學(xué)識 有限，難免有所失誤、不足之處，希望讀者能夠海涵并給予作者批評指正，不 勝感激！ 參考文獻(xiàn)： 【1】Glenn BrooksheaJr計算機(jī)科學(xué)概論(第十版) 人民郵電出版社，2009 年 9 月； 【2】Behrouz A.Forouzan計算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論機(jī)械工業(yè)出版社，2004 年 10 月； 【3】黃潤才計算機(jī)導(dǎo)論中國鐵道出版社，2004 年 12 月。

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總結(jié)

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