1 計算科學導論結業論文 (黃路路 計算機科學與軟件學院 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的系統理論知識，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、計算機的系統結構、信息的表示、計算科學與 C 語言的鏈接。希望這篇論文 能引導同學們對計算機產生濃厚興趣并為同學們指明計算機學科學習的方向。 關鍵字：算法計算機科學存儲器程序軟件馮諾伊曼模型二進制表示法像素視頻小數 整數浮點數中央處理單元字節位模式 1 引言 歡迎分享本文！你將從這里了解更多的計算機專業知識和技能。計算機網 絡是一個充滿了挑戰和發展機遇的年輕學科。計算機應用機器及系統給現今社 會帶來了巨大的方便，它在我們的生活中已越來越重要。現在讓我們一起走進 計算機的世界了解它的原理和性能，深入了解它、應用它吧！ 2 計算理論 1) 機器計算的思想 計算是人類長久的活動，從古時候的結繩而治、鬼谷論、孫子剩余定理等， 到現在高速發展的計算科學領域無不說明這一點。后來，人類又通過模擬替代 的表達形式確立了機器計算的思想。隨后出現的算盤、機械式計算機等原始的 計算機器更彰顯了勞動人民偉大的計算智慧。就這樣，機器計算向計算機進化， 計算機科學時代到來了！ 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 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。兩者的區別是判斷出是否 能用計算機解決，這個判斷過程由人來進行。 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： 從計算的本質上描述可計算性， 是純代數形式。 B 圖靈的計算模型 (圖 靈機) ：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代計 算機設計的思想來源。 3 計算機的系統結構 1) 馮諾依曼模型 馮諾依曼模型著眼于計算機(黑盒)的內部結構，定義了處理過程。它 主要基于三個想法。首先是四個子系統：包括用來存儲數據的區域──存儲器， 進行計算和邏輯操作的地方──算術邏輯單元，對存儲器、算術邏輯單元、輸 入/輸出等子系統的操作進行控制的單元──控制單元，以及與外部進行數據交 換的單元──輸入輸出單元。其次是在此基礎上進行存儲程序、程序控制的操 作，以此為計算方法設計的計算模型。 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 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。在圖靈機的 奠基下出現的馮諾依曼模型正是現今社會所使用的計算機的核心系統理論， 讓我們一起緬懷先知，接過先知智慧的接力棒向科學更高峰攀登吧！ 3 以下是計算機的結構原理示意圖： 2) 硬件系統 構成計算機的實體及其連接稱為硬件。硬件由硬件設備和硬件結構組成， 其中硬件設備是基礎，硬件結構是關鍵，并且硬件結構的作用最大。 A 硬件結構 硬件結構是總線結構，它有三種：A 面向 CPU 的單總線結構；B 面向內存 的單總線結構；C 面向內存的雙總線結構。 輸 入 接口 控制器 存儲器 運算器 輸出 接口 4 B 硬件設備 硬件設備由 CPU、存儲器、非存儲設備構成。中央處理單元 CPU 用于數據 的運算，它是計算機的大腦，控制管理計算機系統，實現運行程序和管理外設 的功能。存儲器分為內存和外存(硬盤) ，內存有兩種類型：隨機存取存儲器 (RAM)和只讀存儲器(ROM) ；外存常指磁介質存儲設備──磁盤和光存儲 設備──光盤，外存僅僅存儲數據。 3) 軟件系統 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：為了運行 管理、維護計算機系統所編制的程序的綜合。而現在它的更新概念是：為了運 行管理、維護計算機系統所編制的程序的總和，以及在這些程序開發過程中所 用到的一切文檔資料。 軟件分為起管理、維護作用的系統軟件，應用軟件，游戲軟件和作為軟件 開發工具的支撐軟件。作為計算機專業學習者，我們應考慮市場需求及科研價 值去開發新軟件推動計算機行業乃至全社會的進步、繁榮！ 4 信息的表示 1) 二進制的表示方法 眾所周知， 在機器內部所有的信息都是用二進制表示的， 可為什么用二進制呢？ 二進制表示有哪些優勢呢？ 首先二進制運算簡單；二進制以 2 為基數，只有三條運算規則，便于計算 機進行簡單的運算操作。其次，二進制具有物理易實現性；因為二進制中只有 0 和 1 兩種數符，更易于用數學中的邏輯值 0 和 1 以物理狀態模擬出來進行存儲 和操作。最后二進制節約寄存器材；表達同一個數二進制更節約存儲使用的器 5 材(三進制最節省器材，但三進制在其他兩方面不如二進制，故選用二進制) 。 2) 數值信息的機內表示 數值信息指的是數碼(數字、字母等字符) 、正負號、小數點。 A 數碼： 數碼是由相應的數碼對應 ASCⅡ代碼譯為十進制再兌換為二進制進行存儲 并表示。 B 正負號： 正負號的表示是在把正負號符號位數碼化，使用反碼或補碼的方式加以表 示。 C 小數點的機內表示： 首先，必須說明的是二進制數符表示兩個狀態，它不能表示小數點的具體 位置，因此小數點不能用二進制表示。小數點也有兩種表示方法：A 定點表示 法，即把小數點固定在最高位之前或最低位之后，再把小數放置進去，最后用 比例因子記下其移動的位數； B 浮點表示法， 用復乘的方法把小數位轉化為整數 再進行存儲。浮點表示法表示數的范圍比較大。 3) 非數值信息的機內表示 *非數值信息的機內表示采用的是編碼理論。 A 字符的表示 字符用 ASCⅡ碼進行數值轉換后再在機內表示。 B 圖像的表示 現在，圖像在計算機中有兩種表示方法：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。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 一個點就是一個字節，彩照每個點用三個字節) 。最后位模式被一個接一個記錄 并存儲在計算機中。B 矢量圖形中，將圖像分解成曲線和直線的組合，其中每一 個曲線或直線由數學公式表示，這些公式的組合被存儲在計算機中。矢量圖形 的好處是可以隨意放大或縮小圖形。 C 聲音的機內表示 聲意的機內表示采用“采樣”技術，把采樣值量化轉為位模式存儲起來。 當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 漢字的機內表示 漢字是三級結構字、詞、句，其中字是基本單位，并且大部分字都是多音 節的。漢字在機內表示分為機內碼和字模碼兩種，機內碼浪費器材并不易操作， 而字模碼往往比較慢，因此漢字的機內表示具有很大的研發空間。漢字在機器 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，讓漢字的應用更完美吧！ 5 計算機科學與 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行處理和翻譯，最后生成目標程序。一個源程序可以生 成多個目標程序。 2)C 語言的編譯特點 7 C 語言是一種常見的過程化語言， 該語言被絕大多數程序員認為是幾種現代 語言如 C++、Java、PERL 的始祖。C 語言有 32 個關鍵字，9 種控制語句，34 種表達式， 以及擁有眾多可調用函數的函數庫 (函數是 C 語言程序的基本單位) 。 編程中，bit 為一個二進制位，byte 為八個二進制位，C 語言可對 bit 和 byte 進 行直接操作，因此 C 語言既有高級語言的特點又有高級語言的特點。 3)程序設計的核心步驟 ● 程序=算法+數據結構+程序設計方法+語言工具和環境 編程的四個步驟： A 分析階段：進行問題分析、建立數學模型。對用戶、要求、方法進行定 義并分析出來。 B 設計階段：進行算法設計，使任務模塊化并分解為特定操作，然后設計 流程圖形象的去表達算法。 C 實現階段：程序編制，用程序設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程序。 6 知識小結： 計算理論1 機器計算的思想 2 可計算性和計算模型 8 1 馮諾依曼模式 計算機的系統結構2 硬件系統(CPU、存儲器、輸入/輸出) 3 軟件系統(軟件概念、軟件分類) 1 二進制的表示方法 信息的表示2 數值信息的機內表示(數碼、正負號、 小數點) 3 非數值信息的機內表示(字符、圖像、 聲音、漢字) 1 程序的生成 9 計算科學與 C 語言的鏈接2 C 語言的編譯特點 3 程序設計的核心步驟 7 結束語： 現今社會，計算機發展瞬息萬變，計算機在社會中的作用也越來越越大， 作為計算機專業設計人員，我們要善于學習和創新，把握計算機發展動向，去 努力學習、開拓創新、適應社會、造福社會！本篇論文已結束，限于個人學識 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： 【1】Glenn BrooksheaJr計算機科學概論(第十版) 人民郵電出版社，2009 年 9 月； 【2】Behrouz A.Forouzan計算機科學導論機械工業出版社，2004 年 10 月； 【3】黃潤才計算機導論中國鐵道出版社，2004 年 12 月。

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總結

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