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1、1计 算 科 学 导 论 结 业 论 文（ 黄 路 路 计 算 机 科 学 与 软 件 学 院 112 班 112436）摘 要 ： 本 文 采 用 简 洁 的 语 言 浅 显 扼 要 的 讲 解 了 计 算 机 的 系 统 理 论 知 识 ， 起 抛 砖 引 玉 的 作 用 。 本 文 核 心 知 识共 包 含 四 大 部 分 ： 计 算 理 论 、 计 算 机 的 系 统 结 构 、 信 息 的 表 示 、 计 算 科 学 与 C 语 言 的 链 接 。 希 望 这 篇 论 文能 引 导 同 学 们 对 计 算 机 产 生 浓 厚 兴 趣 并 为 同 学 们 指 明 计 算 机 学 科 学

2、 习 的 方 向 。关 键 字 ： 算 法 计 算 机 科 学 存 储 器 程 序 软 件 冯 诺 伊 曼 模 型 二 进 制 表 示 法 像 素 视 频 小 数整 数 浮 点 数 中 央 处 理 单 元 字 节 位 模 式1 引 言欢 迎 分 享 本 文 ！ 你 将 从 这 里 了 解 更 多 的 计 算 机 专 业 知 识 和 技 能 。 计 算 机 网络 是 一 个 充 满 了 挑 战 和 发 展 机 遇 的 年 轻 学 科 。 计 算 机 应 用 机 器 及 系 统 给 现 今 社会 带 来 了 巨 大 的 方 便 ， 它 在 我 们 的 生 活 中 已 越 来 越 重 要 。 现 在

3、 让 我 们 一 起 走 进计 算 机 的 世 界 了 解 它 的 原 理 和 性 能 ， 深 入 了 解 它 、 应 用 它 吧 ！2 计 算 理 论1) 机 器 计 算 的 思 想计 算 是 人 类 长 久 的 活 动 ， 从 古 时 候 的 结 绳 而 治 、 鬼 谷 论 、 孙 子 剩 余 定 理 等 ，到 现 在 高 速 发 展 的 计 算 科 学 领 域 无 不 说 明 这 一 点 。 后 来 ， 人 类 又 通 过 模 拟 替 代的 表 达 形 式 确 立 了 机 器 计 算 的 思 想 。 随 后 出 现 的 算 盘 、 机 械 式 计 算 机 等 原 始 的计 算 机 器 更

4、 彰 显 了 劳 动 人 民 伟 大 的 计 算 智 慧 。 就 这 样 ， 机 器 计 算 向 计 算 机 进 化 ，计 算 机 科 学 时 代 到 来 了 ！2) 可 计 算 性 与 计 算 模 型A 可 计 算 性2生 活 中 的 问 题 一 般 可 以 分 为 两 类 ： 可 解 问 题 或 不 可 解 问 题 。 无 法 用 计 算 机解 决 的 问 题 我 们 称 为 不 可 解 问 题 ， 该 问 题 不 具 有 可 计 算 性 ； 而 能 够 被 计 算 机 解决 的 问 题 称 为 可 解 问 题 ， 这 样 的 问 题 具 有 可 计 算 性 。 两 者 的 区 别 是 判

5、 断 出 是 否能 用 计 算 机 解 决 ， 这 个 判 断 过 程 由 人 来 进 行 。B 计 算 模 型两 种 典 型 的 计 算 模 型 ： 波 斯 特 的 计 算 模 型 和 图 灵 的 计 算 模 型 。 A 波 斯 特 的计 算 模 型 ： 从 计 算 的 本 质 上 描 述 可 计 算 性 ， 是 纯 代 数 形 式 。 B 图 灵 的 计 算 模 型 （ 图灵 机 ） ： 从 计 算 的 过 程 上 描 述 可 计 算 性 ， 是 图 形 形 式 。 图 灵 的 计 算 模 型 是 现 代 计算 机 设 计 的 思 想 来 源 。3 计 算 机 的 系 统 结 构1) 冯

6、诺 依 曼 模 型冯 诺 依 曼 模 型 着 眼 于 计 算 机 （ 黑 盒 ） 的 内 部 结 构 ， 定 义 了 处 理 过 程 。 它主 要 基 于 三 个 想 法 。 首 先 是 四 个 子 系 统 ： 包 括 用 来 存 储 数 据 的 区 域 存 储 器 ，进 行 计 算 和 逻 辑 操 作 的 地 方 算 术 逻 辑 单 元 ， 对 存 储 器 、 算 术 逻 辑 单 元 、 输入 /输 出 等 子 系 统 的 操 作 进 行 控 制 的 单 元 控 制 单 元 ， 以 及 与 外 部 进 行 数 据 交换 的 单 元 输 入 输 出 单 元 。 其 次 是 在 此 基 础 上

7、进 行 存 储 程 序 、 程 序 控 制 的 操作 ， 以 此 为 计 算 方 法 设 计 的 计 算 模 型 。冯 诺 依 曼 模 型 的 主 要 特 征 在 于 存 储 程 序 的 概 念 。 尽 管 早 期 的 计 算 机 没 有使 用 这 种 模 型 ， 但 它 还 是 使 用 了 程 序 的 概 念 。 冯 诺 依 曼 模 型 新 定 义 了 编 程 术语 的 新 概 念 ， 而 存 储 程 序 、 程 序 控 制 正 是 冯 诺 依 曼 模 型 的 核 心 。 在 图 灵 机 的奠 基 下 出 现 的 冯 诺 依 曼 模 型 正 是 现 今 社 会 所 使 用 的 计 算 机 的

8、 核 心 系 统 理 论 ，让 我 们 一 起 缅 怀 先 知 ， 接 过 先 知 智 慧 的 接 力 棒 向 科 学 更 高 峰 攀 登 吧 ！3以 下 是 计 算 机 的 结 构 原 理 示 意 图 ：2) 硬 件 系 统构 成 计 算 机 的 实 体 及 其 连 接 称 为 硬 件 。 硬 件 由 硬 件 设 备 和 硬 件 结 构 组 成 ，其 中 硬 件 设 备 是 基 础 ， 硬 件 结 构 是 关 键 ， 并 且 硬 件 结 构 的 作 用 最 大 。A 硬 件 结 构硬 件 结 构 是 总 线 结 构 ， 它 有 三 种 ： A 面 向 CPU 的 单 总 线 结 构 ； B

9、面 向 内 存的 单 总 线 结 构 ； C 面 向 内 存 的 双 总 线 结 构 。输 入接 口 控 制 器存 储 器运 算 器输 出接 口4B 硬 件 设 备硬 件 设 备 由 CPU、 存 储 器 、 非 存 储 设 备 构 成 。 中 央 处 理 单 元 CPU 用 于 数 据的 运 算 ， 它 是 计 算 机 的 大 脑 ， 控 制 管 理 计 算 机 系 统 ， 实 现 运 行 程 序 和 管 理 外 设的 功 能 。 存 储 器 分 为 内 存 和 外 存 （ 硬 盘 ） ， 内 存 有 两 种 类 型 ： 随 机 存 取 存 储 器（ RAM） 和 只 读 存 储 器 （ R

10、OM） ； 外 存 常 指 磁 介 质 存 储 设 备 磁 盘 和 光 存 储设 备 光 盘 ， 外 存 仅 仅 存 储 数 据 。3) 软 件 系 统软 件 是 使 得 硬 件 能 够 正 常 工 作 的 程 序 的 集 合 。 它 的 原 始 概 念 是 ： 为 了 运 行管 理 、 维 护 计 算 机 系 统 所 编 制 的 程 序 的 综 合 。 而 现 在 它 的 更 新 概 念 是 ： 为 了 运行 管 理 、 维 护 计 算 机 系 统 所 编 制 的 程 序 的 总 和 ， 以 及 在 这 些 程 序 开 发 过 程 中 所用 到 的 一 切 文 档 资 料 。软 件 分 为

11、起 管 理 、 维 护 作 用 的 系 统 软 件 ， 应 用 软 件 ， 游 戏 软 件 和 作 为 软 件开 发 工 具 的 支 撑 软 件 。 作 为 计 算 机 专 业 学 习 者 ， 我 们 应 考 虑 市 场 需 求 及 科 研 价值 去 开 发 新 软 件 推 动 计 算 机 行 业 乃 至 全 社 会 的 进 步 、 繁 荣 ！4 信 息 的 表 示1) 二 进 制 的 表 示 方 法众 所 周 知 ， 在 机 器 内 部 所 有 的 信 息 都 是 用 二 进 制 表 示 的 ， 可 为 什 么 用 二 进 制 呢 ？二 进 制 表 示 有 哪 些 优 势 呢 ？首 先 二

12、进 制 运 算 简 单 ； 二 进 制 以 2 为 基 数 ， 只 有 三 条 运 算 规 则 ， 便 于 计 算机 进 行 简 单 的 运 算 操 作 。 其 次 ， 二 进 制 具 有 物 理 易 实 现 性 ； 因 为 二 进 制 中 只 有 0和 1 两 种 数 符 ， 更 易 于 用 数 学 中 的 逻 辑 值 0 和 1 以 物 理 状 态 模 拟 出 来 进 行 存 储和 操 作 。 最 后 二 进 制 节 约 寄 存 器 材 ； 表 达 同 一 个 数 二 进 制 更 节 约 存 储 使 用 的 器5材 （ 三 进 制 最 节 省 器 材 ， 但 三 进 制 在 其 他 两 方

13、 面 不 如 二 进 制 ， 故 选 用 二 进 制 ） 。2) 数 值 信 息 的 机 内 表 示数 值 信 息 指 的 是 数 码 （ 数 字 、 字 母 等 字 符 ） 、 正 负 号 、 小 数 点 。A 数 码 ：数 码 是 由 相 应 的 数 码 对 应 ASC 代 码 译 为 十 进 制 再 兑 换 为 二 进 制 进 行 存 储并 表 示 。B 正 负 号 ：正 负 号 的 表 示 是 在 把 正 负 号 符 号 位 数 码 化 ， 使 用 反 码 或 补 码 的 方 式 加 以 表示 。C 小 数 点 的 机 内 表 示 ：首 先 ， 必 须 说 明 的 是 二 进 制 数

14、符 表 示 两 个 状 态 ， 它 不 能 表 示 小 数 点 的 具 体位 置 ， 因 此 小 数 点 不 能 用 二 进 制 表 示 。 小 数 点 也 有 两 种 表 示 方 法 ： A 定 点 表 示法 ， 即 把 小 数 点 固 定 在 最 高 位 之 前 或 最 低 位 之 后 ， 再 把 小 数 放 置 进 去 ， 最 后 用比 例 因 子 记 下 其 移 动 的 位 数 ； B 浮 点 表 示 法 ， 用 复 乘 的 方 法 把 小 数 位 转 化 为 整 数再 进 行 存 储 。 浮 点 表 示 法 表 示 数 的 范 围 比 较 大 。3） 非 数 值 信 息 的 机 内

15、表 示*非 数 值 信 息 的 机 内 表 示 采 用 的 是 编 码 理 论 。A 字 符 的 表 示字 符 用 ASC 码 进 行 数 值 转 换 后 再 在 机 内 表 示 。B 图 像 的 表 示现 在 ， 图 像 在 计 算 机 中 有 两 种 表 示 方 法 ： 位 图 图 形 和 矢 量 图 形 。 A 位 图 图形 中 ， 图 像 被 分 成 像 素 矩 阵 ， 每 个 像 素 是 一 个 小 点 。 像 素 的 大 小 取 决 于 分 辨 率 。6然 后 把 每 一 个 像 素 赋 值 为 位 模 式 ， 由 0 和 1 分 别 表 示 白 像 素 和 黑 像 素 （ 黑 白

16、 照一 个 点 就 是 一 个 字 节 ， 彩 照 每 个 点 用 三 个 字 节 ） 。 最 后 位 模 式 被 一 个 接 一 个 记 录并 存 储 在 计 算 机 中 。 B 矢 量 图 形 中 ， 将 图 像 分 解 成 曲 线 和 直 线 的 组 合 ， 其 中 每 一个 曲 线 或 直 线 由 数 学 公 式 表 示 ， 这 些 公 式 的 组 合 被 存 储 在 计 算 机 中 。 矢 量 图 形的 好 处 是 可 以 随 意 放 大 或 缩 小 图 形 。C 声 音 的 机 内 表 示声 意 的 机 内 表 示 采 用 “ 采 样 ” 技 术 ， 把 采 样 值 量 化 转 为

17、 位 模 式 存 储 起 来 。当 采 样 频 率 大 于 等 于 二 倍 信 息 频 率 时 就 能 保 证 很 好 的 保 真 度 。D 汉 字 的 机 内 表 示汉 字 是 三 级 结 构 字 、 词 、 句 ， 其 中 字 是 基 本 单 位 ， 并 且 大 部 分 字 都 是 多 音节 的 。 汉 字 在 机 内 表 示 分 为 机 内 码 和 字 模 码 两 种 ， 机 内 码 浪 费 器 材 并 不 易 操 作 ，而 字 模 码 往 往 比 较 慢 ， 因 此 汉 字 的 机 内 表 示 具 有 很 大 的 研 发 空 间 。 汉 字 在 机 器中 的 极 限 是 由 存 储 空

18、 间 及 汉 字 的 输 入 问 题 限 制 的 。 汉 字 的 输 入 方 式 主 要 有 A 汉字 编 码 B光 电 扫 描 C 声 音 输 入 ， 输 入 限 制 指 的 是 编 码 输 入 中 的 同 码 问 题 以 及 光电 、 声 控 中 的 辨 别 问 题 。 延 续 了 几 千 年 的 汉 字 是 我 们 中 华 名 族 的 骄 傲 ， 让 我 们一 起 努 力 更 好 的 解 决 这 些 问 题 ， 让 汉 字 的 应 用 更 完 美 吧 ！5 计 算 机 科 学 与 C 语 言 链 接1) 程 序 的 生 成首 先 在 文 本 编 辑 器 上 编 辑 程 序 代 码 ， 输

19、 入 编 辑 器 的 文 件 称 为 源 文 件 。 然 后通 过 编 译 器 对 源 程 序 进 行 处 理 和 翻 译 ， 最 后 生 成 目 标 程 序 。 一 个 源 程 序 可 以 生成 多 个 目 标 程 序 。2） C 语 言 的 编 译 特 点7C 语 言 是 一 种 常 见 的 过 程 化 语 言 ， 该 语 言 被 绝 大 多 数 程 序 员 认 为 是 几 种 现 代语 言 如 C+、 Java、 PERL 的 始 祖 。 C 语 言 有 32 个 关 键 字 ， 9 种 控 制 语 句 ， 34种 表 达 式 ， 以 及 拥 有 众 多 可 调 用 函 数 的 函 数

20、库 （ 函 数 是 C 语 言 程 序 的 基 本 单 位 ） 。编 程 中 ， bit 为 一 个 二 进 制 位 ， byte 为 八 个 二 进 制 位 ， C 语 言 可 对 bit 和 byte 进行 直 接 操 作 ， 因 此 C 语 言 既 有 高 级 语 言 的 特 点 又 有 高 级 语 言 的 特 点 。3） 程 序 设 计 的 核 心 步 骤 程 序 =算 法 +数 据 结 构 +程 序 设 计 方 法 +语 言 工 具 和 环 境编 程 的 四 个 步 骤 ：A 分 析 阶 段 ： 进 行 问 题 分 析 、 建 立 数 学 模 型 。 对 用 户 、 要 求 、 方

21、法 进 行 定义 并 分 析 出 来 。B 设 计 阶 段 ： 进 行 算 法 设 计 ， 使 任 务 模 块 化 并 分 解 为 特 定 操 作 ， 然 后 设 计流 程 图 形 象 的 去 表 达 算 法 。C 实 现 阶 段 ： 程 序 编 制 ， 用 程 序 设 计 语 言 把 算 法 编 为 程 序 。D 测 试 阶 段 ： 使 用 黑 盒 测 试 和 白 盒 测 试 的 方 法 去 检 验 程 序 。6 知 识 小 结 ：计 算 理 论 1 机 器 计 算 的 思 想2 可 计 算 性 和 计 算 模 型81 冯 诺 依 曼 模 式计 算 机 的 系 统 结 构 2 硬 件 系 统

22、 （ CPU、 存 储 器 、 输 入 /输 出 ）3 软 件 系 统 （ 软 件 概 念 、 软 件 分 类 ）1 二 进 制 的 表 示 方 法信 息 的 表 示 2 数 值 信 息 的 机 内 表 示 （ 数 码 、 正 负 号 、小 数 点 ） 3 非 数 值 信 息 的 机 内 表 示 （ 字 符 、 图 像 、声 音 、 汉 字 ）1 程 序 的 生 成9计 算 科 学 与 C 语 言 的 链 接 2C 语 言 的 编 译 特 点3 程 序 设 计 的 核 心 步 骤7 结 束 语 ：现 今 社 会 ， 计 算 机 发 展 瞬 息 万 变 ， 计 算 机 在 社 会 中 的 作 用

23、 也 越 来 越 越 大 ，作 为 计 算 机 专 业 设 计 人 员 ， 我 们 要 善 于 学 习 和 创 新 ， 把 握 计 算 机 发 展 动 向 ， 去努 力 学 习 、 开 拓 创 新 、 适 应 社 会 、 造 福 社 会 ！ 本 篇 论 文 已 结 束 ， 限 于 个 人 学 识有 限 ， 难 免 有 所 失 误 、 不 足 之 处 ， 希 望 读 者 能 够 海 涵 并 给 予 作 者 批 评 指 正 ， 不胜 感 激 ！参 考 文 献 ：【 1】 Glenn BrooksheaJr 计 算 机 科 学 概 论 （ 第 十 版 ） 人 民 邮 电 出 版 社 ， 2009年 9 月 ；【 2】 BehrouzA.Forouzan 计 算 机 科 学 导 论 机 械 工 业 出 版 社 ， 2004 年 10 月 ；【 3】 黄 润 才 计 算 机 导 论 中 国 铁 道 出 版 社 ， 2004 年 12 月 。