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 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 4 B 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(ROM) ；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 ASCⅡ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 ASCⅡ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 7 C 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 8 1 冯诺依曼模式 计算机的系统结构2 硬件系统(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2 C 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， 年 9 月； 【2】Behrouz A.Forouzan计算机科学导论机械工业出版社， 年 10 月； 【3】黄润才计算机导论中国铁道出版社， 年 12 月。
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