計(jì)算機(jī)導(dǎo)論結(jié)業(yè)論文.pdf

1 計(jì)算科學(xué)導(dǎo)論結(jié)業(yè)論文 黃路路 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院 112 班 112436 摘要 本文采用簡(jiǎn)潔的語言淺顯扼要的講解了計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)理論知識(shí) 起拋磚引玉的作用 本文核心知識(shí) 共包含四大部分 計(jì)算理論 計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 信息的表示 計(jì)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(duì)計(jì)算機(jī)產(chǎn)生濃厚興趣并為同學(xué)們指明計(jì)算機(jī)學(xué)科學(xué)習(xí)的方向 關(guān)鍵字 算法計(jì)算機(jī)科學(xué)存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)和技能 計(jì)算機(jī)網(wǎng) 絡(luò)是一個(gè)充滿了挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇的年輕學(xué)科 計(jì)算機(jī)應(yīng)用機(jī)器及系統(tǒng)給現(xiàn)今社 會(huì)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(jì)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(jì)算理論 1 機(jī)器計(jì)算的思想 計(jì)算是人類長久的活動(dòng) 從古時(shí)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(jì)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(jì)算的思想 隨后出現(xiàn)的算盤 機(jī)械式計(jì)算機(jī)等原始的 計(jì)算機(jī)器更彰顯了勞動(dòng)人民偉大的計(jì)算智慧 就這樣 機(jī)器計(jì)算向計(jì)算機(jī)進(jìn)化 計(jì)算機(jī)科學(xué)時(shí)代到來了 2 可計(jì)算性與計(jì)算模型 A 可計(jì)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(jì)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(jì)算性 而能夠被計(jì)算機(jī)解 決的問題稱為可解問題 這樣的問題具有可計(jì)算性 兩者的區(qū)別是判斷出是否 能用計(jì)算機(jī)解決 這個(gè)判斷過程由人來進(jìn)行 B 計(jì)算模型 兩種典型的計(jì)算模型 波斯特的計(jì)算模型和圖靈的計(jì)算模型 A 波斯特的 計(jì)算模型 從計(jì)算的本質(zhì)上描述可計(jì)算性 是純代數(shù)形式 B 圖靈的計(jì)算模型 圖 靈機(jī) 從計(jì)算的過程上描述可計(jì)算性 是圖形形式 圖靈的計(jì)算模型是現(xiàn)代計(jì) 算機(jī)設(shè)計(jì)的思想來源 3 計(jì)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(jì)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(gè)想法 首先是四個(gè)子系統(tǒng) 包括用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的區(qū)域 存儲(chǔ)器 進(jìn)行計(jì)算和邏輯操作的地方 算術(shù)邏輯單元 對(duì)存儲(chǔ)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(chǔ)程序 程序控制的操 作 以此為計(jì)算方法設(shè)計(jì)的計(jì)算模型 馮 諾依曼模型的主要特征在于存儲(chǔ)程序的概念 盡管早期的計(jì)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(chǔ)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(huì)所使用的計(jì)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(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)原理示意圖 2 硬件系統(tǒng) 構(gòu)成計(jì)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(chǔ)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(chǔ)器 非存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)的大腦 控制管理計(jì)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(chǔ)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(chǔ)器 RAM 和只讀存儲(chǔ)器 ROM 外存常指磁介質(zhì)存儲(chǔ)設(shè)備 磁盤和光存儲(chǔ) 設(shè)備 光盤 外存僅僅存儲(chǔ)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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)者 我們應(yīng)考慮市場(chǎng)需求及科研價(jià) 值去開發(fā)新軟件推動(dòng)計(jì)算機(jī)行業(yè)乃至全社會(huì)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(shì)呢 首先二進(jìn)制運(yùn)算簡(jiǎn)單 二進(jìn)制以 2 為基數(shù) 只有三條運(yùn)算規(guī)則 便于計(jì)算 機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)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(chǔ) 和操作 最后二進(jìn)制節(jié)約寄存器材 表達(dá)同一個(gè)數(shù)二進(jìn)制更節(jié)約存儲(chǔ)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(hào) 小數(shù)點(diǎn) A 數(shù)碼 數(shù)碼是由相應(yīng)的數(shù)碼對(duì)應(yīng) ASC 代碼譯為十進(jìn)制再兌換為二進(jìn)制進(jìn)行存儲(chǔ) 并表示 B 正負(fù)號(hào) 正負(fù)號(hào)的表示是在把正負(fù)號(hào)符號(hào)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(gè)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(dòng)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(chǔ) 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 ASC 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(jì)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(gè)像素是一個(gè)小點(diǎn) 像素的大小取決于分辨率 6 然后把每一個(gè)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(gè)點(diǎn)就是一個(gè)字節(jié) 彩照每個(gè)點(diǎn)用三個(gè)字節(jié) 最后位模式被一個(gè)接一個(gè)記錄 并存儲(chǔ)在計(jì)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(gè)曲線或直線由數(shù)學(xué)公式表示 這些公式的組合被存儲(chǔ)在計(jì)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(chǔ)起來 當(dāng)采樣頻率大于等于二倍信息頻率時(shí)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(jí)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(chǔ)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(jì)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(duì)源程序進(jìn)行處理和翻譯 最后生成目標(biāo)程序 一個(gè)源程序可以生 成多個(gè)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(gè)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(gè)二進(jìn)制位 byte 為八個(gè)二進(jìn)制位 C 語言可對(duì) bit 和 byte 進(jìn) 行直接操作 因此 C 語言既有高級(jí)語言的特點(diǎn)又有高級(jí)語言的特點(diǎn) 3 程序設(shè)計(jì)的核心步驟 程序 算法 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 程序設(shè)計(jì)方法 語言工具和環(huán)境 編程的四個(gè)步驟 A 分析階段 進(jìn)行問題分析 建立數(shù)學(xué)模型 對(duì)用戶 要求 方法進(jìn)行定 義并分析出來 B 設(shè)計(jì)階段 進(jìn)行算法設(shè)計(jì) 使任務(wù)模塊化并分解為特定操作 然后設(shè)計(jì) 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(jì)語言把算法編為程序 D 測(cè)試階段 使用黑盒測(cè)試和白盒測(cè)試的方法去檢驗(yàn)程序 6 知識(shí)小結(jié) 計(jì)算理論1 機(jī)器計(jì)算的思想 2 可計(jì)算性和計(jì)算模型 8 1 馮 諾依曼模式 計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2 硬件系統(tǒng) CPU 存儲(chǔ)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(hào) 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(jì)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(jì)的核心步驟 7 結(jié)束語 現(xiàn)今社會(huì) 計(jì)算機(jī)發(fā)展瞬息萬變 計(jì)算機(jī)在社會(huì)中的作用也越來越越大 作為計(jì)算機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)人員 我們要善于學(xué)習(xí)和創(chuàng)新 把握計(jì)算機(jī)發(fā)展動(dòng)向 去 努力學(xué)習(xí) 開拓創(chuàng)新 適應(yīng)社會(huì) 造福