計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)知識(shí)結(jié)構(gòu)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上前兩天闡述了一下本校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生需要掌握的知識(shí)體系。自覺比較有道理，整理一下發(fā)上來。適合的閱讀對(duì)象：剛進(jìn)入計(jì)算機(jī)系，對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的知識(shí)體系尚未了解的同學(xué)。本校學(xué)生獲益尤大。整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)就像人一樣，有兩條腿。一條叫做數(shù)學(xué)（基礎(chǔ)），一條叫做物理（基礎(chǔ)）。數(shù)學(xué)主要指的是數(shù)理邏輯。其中比較重要的是形式邏輯系統(tǒng)、Turing論題和Churcher論題。形式邏輯系統(tǒng)用邏輯的方法描述這個(gè)世界，在寥寥數(shù)條公理和推理規(guī)則之上構(gòu)筑了整個(gè)邏輯系統(tǒng)、數(shù)論系統(tǒng)乃至計(jì)算機(jī)科學(xué)。Turing論題是計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)，它點(diǎn)出了形式邏輯系統(tǒng)的威力：只要是人能計(jì)算的，機(jī)器都能用形式

2、邏輯的規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。并且它提出了一種實(shí)現(xiàn)的方法，就是Turing機(jī)。Churcher論題指出了形式邏輯系統(tǒng)的不足：人能證明的，機(jī)器不一定能證明。更準(zhǔn)確的說是，在形式邏輯系統(tǒng)中，不存在一種通用的算法，能判斷所有命題的真假。這就是計(jì)算機(jī)科學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。而計(jì)算機(jī)技術(shù)的物理基礎(chǔ)就是數(shù)字邏輯電路。這里不說模擬電路啊電磁學(xué)啊，因?yàn)楦杏X和“邏輯”聯(lián)系不是很大。首先數(shù)字電路中給出了邏輯的電路實(shí)現(xiàn)，比如如何實(shí)現(xiàn)這樣的電路僅當(dāng)兩輸入均為高電平時(shí)輸出為高電平即與門。然后數(shù)字電路給出了組合邏輯的設(shè)計(jì)方法。這直接使算術(shù)邏輯單元(ALU)的設(shè)計(jì)成為可能。最后，數(shù)字電路給出了時(shí)序邏輯的設(shè)計(jì)方法，典型的結(jié)果就是寄存器、計(jì)數(shù)器

3、的出現(xiàn)，使得時(shí)序控制成為可能。但僅僅是數(shù)學(xué)和物理遠(yuǎn)不足以構(gòu)成計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)這樣龐大復(fù)雜的知識(shí)體系。從歷史的角度來看，對(duì)計(jì)算能力的渴求直接造就了計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。什么是計(jì)算機(jī)？高效完成計(jì)算的機(jī)器。為了實(shí)現(xiàn)用機(jī)器來高效計(jì)算這個(gè)目標(biāo)，我們至少需要解決兩個(gè)問題：首先，如何和機(jī)器溝通，亦即如何讓它明白自己應(yīng)當(dāng)做什么，這就是軟件知識(shí)系統(tǒng)的起源。然后，機(jī)器自身如何運(yùn)作，這就是硬件知識(shí)系統(tǒng)的起源。再后來，隨著時(shí)代的進(jìn)一步發(fā)展，又誕生了很多對(duì)計(jì)算能力也有需求的新的科學(xué)分支，于是如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)的科學(xué)也就應(yīng)運(yùn)而生了。下面將從硬件、軟件、應(yīng)用這三個(gè)層次，自底向上分析計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的知識(shí)架構(gòu)。數(shù)字電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了ALU、寄

4、存器（存儲(chǔ)器）等等基本部件。下一個(gè)問題就是如何用這些部件構(gòu)成一個(gè)能完成高效計(jì)算的機(jī)器?，F(xiàn)代常用計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)是由馮.諾依曼同學(xué)指定的，稱為馮.諾依曼結(jié)構(gòu)。這位同學(xué)把整個(gè)計(jì)算機(jī)拆成了5大塊：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸出設(shè)備和輸出設(shè)備。計(jì)算機(jī)采用2進(jìn)制。指令和數(shù)據(jù)以同等的地位存放在存儲(chǔ)器里。計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，控制器負(fù)責(zé)全局的調(diào)度，先去存儲(chǔ)器拿指令，然后根據(jù)指令的內(nèi)容（比如要求計(jì)算a + b）去存儲(chǔ)器取操作數(shù)（比如取回a和b）。隨后將操作數(shù)（a和b）和操作類別（加法）送給運(yùn)算器，運(yùn)算器算啊算啊，算好了再根據(jù)控制器的指示把結(jié)果（a + b的和）送回存儲(chǔ)器。這就是計(jì)算機(jī)中最簡單的工作流程。關(guān)于計(jì)算機(jī)究

5、竟是怎么干活的，在計(jì)算機(jī)組成原理這門課中進(jìn)行介紹。這門課程不僅介紹了整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成，而且分別詳細(xì)介紹了各個(gè)部件的工作原理，比如總線、存儲(chǔ)器等等。最后，還會(huì)涉及到CPU的設(shè)計(jì)等問題。在科大，硬件實(shí)驗(yàn)也是硬件學(xué)習(xí)不可或缺的組成部分。數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)主要給同學(xué)們一個(gè)實(shí)踐基本的電路設(shè)計(jì)方法的機(jī)會(huì)?，F(xiàn)代的電路設(shè)計(jì)不像以前畫電路圖，然后手工蝕刻那樣麻煩，而是采用硬件描述語言（HDL）的方式。在電腦上敲敲代碼，告訴電腦你想設(shè)計(jì)一個(gè)什么樣的電路，電腦就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行綜合、布線，最終將結(jié)果燒到FPGA或者CPLD這樣的芯片里就可以直接用了。數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)就是讓同學(xué)們體驗(yàn)一下這樣的過程，了解HDL和FPGA的基本使用

6、方法。至于計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)，主要是讓同學(xué)們利用HDL設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部分，如寄存器堆、時(shí)序控制部件、SRAM、程序計(jì)數(shù)器等等。最后設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的8指令CPU。至于更復(fù)雜CPU比如16指令、32指令乃至兼容8086指令集的CPU的設(shè)計(jì)，留到CPU設(shè)計(jì)與測(cè)試這門課中講解。有了計(jì)算機(jī)組成原理的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)就可以造出來了。更高一層的課程是將原理拓展到實(shí)踐微機(jī)原理。這門課程以現(xiàn)代常用的x86架構(gòu)為例，介紹8086處理器典型的指令，讓人和電腦的交互在現(xiàn)實(shí)中成為可能。在這門課里，將會(huì)教授如何通過機(jī)器語言和匯編語言和電腦進(jìn)行最底層的溝通，讓電腦按照人的指令進(jìn)行計(jì)算。可以說，到了這門科學(xué)發(fā)展起來的時(shí)候，計(jì)算機(jī)

7、已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用的階段了。一門科學(xué)不涉及定量的數(shù)學(xué)計(jì)算，自稱“科學(xué)”時(shí)總是沒有什么底氣。本科階段接觸的硬件方面的頂級(jí)課程計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)就給了硬件科學(xué)這樣的底氣。這門課從數(shù)學(xué)的角度介紹了定量評(píng)估計(jì)算機(jī)性能的方法，并且從不同的角度給出了優(yōu)化計(jì)算機(jī)性的手段：指令集的合理設(shè)計(jì)、流水線技術(shù)、高速緩存的合理設(shè)置等等。至此，本科階段學(xué)習(xí)的硬件課程告一段落。下面介紹軟件方面的知識(shí)。這一部分對(duì)于非計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，比如計(jì)算機(jī)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)工程甚至非計(jì)算機(jī)專業(yè)的同學(xué)來說就相對(duì)熟悉了。在介紹整個(gè)知識(shí)體系之前，我們先來看一下典型的軟件開發(fā)的流程：拿到一個(gè)軟件開發(fā)任務(wù)往小了說比如就是平時(shí)上課的一個(gè)project，第一步就

8、是需求分析：分析這個(gè)程序的輸入是什么、輸出是什么，輸出和輸入之間滿足怎樣的數(shù)學(xué)關(guān)系。在確定了需求以后，需要進(jìn)行的就是算法分析：分析這個(gè)問題如何進(jìn)行求解。根據(jù)典型的算法設(shè)計(jì)思想，結(jié)合既有的常用算法確定適用于這個(gè)問題的算法是用最土的深搜，廣搜，還是動(dòng)態(tài)規(guī)劃、貪心，或者更高級(jí)的A*搜索、子句歸結(jié)等等。確定了算法之后，就需要根據(jù)設(shè)定的算法來確定算法實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。比如算法只要求對(duì)相鄰元素的訪問但是插入刪除操作頻繁，采用鏈表就好；要求對(duì)線性元素的隨機(jī)訪問，就需要順序表或者哈希表等等。在確定了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以后，不要忘了對(duì)整個(gè)軟件的架構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證：根據(jù)算法劃分的模塊是否足夠合理，它們能否正常配合工作？因?yàn)檎麄€(gè)

9、程序的架構(gòu)一旦到了實(shí)際編碼階段很難再更改，所以在編碼前應(yīng)當(dāng)專門留心思考。接下來的工作就簡單了：實(shí)際編碼、調(diào)試、測(cè)試等等。當(dāng)然，以上的各步之間順序是可以更改的，比如Thinking in C+就建議在設(shè)計(jì)程序前先編寫測(cè)試代碼，而軟件工程則要求在整個(gè)開發(fā)過程中維護(hù)開發(fā)文檔等等。從軟件開發(fā)的任務(wù)出發(fā)，就可以很容易的領(lǐng)會(huì)到軟件科學(xué)的體系架構(gòu)了。首先，我們需要有一種高級(jí)語言來與電腦進(jìn)行符合人類思維的交流。在它的基礎(chǔ)上，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而為算法的實(shí)現(xiàn)打好基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之上自然是算法。再往上是一些架構(gòu)性的程序設(shè)計(jì)思想和規(guī)范，比如面向?qū)ο蟮乃枷?、軟件工程的思想等等。軟件科學(xué)到此似乎就比較完善了。但是不要忘了高級(jí)語言下面還有支撐它的基礎(chǔ)：編譯器和操作系統(tǒng)。這兩門課：編譯原理和操作系統(tǒng)就成為了溝通軟件和硬件之間的橋梁。至于計(jì)算機(jī)應(yīng)用，涉及到的領(lǐng)域就太多了。舉例來說，人工智能、數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)等等等等。這里將操作系統(tǒng)也列為計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，是因?yàn)樗膶?shí)現(xiàn)也用到了很多計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)，比如算法、圖論等等，也是需要下層知識(shí)的支撐的。每一門領(lǐng)域中，又各自有它自己的數(shù)學(xué)作為基礎(chǔ)：比如人工智能需要形式邏輯，數(shù)字信號(hào)處理需要信息論、積分變換和采樣理論，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)概率論的應(yīng)用較多等