第3章學科形態(tài)和內(nèi)在聯(lián)系2015

1、第第3章章 學科形態(tài)和內(nèi)在聯(lián)系學科形態(tài)和內(nèi)在聯(lián)系內(nèi)容提要內(nèi)容提要o 一個實例：感性認識、理性認識、設計一個實例：感性認識、理性認識、設計 o 計算學科中的三個學科形態(tài)計算學科中的三個學科形態(tài)o 三個學科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系三個學科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系o 計算機語言的發(fā)展計算機語言的發(fā)展三個學科形態(tài)：抽象，理論，設計三個學科形態(tài)：抽象，理論，設計 o 認識過程認識過程n 感性認識感性認識(抽象抽象)理性認識理性認識(理論理論)實踐實踐(設計設計)o 科學技術方法論科學技術方法論n抽象、理論抽象、理論和和設計設計 3個過程稱為學科形態(tài)個過程稱為學科形態(tài)n抽象、理論抽象、理論和和設計設計是其研究的主要內(nèi)容是其研

2、究的主要內(nèi)容o 計算機科學與技術方法論計算機科學與技術方法論n 是對計算領域認識和實踐過程中一般方法及其性質(zhì)、是對計算領域認識和實踐過程中一般方法及其性質(zhì)、特點、內(nèi)在聯(lián)系和變化發(fā)展進行系統(tǒng)研究的學問。特點、內(nèi)在聯(lián)系和變化發(fā)展進行系統(tǒng)研究的學問。n 三個學科形態(tài)三個學科形態(tài)概括了計算學科的基本內(nèi)容。概括了計算學科的基本內(nèi)容。引引 言言o 現(xiàn)實問題現(xiàn)實問題: n 現(xiàn)給出現(xiàn)給出“學生學生”和和“課程課程”二個實體，它們的聯(lián)二個實體，它們的聯(lián)系為：一個學生可以選修若干門課程，每門課程系為：一個學生可以選修若干門課程，每門課程可以被任意學生所選修。建立一個信息管理系統(tǒng)，可以被任意學生所選修。建立一個信息

3、管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對以實現(xiàn)對“學生選課學生選課”這一信息的管理。這一信息的管理。o 解題步驟解題步驟:n 感性認識感性認識(抽象抽象)：概念模型：概念模型(E-R模型模型)，數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型n 理性認識（理論）：理性認識（理論）：關系模型的形式化關系模型的形式化n 實踐（設計）：實踐（設計）：關系數(shù)據(jù)庫、編程關系數(shù)據(jù)庫、編程1、一個關于、一個關于“學生選課學生選課”的例子的例子概念模型概念模型o 用于用于信息世界信息世界的建模，是客觀世界到信息世界的的建模，是客觀世界到信息世界的抽象。抽象。o 概念模型中的主要概念有：實體、屬性、碼、域、概念模型中的主要概念有：實體、屬性、碼、域、聯(lián)系等。聯(lián)系

4、等。n 實體：客觀存在并可相互區(qū)別的事物。實體：客觀存在并可相互區(qū)別的事物。n 屬性：實體所具有的某一種特性。屬性：實體所具有的某一種特性。n 碼：能惟一標識實體的屬性集。碼：能惟一標識實體的屬性集。n 域：屬性的取值范圍。域：屬性的取值范圍。n 聯(lián)系：指不同實體集之間的聯(lián)系。聯(lián)系：指不同實體集之間的聯(lián)系。 兩個實體之間的聯(lián)系分為：一對一（兩個實體之間的聯(lián)系分為：一對一（1:1）、一）、一對對 多（多（1:N）、多對多（）、多對多（N:M）3類。類。 E-R模型（模型（Entity-Relationship）o 1976年，美籍華人陳平山提出的年，美籍華人陳平山提出的實體實體-聯(lián)系方法聯(lián)系方法

5、。o 用用E-R模型模型來描述客觀世界并建立來描述客觀世界并建立概念模型概念模型的抽象方的抽象方法，從中抽取實體和實體間的聯(lián)系。法，從中抽取實體和實體間的聯(lián)系。o 實體用矩形表示，屬性用橢圓形表示，聯(lián)系用菱形實體用矩形表示，屬性用橢圓形表示，聯(lián)系用菱形表示，實體間的聯(lián)系有表示，實體間的聯(lián)系有3種：種：1:1，1:N，N:Mo 要實現(xiàn)對客觀事物的感性認識，必須將客觀世界要實現(xiàn)對客觀事物的感性認識，必須將客觀世界（如（如“學生選課學生選課”）抽象為信息世界。）抽象為信息世界。o 聯(lián)系也可以有屬性。聯(lián)系也可以有屬性。o E-R模型模型是各種是各種數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型的共同基礎，它比的共同基礎，它比數(shù)據(jù)模

6、型數(shù)據(jù)模型更一般、更抽象、更現(xiàn)實世界。更一般、更抽象、更現(xiàn)實世界。選修選修學生學生課程課程mn學生選課學生選課E-R圖圖關系模型：關系模型：學生（學號，姓名，年齡，性別）學生（學號，姓名，年齡，性別）課程（課程號，課程名）課程（課程號，課程名）學生選課（學號，課程號，成績）學生選課（學號，課程號，成績）性別年齡學號性別成績課程號課程名數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型o 概念模型概念模型不是機器世界所支持的不是機器世界所支持的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型，而是客觀世界到機器世界的一個中間層次。而是客觀世界到機器世界的一個中間層次。n 概念模型還需要轉(zhuǎn)換成機器世界能支持的數(shù)據(jù)模型。概念模型還需要轉(zhuǎn)換成機器世界能支持的數(shù)據(jù)模型

7、。n 在數(shù)據(jù)庫領域中，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（在數(shù)據(jù)庫領域中，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）能支持）能支持的的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型有：有：層次模型，網(wǎng)狀模型，關系模型，面層次模型，網(wǎng)狀模型，關系模型，面向?qū)ο竽Ｐ拖驅(qū)ο竽Ｐ蚾 關系模型關系模型支持的是一種二維表結構的數(shù)據(jù)模型，它由關支持的是一種二維表結構的數(shù)據(jù)模型，它由關系數(shù)據(jù)結構、關系數(shù)據(jù)操作和關系數(shù)據(jù)的完整性約束條系數(shù)據(jù)結構、關系數(shù)據(jù)操作和關系數(shù)據(jù)的完整性約束條件三部分組成。件三部分組成。n 其中關系就是一張二維表。其中關系就是一張二維表。n 關系模型：關系模型：前圖前圖對對“學生選課學生選課”的感性認識的感性認識o “學生選課學生選課”的的感性認識感性認

8、識n 概念模型概念模型n 實體實體-關系（關系（E-R）模型）模型n 數(shù)據(jù)模型：關系模型數(shù)據(jù)模型：關系模型o 感性認識中存在的問題感性認識中存在的問題n 在學生關系中增加系名、系主任等屬性時，出現(xiàn)在學生關系中增加系名、系主任等屬性時，出現(xiàn)插入異常、刪除異常問題。例如，未招學生時無插入異常、刪除異常問題。例如，未招學生時無法將系名和系主任插入到數(shù)據(jù)庫中。法將系名和系主任插入到數(shù)據(jù)庫中。n 冗余太大，系名和系主任重復。冗余太大，系名和系主任重復。o 如何解決？如何解決？n 理性認識（理論）理性認識（理論）n 使問題形式化，內(nèi)容與形式分開。使問題形式化，內(nèi)容與形式分開。o問題形式化：關系模式的形式化

9、定義問題形式化：關系模式的形式化定義關系模式（關系模式（R）是一個四元組，即：）是一個四元組，即：R= 其中：（其中：（1）U表示關系中所有屬性的集合；表示關系中所有屬性的集合； （2）D表示屬性集合表示屬性集合U中屬性所來自的域；中屬性所來自的域； （3）dom是屬性到域的映射；是屬性到域的映射； （4）F是屬性集合是屬性集合U上的一組上的一組數(shù)據(jù)依賴數(shù)據(jù)依賴。 o數(shù)據(jù)依賴數(shù)據(jù)依賴n1NF的定義：每一個分量必須是不可再分的數(shù)據(jù)項。的定義：每一個分量必須是不可再分的數(shù)據(jù)項。n2NF的定義：的定義：R1NF，且每一個非主屬性不存在對碼的，且每一個非主屬性不存在對碼的部分函數(shù)依賴部分函數(shù)依賴。即每

10、一個非主屬性。即每一個非主屬性完全函數(shù)依賴完全函數(shù)依賴于碼。于碼。n3NF的定義：的定義：R2NF，且每一個非主屬性不存在對碼的，且每一個非主屬性不存在對碼的傳遞函數(shù)依賴傳遞函數(shù)依賴。nBCNF、4NF、5NF。對對“學生選課學生選課”的理性認識的理性認識簡化為：簡化為：R=o 例子最初是屬于例子最初是屬于1NF、2NF、3NF，但是當在屬性集，但是當在屬性集U中增加系名和系主任后，它就不屬于中增加系名和系主任后，它就不屬于3NF了。因為了。因為出現(xiàn)了傳遞函數(shù)依賴：學號（碼）出現(xiàn)了傳遞函數(shù)依賴：學號（碼）系名，系名系名，系名系主任。系主任。o 不屬于不屬于3NF的所有關系模型都會出現(xiàn)插入異常、

11、刪的所有關系模型都會出現(xiàn)插入異常、刪除異常和冗余的問題。除異常和冗余的問題。n 還必須依靠分解算法對模式進行分解，并滿足還必須依靠分解算法對模式進行分解，并滿足3NF的要求。例如，可以再劃分一個關系，即系的要求。例如，可以再劃分一個關系，即系（系號，系名，系主任名），從而滿足了關系模（系號，系名，系主任名），從而滿足了關系模式規(guī)范化的要求，實現(xiàn)了對例子的理性認識。式規(guī)范化的要求，實現(xiàn)了對例子的理性認識。n 在數(shù)據(jù)依賴理論的指導下，可完成模式的分解。在數(shù)據(jù)依賴理論的指導下，可完成模式的分解?？偪?結：結：o 從從概念模型概念模型向滿足規(guī)范化要求的向滿足規(guī)范化要求的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型（關系模（關系模

12、型）的轉(zhuǎn)換，其實質(zhì)是認識過程由感性認識（抽象）型）的轉(zhuǎn)換，其實質(zhì)是認識過程由感性認識（抽象）上升到理性認識（理論）的過程，這個過程包含兩上升到理性認識（理論）的過程，這個過程包含兩方面的內(nèi)容：方面的內(nèi)容：n 一方面是有關理論的建立；（如一方面是有關理論的建立；（如3NF）n 另一方面是如何在理論的指導下，在具體的設計另一方面是如何在理論的指導下，在具體的設計中，實現(xiàn)對客觀世界的理性認識。中，實現(xiàn)對客觀世界的理性認識。n 前者是對前者是對科學研究科學研究而言的，而后者是對而言的，而后者是對工程設計工程設計而言的。而言的?！皩W生選課學生選課”系統(tǒng)的工程設計系統(tǒng)的工程設計o “學生選課學生選課”的的

13、感性認識感性認識o “學生選課學生選課”的的理性認識理性認識o “學生選課學生選課”系統(tǒng)的系統(tǒng)的工程設計工程設計n 實現(xiàn)以上關系模型、數(shù)據(jù)庫、編程等。實現(xiàn)以上關系模型、數(shù)據(jù)庫、編程等。n 建立正確的關系模型后，根據(jù)具體的建立正確的關系模型后，根據(jù)具體的關系數(shù)據(jù)庫關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理系統(tǒng)對該模型進行定義：對該模型進行定義：CREATE TABLE STUDENT / 學生表( SNO CHAR(9) NOT NULL， SN CHAR(16)， SAGE INT， SEX CHAR(1) )； . . . . . .o 完成對完成對“學生選課學生選課”的管理：的管理：輸入，修改，查詢輸入，修改

14、，查詢o 一個簡單的查詢：一個簡單的查詢： 查詢性別為男性、年齡在查詢性別為男性、年齡在20歲以上的所有學生的學號歲以上的所有學生的學號和姓名：和姓名：SELECT SNO, SNFROM STUDENTWHERE SEX=M AND SAGE20;三個學科形態(tài)及內(nèi)在聯(lián)系三個學科形態(tài)及內(nèi)在聯(lián)系o “學生選課學生選課”例子中三個學科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系例子中三個學科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系n 抽象形態(tài)：源于現(xiàn)實世界、經(jīng)驗。從科學的角度抽象形態(tài)：源于現(xiàn)實世界、經(jīng)驗。從科學的角度分析建模，例如：分析建模，例如：A=學生，屬性，碼學生，屬性，碼, , E-R圖，關系模型圖，關系模型n 理論形態(tài)：源于數(shù)學，是抽象的抽象

15、。如：理論形態(tài)：源于數(shù)學，是抽象的抽象。如：T=關系代數(shù)，關系演算，數(shù)據(jù)依賴理論，關系代數(shù)，關系演算，數(shù)據(jù)依賴理論，n 設計形態(tài)：源于工程，并用于系統(tǒng)和設備的開發(fā)，設計形態(tài)：源于工程，并用于系統(tǒng)和設備的開發(fā)，以實現(xiàn)給定的任務。例如：以實現(xiàn)給定的任務。例如：D=“學生選課學生選課”應用軟件，應用軟件， “學生選課學生選課”需求說需求說明書，明書， 三個過程三個過程學科主領域?qū)W科主領域抽象抽象理論理論設計設計1離散結構（離散結構（DS）xx2程序設計基礎（程序設計基礎（PF）x3算法與復雜性（算法與復雜性（AL）xxx4體系結構（體系結構（AR）xxx5操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) (OS)xxx6網(wǎng)絡計算網(wǎng)

16、絡計算(NC)xxx7程序設計語言程序設計語言(PL)xxx8人機交互人機交互(HC)xxx9圖形學和可視化計算圖形學和可視化計算(GV)xxx10智能系統(tǒng)智能系統(tǒng)(IS)xxx11信息管理信息管理(IM)xxx12軟件工程軟件工程(SE)xxx13社會和職業(yè)的問題社會和職業(yè)的問題(SP)x14科學計算科學計算(CN)xxx計算學科的二維定義矩陣計算學科的二維定義矩陣2、計算學科中的三個學科形態(tài)、計算學科中的三個學科形態(tài)二維定義矩陣與計算學科二維定義矩陣與計算學科本質(zhì)問題本質(zhì)問題o “橫向橫向”關系的內(nèi)容關系的內(nèi)容n 抽象、理論、設計抽象、理論、設計 3個過程的內(nèi)在聯(lián)系與發(fā)展規(guī)律的內(nèi)容。個過程

17、的內(nèi)在聯(lián)系與發(fā)展規(guī)律的內(nèi)容。o “縱向縱向”關系的內(nèi)容關系的內(nèi)容n 即各分支領域中所具有的共同能反映學科某一方面本質(zhì)特征即各分支領域中所具有的共同能反映學科某一方面本質(zhì)特征的內(nèi)容。的內(nèi)容。o形成學科認知領域的理論體系形成學科認知領域的理論體系-計算機科學與技術方法論計算機科學與技術方法論n 矩陣中的科學問題，矩陣中的科學問題，3個形態(tài)與個形態(tài)與核心概念、數(shù)學方法、系統(tǒng)核心概念、數(shù)學方法、系統(tǒng)科學方法科學方法、形式化技術、社會和職業(yè)問題構成了方法論的主、形式化技術、社會和職業(yè)問題構成了方法論的主要內(nèi)容。要內(nèi)容。o 把握計算學科的本質(zhì)問題歸約為把握二維定義矩陣的把握計算學科的本質(zhì)問題歸約為把握二維

18、定義矩陣的本質(zhì)問題本質(zhì)問題 。（1）抽象形態(tài)）抽象形態(tài)一般科學技術方法論中的抽象形態(tài)一般科學技術方法論中的抽象形態(tài)o 科學科學抽象抽象是指在思維中對同類事物去除其現(xiàn)象的、次是指在思維中對同類事物去除其現(xiàn)象的、次要的方面，抽取其共同的、主要的方面，從而做到從要的方面，抽取其共同的、主要的方面，從而做到從個別中把握一般，從現(xiàn)象中把握本質(zhì)的認知過程和思個別中把握一般，從現(xiàn)象中把握本質(zhì)的認知過程和思維方法?？茖W抽象是科學認識由感性認識向理性認識維方法。科學抽象是科學認識由感性認識向理性認識飛躍的決定性環(huán)節(jié)。飛躍的決定性環(huán)節(jié)。o 抽象抽象源于現(xiàn)實世界，源于經(jīng)驗，是對現(xiàn)實原形的理想源于現(xiàn)實世界，源于經(jīng)驗，

19、是對現(xiàn)實原形的理想化。盡管理想化后的現(xiàn)實原形與現(xiàn)實事物有了質(zhì)的區(qū)化。盡管理想化后的現(xiàn)實原形與現(xiàn)實事物有了質(zhì)的區(qū)別，但嚴格來說還是粗糙的、近似的。因此，要實現(xiàn)別，但嚴格來說還是粗糙的、近似的。因此，要實現(xiàn)對事物本質(zhì)的認識還必須通過經(jīng)驗與理性的結合，完對事物本質(zhì)的認識還必須通過經(jīng)驗與理性的結合，完成從抽象到抽象的升華。成從抽象到抽象的升華。o 按人們對客觀事物認識的先后次序，將按人們對客觀事物認識的先后次序，將抽象抽象列為第一列為第一個學科形態(tài)，個學科形態(tài)，理論理論列為第二個學科形態(tài)。列為第二個學科形態(tài)。計算學科中的抽象形態(tài)計算學科中的抽象形態(tài)o 抽象源于實驗科學。按客觀現(xiàn)象的研究過程，抽象形抽象

20、源于實驗科學。按客觀現(xiàn)象的研究過程，抽象形態(tài)包括以下態(tài)包括以下4個步驟的內(nèi)容：個步驟的內(nèi)容： （1）形成假設；）形成假設； （2）建造模型并作出預測；）建造模型并作出預測； （3）設計實驗并收集數(shù)據(jù)；）設計實驗并收集數(shù)據(jù)； （4）對結果進行分析。）對結果進行分析。o 在在“學生選課學生選課”例子中，有關抽象形態(tài)的內(nèi)容可以用例子中，有關抽象形態(tài)的內(nèi)容可以用集合的方式表示為：集合的方式表示為： A=學生，屬性，碼，關系，學生，屬性，碼，關系，E-R圖，關系模型，圖，關系模型，o 對對“學生選課學生選課”問題的抽象就是通過建立問題的抽象就是通過建立“學生選課學生選課”的的E-R模型和關系模型來實現(xiàn)的

21、。模型和關系模型來實現(xiàn)的。一般科學技術方法論中的理論形態(tài)一般科學技術方法論中的理論形態(tài)o 科學認識由感性階段上升為理性階段，就形成了科科學認識由感性階段上升為理性階段，就形成了科學理論?？茖W理論是經(jīng)過實踐檢驗的系統(tǒng)化了的科學理論?？茖W理論是經(jīng)過實踐檢驗的系統(tǒng)化了的科學知識體系，它是由科學概念、科學原理以及對這學知識體系，它是由科學概念、科學原理以及對這些概念、原理的理論論證所組成的體系。些概念、原理的理論論證所組成的體系。o 理論源于數(shù)學，是從抽象到抽象的升華，它們已經(jīng)理論源于數(shù)學，是從抽象到抽象的升華，它們已經(jīng)完全脫離現(xiàn)實事物，不受現(xiàn)實事物的限制，更能把完全脫離現(xiàn)實事物，不受現(xiàn)實事物的限制，

22、更能把握事物的本質(zhì)。握事物的本質(zhì)。（2）理論形態(tài)）理論形態(tài)o在計算學科中，從統(tǒng)一的理論發(fā)展過程來看，理論形態(tài)包括在計算學科中，從統(tǒng)一的理論發(fā)展過程來看，理論形態(tài)包括以下以下4個步驟的內(nèi)容：個步驟的內(nèi)容：（1）表述研究對象的特征（定義和公理）；）表述研究對象的特征（定義和公理）；（2）假設對象之間的基本性質(zhì)和對象之間可能存在的關系）假設對象之間的基本性質(zhì)和對象之間可能存在的關系（定理）；（定理）；（3）確定這些關系是否為真（證明）；）確定這些關系是否為真（證明）；（4）結論。）結論。o在與在與“學生選課學生選課”例子有關的關系數(shù)據(jù)庫領域中，理論形態(tài)例子有關的關系數(shù)據(jù)庫領域中，理論形態(tài)的主要內(nèi)容可

23、以用集合的方式表示為：的主要內(nèi)容可以用集合的方式表示為：T=關系代數(shù)，關系關系代數(shù)，關系演算，數(shù)據(jù)依賴理論，演算，數(shù)據(jù)依賴理論，o在數(shù)據(jù)庫理論的指導下，在關系模型（感性認識）的基礎上，在數(shù)據(jù)庫理論的指導下，在關系模型（感性認識）的基礎上，建立對建立對“學生選課學生選課”問題的理性認識，從而為問題的理性認識，從而為“學生選課學生選課”管理系統(tǒng)的管理系統(tǒng)的設計設計奠定基礎。奠定基礎。計算學科中的理論形態(tài)計算學科中的理論形態(tài)o 設計形態(tài)與抽象、理論兩個形態(tài)存在的聯(lián)系設計形態(tài)與抽象、理論兩個形態(tài)存在的聯(lián)系n 設計源于工程，并用于系統(tǒng)或設備的開發(fā)，以實現(xiàn)設計源于工程，并用于系統(tǒng)或設備的開發(fā)，以實現(xiàn)給定的

24、任務。給定的任務。設計形態(tài)設計形態(tài)（技術方法）和（技術方法）和抽象、理論抽象、理論兩個形態(tài)（科學方法）具有許多共同的特點。兩個形態(tài)（科學方法）具有許多共同的特點。n 設計作為變革、控制和利用自然界的手段，必須以設計作為變革、控制和利用自然界的手段，必須以對自然規(guī)律的認識為前提，可以是科學形態(tài)的認識，對自然規(guī)律的認識為前提，可以是科學形態(tài)的認識，也可以是經(jīng)驗形態(tài)的認識。也可以是經(jīng)驗形態(tài)的認識。（3）設計形態(tài)）設計形態(tài)一般科學技術方法論中的設計形態(tài)一般科學技術方法論中的設計形態(tài)o 設計形態(tài)與抽象、理論兩個形態(tài)存在的聯(lián)系設計形態(tài)與抽象、理論兩個形態(tài)存在的聯(lián)系n 設計要達到變革、控制和利用自然界的目的

25、，必設計要達到變革、控制和利用自然界的目的，必須創(chuàng)造出相應的人工系統(tǒng)和人工條件，還必須認須創(chuàng)造出相應的人工系統(tǒng)和人工條件，還必須認識自然規(guī)律在這些人工系統(tǒng)中和人工條件下的具識自然規(guī)律在這些人工系統(tǒng)中和人工條件下的具體表現(xiàn)形式。所以，科學認識方法（體表現(xiàn)形式。所以，科學認識方法（抽象、理論抽象、理論兩個形態(tài)），對具有設計形態(tài)的技術研究和開發(fā)兩個形態(tài)），對具有設計形態(tài)的技術研究和開發(fā)是有作用的。是有作用的。o 設計形態(tài)的主要特征（抽象、理論形態(tài)的區(qū)別）設計形態(tài)的主要特征（抽象、理論形態(tài)的區(qū)別）n 設計形態(tài)具有較強的實踐性。設計形態(tài)具有較強的實踐性。n 設計形態(tài)具有較強的社會性。設計形態(tài)具有較強的社

26、會性。n 設計形態(tài)具有較強的綜合性。設計形態(tài)具有較強的綜合性。一般科學技術方法論中的設計形態(tài)一般科學技術方法論中的設計形態(tài)o 在計算學科中，從為解決某個問題而實現(xiàn)系統(tǒng)的過程在計算學科中，從為解決某個問題而實現(xiàn)系統(tǒng)的過程來看，設計形態(tài)包括以下來看，設計形態(tài)包括以下4個步驟的內(nèi)容：個步驟的內(nèi)容：（1）需求分析；）需求分析；（2）建立規(guī)格說明；）建立規(guī)格說明；（3）設計并實現(xiàn)該系統(tǒng)；）設計并實現(xiàn)該系統(tǒng)；（4）對系統(tǒng)進行測試與分析。）對系統(tǒng)進行測試與分析。o 設計、抽象和理論設計、抽象和理論3個形態(tài)針對具體的研究領域均起個形態(tài)針對具體的研究領域均起作用。在具體研究中，就是要在理論的指導下，運用作用。在

27、具體研究中，就是要在理論的指導下，運用抽象工具進行各種設計工作，最終的成果將是計算機抽象工具進行各種設計工作，最終的成果將是計算機的軟硬件系統(tǒng)及其相關資料（如需求說明、規(guī)格說明、的軟硬件系統(tǒng)及其相關資料（如需求說明、規(guī)格說明、設計說明等）。設計說明等）。 計算學科中的設計形態(tài)計算學科中的設計形態(tài)3、計算機語言的發(fā)展：、計算機語言的發(fā)展： 三個學科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系三個學科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系 計算機語言在計算學科中占有特殊的地位，它深刻地影響著計計算機語言在計算學科中占有特殊的地位，它深刻地影響著計算學科各個領域的發(fā)展。本節(jié)從自然語言與形式化語言、圖靈機和算學科各個領域的發(fā)展。本節(jié)從自然語言與形式化語言

28、、圖靈機和馮馮諾依曼型計算機、機器指令與匯編語言、計算機的層次結構、諾依曼型計算機、機器指令與匯編語言、計算機的層次結構、高級語言、應用語言的形式化問題等方面，介紹計算機語言發(fā)展過高級語言、應用語言的形式化問題等方面，介紹計算機語言發(fā)展過程中程中3個學科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系。個學科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系。n 自然語言與形式語言自然語言與形式語言 n 圖靈機與馮圖靈機與馮諾依曼型計算機諾依曼型計算機n 機器指令與匯編語言機器指令與匯編語言 n 以虛擬機的觀點來劃分計算機的層次結構以虛擬機的觀點來劃分計算機的層次結構 n 高級語言高級語言n 應用語言應用語言 3.1 自然語言與形式語言自然語言與形式語言o 自然

29、語言的定義自然語言的定義n人類的語言人類的語言(文字文字)是人類最普遍使用的符號系統(tǒng)。是人類最普遍使用的符號系統(tǒng)。n其最基本、最普遍的形式是自然語言符號系統(tǒng)。其最基本、最普遍的形式是自然語言符號系統(tǒng)。n自然語言是某一社會發(fā)展中形成的一種民族語言。自然語言是某一社會發(fā)展中形成的一種民族語言。例如，漢語、英語、法語和俄語等。例如，漢語、英語、法語和俄語等。 o 自然語言符號系統(tǒng)的基本特征自然語言符號系統(tǒng)的基本特征n歧義性；歧義性；n不夠嚴格和不夠統(tǒng)一的語法結構。不夠嚴格和不夠統(tǒng)一的語法結構。o 形式語言的定義形式語言的定義n人們在自然語言符號系統(tǒng)的基礎上，逐步建立起了人們在自然語言符號系統(tǒng)的基礎上

30、，逐步建立起了人工語言符號系統(tǒng)，使語言符號保持其單一性、無人工語言符號系統(tǒng)，使語言符號保持其單一性、無歧義性和明確性。歧義性和明確性。n人工語言符號系統(tǒng)發(fā)展的第二階段叫形式語言。人工語言符號系統(tǒng)發(fā)展的第二階段叫形式語言。n形式語言是進行形式化工作的元語言，它是以數(shù)學形式語言是進行形式化工作的元語言，它是以數(shù)學和數(shù)理邏輯為基礎的科學語言。和數(shù)理邏輯為基礎的科學語言。 o 形式語言的基本特點形式語言的基本特點n有一組初始的、專門的符號集；有一組初始的、專門的符號集；n有一組精確定義的，由初始的、專門的符號組成的有一組精確定義的，由初始的、專門的符號組成的符號串轉(zhuǎn)換成另一個符號串的規(guī)則。符號串轉(zhuǎn)換成

31、另一個符號串的規(guī)則。n不允許出現(xiàn)根據(jù)形成規(guī)則無法確定的符號串。不允許出現(xiàn)根據(jù)形成規(guī)則無法確定的符號串。3.2 圖靈機圖靈機o 圖靈的觀點及結論圖靈的觀點及結論n 凡是能用算法方法解決的問題，也一定能用圖靈機解決；凡是能用算法方法解決的問題，也一定能用圖靈機解決；凡是圖靈機解決不了的問題，任何算法也解決不了。凡是圖靈機解決不了的問題，任何算法也解決不了。o 圖靈機的特征圖靈機的特征n 圖靈機由一條兩端可無限延長的帶子、一個讀寫頭、一組圖靈機由一條兩端可無限延長的帶子、一個讀寫頭、一組控制讀寫頭工作的命令組成。圖靈機的帶子被劃分為一系控制讀寫頭工作的命令組成。圖靈機的帶子被劃分為一系列方格，讀寫頭

32、可以左右移動，在方格上進行讀寫。列方格，讀寫頭可以左右移動，在方格上進行讀寫。 b b 1 0 1 0 0 0 1 0 b b b 讀寫頭 控制器 狀態(tài) ql b表示空格o 圖靈機的工作原理圖靈機的工作原理n一個給定機器的一個給定機器的“程序程序”認為是機器內(nèi)的五元組形認為是機器內(nèi)的五元組形式的指令集。五元組定義了機器在一個特定狀態(tài)下式的指令集。五元組定義了機器在一個特定狀態(tài)下讀入一個特定字符時所采取的動作，包括讀入一個特定字符時所采取的動作，包括機器當前機器當前狀態(tài)、讀入的符號、寫入的符號、移動方向、下一狀態(tài)、讀入的符號、寫入的符號、移動方向、下一步機器的狀態(tài)步機器的狀態(tài)。o 實例：實例：P

33、67q1 0 1 L q2q1 1 0 L q3q1 b b N q43.3 馮馮諾依曼型計算機諾依曼型計算機 o 1946年年6月，美國數(shù)學家馮月，美國數(shù)學家馮諾依曼（諾依曼（Von Neumann）及其同事完成了關于及其同事完成了關于“電子計算裝置邏輯結構設計電子計算裝置邏輯結構設計”的研究報告，提出了的研究報告，提出了馮馮諾依曼計算機諾依曼計算機的體系結構。的體系結構。至今為止，大多數(shù)計算機采用的仍然是至今為止，大多數(shù)計算機采用的仍然是馮馮諾依曼計諾依曼計算機算機的體系結構，只是作了一些改進而已。因此，的體系結構，只是作了一些改進而已。因此，馮馮諾依曼被人們譽為諾依曼被人們譽為“計算機器

34、之父計算機器之父”。 o 馮馮諾依曼計算機體系結構諾依曼計算機體系結構n 由由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備等等5個基個基本部件組成。本部件組成。n 提出二個重要概念提出二個重要概念:o保存程序和數(shù)據(jù)的存儲器保存程序和數(shù)據(jù)的存儲器o指令的順序執(zhí)行指令的順序執(zhí)行 馮馮諾依曼計算機體系結構諾依曼計算機體系結構3.4 機器指令與匯編語言機器指令與匯編語言o 機器指令機器指令n CPU能識別的二進制編碼指令。能識別的二進制編碼指令。n 機器語言：指令集合以及編碼系統(tǒng)。機器語言：指令集合以及編碼系統(tǒng)。n 在裸機級，計算機語言關于算法的描述采用的是機器指令，在裸機級，計算機語言關于算法的描述采用的是機器指令，它的符號集是它的符號集是 0, 1 。o 匯編語言：符號化語言，采用字符和十進制數(shù)來代替匯編語言：符號化語言，采用字符和十進制數(shù)來代替二進制代碼的思