第1章 軟件技術基礎-基礎知識

計算機軟件技術基礎基礎知識1第1章基礎知識

系統(tǒng)組成與應用分類計算機軟件軟件技術基礎2計算機系統(tǒng)組成一個完整的計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成。計算機硬件是組成計算機的物理設備的總稱，它們由各種器件和電子線路組成，是計算機系統(tǒng)工作的物質基礎。所謂軟件是一個程序的集合，這種程序不只是用戶為解決某一個具體問題而編制的程序，它還具有支持計算機工作和擴大計算機功能的作用。

3計算機軟件是計算機硬件設備上運行的各種程序及其相關資料的總稱。軟、硬件關系可表述為:沒有軟件的計算機系統(tǒng)通常稱為“裸機”，而“裸機”是無法工作的，只有硬件和軟件的相互依存才能構成一個可用的計算機系統(tǒng)。隨著計算機硬件技術的不斷發(fā)展和廣泛使用，軟件也逐步豐富與完善，而軟件的發(fā)展又大大促進了硬件的發(fā)展。4迄今為止的計算機都是以存儲程序原理為基礎的馮·諾依曼型計算機，是1946年由馮·諾依曼領導設計的，一般都由5大功能部件組成，它們是：運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備。圖1-1給出了計算機各功能部件的關系圖，圖中雙線代表數據傳輸線路，單線代表控制信號傳輸線路。5ENIACVS馮·諾依曼6圖1-1計算機硬件系統(tǒng)基本組成框圖

71、控制器控制器是計算機的控制部件，它控制計算機各部分自動協(xié)調地工作，它完成對指令的解釋和執(zhí)行。控制器每次從存儲器讀取一條指令，經分析譯碼，產生一串操作命令發(fā)向各個部件，控制各部件動作，實現(xiàn)該指令的功能；然后再取下一條指令，繼續(xù)分析、執(zhí)行，直至程序結束，從而使整個機器能連續(xù)、有序地工作?？刂破鞅旧聿贿M行運算，運算是由運算器來完成的。82、運算器運算器是用于對數據進行加工的部件，它可對數據進行算術運算和邏輯運算。在需要進行某項運算時，由控制器發(fā)出命令，將存放在存儲器中的數據送到運算器。然后由控制器再發(fā)出運算的命令(例如使A和B相加)，然后將運算結果送回存儲器存起來，以便下次運算時使用或將它輸出。算術運算包括加、減、乘、除及它們的復合運算。邏輯運算包括一般的邏輯判斷和邏輯比較，如比較、移位、邏輯加、邏輯乘、邏輯反等操作。93、存儲器存儲器是計算機的記憶裝置，用來存放程序和數據。程序是計算機操作的依據，數據是計算機操作的對象。計算機中數據的存儲和運算是以二進制形式進行的。存儲器有一個特點，即從某一存儲單元中“取”一個數據后，該存儲單元中的數據并不消失。除非向該單元送入一個新的數據后，該單元的內容才改變。因此把數據的“存”和“取”稱為“讀出”和“寫入”更為確切。104、輸入設備(人機接口)輸入設備是外部向計算機傳送信息的裝置。其功能是將數據、程序及其它信息，從人們熟悉的形式轉換成計算機能接受的信息形式，輸入到計算機內部。常見的輸入設備有鍵盤、鼠標、光筆、紙帶輸入機、模/數轉換器、聲音識別輸入等。115．輸出設備輸出設備功能是將計算機內部二進制形式的信息轉換成人們所需要的或其它設備能接受和識別的信息形式，輸出到輸出設備上。常見的輸出設備有打印機、顯示器、繪圖儀、數/模轉換器、聲音合成輸出等。12通常把控制器和運算器合起來稱為“中央處理機”(CentralProcessorUnit)，簡稱CPU，它是計算機的核心部分；由于運算器,控制器,存儲器三個部分是信息加工、處理的主要部件,所以把他們合稱為“主機”。輸入設備、輸出設備和外存儲器合稱為外部設備；外部設備通過接口線路與主機相連。1314計算機應用可以歸納為5大類：數值計算(又稱科學計算)數據和數據處理過程控制(實時控制)輔助設計人工智能計算機的應用分類151、數值計算(又稱科學計算)數值計算是指用計算機來處理科學研究和工程技術中所提出的數學問題。其特點是計算量大，而邏輯關系相對簡單。例如，導彈飛行軌道計算，宇宙飛船運動軌跡和氣動干擾的計算，熱核反應控制條件及能量計算，天文測量和天氣預報方程計算等。除了國防和尖端科技外，在其它學科和工程設計方面，如數學、力學、化學、物理以及石油勘探、橋梁設計等領域都存在著復雜的數學問題，需要利用計算機進行數值計算?？茖W計算語言

FORTRAN……162、數據和數據處理數據和數據處理是計算機的重要應用領域。數據是指需用計算機處理的日常生活工作中碰到的大量數據，甚至相當多是需要重復處理的數據。這一類數據的特點是數據量多，要反復處理。當前的數據也已有更廣泛的含義，如圖、文、聲、像等多媒體數據，它們都已成為計算機的處理對象17數據處理是指對數據的收集、存儲、加工、分析和傳送的全過程。計算機數據處理應用廣泛，例如財政、金融系統(tǒng)數據的統(tǒng)計和核算，銀行儲蓄系統(tǒng)的存款、取款和計息，圖書、情報系統(tǒng)的書刊、文獻和檔案資料的管理及查詢，商業(yè)系統(tǒng)的計劃、銷售、市場、采購和庫存管理等。而航空訂票系統(tǒng)、交通管制系統(tǒng)等又都是實時數據和信息處理系統(tǒng)。計算機在數據處理方面的應用占全部計算機應用的80%。183、過程控制(實時控制)過程控制是生產自動化的重要技術內容和手段，它是由計算機對所采集到的數據按一定方法進行計算，然后再將計算結果輸出到指定執(zhí)行機構去控制生產的過程。計算機的控制對象可以是機床、生產線和車間，甚至是整個工廠。例如，汽車制造企業(yè)的全自動生產流水線。194、輔助設計計算機輔助設計是計算機的另一個重要應用領域。它不僅應用于產品和工程輔助設計，而且還包括輔助制造、輔助測試、輔助教學以及其它多方面的內容，這些都稱為計算機輔助系統(tǒng)。CADCAMCAECATCAI205、人工智能人工智能主要研究用計算機來模擬人類的某些智力活動，如學習過程、適應能力、推理過程等，它也是計算機的一個重要應用領域。如利用計算機進行數學定理的證明、進行邏輯推理、理解自然語言、輔助疾病診斷、實現(xiàn)人機對弈、密碼破譯等，這些都是利用人們賦予計算機的智能來完成的。神經網絡、專家系統(tǒng)……21計算機語言計算機語言的發(fā)展經歷了以下幾個階段：第一代計算機語言——機器語言。第二代計算機語言——匯編語言(符號語言)。第三代計算機語言——高級語言(算法語言)。第四代計算機語言——非過程化語言。221、機器語言 人和計算機打交道，必須要解決一個“語言”的溝通問題。計算機并不能理解和執(zhí)行人們使用的自然語言，而只能接受和執(zhí)行二進制的指令。計算機能夠直接識別和執(zhí)行的這種指令，稱為機器指令。每一種類型的計算機都規(guī)定了可以執(zhí)行的若干種指令，這種指令的集合就是機器語言指令系統(tǒng)，簡稱為機器語言。232、匯編語言匯編語言是從機器語言發(fā)展演變而來的。它用一些“助記憶符號”來代替那些難懂難記的二進制代碼，也稱為符號語言。通常用有指令功能的英文詞的縮寫代替操作碼，如“傳送”指令用助記符MOV(move的縮寫)表示，“加法”指令用助記符ADD(Addition的縮寫)表示。這樣，每條指令就有明顯的標識，從而易于理解和記憶，因此，匯編語言程序有較直觀易理解等優(yōu)點。243、高級語言高級語言是一類人工設計的語言，因為它對具體的算法進行描述，所以又稱為算法語言。這種語言稱為“面向過程的語言”，只需根據所求解的問題的算法，寫出處理的過程即可，而不必涉及計算機內部的結構。比如在存取數據時，不必具體指出各存儲單元的具體地址，可以用一個符號代表地址。254、非過程化語言20世紀70年代后期，計算機專家研制出了非過程化語言，即關系數據庫語言。關系數據庫語言是一種高度的非過程化語言，例如指出“將全廠職工中工資高于1500元以上的職工姓名、職務、部門打印出來”，計算機便會自動執(zhí)行，打印出所需結果。顯然，這又是一個飛躍，為更多的人更方便地使用計算機創(chuàng)造了極為有利的條件。261983年，IEEE組織明確地給軟件作了定義：軟件是計算機程序、方法和規(guī)則相關的文檔以及在計算機上運行它時所必需的數據。軟件≠程序程序≠軟件程序和軟件是兩個不同的概念強調了文檔在軟件研制中的重要性計算機軟件以及分類27軟件的分類計算機軟件發(fā)展非常迅速，其內容又十分豐富，對它進行分類也比較困難，僅從用途來劃分，大致分為服務類、維護類和操作管理類。若從計算機系統(tǒng)角度看，軟件又分為系統(tǒng)軟件和應用軟件。28應用系統(tǒng)軟件的開發(fā)軟件產品從定義、開發(fā)、使用和維護，直到最終被廢棄所經歷的周期，稱為軟件生存周期。在生存周期的各個階段有其具體的任務。為完成各個階段的任務，又有各自不同的技術方法和操作步驟。只有科學地按生存周期各個階段的任務、技術方法和操作步驟去實施，才能保證軟件產品的質量。而急于求成，不按科學方法實施，不愿學習和采用新的開發(fā)技術和開發(fā)工具，則勢必"事倍功半"，甚至斷送它。29初學者在軟件開發(fā)中，往往存在一些問題，例如，在還沒有準確、完整地了解用戶的實際需求后就急于編程。重編程，輕需求分析；重開發(fā)，輕維護；重程序，輕文檔。這樣做的后果就是在軟件系統(tǒng)中"埋藏"了許多故障隱患，直接危害著系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。而在軟件開發(fā)過程中，問題發(fā)現(xiàn)得越早，解決它所花費的代價就越??；而問題發(fā)現(xiàn)得越晚，解決它所花費的代價就越高。30在進行軟件設計時應當注意以下幾點：（1）注重分析解決問題。（2）掌握應用系統(tǒng)設計方法。（3）廣泛了解當前的最新計算機應用技術。（4）學會建立抽象模型。（5）力求系統(tǒng)結構清晰。（6）注意形式化、一致性和規(guī)范化。（7）重視書寫程序文檔。31軟件開發(fā)環(huán)境學習軟件基礎知識，主要目的是為了進行軟件的開發(fā)。搞好軟件開發(fā)，除要掌握先進的開發(fā)技術外，還要有良好的軟件開發(fā)環(huán)境。在軟件開發(fā)環(huán)境中，用戶界面占有重要的地位。近十幾年來開發(fā)的應用軟件，多數開發(fā)者都十分注意用戶界面的設計。其中“多窗口”、“菜單”與“聯(lián)機幫助”被稱為用戶界面的三大友好技術。32隨著計算機的普及與性能的提高，人們越來越重視用戶界面的改善。在20世紀80年代，圖形用戶界面(GUI，GraphicalUserInterface)取得了重要的進展。美國Microsoft公司的Windows，麻省理工學院DEC公司開發(fā)的X-Windows，精彩紛呈。非鍵盤輸入工具鼠標器也隨之得到廣泛的使用。與此同時，包括文字、圖形、聲音、圖像等多媒體用戶界面也應運而生，受到人們的廣泛的注意。33面向對象的軟件開發(fā)方法面向對象(OO，Object-Oriented)方法是當代計算機科學領域，特別是軟件領域的發(fā)展主流。面向對象方法起源于20世紀70年代，在20世紀80年代出現(xiàn)了一大批面向對象的編程語言，標志著OO方法在編程領域走向成熟和實用。但是OO方法的作用和意義決不只局限于編程技術。OO方法是一種新的程序設計范型，是一種具有深刻哲學內涵的認識方法學和系統(tǒng)構造理論。34

(1)強調從現(xiàn)實世界中客觀事物(對象)出發(fā)來認識問題域和構造系統(tǒng)，大大減少了系統(tǒng)開發(fā)者對問題域的理解難度，使系統(tǒng)能準確的反映問題域。(2)運用人類日常的思維方法和原則(體現(xiàn)于OO方法的抽象、分類、繼承、封裝、消息通信等基本原則)進行系統(tǒng)開發(fā)，有益于發(fā)揮人類的思維能力，并有效地控制了系統(tǒng)的復雜性。(3)對象的概念貫穿于軟件開發(fā)過程的始終，使各個開發(fā)階段成分具有良好的反應，從而顯著地提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率與質量，并大大降低了系統(tǒng)維護的難度。35(4)對象的相對穩(wěn)定性和對易變因素的隔離，增強了系統(tǒng)的應變能力。(5)對象類之間的繼承性關系和對象的獨立性，對軟件復用提供了強有力的支持。正是由于上述特點，使面向對象方法在計算機領域產生了巨大影響。近十幾年來，它的影響滲透到計算機科學技術的幾乎每一個分支領域，如編程語言、系統(tǒng)分析與設計、數據庫、人機界面、知識工程、操作系統(tǒng)、計算機體系