第3章 3個(gè)學(xué)科形態(tài)

第3章3個(gè)學(xué)科形態(tài)

抽象、理論和設(shè)計(jì)是計(jì)算學(xué)科中的3個(gè)學(xué)科形態(tài)，它反映了人們從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)，再由理性認(rèn)識(shí)回到實(shí)踐的認(rèn)識(shí)過程。本章分別從一般科學(xué)技術(shù)方法論和計(jì)算學(xué)科的角度對(duì)抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)學(xué)科形態(tài)進(jìn)行論述，并以“學(xué)生選課”為例，按“3個(gè)學(xué)科形態(tài)”對(duì)相關(guān)概念進(jìn)行劃分。然后，以計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展為主線，介紹學(xué)科的相關(guān)內(nèi)容，包括自然語(yǔ)言與形式語(yǔ)言、圖靈機(jī)和馮·諾依曼計(jì)算機(jī)、機(jī)器指令與匯編語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)、虛擬機(jī)、高級(jí)語(yǔ)言、應(yīng)用語(yǔ)言和自然語(yǔ)言的形式化問題等。最后，給出計(jì)算機(jī)科學(xué)14個(gè)分支領(lǐng)域抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)學(xué)科形態(tài)的主要內(nèi)容。3.1引言“計(jì)算作為一門學(xué)科”報(bào)告在確定計(jì)算學(xué)科二維定義矩陣的“橫向”關(guān)系時(shí)，最初有兩種方案：一種是“模型（Model）”與“實(shí)現(xiàn)（Implementation）”相對(duì)；另一種是“算法（Algorithm）”與“機(jī)器（Machine）”相對(duì)。顯然，以上兩種方案都可以反映計(jì)算學(xué)科研究的基本內(nèi)容。但是，在對(duì)分支領(lǐng)域有關(guān)概念歸屬于何種形態(tài)時(shí)，出現(xiàn)了分類界限模糊的問題。后來，專家們認(rèn)識(shí)到，計(jì)算學(xué)科的基本原理已被納入理論、抽象和設(shè)計(jì)3個(gè)過程中，學(xué)科的各分支領(lǐng)域正是通過這3個(gè)過程來實(shí)現(xiàn)它們的目標(biāo)。因此，選擇了3個(gè)過程作為計(jì)算學(xué)科二維定義矩陣的“橫向”內(nèi)容，并將其確定為學(xué)科的3個(gè)學(xué)科形態(tài)，也即從事學(xué)科領(lǐng)域工作的3種文化方式。抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)概念源于一般科學(xué)技術(shù)方法論，是計(jì)算學(xué)科中的3個(gè)最基本概念。為便于理解，我們分別從一般科學(xué)技術(shù)方法論的角度、計(jì)算學(xué)科的角度對(duì)3個(gè)學(xué)科形態(tài)進(jìn)行論述，并對(duì)一個(gè)關(guān)于“學(xué)生選課”實(shí)例的相關(guān)概念進(jìn)行學(xué)科形態(tài)的劃分。3.2一個(gè)關(guān)于“學(xué)生選課”的例子

眾所周知，人類的認(rèn)識(shí)過程是從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)，再回到實(shí)踐中去的過程。感性認(rèn)識(shí)是采用一定的方式，以可感知的文字或圖形等形式對(duì)客觀事物的特征進(jìn)行描述，并通過構(gòu)建模型而實(shí)現(xiàn)。感性認(rèn)識(shí)包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：一方面是感性認(rèn)識(shí)的認(rèn)識(shí)方法（或工具）的建立；另一方面是采用已建立起來的認(rèn)識(shí)方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的感性認(rèn)識(shí)。

在計(jì)算領(lǐng)域，感性認(rèn)識(shí)、理性認(rèn)識(shí)、實(shí)踐分別與更為具體的抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)學(xué)科形態(tài)相比應(yīng)。下面，我們舉一個(gè)“學(xué)生選課”的例子，為計(jì)算機(jī)初學(xué)者學(xué)習(xí)和掌握學(xué)科方法論中最基本的內(nèi)容——感性認(rèn)識(shí)（抽象）、理性認(rèn)識(shí)（理論）和實(shí)踐（設(shè)計(jì)）的學(xué)習(xí)作個(gè)鋪墊。例3.1現(xiàn)給出“學(xué)生”和“課程”兩個(gè)實(shí)體，它們的聯(lián)系為：一個(gè)學(xué)生可以選修若干門課程，每門課程可以被任一學(xué)生選修。請(qǐng)建立一個(gè)信息管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)“學(xué)生選課”這一信息的管理。對(duì)“學(xué)生選課”例子的感性認(rèn)識(shí)現(xiàn)給出“學(xué)生”和“課程”兩個(gè)實(shí)體,它們的聯(lián)系為：一個(gè)學(xué)生可以選修若干門課程每門課程可以被任一學(xué)生所選修請(qǐng)建立一個(gè)信息管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)“學(xué)生選課”這一信息的管理。概念模型用于信息世界的建模，是客觀世界到信息世界的抽象。概念模型中的主要概念有：實(shí)體、屬性、碼、域、聯(lián)系等。實(shí)體：客觀存在并可相互區(qū)別的事物。屬性：實(shí)體所具有的某一種特性。碼：能惟一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性集。域：屬性的取值范圍。聯(lián)系：指不同實(shí)體集之間的聯(lián)系。兩個(gè)實(shí)體之間的聯(lián)系分為：一對(duì)一（1:1）、一對(duì)多（1:N）、多對(duì)多（N:M）3類。

E-R模型（Entity-Relationship）1976年，美籍華人陳平山（PeterPingshanChen）提出的用E-R模型來描述客觀世界并建立概念模型的抽象方法。實(shí)體用矩形表示，屬性用橢圓形表示，聯(lián)系用菱形表示，實(shí)體間的聯(lián)系有一對(duì)一（1:1）、一對(duì)多（1:N）和多對(duì)多（N:M）3種情況。要實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀事物的感性認(rèn)識(shí)，必須將客觀世界（在例中客觀世界就是“學(xué)生選課”）抽象為信息世界。圖3.1學(xué)生選課E-R圖關(guān)系模型概念模型不是機(jī)器世界所支持的數(shù)據(jù)模型，而是客觀世界到機(jī)器世界的一個(gè)中間層次概念模型還需要轉(zhuǎn)換成機(jī)器世界能支持的數(shù)據(jù)模型。在數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）能支持的數(shù)據(jù)模型有：層次、網(wǎng)狀、關(guān)系以及面向?qū)ο蟮葦?shù)據(jù)模型。關(guān)系模型支持的是一種二維表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型，它由關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系數(shù)據(jù)操作和關(guān)系數(shù)據(jù)的完整性約束條件三部分組成。其中關(guān)系就是一張二維表。概念模型（E-R圖）——》關(guān)系模型轉(zhuǎn)換：學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別）；課程（課程號(hào)，課程名）；學(xué)生選課（學(xué)號(hào)，課程號(hào)，成績(jī)）概念模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)原形的理想化，因此，將概念模型直接轉(zhuǎn)換成關(guān)系模型，還不能說完全達(dá)到了對(duì)“學(xué)生選課”這一客觀世界的理性認(rèn)識(shí)，換言之，就是所轉(zhuǎn)換的關(guān)系模型有可能還存在問題。

感性認(rèn)識(shí)中存在的問題在學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別）關(guān)系中增加系名、系主任等屬性時(shí)，即學(xué)生關(guān)系變?yōu)椋▽W(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別，系名，系主任）時(shí)，便開始出現(xiàn)以下問題。插入異?！粋€(gè)系剛成立，系主任已確定，但還未招學(xué)生時(shí)，則無法將系名和系主任的名字插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中（學(xué)生實(shí)體中學(xué)號(hào)為碼，碼不能缺）刪除異常——當(dāng)一個(gè)系的學(xué)生全部畢業(yè)，刪除所有畢業(yè)生時(shí)，系名和系主任的名字也就刪除了冗余太大——由于一個(gè)學(xué)生對(duì)應(yīng)一個(gè)系名和系主任的名字，則該系系名和系主任的名字要重復(fù)。關(guān)系模式的形式化定義關(guān)系模式（R）是一個(gè)四元組，即R=<U，D，dom，F(xiàn)>其中：（1）U表示關(guān)系中所有屬性的集合；（2）D表示屬性集合U中屬性所來自的域；（3）dom是屬性到域的映射；（4）F是屬性集合U上的一組數(shù)據(jù)依賴。

關(guān)系模式的形式化定義由于D、dom與模式設(shè)計(jì)關(guān)系不大，可將關(guān)系模式簡(jiǎn)單地表示為一個(gè)二元組

R=<U，F(xiàn)>1NF的定義：作為一張二維表的關(guān)系，每一個(gè)分量必須是不可再分的數(shù)據(jù)項(xiàng)，滿足這個(gè)條件的關(guān)系模式就屬于1NF。2NF的定義：若R∈1NF，且每一個(gè)非主屬性不存在對(duì)碼的部分函數(shù)依賴，則

R∈2NF。在定義中，非主屬性為不屬于碼的那些屬性。3NF的定義：若R∈2NF，且每一個(gè)非主屬性不存在對(duì)碼的傳遞函數(shù)依賴，則

R∈3NF。對(duì)“例子”問題的理性認(rèn)識(shí)例子最初是屬于1NF、2NF、3NF，但是當(dāng)在學(xué)生屬性集U中增加系名和系主任后，就出現(xiàn)了這樣的傳遞函數(shù)依賴：學(xué)號(hào)（碼）→系名，系名→系主任。因此，它就不屬于3NF了。不屬于3NF的所有關(guān)系模型都會(huì)出現(xiàn)插入異常、刪除異常和冗余的問題。還必須依靠分解算法對(duì)模式進(jìn)行分解，并滿足3NF的要求。在數(shù)據(jù)依賴?yán)碚摰闹笇?dǎo)下，可完成模式的分解任務(wù)。就例子而言，可以再劃分一個(gè)關(guān)系，即系（系號(hào)，系名，系主任名），從而滿足了關(guān)系模式規(guī)范化的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)例子的理性認(rèn)識(shí)。從概念模型向滿足規(guī)范化要求的關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換，其實(shí)質(zhì)是認(rèn)識(shí)過程由感性認(rèn)識(shí)（抽象）上升到理性認(rèn)識(shí)（理論）的過程，這個(gè)過程包含兩方面的內(nèi)容：一方面是有關(guān)理論的建立；另一方面是如何在理論的指導(dǎo)下，在具體的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的理性認(rèn)識(shí)。前者是對(duì)科學(xué)研究而言的，而后者是對(duì)工程設(shè)計(jì)而言的?！皩W(xué)生選課”系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)建立起正確的關(guān)系模型后，還要根據(jù)具體的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)該模型進(jìn)行定義，下面，給出定義該模型的SQL語(yǔ)句：CREATETABLESTUDENT(SNOCHAR(9)NOTNULL，SNCHAR(16)，SAGEINT，SEXCHAR(1))；“學(xué)生選課”系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)CREATETABLECOURSE(CNOCHAR(6)NOTNULL，CNCHAR(22))；CREATETABLESC(SNOCHAR(9)NOTNULL，CNOCHAR(6)，GRADEINT)；CREATETABLEDEPARTMENT(DNOCHAR(9)NOTNULL，DNCHAR(16)，DEANCHAR(8))；“學(xué)生選課”系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)接下來，便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、修改和查詢，從而完成對(duì)“學(xué)生選課”的管理。一個(gè)簡(jiǎn)單的查詢：查詢選修了“數(shù)據(jù)庫(kù)”課程，并且成績(jī)?cè)?0分以上的所有學(xué)生的學(xué)號(hào)和姓名。SELECTSNO,SNFROMSTUDENT,SC,COURSEWHERECN='數(shù)據(jù)庫(kù)'ANDGRADE>90;系統(tǒng)運(yùn)行以上語(yǔ)句后，即可在屏幕上顯示所求的結(jié)果。

3.3抽象形態(tài)3.3.1一般科學(xué)技術(shù)方法論中的抽象形態(tài)在一般科學(xué)技術(shù)方法論中，科學(xué)抽象是指在思維中對(duì)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，從而做到從個(gè)別中把握一般，從現(xiàn)象中把握本質(zhì)的認(rèn)知過程和思維方法?？茖W(xué)抽象是科學(xué)認(rèn)識(shí)由感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)飛躍的決定性環(huán)節(jié)。抽象源于現(xiàn)實(shí)世界，源于經(jīng)驗(yàn)，是對(duì)現(xiàn)實(shí)原形的理想化，盡管理想化后的現(xiàn)實(shí)原形與現(xiàn)實(shí)事物有了質(zhì)的區(qū)別，但它們總是現(xiàn)實(shí)事物的概念化，有現(xiàn)實(shí)背景，從嚴(yán)格意義上來說還是粗糙的、近似的。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)還必須通過經(jīng)驗(yàn)與理性的結(jié)合，完成從抽象到抽象的升華。盡管科學(xué)抽象還有待升華，但它仍然是科學(xué)認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)和決定性環(huán)節(jié)。學(xué)科中的抽象形態(tài)包含著具體的內(nèi)容，它們是學(xué)科中所具有的科學(xué)概念、科學(xué)符號(hào)和思想模型。3.3.2計(jì)算學(xué)科中的抽象形態(tài)理論、抽象和設(shè)計(jì)是我們從事本領(lǐng)域工作的3種主要形態(tài)（或稱文化方式），它提供了我們定義計(jì)算學(xué)科的條件。按人們對(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的先后次序，我們將報(bào)告中的抽象列為第一個(gè)學(xué)科形態(tài)，理論列為第二個(gè)學(xué)科形態(tài)。抽象源于實(shí)驗(yàn)科學(xué)。按客觀現(xiàn)象的研究過程，抽象形態(tài)包括以下4個(gè)步驟的內(nèi)容：（1）形成假設(shè)；（2）建造模型并作出預(yù)測(cè)；（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)；（4）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。3.3.3例子中有關(guān)抽象形態(tài)的主要內(nèi)容及其簡(jiǎn)要分析在“學(xué)生選課”例子中，有關(guān)抽象形態(tài)的內(nèi)容可以用集合的方式表示為：A={學(xué)生，屬性，碼，關(guān)系，學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別，課程，課程號(hào)，課程名，成績(jī)，E-R圖，“學(xué)生選課”E-R圖，關(guān)系模型，“學(xué)生選課”關(guān)系模型，……}對(duì)“學(xué)生選課”問題的抽象（感性認(rèn)識(shí)）就是通過建立“學(xué)生選課”的E-R模型和關(guān)系模型來實(shí)現(xiàn)的，這一步是實(shí)現(xiàn)“學(xué)生選課”系統(tǒng)的關(guān)鍵。3.4理論形態(tài)3.4.1一般科學(xué)技術(shù)方法論中的理論形態(tài)科學(xué)認(rèn)識(shí)由感性階段上升為理性階段，就形成了科學(xué)理論?？茖W(xué)理論是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的系統(tǒng)化了的科學(xué)知識(shí)體系，它是由科學(xué)概念、科學(xué)原理以及對(duì)這些概念、原理的理論論證所組成的體系。理論源于數(shù)學(xué)，是從抽象到抽象的升華，它們已經(jīng)完全脫離現(xiàn)實(shí)事物，不受現(xiàn)實(shí)事物的限制，具有精確的、優(yōu)美的特征，因而更能把握事物的本質(zhì)。3.4.2計(jì)算學(xué)科中的理論形態(tài)在計(jì)算學(xué)科中，從統(tǒng)一合理的理論發(fā)展過程來看，理論形態(tài)包括以下4個(gè)步驟的內(nèi)容：（1）表述研究對(duì)象的特征（定義和公理）；（2）假設(shè)對(duì)象之間的基本性質(zhì)和對(duì)象之間可能存在的關(guān)系（定理）；（3）確定這些關(guān)系是否為真（證明）；（4）結(jié)論。3.4.3例子中有關(guān)理論形態(tài)的主要內(nèi)容及簡(jiǎn)要分析在與“學(xué)生選課”例子有關(guān)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域中，理論形態(tài)的主要內(nèi)容可以用集合的方式表示為：T={關(guān)系代數(shù)，關(guān)系演算，數(shù)據(jù)依賴?yán)碚?，……}在數(shù)據(jù)庫(kù)理論的指導(dǎo)下，我們就可以在“學(xué)生選課”關(guān)系模型（感性認(rèn)識(shí)）的基礎(chǔ)上，建立對(duì)“學(xué)生選課”問題的理性認(rèn)識(shí)，從而為“學(xué)生選課”管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。3.5設(shè)計(jì)形態(tài)3.5.1一般科學(xué)技術(shù)方法論中的設(shè)計(jì)形態(tài)1．設(shè)計(jì)形態(tài)與抽象、理論兩個(gè)形態(tài)存在的聯(lián)系設(shè)計(jì)源于工程，并用于系統(tǒng)或設(shè)備的開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)給定的任務(wù)。（1）設(shè)計(jì)形態(tài)（技術(shù)方法）和抽象、理論兩個(gè)形態(tài)（科學(xué)方法）具有許多共同的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)作為變革、控制和利用自然界的手段，必須以對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)為前提（可以是科學(xué)形態(tài)的認(rèn)識(shí)，也可以是經(jīng)驗(yàn)形態(tài)的認(rèn)識(shí)）。（2）設(shè)計(jì)要達(dá)到變革、控制和利用自然界的目的，必須創(chuàng)造出相應(yīng)的人工系統(tǒng)和人工條件，還必須認(rèn)識(shí)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(xué)認(rèn)識(shí)方法（抽象、理論兩個(gè)形態(tài)），對(duì)具有設(shè)計(jì)形態(tài)的技術(shù)研究和技術(shù)開發(fā)是有作用的。2．設(shè)計(jì)形態(tài)的主要特征與抽象、理論兩個(gè)形態(tài)的主要區(qū)別（1）設(shè)計(jì)形態(tài)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。（2）設(shè)計(jì)形態(tài)具有較強(qiáng)的社會(huì)性。（3）設(shè)計(jì)形態(tài)具有較強(qiáng)的綜合性。3.5.2計(jì)算學(xué)科中的設(shè)計(jì)形態(tài)在計(jì)算學(xué)科中，從為解決某個(gè)問題而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或裝置的過程來看，設(shè)計(jì)形態(tài)包括以下4個(gè)步驟的內(nèi)容：（1）需求分析；（2）建立規(guī)格說明；（3）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)；（4）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與分析。設(shè)計(jì)、抽象和理論3個(gè)形態(tài)針對(duì)具體的研究領(lǐng)域均起作用，在具體研究中，就是要在其理論的指導(dǎo)下，運(yùn)用其抽象工具進(jìn)行各種設(shè)計(jì)工作，最終的成果將是計(jì)算機(jī)的軟硬件系統(tǒng)及其相關(guān)資料（如需求說明、規(guī)格說明和設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法說明等）。3.5.3例子中有關(guān)設(shè)計(jì)形態(tài)的主要內(nèi)容及簡(jiǎn)要分析在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，有關(guān)設(shè)計(jì)形態(tài)的內(nèi)容是指：在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)理論的指導(dǎo)下，運(yùn)用一定的抽象工具（如E-R圖等）進(jìn)行的各種設(shè)計(jì)工作。最終的內(nèi)容包括Oracle、Informix、SyBase、FoxPro等各種關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件（如學(xué)生、財(cái)務(wù)等具體的管理信息系統(tǒng)）以及相關(guān)資料（如需求說明、規(guī)格說明和設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法說明等資料）?！皩W(xué)生選課”一例中，有關(guān)設(shè)計(jì)形態(tài)的內(nèi)容是指：在數(shù)據(jù)庫(kù)理論的指導(dǎo)下，運(yùn)用E-R圖和關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)例子的感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)，最后借助某種關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（如Oracle等），實(shí)現(xiàn)“學(xué)生選課”應(yīng)用軟件的編制。最終成果是“學(xué)生選課”應(yīng)用軟件以及相關(guān)資料（如需求說明書）。就例子而言，其內(nèi)容可以用集合的方式表示為：D={“學(xué)生選課”應(yīng)用軟件，“學(xué)生選課”需求說明書，……}

3.7計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展及其

3個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系

計(jì)算機(jī)語(yǔ)言在計(jì)算學(xué)科中占有特殊的地位，它是計(jì)算學(xué)科中最富有智慧的成果之一，它深刻地影響著計(jì)算學(xué)科各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。不僅如此，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言還是程序員與計(jì)算機(jī)交流的主要工具。因此，可以說如果不了解計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，就談不上對(duì)計(jì)算學(xué)科的真正了解。

現(xiàn)在，我們從自然語(yǔ)言與形式化語(yǔ)言、圖靈機(jī)和馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)、機(jī)器指令與匯編語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)、虛擬機(jī)的意義和作用、高級(jí)語(yǔ)言、應(yīng)用語(yǔ)言和自然語(yǔ)言的形式化問題等方面，介紹計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展歷程及其在抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)學(xué)科形態(tài)取得的主要成果，從而揭示計(jì)算機(jī)語(yǔ)言發(fā)展過程中3個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系。3.7.1自然語(yǔ)言與形式語(yǔ)言

自然語(yǔ)言的定義人類的語(yǔ)言（文字）是人類最普遍使用的符號(hào)系統(tǒng)。其最基本、最普遍的形式是自然語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)自然語(yǔ)言是某一社會(huì)發(fā)展中形成的一種民族語(yǔ)言。例如，漢語(yǔ)、英語(yǔ)、法語(yǔ)和俄語(yǔ)等。

自然語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)的基本特征歧義性；不夠嚴(yán)格和不夠統(tǒng)一的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)。例3.2他的發(fā)理得好。他的理發(fā)水平高；理發(fā)師理他的發(fā)理得好。例3.3他的小說看不完。他寫的小說看不完；他收藏的小說看不完；他是個(gè)小說迷。高級(jí)語(yǔ)言的歧義性問題

高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言其實(shí)也有語(yǔ)義的歧義性問題,高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言存在較少的歧義性而已例3.4

IF(表達(dá)式1)THENIF(表達(dá)式2)THEN語(yǔ)句1ELSE語(yǔ)句2。IF(表達(dá)式1)THEN(IF(表達(dá)式2)THEN語(yǔ)句1ELSE語(yǔ)句2)；IF(表達(dá)式1)THEN(IF(表達(dá)式2)THEN語(yǔ)句1)ELSE語(yǔ)句2。

形式語(yǔ)言

人們?cè)谧匀徽Z(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，逐步建立起了人工語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)（也稱科學(xué)語(yǔ)言系統(tǒng)），即各學(xué)科的專門科學(xué)術(shù)語(yǔ)（符號(hào)），使語(yǔ)言符號(hào)保持其單一性、無歧義性和明確性。人工語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)發(fā)展的第二階段叫形式化語(yǔ)言，簡(jiǎn)稱形式語(yǔ)言。形式語(yǔ)言是進(jìn)行形式化工作的元語(yǔ)言，它是以數(shù)學(xué)和數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)的科學(xué)語(yǔ)言。形式語(yǔ)言的基本特點(diǎn)有一組初始的、專門的符號(hào)集；有一組精確定義的，由初始的、專門的符號(hào)組成的符號(hào)串轉(zhuǎn)換成另一個(gè)符號(hào)串的規(guī)則。在形式語(yǔ)言中，不允許出現(xiàn)根據(jù)形成規(guī)則無法確定的符號(hào)串。形式語(yǔ)言的語(yǔ)法形式語(yǔ)言的語(yǔ)法：形式語(yǔ)言中的轉(zhuǎn)換規(guī)則。語(yǔ)法不包含語(yǔ)義。在一個(gè)給定的形式語(yǔ)言中，可以根據(jù)需要，通過賦值或模型對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的語(yǔ)義解釋，從而構(gòu)成形式語(yǔ)言的語(yǔ)義。語(yǔ)法和語(yǔ)義要作嚴(yán)格的區(qū)分。例3.5語(yǔ)言W定義為：初始符號(hào)集：{a，b，c，d，e}。形成規(guī)則：上述符號(hào)組成的有限符號(hào)串中，能組成一英語(yǔ)單詞的為一公式；否則不是。問：W是否為一形式語(yǔ)言？答：不是。因?yàn)椋鶕?jù)形成規(guī)則，無法精確地定義轉(zhuǎn)換規(guī)則。原因：形成規(guī)則（語(yǔ)法）中包含了語(yǔ)義。例3.6語(yǔ)言X定義為：初始符號(hào)集：{a，b，c，d，e，(，)，

，

，

，

}。形成規(guī)則：上述符號(hào)組成的有限符號(hào)串中，構(gòu)成表達(dá)式的為一公式，否則不是。問：X是否為一形式語(yǔ)言？答：不是。原因：與例3.5相同。

例3.7語(yǔ)言Y定義為：初始符號(hào)集：{a，b，c，d，e，(，)，

，

，

，

}。形成規(guī)則：上述符號(hào)組成的有限符號(hào)串中，凡以符號(hào)“(”開頭且以“)”結(jié)尾的符號(hào)串，為一公式。問：Y是否為一形式語(yǔ)言？答：不是。因?yàn)?，根?jù)形成規(guī)則，無法對(duì)不是以符號(hào)“(”開頭且以“)”結(jié)尾的符號(hào)串進(jìn)行判定。例如，(a+b)

c。

例3.8語(yǔ)言Z定義為：初始符號(hào)集：{a，b，c，d，e，(，)，

，

，

，

}。形成規(guī)則：上述符號(hào)組成的有限符號(hào)串中，凡以符號(hào)“（”開頭且以“）”結(jié)尾的符號(hào)串，為一公式，否則不是。問：Z是否為一形式語(yǔ)言？答：是。形式化的產(chǎn)物由于技術(shù)科學(xué)（計(jì)算學(xué)科主要是一門技術(shù)科學(xué)）的語(yǔ)言從類型上說基本上是描述性、斷定性而非評(píng)論性的，在描述性語(yǔ)言中又以分析陳述為主。技術(shù)科學(xué)就更有可能充分運(yùn)用形式語(yǔ)言來表達(dá)自己深刻而復(fù)雜的內(nèi)容，并進(jìn)行演算化的推理。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是一種形式化語(yǔ)言。計(jì)算機(jī)的誕生又與形式化研究的進(jìn)程息息相關(guān)。不論是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言還是數(shù)字計(jì)算機(jī)，它們都是形式化的產(chǎn)物。

3.7計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展及其

3個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系

3.7.2圖靈機(jī)與馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)圖靈機(jī)及其他計(jì)算模型圖靈的觀點(diǎn)及結(jié)論：凡是能用算法方法解決的問題，也一定能用圖靈機(jī)解決；凡是圖靈機(jī)解決不了的問題，任何算法也解決不了。與圖靈機(jī)等價(jià)的計(jì)算模型：遞歸函數(shù)λ-演算POST規(guī)范系統(tǒng)圖靈機(jī)是從過程這一角度來刻畫計(jì)算的本質(zhì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作運(yùn)算規(guī)則也較少，從而為更多的人所理解。圖靈機(jī)

圖靈機(jī)由一條兩端可無限延長(zhǎng)的帶子、一個(gè)讀寫頭以及一組控制讀寫頭工作的命令組成，圖靈機(jī)寫在帶子上的符號(hào)為一個(gè)有窮字母表：{S0，S1，S2，…，Sp}?？梢哉J(rèn)為這個(gè)有窮字母表僅有S0、S1兩個(gè)字符，其中S0可以看作是“0”，S1可以看作是“1”，由“0”和“1”組成的字母表可以表示任何一個(gè)數(shù)。由于“0”和“1”只有形式的意義，因此，也可以將S0改稱為“白”，S1改稱為“黑”，甚至，還可以改稱為“桌子”和“老虎”，這樣改稱的目的在于割斷與直覺的聯(lián)系，并加深對(duì)布爾域中的值{真，假}，以及二進(jìn)制機(jī)器本質(zhì)的理解。機(jī)器的控制狀態(tài)表為：{q1，q2，…，qm}。將一個(gè)圖靈機(jī)的初始狀態(tài)設(shè)為q1，在每一個(gè)具體的圖靈機(jī)中還要確定一個(gè)結(jié)束狀態(tài)qw。

一個(gè)給定機(jī)器的“程序”機(jī)器內(nèi)的五元組（qiSjSkR（或L或N）ql）形式的指令集，五元組定義了機(jī)器在一個(gè)特定狀態(tài)下讀入一個(gè)特定字符時(shí)所采取的動(dòng)作。5個(gè)元素的含義如下：

qi表示機(jī)器目前所處的狀態(tài)；

Sj表示機(jī)器從方格中讀入的符號(hào)；

Sk表示機(jī)器用來代替Sj寫入方格中的符號(hào)；

R、L、N分別表示向右移一格、向左移一格、不移動(dòng)；ql表示下一步機(jī)器的狀態(tài)。

一個(gè)機(jī)器計(jì)算的結(jié)果是從機(jī)器停止時(shí)帶子上的信息得到的。容易看出，q1S2S2Rq3指令和q3S3S3Lq1指令如果同時(shí)出現(xiàn)在機(jī)器中，當(dāng)機(jī)器處于狀態(tài)q1，第一條指令讀入的是S2，第二條指令讀入的是S3，那么機(jī)器會(huì)在兩個(gè)方塊之間無休止地工作。另外，如果q3S2S2Rq4和q3S2S4Lq6指令同時(shí)出現(xiàn)在機(jī)器中，當(dāng)機(jī)器處于狀態(tài)q3并在帶子上掃描到符號(hào)S2時(shí)，就產(chǎn)生了二義性的問題，機(jī)器就無法判定。例3.9：b表示空格，q1表示機(jī)器的初始狀態(tài)，

q4表示機(jī)器的結(jié)束狀態(tài)，設(shè)帶子上的輸入信息是10100010，讀入頭位對(duì)準(zhǔn)最右邊第一個(gè)為0的方格，狀態(tài)為初始狀態(tài)q1。規(guī)則如下。q101L

q2q110L

q3q1

b

b

N

q4q200L

q2q211L

q2q2

b

b

N

q4q301L

q2q310L

q3q3

b

b

N

q4計(jì)算過程如下：計(jì)算結(jié)果是10100011，即對(duì)給定的數(shù)加1。以上命令計(jì)算的是這樣一個(gè)函數(shù)：S(x)＝x＋1。當(dāng)沒有輸入時(shí)，即初始狀態(tài)所指的方格為空格（b）時(shí)，不改變空格符，讀寫頭不動(dòng)并停機(jī)。

圖靈機(jī)的計(jì)算能力圖靈機(jī)可以計(jì)算S(x)＝x＋1（后繼函數(shù)），N(x)＝0（零函數(shù)），Ui(n)(x1，x2，…，xn)＝xi，1≤i≤n（投影函數(shù)）上述3個(gè)函數(shù)的任意組合。從遞歸論中，我們知道這3個(gè)函數(shù)屬于初始遞歸函數(shù)，任何原始遞歸函數(shù)都是從這3個(gè)初始遞歸函數(shù)經(jīng)有限次的復(fù)合、遞歸和極小化操作得到的。從可計(jì)算理論可知每一個(gè)原始遞歸函數(shù)都是圖靈機(jī)可計(jì)算的。

馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)

ENIAC的結(jié)構(gòu)在很大程度上是依照機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，還存在重大的線路結(jié)構(gòu)等問題。在圖靈等人工作的影響下，1946年6月，美國(guó)杰出的數(shù)學(xué)家馮·諾依曼（VonNeumann）及其同事完成了關(guān)于“電子計(jì)算裝置邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的研究報(bào)告，具體介紹了制造電子計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)的新思想至今為止，大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用的仍然是馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的組織結(jié)構(gòu)，只是作了一些改進(jìn)而已。因此，馮·諾依曼被人們譽(yù)為“計(jì)算機(jī)器之父”。

ENIAC1946年2月14日，世界上第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制成功。研制組的主要成員有：總設(shè)計(jì)師為36歲的莫契利（J.Mauchiy）副教授；解決工程技術(shù)問題的是24歲的電氣工程師?？颂兀≒.Eckert）；設(shè)計(jì)乘法器等大型邏輯元件的是勃克斯（A.Burks）；協(xié)調(diào)項(xiàng)目進(jìn)展的是美國(guó)彈道實(shí)驗(yàn)室的軍方負(fù)責(zé)人戈德斯坦（H.Glodstine）中尉；項(xiàng)目負(fù)責(zé)人是莫爾學(xué)院資深教授勃雷納德（J.Brainerd）。ENIAC是第一臺(tái)使用電子線路來執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算以及信息存儲(chǔ)的真正工作的計(jì)算機(jī)器，它的成功研制顯示了電子線路的巨大優(yōu)越性。但是，ENIAC的結(jié)構(gòu)在很大程度上是依照機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，還存在重大的線路結(jié)構(gòu)等問題。莫契利和?？颂貙?duì)馮·諾依曼是否是天才的判定：若馮·諾依曼來參觀后提出的第一個(gè)問題就是機(jī)器的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則認(rèn)為他是天才；否則，就不是。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備和輸出設(shè)備作用：是將信息輸入計(jì)算機(jī)和輸出計(jì)算機(jī)。常用的文字輸入設(shè)備是鍵盤（還有掃描儀、穿孔卡片讀入機(jī)和鼠標(biāo)等專用輸入設(shè)備）當(dāng)在鍵盤上按下一個(gè)鍵時(shí)，按下的鍵通過編碼變換成機(jī)器可讀的數(shù)據(jù)形式，如字符“A”變換成ASCII碼“1000001”，該編碼數(shù)據(jù)隨即存入存儲(chǔ)器等待處理，通過與“1000001”對(duì)應(yīng)的字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)在屏幕上顯示一個(gè)字符“A”。輸出設(shè)備有打印機(jī)、顯示器、繪圖儀、磁記錄設(shè)備等?；诳偩€的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件組成

存儲(chǔ)器見數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

CPU(運(yùn)算器和控制器

)centralprocessingunitRegister、控制單元計(jì)算機(jī)中控制數(shù)據(jù)操作的電路并不與主存直接相連這些電路被封裝在一起，即CPUCPU含有自己的存儲(chǔ)單元（register）Register作為臨時(shí)空間來存儲(chǔ)CPU所操作的數(shù)，保存算術(shù)邏輯單元的輸入與輸出數(shù)據(jù)控制單元負(fù)責(zé)將主存中的數(shù)據(jù)移到register，然后通知算術(shù)邏輯單元所需要的數(shù)據(jù)在哪個(gè)register總線總線：CPU與主存之間用總線連接，利用總線CPU通過提供存儲(chǔ)單元目標(biāo)地址以及讀信號(hào)來選擇、讀取數(shù)據(jù)CPU通過提供存儲(chǔ)單元目標(biāo)地址以及寫信號(hào)來放置、寫入信號(hào)誰(shuí)發(fā)明了什么程序存儲(chǔ)的概念：由賓西法尼亞大學(xué)Moore電子工程學(xué)院的J.P.Echert提出，JohnvonNeumann只是先發(fā)表了程序存儲(chǔ)的概念CPU和主存儲(chǔ)器通過總線相連基于馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的程序執(zhí)行在早期計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中，人們認(rèn)為，程序與數(shù)據(jù)是兩種完全不同的實(shí)體。于是，自然將程序與數(shù)據(jù)分離，數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中，程序則作為控制器的一個(gè)組成部分（如外插型的程序）。這樣，每執(zhí)行一個(gè)程序，都要對(duì)控制器進(jìn)行設(shè)置（如在ENIAC中，編制一個(gè)解決小規(guī)模問題的程序，就要在40多塊幾英尺長(zhǎng)的插接板上,插上幾千個(gè)帶導(dǎo)線的插頭）。顯然，這樣的機(jī)器效率不僅低，且靈活性也很差。馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，也即存儲(chǔ)程序式計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，則是將程序與數(shù)據(jù)一樣看待，對(duì)程序像數(shù)據(jù)那樣進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幋a，然后與數(shù)據(jù)一起共同存放在存儲(chǔ)器中。這樣，計(jì)算機(jī)就可以通過改變存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。從原來對(duì)程序和數(shù)據(jù)的嚴(yán)格區(qū)別到一樣看待，這個(gè)觀念上的轉(zhuǎn)變是計(jì)算機(jī)史上的一場(chǎng)革命，它反映的正是計(jì)算的本質(zhì)，即符號(hào)串的變化。下面，介紹Brookshear在其著作《計(jì)算機(jī)科學(xué)概論》中，給出的一個(gè)基于馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的程序執(zhí)行實(shí)例，以加深對(duì)存儲(chǔ)程序式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的理解。（1）機(jī)器的結(jié)構(gòu)和指令該機(jī)器有256個(gè)主存單元（分別用十六進(jìn)制0

FF表示），16個(gè)通用寄存器（0

F），一個(gè)程序計(jì)數(shù)器和一個(gè)指令寄存器。機(jī)器的指令有12條，每條指令的長(zhǎng)度均為2個(gè)字節(jié)，指令的前4位為操作碼，后12位為操作數(shù)，如表3.1所示。操作碼操作數(shù)描述1RXY將內(nèi)存XY單元中的數(shù)據(jù)取出，存入寄存器R中，如1A43，將43單元中的數(shù)據(jù)取出，存入寄存器A中2RXY將數(shù)XY存放到寄存器R中3RXY將寄存器R中的數(shù)據(jù)存入主存地址為XY的單元中40RS將寄存器R中的數(shù)存入寄存器S中5RST將寄存器S與T中的用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的數(shù)相加，將結(jié)果存入寄存器R中6RST將寄存器S與T中的用浮點(diǎn)數(shù)表示的數(shù)相加，將結(jié)果存入寄存器R中7RST將寄存器S與T中的數(shù)進(jìn)行或運(yùn)算，將結(jié)果存入寄存器R中8RST將寄存器S與T中的數(shù)進(jìn)行與運(yùn)算，將結(jié)果存入寄存器R中9RST將寄存器S與T中的數(shù)進(jìn)行異或運(yùn)算，將結(jié)果存入寄存器R中AR0X將寄存器R中的數(shù)右移X次，每次將最低位移出的數(shù)字放在最高位的空缺中BRXY若寄存器R中的數(shù)與寄存器0中的數(shù)相同，就將內(nèi)存XY單元中的數(shù)據(jù)（跳轉(zhuǎn)地址）存入程序計(jì)數(shù)器中；否則，按原來的順序繼續(xù)執(zhí)行C000停機(jī),C000程序執(zhí)行的一個(gè)例子⑴從A0開始，將A0放入程序計(jì)數(shù)器中，開始運(yùn)行程序；⑵提取地址為A0的指令（2個(gè)字節(jié)），并把指令（11AA）存放到指令寄存器中，程序計(jì)數(shù)器+2；⑶執(zhí)行指令11AA，通過總線，將AA地址中的值2取出來，放到1號(hào)寄存器中；⑷提取地址為A2的指令，并把指令（12AB）存放到指令寄存器中，程序計(jì)數(shù)器+2；⑸執(zhí)行指令12AB，將AB地址中的值6取出來，存放到2號(hào)寄存器中；⑹提取地址為A4的指令，并把指令（7012）存放到指令寄存器中，程序計(jì)數(shù)器+2；⑺執(zhí)行指令7012，將1號(hào)寄存器中的數(shù)據(jù)與2號(hào)寄存器中的數(shù)據(jù)相加，將結(jié)果存放到0號(hào)寄存器中；⑻提取地址為A6的指令，并把指令（30AC）存放到指令寄存器中，程序計(jì)數(shù)器+2；⑼執(zhí)行指令30AC，將0號(hào)寄存器中的數(shù)據(jù)存放到內(nèi)存地址為AC的存儲(chǔ)單元中；⑽提取地址為A8的指令，并把指令（C000）存放到指令寄存器中，程序計(jì)數(shù)器+2；⑾執(zhí)行指令C000，停機(jī)。

3.7計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展及其

3個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系

3.7.3機(jī)器指令與匯編語(yǔ)言

機(jī)器指令與匯編語(yǔ)言為了實(shí)現(xiàn)程序存儲(chǔ)的概念，CPU要能識(shí)別二進(jìn)制編碼的指令機(jī)器語(yǔ)言——指令集合以及編碼系統(tǒng)指令系統(tǒng)CPU必須能夠解碼并執(zhí)行的機(jī)器指令很少一旦計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行一些基本的而且是精選的操作，加入額外的操作理論上是不會(huì)改變計(jì)算機(jī)的能力的是否充分利用這種特性導(dǎo)致了兩種不同的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)：CISC(reducedinstructionsetcomputer)RISC(complexinstructionsetcomputer)CISC最初人們采用的是進(jìn)一步增強(qiáng)原有指令的功能，并設(shè)置更為復(fù)雜的指令的方法采用這種設(shè)計(jì)思路的計(jì)算機(jī)被稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC）。CISC的思路是由IBM公司提出的，并以1964年IBM研制的IBM360系統(tǒng)為代表。

CISC缺點(diǎn)80%的指令只在20%的運(yùn)行時(shí)間里用到；一些指令非常繁雜，而執(zhí)行效率甚至比用幾條簡(jiǎn)單的基本指令組合的實(shí)現(xiàn)還要慢。龐雜的指令系統(tǒng)也給超大規(guī)模集成電路（VLSI）的設(shè)計(jì)帶來了困難，它不但不利于設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期，增加了成本，容易增加設(shè)計(jì)中出現(xiàn)錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)，從而降低了系統(tǒng)的可靠性。

RISC思路主要是通過減少指令總數(shù)和簡(jiǎn)化指令的功能來降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，從而提高指令的執(zhí)行速度。優(yōu)點(diǎn):與CISC技術(shù)相比簡(jiǎn)化了指令系統(tǒng)，適合超大規(guī)模集成電路的實(shí)現(xiàn)；

提高了機(jī)器執(zhí)行的速度和效率；降低了設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性；

提供了直接支持高級(jí)語(yǔ)言的能力，簡(jiǎn)化了編譯程序的設(shè)計(jì)。機(jī)器指令機(jī)器指令系統(tǒng)——每臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)中，都規(guī)定了一組指令。機(jī)器語(yǔ)言——用機(jī)器指令形式編寫的程序。在裸機(jī)級(jí)，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言關(guān)于算法的描述采用的是實(shí)際機(jī)器的機(jī)器指令，它的符號(hào)集是{0，1}，支撐實(shí)際機(jī)器的理論是圖靈機(jī)等計(jì)算模型；在圖靈機(jī)等計(jì)算模型理論的指導(dǎo)下，有關(guān)設(shè)計(jì)形態(tài)的主要成果有馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)等具體實(shí)現(xiàn)思想和技術(shù)，以及各類數(shù)字電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言在裸機(jī)級(jí)所取得的主要成果計(jì)算機(jī)語(yǔ)言抽象理論設(shè)計(jì)裸機(jī)級(jí)的主要內(nèi)容和成果

語(yǔ)言的符號(hào)集為：{0，1}；用機(jī)器指令對(duì)算法進(jìn)行描述圖靈機(jī)（過程語(yǔ)言的基礎(chǔ)）、波斯特系統(tǒng)（字符串處理語(yǔ)言的基礎(chǔ)）、λ-演算（函數(shù)式語(yǔ)言的基礎(chǔ)）等計(jì)算模型馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)等實(shí)現(xiàn)技術(shù)；數(shù)字電子計(jì)算機(jī)產(chǎn)品匯編語(yǔ)言采用字符和十進(jìn)制數(shù)來代替二進(jìn)制代碼的思想。例3.10

對(duì)2+6進(jìn)行計(jì)算的算法描述用機(jī)器指令對(duì)“2+6”進(jìn)行計(jì)算的算法描述：

10110000000001100000010000000010101000100101000000000000匯編語(yǔ)言對(duì)“2+6”進(jìn)行計(jì)算的算法描述：

MOVAL，6ADDAL，2MOVVC，AL

匯編語(yǔ)言語(yǔ)句與特定的機(jī)器指令有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，但是它畢竟不同于由二進(jìn)制組成的機(jī)器指令，它還需要經(jīng)匯編程序翻譯為機(jī)器指令后才能運(yùn)行。匯編語(yǔ)言源程序經(jīng)匯編程序翻譯成機(jī)器指令，再在實(shí)際的機(jī)器中執(zhí)行。就匯編語(yǔ)言的用戶而言，該機(jī)器是可以直接識(shí)別匯編語(yǔ)言的，從而產(chǎn)生了一個(gè)屬于抽象形態(tài)的重要概念，即虛擬機(jī)的概念。

3.7計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展及其

3個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系

3.7.4以虛擬機(jī)的觀點(diǎn)來劃分計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)

虛擬機(jī)抽象的計(jì)算機(jī)由軟件實(shí)現(xiàn)，并與實(shí)際機(jī)器一樣，都具有一個(gè)指令集并可以使用不同的存儲(chǔ)區(qū)域。例如，一臺(tái)機(jī)器上配有C語(yǔ)言和Pascal語(yǔ)言的編譯程序，對(duì)C語(yǔ)言用戶來說，這臺(tái)機(jī)器就是以C語(yǔ)言為機(jī)器語(yǔ)言的虛擬機(jī)，對(duì)Pascal用戶來說，這臺(tái)機(jī)器就是以Pascal語(yǔ)言為機(jī)器語(yǔ)言的虛擬機(jī)。虛擬機(jī)的層次之分虛擬機(jī)可分為固件虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)應(yīng)用語(yǔ)言虛擬機(jī)等虛擬機(jī)的意義和作用

當(dāng)機(jī)器（實(shí)際機(jī)器或虛擬機(jī)）確定下來后，所識(shí)別的語(yǔ)言也隨之確定；反之，當(dāng)一種語(yǔ)言形式化后，所需要支撐的機(jī)器也可以確定下來。從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)圖中可以清晰地看到這種機(jī)器與語(yǔ)言的關(guān)系。虛擬機(jī)是計(jì)算學(xué)科中抽象的重要內(nèi)容。引入虛擬機(jī)的概念，就計(jì)算機(jī)語(yǔ)言而言，有以下意義和作用：有助于我們正確理解各種語(yǔ)言的實(shí)質(zhì)和實(shí)現(xiàn)途徑

推動(dòng)了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)以及計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展有助于各層次計(jì)算機(jī)語(yǔ)言自身的完善

3.7計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展及其

3個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系

3.7.5高級(jí)語(yǔ)言

雖然與機(jī)器語(yǔ)言相比，匯編語(yǔ)言的產(chǎn)生是一個(gè)很大的進(jìn)步，但是用它來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)仍然比較困難。于是人們著手對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)。一是發(fā)展宏匯編，即用一條宏指令代替若干條匯編指令，從而提高編程效率?，F(xiàn)在人們使用的匯編語(yǔ)言，大多數(shù)都是宏匯編語(yǔ)言。二是創(chuàng)建高級(jí)語(yǔ)言，使編程更加方便。如用高級(jí)語(yǔ)言對(duì)例子2+6進(jìn)行計(jì)算的算法描述，其描述與數(shù)學(xué)描述一樣，即2+6。

高級(jí)語(yǔ)言的分類按語(yǔ)言的特點(diǎn)，可以將高級(jí)語(yǔ)言劃分為：過程式語(yǔ)言（如Cobol，F(xiàn)orturn，Algol，Pascal，Ada，C）函數(shù)式語(yǔ)言（如Lisp）數(shù)據(jù)流語(yǔ)言（如SISAL，VAL）面向?qū)ο笳Z(yǔ)言（如Smalltalk，CLU，C++）邏輯語(yǔ)言（如Prolog）字符串語(yǔ)言（如SNOBOL）并發(fā)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如ConcurrentPascal，Modula2）等高級(jí)語(yǔ)言的形式化

20世紀(jì)50年代美國(guó)語(yǔ)言學(xué)家喬姆斯基（NoamChomsky）關(guān)于語(yǔ)言分層的理論，巴科斯（Backus）、瑙爾（Naur）的關(guān)于“上下文無關(guān)方法表示形式”的研究成果推動(dòng)了語(yǔ)法形式化的研究。其結(jié)果是，在ALGOL60的文本設(shè)計(jì)中第一次使用了BNF范式來表示語(yǔ)法，并且第一次在語(yǔ)言文本中明確提出應(yīng)將語(yǔ)法和語(yǔ)義區(qū)分開來。高級(jí)語(yǔ)言的形式化20世紀(jì)50年代至60年代間，面向語(yǔ)法的編譯自動(dòng)化理論得到了很大發(fā)展，使語(yǔ)法形式化研究的成果達(dá)到實(shí)用化的水平。語(yǔ)法形式化問題基本解決以后，人們逐步把注意力集中到語(yǔ)義形式化的研究方面,20世紀(jì)60年代，相繼誕生了操作語(yǔ)義學(xué)指稱語(yǔ)義學(xué)公理語(yǔ)義學(xué)代數(shù)語(yǔ)義學(xué)等語(yǔ)義學(xué)理論數(shù)據(jù)類型的抽象相對(duì)于匯編語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言，高級(jí)語(yǔ)言的數(shù)據(jù)類型的抽象層次有了很大地提高，出現(xiàn)了整型實(shí)型字符型布爾型用戶自定義類型抽象數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型的抽象極大地方便了用戶對(duì)數(shù)據(jù)的抽象描述，為實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)的工程化奠定了基礎(chǔ)。

高級(jí)語(yǔ)言中有關(guān)抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)形態(tài)的主要內(nèi)容抽象理論設(shè)計(jì)常用的符號(hào)：數(shù)字(0

9)，大小寫字母(AZ、az)，括號(hào)，運(yùn)算符(+，，*，/)等;用高級(jí)語(yǔ)言對(duì)算法進(jìn)行的描述；語(yǔ)言的分類方法；各種數(shù)據(jù)類型的抽象實(shí)現(xiàn)模型；詞法分析、編譯、解釋和代碼優(yōu)化的方法；詞法分析器、掃描器、編譯器組件和編譯器的自動(dòng)生成方法形式語(yǔ)言和自動(dòng)機(jī)理論；形式語(yǔ)義學(xué)：操作、指稱、公理、代數(shù)、并發(fā)和分布式程序的形式語(yǔ)義特定語(yǔ)言：過程式的COBOL，F(xiàn)ORTURN，ALGOL，Pascal，Ada，C），函數(shù)式的（LISP），數(shù)據(jù)流的（SISAL，VAL），面向?qū)ο蟮模⊿malltalk，C++），邏輯的（Prolog），字符串（SNOBOL），和并發(fā)（ConcurrentPascal，Modula2）等語(yǔ)言；詞法分析器和掃描器的產(chǎn)生器（如YACC，LEX），編譯器產(chǎn)生器；語(yǔ)法和語(yǔ)義檢查，成型、調(diào)試和追蹤程序

3.7計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展及其

3個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系

3.7.6應(yīng)用語(yǔ)言

計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的劃分一般將它劃分為5代：第一代為機(jī)器語(yǔ)言；第二代為匯編語(yǔ)言；第三代為高級(jí)語(yǔ)言；第四代為“非過程性語(yǔ)言”；第五代為自然語(yǔ)言。

4GL提供了功能強(qiáng)大的非過程化問題定義手段，用戶只需告知系統(tǒng)“做什么”，而無需說明“怎么做”

以數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)所提供的功能為核心，進(jìn)一步構(gòu)造了開發(fā)高層軟件系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，報(bào)表生成多窗口表格設(shè)計(jì)菜單生成系統(tǒng)等4GL的代表性軟件系統(tǒng)有：PowerBuilder、Delphi和INFORMOX-4GL等。應(yīng)用語(yǔ)言中有關(guān)抽象、理論和設(shè)計(jì)形態(tài)的主要內(nèi)容抽象理論設(shè)計(jì)用應(yīng)用語(yǔ)言對(duì)算法進(jìn)行描述

特定應(yīng)用領(lǐng)域的支撐理論：如數(shù)據(jù)庫(kù)等領(lǐng)域的支撐理論在文件處理等方面的應(yīng)用：如表生成，圖、數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計(jì)處理等；第四代語(yǔ)言（4GL），如PowerBuilder、Delphi、Informox-4GL等；程序設(shè)計(jì)環(huán)境

3.7計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展及其

3個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系

3.7.7自然語(yǔ)言

自然語(yǔ)言計(jì)算機(jī)處理層次的劃分四個(gè)層次：第一層次是文字和語(yǔ)音，即基本語(yǔ)言信息的構(gòu)成；第二層次是語(yǔ)法，即語(yǔ)言的形態(tài)結(jié)構(gòu)；第三層次是語(yǔ)義，即語(yǔ)言與它所指的對(duì)象之間的關(guān)系；第四層次是語(yǔ)用，即語(yǔ)言與它的使用者之間的關(guān)系。自然語(yǔ)言的輸入問題鍵盤（漢字的編碼輸入也是通過鍵盤進(jìn)行輸入）掃描手寫語(yǔ)音等方式進(jìn)入計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)可以對(duì)輸入的文字進(jìn)行各種加工和處理（如放大、變形等），現(xiàn)在大多數(shù)的報(bào)紙、雜志、書籍等就是這一