计算科学导论论文

摘要：为了巩固计算科学导论课程的学习，阅读了一些相关文献后，写下了该篇计算导论论文。该篇论文大致介绍了计算科学研究的内容及其相互关系和计算学科特点及其研究方法，以及该课程的特点和学习方法。

关键字：计算科学,计算机硬件,计算机软件,数据表示

1 引言

当今，在全球信息化大潮的推动下，我国的计算机产业发展迅猛，这对我们当代大学生来说既是机遇，也是挑战。所以这时候，了解并深入探索一些关于计算机科学方面的知识显得尤为重要。课堂上，沈老师向我们介绍的关于计算与哲学相结合的思想，简明的概念理论，实际问题的处理方法等等无疑向我们打开了一扇启蒙的门，并为我们更好地学习计算机打下了良好的基础。 2 如何学好该课程

要想学好该课程，首先要了解该课程的特点：一是内容丰富，自1946年第一台计算机诞生以来，计算机发展迅猛，由此衍生出来的相关知识极为丰富；二是涉及知识面广，由于计算机的计算特点，它已经渗入到其他许多领域如：生物，医学，数学等等；三是思维灵活，重视思致，计算机科学发展至今仍然算是一门年轻的学科，由此它需要的是创新型的思维与深刻的思考；四是理论相对难以理解。所以学好该课程就需要有一定的学习方法。一般方法有知识积累比如说听课，自学，社会实践，观察等；知识加工比如说思考，消化等；知识应用；另一种方法就是掌握好先行知识如数学。 3 计算机问题求解的结构 1) 计算机求解问题的思想

(1) 计算机问题的求解是人工求解的机器模拟 (2) 要用计算机求解的问题，人必须先会解 (3) 计算机在问题求解中仅仅是工具，人是主体 (4) 目前的计算机没有智能的

2）计算机求解问题的结构图 人工求解（算盘） 分析 算法问题 数学模型 离散化 离散数值解形式 结果 c 知识

以上结构图中，算法是对求解问题的步骤的精确描述，是编程的前提。其中精确的要求即精细确切，精细是指每一步对应计算机的一个步骤；确切是指每一步应有确切的含义。该结构图中，从问题到算法的分析属于系统分析设计，而从算法到结果的完成属于代码设计即编程。

4 机器计算的思想，可计算性与计算模型 1） 机器计算的思想

（1） 计算是人类长期的重要活动。

（2） 机器计算是人类永远的追求。从中国古老的算盘工具到后来出现机械式的计算

机，再到继电器式的计算机，直到今天的计算机，都是人类为了计算发明的计算机器。

2） 可计算性与计算模型

（1） 可计算性

（2） 计算模型是对可计算性的描述 （3） 两种计算模型

i. 波斯特计算模型：从计算的本质上描述可计算性，是纯代数的形式。 ii. 图灵计算模型：从计算的过程上描述可计算性，是图形的形式。如图为一

条带子。 读或写头

控制器规则

5 冯诺依曼模式与现代计算机的体系结构 1） 冯诺依曼模式

冯诺依曼模式即存储程序程序控制，冯诺依曼制定出来的离散变量自动电子计算机，简称EDVAC.EDVAC具有新的逻辑系统和结构，具有一个可存储、可编程的存储器。EDVAC由计算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出五部分组成；而相对的非冯诺依曼模式是指存储知识程序控制。基于冯诺依曼模式的计算机的结构原理图如下： 运算器 输出结果 输输程序入出 存储器 设设数据 备备 数据流 控制器 控制流

2） 现代计算机的体系结构

现代计算机的体系结构主要有硬件和软件两部分构成。 （1） 硬件系统

硬件系统是构成计算机系统的看得见摸得着的物理实体以及这些实体连接成一个有机的整体的连接方案。硬件由硬件设备和硬件结构组成，其中硬件设备是基础，硬件结构是关键。在此介绍几种硬件结构：第一种是面向CPU的单总线结构如图: CPU

内存 此种结构的缺点是线路繁忙；对CPU的干扰性大。第二种结构是面向内存的单总线结构如图： 内存 此种结构与第一种相比线路简捷了很多，但是降低了内存和CPU之间的传递效率。第三种是面向内存的双总线结构如图： 内存 CPU

此种结构固化成一个物理部件叫做主板。接下来介绍几种硬件设备：第一种为中央处理器，即CPU，它是整个计算机中的核心部件，是计算机的“大脑”。它控制了计算机的运算、处理、输入和输出等工作。它由运算器和控制器组成。运算器的功能是完成算术运算和逻辑运算。控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成，它的功能是从内存取指令和执行指令。CPU的三种管理方法有循环测试、通道和中断（有工厂的管理概念而来）。第二种为内存，它在计算机主机内直接与运算器、控制器交换信息，容量虽小，但存取速度快，一般只存放那些正在运行的程序和待处理的数据。从使用功能来看内存可以分为断电后数据不会丢失的非易失性存储器称为只读存储器（ROM）和断电后数据会丢失的易失性存储器称为随机存取存储器（RAM）。内存储器的原理图如下： 存储单元 存储单元 地 地址总线 址存储单元 地译 存储单元 址码数据总线 地寄器数存储单元 存据 址器信…… 寄数 息存据 器信 息 存储单元 存储单元 存储单元 读写控制电路 读写操作命令 第三种为外存，为了扩大内存的容量，外存作为内存的延伸和后援，间接和CPU联系，用来存放一些系统必须使用，但又不急于使用的程序和数据。外存存取速度慢，但存储容量大，可以长时间地保存大量信息。外存与内存半导体的材料不同而是磁介质的。所以它利用磁性来存储数据。如果点有磁性则表示1，如果点没有磁性则表示0。为了将数据存储在磁盘的表面，每个盘面都被划分成磁道，每个磁道又被分成若干个扇区。磁道间通过磁道内部间隔隔开，扇区之间通过扇区内部间隔隔开。信息是通过盘上每一个磁片的读或写磁头读写磁介质表面来进行读取和存储的。在硬盘中有双盘片双磁头，因为磁头和盘片要有一定空隙，若不加电时，磁头需要固定在一定位置，所以该部位材料需要有一定刚性并设置一个起停区。第四种为输入输出设备（I/O设备）。常用的输入设备有键盘、鼠标、光笔、扫描仪、数字化仪、条形码阅读器等。常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等。

（2） 软件系统

软件的初始概念是为了运行管理和维护计算机系统所编制的一整套的程序的总和。更新概念是为了运行管理和维护计算机系统所编制的一整套的程序的总和以及在这些程序设计过程中所用到的一切文档资料。因为文档资料是程序成立

的保障。软件包括系统软件、应用软件、游戏软件、支撑软件。其中系统软件是计算机系统的基本软件，主要分为操作系统类、语言处理程序、服务性程序和数据库管理系统类。操作系统是系统软件的核心。语言处理程序的功能是将除机器语言以外，利用其它计算机语言编写的程序，转化成机器所能直接识别并执行的机器语言程序的程序。服务性程序为了帮助用户使用与维护计算机，提供服务性手段，支持其他软件开发而编制的一类程序。数据库管理程序是对计算机所存放的大量数据进行组织、管理、查询，有效提供一定处理功能的大型系统文件。应用软件是指在计算机各个应用领域中，为解决各类实际问题而编制的程序，它用来帮助人们完成在特定领域中的各种工作。游戏软件部分为应用软件，有虚拟现实的特点。支撑软件是帮助大家应用的，如C语言。硬件与软件的关系是:硬件是基础，软件是关键。 有时，软件可以在很大程度上弥补硬件的不足。

6 数据信息的机内表示

数据分为数值型数据和非数值型数据。所有信息在机内都是用二进制逻辑表示的。实际上使用物理器件的状态来表示信息。 1）使用二进制的原因

二进制具有算术运算的简便性，二进制中只有六条运算；具有物理易实现性，如晶体管的不同状态可表示0和1，硬盘中的磁场两种不同方向可表示0和1，不同的频率的无线电波也可，但是如果用日常生活中的十进制，就不容易找到一个物理器件可以有十种不同的物理状态；具有寄存器材的节省性，如果表示一定的信息量，根据计算可以得出使用e进制时最节省器材，但需要取整数，用三进制的话不满足前两条条件，所以计算机采用二进制的方法存储信息。 2）数值信息的机内表示

数值信息由数码、正负号和小数点组成。数码的表示：将十进制转换位二进制——用辗转除二取余法，直到商为0结束。将二进制转换为十进制——按权相加法。正负号的表示:0表示正值，1表示负值。数分为机器数与真值。其中机器数有原码机器数、补码机器数、反码机器数。 [X]补 +[Y]补=[X+Y]补 小数点的机内表示：

定点表示法：定点表示是指在表示一个数时使小数点

位置固定不变。小数点固定在最高位之前 或固定在最低位之前。

小数点的几种表示形式 正负号 绝对值 小数点位置

浮点表示法：任何一个数可表示为N=rj+S

j为阶码，指出N的实际的小数点位置。 S为尾数，是个纯小数，包括N的所有数字。 其中，j越大，数值越大；S越大，精确度越高。 3） 非数值信息在机内的表示

非数值信息在机内由编码方式表示。文本信息是用若干位0、1符号按一定的顺序排列所形成的编码来表示的。图像信息的表示采用的是位图技术和矢量技术。声音信息的表示采用的是“采样技术”，这种技术要注意的是采样频率。其中汉字在机内表示有三方面优势：大多数汉语为单音节；汉语中，字是最基本的单位；表示同样的信息量，汉语节省存储空间。

7结束语

计算机技术发展至今已渗入到社会的生活和工作的各个方面，可以说它已经成为了一个时代的标志。它的到来不仅给人们的生活和工作带来了巨大变革，而且给我们原来的生活以巨大的冲击，就像是一把双刃剑。所以，我们作为现代人，尤其是现代大学生首先要培养良好的自身素质，然后储备完备的知识体系，从而来驾驭计算机这个神奇的工具，使它更好更快地为我们服务，使我们的社会更加美好和强大。

参考文献：

【1】 蔡志东.《现代科技概览》.东南大学出版社.2010.8

【2】 胡显章，曾国屏.《科学技术概论》.高等教育出版社.1998.6

【3】 Behrouz A.Forouzan.《计算机科学导论》.机械工业出版社.2004.1