计算科学导论
摘要：简要介绍了计算科学导论的发展与认知，包括计算机求解问题的过程，机器计算的思想、计算模型，计算机的系统结构、数值信息的机内表示和计算机的发展前景。作为计算机专业的学生不能局限于仅仅把“计算”看成一种工具，而更应该理解和掌握计算学科的基本原理，并培养解决问题的更广阔的思维模式。 计算机科学是一个充满了挑战和发展机遇的年轻学科。时代的进步与社会的发展对我们计算机教育的质量提出了更高更新的要求。为了适应社会的要求，我们必须掌握一些先行知识，然后融吸收、巩固与运用于一体，进一步探索计算科学领域，推动其不断向前发展。只有学好了计算科学这一学科后，我们才能联系计算机这一专业，使其为计算机专业的学习和研究打下坚实的基础。
关键字：计算科学 冯·诺依曼 计算模型 计算机系统 数值信息的机内表示 计算机的发展前景
1 引言
从20世纪30年代到60年代初，计算机科学与技术的研究与学科发展基本上处在萌芽状态，当时从事计算机科学与技术研究的科学家主要来自数学和电子科学领域。20世纪50年代后期高级程序设计语言的发展促进了硬件、软件与理论的融合，计算的数学理论、通用电子数字计算机系统、科学计算、高级语言程序设计等多个方向的研究进展催生了计算机科学作为一个学科的出现。在计算机科学与技术的发展历程中，随着对计算理论研究和应用的深入，大量先进的思想、方法和技术开始被应用于各行各业，并在工
作中与具体的行业或学科的内容交织在一起，随着信息科学与技术的发展，在图形学与图像处理、数据库系统、人机界面、人工智能、虚拟现实等技术的支持下，人们已经开发了许多计算可视化的系统，使计算机可以模拟真实处理问题的实验场景或人的思维过程来解决许多问题。因此，计算科学也就成为当今社会必不可缺的一门学科。本文简要介绍一些计算机的相关知识与发展前景
2 计算机求解问题的过程
获得问题并分析问题，并设定解题模型，以数学和非数学的形式来分解表示，针对问题的解法，设计能在计算机上执行的算法，算法转换为程序交与计算机系统处理和执行（图2-1）。
图2-1
计算机求解问题的过程
3
机器计算的思想、可计算性与计算模型
3.1机器计算的思想
① 计算是人类长期的重要活动：数学、物理学、文学、哲学……是千百年来人类知识分门别类的积累，而计算机科学是最近几十年以来围绕计算机制造和应用为最终目标而迅猛发展着的学科，它的发展与人类的命运息息相关。
问题 分析  数据处理  离散数值形式
算法
程序
计算机 离散化
叶童个人资料算法设计
② 机器计算是人类永远的追求：从最古老的陶丸到算盘，再到文艺复兴时期布莱斯·帕斯卡的第一台
机械式计算机，到后来的Z-1、Z-3计算机，直到1946年2月美国宾夕法尼亚大学莫尔学院制成的第一台计算机，人类在计算机发展上取得长足发展。
3.2可计算性与计算模型
1）可计算性问题：通过建立计算的数学模型（例如抽象计算机），精确区分哪些是可计算的，哪些是不可计算的。计算的过程就是执行算法的过程。
2）计算模型
（1）概念：把计算性问题用计算模型描述出来。 （2）两种典型的计算模型
A.波斯特（美国数学家）的计算模型：从计算的本质描述可计算性，是纯代数的形式，属于非数值信息处理。
B.图灵（英国数学家）的计算模型：从计算的过程描述可计算性，是图形化的形式。 4 冯·诺依曼模式与现代计算机的体系结构 4.1冯·诺依曼模式
1）现代计算机都基于冯·诺依曼模型。  2）什么是冯·诺依曼模式？ 即存储程序，程序控制。
3）计算机由运算器CA ，控制器CC ，存储器M ，输入设备I 和输出设备O 五大部分组成。
4）基于冯诺依曼模式的计算机的结构原理图（图4-1） （“    ”为数据信号，“→”为控制信号）
小寒的寓意和象征图4-1 冯·诺依曼计算机
4.2现代计算机的体系结构 1）现代计算机的两大组成部分
（1）硬件是构成计算机系统看得见摸得着的物理实体以及把这些实体连接成一个有机的整体的连接方案
（2）软件设备是基础，硬件结构是关键。
程序
输入
设备以及控制电路 存储器 运算器
控制器 输出设备以及接口
现代计算机
坎迪斯-斯瓦内普尔硬件系
爱奇艺弹幕突然没有了
统
硬件设备
CPU    运算器 实现计算机的算术运算和逻辑运算功能
控制器
根据控制流产生微操作命令序列，去控制指令功能所要求的数据传送
内存 计算机运行过程中存放需要的程序和数据的地方 包括ROM(只读存储器) RAM(随机存取器，易失型的) RAM 容量大，运行快，但太大也不好.
外存
为了内存的不足，能较长时间的保存信息.存放需要连机保存但暂时不使用的程序和数据，包括硬盘、软盘、光盘等，使用树脂做的基片, 磁介质的.应用电磁感应原理.
硬件结构
面向CPU 单总线结构（图4-2） 面向内存的单总线结构（图4-3） 面向内存的双总线结构（图4-4）
软件系统
软件的相关概念 其初始的概念是为了运行管理和维护计算机系统所编制的程序的总和，更新的概念是为了运行管理和维护计算机系统所编制的程序的总和，以及在这些程序开发过程中所用到的一切文档资料。
软件的分类
系统软件 能够扩展硬件功能的各种程序的集合
应用软件 面向各种业务要求、完成特定的数据处理事务的程序
游戏软件 游戏软件通常是指用各种程序和动画效果相结合起来的软件产品，我们称之为"游戏软件"。 支撑软件
支撑软件是支撑各种软件的开发与维护的软件，又称为软件开发环境。
2）软件、硬件的相互关系
硬件系统是计算机系统的物质基础，即计算机的物理设备，计算机硬件系统是组成计算机系统中的所有电子器件和装置的总称。计算机软件系统是计算机发挥功能的必要保证，软件是程序、数据和相关文档的集合，即硬件是基础，软件是关键。
图4-2 面向CPU 单总线结构
CPU
存储器 不足：一条线路有很多电磁信号，对CPU 干扰
过大
内存
CPU
不足：CPU 和内存交换也经过总线，对CPU 、内存干扰
图4-3
面向内存的单总线结构
图4-4 面向内存的双总线结构
5 数值信息的机内表示 数据：数值型和非数值型
5.1二进制（所有信息在机内都是用二进制逻辑表示的）
1）概念：二进制是计算技术中广泛采用的一种数制。二进制数据是用0和1两个数码来表示的数。它的基数为2，进位规则是“逢二进一”，借位规则是“借一当二”，由18世纪德国数理哲学大师莱布尼兹发现。当前的计算机系统使用的基本上是二进制系统。
2）二进制的优点
（1）二进制算术运算简单，运算操作方便。
（2）二进制具有物理易实现性，只有两个数码0和1，因此它的每一位数都可用任何具有两个不同稳少女部落格
定状态的元件来表示。
（3）二进制节省寄存器材，数字装置简单可靠，所用元件少。（例：设n 为r 进制表示的信息量为r^n=N
可以证明：寄存 n 位r 进制数所用寄存器材与n*r 成正比） 5.2数值信息的机内表示
1）数值信息的组成部分：由数码、小数点和正负号组成。 2）数值信息的机内表示 （1）数码的表示（十进制转二进制：十进制整数转二进制数：“除以2取余，逆序排列”（辗转除二取余法）；十进制小数转二进制数：“乘以2取整，顺序排列”（乘2取整法），二进制转十进制，按权相加。
（2）正负号的机内表示
A.正负号二进制表示可行性 ① 两个状态
② 符号的位置固定（符号位数码化）  B.几种表示方式
3.机器数（符号为数码化）用“0”表示正号，用“1”表示负号
4.机器数与真值：例如：-0`1101是真值，11101是机器数。                  a.原码机器数：（将正负号换成0或1之后的形式）
5.几种机器数      b.反码机器数：（将对应位的1换成0，或将0换成1）
c.补码机器数：（除了符号位之外，其他各位变反并在末位加1后的形式）
6`[X]补+[Y]补=[X+Y]补
[例1] 已知X = + 1101 , Y = + 0110 , 用反码计算Z = X-Y 。 解： [X]反 = 01101，[-Y]反 = 11001，则[Z]反 =[X]反+[-Y]反 = 01101+11001+1（循环进位）= 00111 , 其真值为Z = +0111。
内存
CPU 固化为部件——（主板）
[例2] 已知X = + 1101 , Y = + 0110 , 用补码计算Z = X-Y。
解： [X]补 = 01101，[-Y]补 = 11010，则[Z]补 =[X]补+[-Y]补 = 01101+11010  （3）小数点的机内表示
A.小数点不能用二进制表示：因为难以与数位区分
B. 小数点的两种表示方式
①定点表示法(小数点固定在最高位之前或小数点固定在最低位之后)
N=k^j*s(s称准数，是个纯小数，包含N的所有数字，j 称阶码，指出实际小数点的位置)
②浮点表示法，首先规定这个字节的高位端为符号点，再次，符号位中的二进制0代表储存的数值为非负，1代表数值为负，接着将这个字节剩余7个位分为两组，或称其为域，指数域和尾数域规定符号位下面的3个位为指数域，余下的个位为尾数域。（如
2^-3*0.100000）阶码越多，范围越大，位数越多，精度越高。
即N=k^j*s(s称准数，是个纯小数，包含N的所有数字，j 称阶码，指出实际小数点的位置)
5.3非数值信息的机内表示（*采用的编码理论）
1）字符的表示：包括字母、各种控制符号、图形符号等，它们都以二进制编码方式存入计算机并得以处理。
2）图像
（1）位图技术（图像表示为一组点，为点集，占空间大，图像不能轻易调节到任意大小）
（2）矢量技术（图像表示一组直线和曲线，可以克服因固定比例缩放产生的问题。这种方法将这些直线和曲线绘制的调节留给了最终产生图像的设备。）
3）声音技术：对模拟信号进行采样，量化采样值，将量化值转换成位模式，存储位模式。
4）汉字的信息的机内表示问题
（1）汉字的计算机处理的优势
A.大部分汉字是单音节
B.汉语中字是基本单位
C.汉语节约存储空间
（2）汉字的机内表示
A.机内码：采用变形国标码，其变换方法为：将国标码的每个字节都加上128，即将两个字节的最高位由0改1，其余7位不变。
B.字模编码：字形存储码是指供计算机输出汉字（显示或打印）用的二进制信息，也称字模。通常，采用的是数字化点阵字模，一般的点阵规模有16×16，24×24，32×32，64×64等。
（3）汉字的应用局限（在机器中）
A.存储空间占用问题（汉字的字模库）
B.汉字的输入问题（利用某种编码方式，把存在机器某处的信息提取出来）
2022高考加油祝福语①输入方法：编码方法、汉字键盘、光电扫描、声音输入
②输入局限：编码输入的同码率问题、光电声控的辨别率问题
6 结束语
从1946年第一台电子计算机问世，到如今的超级计算机，计算机技术取得了长足发展，推动了计算机的发展和广泛的应用，使得计算机在人类全部活动领域里占有越来越重要的地
位。从超级巨型机到智能手机，从无线网络的组建到卫星无处不在，无所不及，几乎能填补甚至取代各类信息处理器，成为人类最得力的助手。计算机科学与技术是一门充满了挑战和发展机遇的学科。我们计算机专业的学生应结合一系列计算机学科的丰富知识和实验，把计算机学科的概念、理论和技术知识融合在实践当中，了解计算机发展史，充分认识计算科学导论，为今后学好这门课程打下坚实基础。总之，在学了计算科学导论之后，让我更深入的了解了我将来要从事的学科。计算科学导论也让我更清楚的了解我们肩上的重担及计算科学无限光明的前景。
参考文献：
【1】赵致琢．《计算科学导论》．科学出版社．2004年
【2】郝玉杰等．《人类与电脑-计算机文化》．电子科技大学出版社．2007年
【3】黄思曾，黄捷迅．《计算机科学导论教程》．清华大学出版社．2010年
【4】Behrouz A·Forouzan．《计算机科学导论》．机械工业出版社．2004年
【5】百度百科baike.baidu