内容发布更新时间 : 2024/9/19 23:53:11星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

计算科学导论论文

摘要：在计算科学与导论这门课程中，我们了解到了计算机科学是研制并且利用计算机完成数据处理任务的理论、方法和技术的学科。计算机的根本功能是数据处理。现代计算机体系在冯·诺依曼模式上建立，包括硬件系统和软件系统两大部分。了解计算机的内部结构的同时，我们还了解到了数据在计算机内的表示方法。

关键字：计算机，体系结构，硬件，软件，数据表示

1 引言

计算科学是计算机科学的基础，计算机只是一个工具，而计算科学才是能解决问题的根本。近十年来，随着研究在广度和深度上的不断发展，以计算科学的定义来替代计算机科学称谓的观点称为一种主流意见，尤其是在教育界越来越得到认同。

可以认为计算机科学是研制并且利用计算机完成数据处理任务所涉及的理论、方法和技术的学科。完成这个学科任务，要研究基本理论、揭示基本规律，也要解决能够在计算机上实现的技术方法。因此，计算机科学的特征是科学性和工程性并重，理论性和实践性相结合。在短短几十年里，计算机科学就发展成为了有众多分支领域、内容非常丰富、应用及其广泛的学科。科学研究从问题开始，或者说科学始于问题而非观察，尽管通过观察可以引出问题，但在观察时必定带有问题，带有预期的设想，漫无目的的观察室不存在。 2 计算问题的求解结构

⑴ 计算机求解问题的几个思想：计算机对问题的求解是人类求解的机器模拟，人类本

身可以解决这个问题，但是让计算机来实现；要用计算机求解的问题，人类必须首先会解；在问题的解决过程中，计算机只是个工具，人是主体；目前，计算机还不能做到智能，但是，造出类人计算机是我们的目标。世界上有两种观点，一种认为类人智能有可能发展，一种认为人工智能不能做到。世界各国都在为此努力。 ⑵ 计算机求解问题的结构图 数离散数

学算问 程值解的编译 设计 离散化 知识分析

模法 题 序 形式 型

⑶ 算法：用来解决问题的步骤的精确的描述，即使每一步所对应的计算机的每一步都

可以执行。一个算法就是一个有穷规则的集合，为重的规则规定了一个解决某一特定类型问题的运算序列。算法是编程的前提。算法所具有的确定性、可终止性和可执行性奠定了用计算机执行算法的基础。

3 机器计算的思想、可计算性与计算模型

⑴ 机器计算的思想：计算是人类长期的重要活动，机器计算是人类永远的追求。 ⑵ 可计算性：是指一个实际问题是否可以使用计算机来解决。事实上，很多非数值问

题（比如文字识别，图象处理等）都可以通过转化成为数值问题来交给计算机处理，但是一个可以使用计算机解决的问题应该被定义为“可以在有限步骤内被解决的问题”，故哥德巴赫猜想这样的问题是不属于“可计算问题”之列的，因为计算机没有办法给出数学意义上的证明，因此也没有任何理由期待计算机能解决世界上所有的问题。 ⑶ 计算模型：

计算机uan

读写头

规则 控制器

4 冯·诺依曼模式

⑴ 什么是冯·诺依曼模式？

冯·诺依曼模式是一种思想，现代计算机体系在此建立。冯·诺依曼提出的存储程序的方法，就是设计一个包括存储部件和出路部件的机器，程序存储在存储部件中，处理部件按照存储的程序有条不紊地执行。计算机科学界把采用0、1符号编码方法和存储程序方法设计的计算机称为冯·诺依曼计算机。 ⑵ 冯·诺依曼体系结构

① 采用存储程序方式，指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中（数据和

程序在内存中是没有区别的，它们都是内存中的数据，当EIP指针指向哪， CPU就加载那段内存中的数据，如果是不正确的指令格式，CPU就会发生错误中断。 在现在CPU的保护模式中，每个内存段都其描述符，这个描述符记录着这个内存段的访问权限(可读，可写，可执行)。这就变相的指定了哪些内存中存储的是指令，哪些是数据。指令和数据都可以送到运算器进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。

② 存储器是按地址访问的线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。 ③ 指令由操作码和地址组成。操作码指明本指令的操作类型，地址码指明操作数

和地址。操作数本身无数据类型的标志，它的数据类型由操作码确定。 ④ 通过执行指令直接发出控制信号控制计算机的操作。指令在存储器中按其执行

顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址。指令计数器只有一个，一般按顺序递增，但执行顺序可按运算结果或当时的外界条件而改变。 ⑤ 以运算器为中心，I/O设备与存储器间的数据传送都要经过运算器。 ⑥ 数据以二进制表示。

⑶ 基于冯·诺依曼模式的计算机结构原理图

中央处理器 控制器

输入设备

… 寄存器 算数逻辑部件

主存储器

辅助存储设备 输出设备

① 波斯特计算模型：从计算的本质上描述计算性，是纯代数形式。 ② 图灵计算模型： 从计算过程上描述和计算性，是图形化的形式。 ⑷ 图灵机：

用于存储

5 现代计算机的体系结构

(一) 硬件系统：构成计算机系统的所有物理器件、部件、设备以及相应的工作原理与设

计、制造、检测等技术的总称。冯·诺依曼结构体系吧硬件分成4个功能部分：CPU、存储器、输入输出设备、总线。

⑴ 硬件的组成：硬件设备（CPU、磁盘、键盘、鼠标、显示器等）和硬件结构。 ⑵ 硬件设备和硬件结构的关系：硬件设备是基础，硬件结构是关键。

⑶ 总线：是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传

输线束， 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。 ⑷ 几种硬件结构（总线结构）

① 面向CPU的单总线结构：

CPU

内存

② 面向内存的单总线结构

内存

CPU

③ 面向内存的双总线结构

内存

CPU

⑸ 几种硬件设备

① CPU：中央处理器，是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU、内部存储器和

输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取、解码、执行和写回。 CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。 运算逻辑部件，可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制