计算机科学技术总览.docx

基 本 内 容计算机科学技术的基本内容可概括为计算机科学理论、 计算机组织与体系结构、 计算机软件、 计算机硬件、 计算机应用技术以及人工智能等领域。1. 计算机科学理论计算机科学理论包括数值计算离散数学 计算理论程序理论四部分。数值计算讨论用于模拟物理过程或社会过程的各种算法的开发、 分析和使用。早在 18 世纪与 19 世纪,高斯、 牛顿、 傅里叶等著名数学家就开发过数值计算方法,而计算机的诞生更大大促进了数值计算的发展。数值计算涉及的内容颇多,如方程求根、 数值逼近、 数值微分、 数值积分、 数值代数、 线性代数方程组的数值解法、 矩阵特征值计算、 微分方程数值解法等。例如,高次代数方程求根的常用方法有二分法、 牛顿法、 割线法等。数值微分讨论求导数近似值的理论与方法,常用的有有限差分法。数值积分讨论求定积分近似值的理论与方法。梯形法和辛普森法均为世人所熟知。线性代数方程组的数值解法用以求线性代数方程组的数值解,通常有直接法和迭代法两类。高斯消去法即为直接法,简单迭代法和赛德尔迭代法均为迭代法。离散数学是泛指数学中讨论离散对象的分支。和连续数学不同,离散数学通常涉及整数系,由于数字计算机是离散机,离散数学的重要性不言而喻。通常认为离散数学包括集合论、 图论、 组合学、 数理逻辑、 抽象代数、 线性代数、 差分方程、 离散概率论等学科。图论是研究图的性质的学科。图论中的图并非初等数学中的图,后者只是连续函数的图形,图论中的图却是一组顶点(结点)和一组连接两两顶点的边(支)所构成的集合。组合论讨论计算某类对象个数的方法,它在统计学、 理论物理、 化学、 社会科学、 通信理论以及计算机科学技术中均有重要作用。多数组合论问题可归结为存在性问题、 枚举性问题或选择性问题。数理逻辑研究形式体系。作为其组成部分的命题演算与谓词演算等在计算机科学技术中作用巨大,影响深远。诸如计算机设计、 软件开发、 程序正确性验证,以及人工智能等领域无不用到数理逻辑。抽象代数讨论离散对象结构,它在计算机科学技术中应用广泛。例如,半群已用于形式语言理论和自动机理论,群在编码理论中有其重要作用。线性代数虽然涉及实变量,但其结构与处理均为离散,因而,也可归为离散数学。此外,差分方程,离散概率论等亦为离散数学内容。计算理论主要包括算法、 算法学、 计算复杂性理论、 可计算性理论、 自动机理论、 形式语言理论等等。算法是解题过程的精确描述,它包括有限多个规则,并具有如下性质: 第一,将算法作用于特定的输入集或问题描述,可导致由有限多个动作构成的动作序列;第二,该动作序列具有唯一一个初始动作;第三,序列中的每一动作具有一个或多个后继动作(序列中的末一动作的后继动作可视为空动作) ;第四,序列或者终止于问题的解,或者终止于一陈述,以表明问题对该输入集而言不可解。算法学是系统研究算法的学科。通常包括设计、 验证以及分析三部分。设计是创建算法的过程,并研究良好的创建方法;验证在于证明算法的正确性,基本途径是数学归纳法;分析着重确定算法的效用,当一问题有多种算法可用时,则比较其相对效用。计算复杂性确定从数学上提出的问题的固有难度,通过研究计算复杂性,可以断定哪些问题是固有困难的,从而有助于寻求更为优越的算法。算法复杂性是针对特定算法而言,最佳算法复杂性等于计算复杂性。计算复杂性理论则是用数学方法研究各类问题的计算复杂性的学科。它在计算机科学技术中既有理论意义,又有实用价值。可计算性理论是研究计算的一般性质的数学理论。它通过建立计算的数学模型,精确区分哪些问题是可计算的,哪些问题是不可计算的。计算的过程就是执行算法的过程。主要包括图灵机、 丘奇图灵论题、 演算、 原始递归函数、 部分递归函数、 递归集、 递归可枚举集、 可判定性等等。自动机理论是研究称作自动机的抽象理想机的数学学科。自动机是信息处理设备(如计算机)的抽象。多数自动机都是图灵机的特例。自动机理论一般包括有限自动机理论、 无限自动机理论、 概率自动机理论、 细胞自动机理论等等。形式语言理论是用数学方法研究自然语言(如英语)和人工语言(如程序设计语言)的语法的理论。形式语言就是模拟这些语言的数学工具。它只研究语言的组成规则,不研究语言的含义。内容包括描述工具、 文法分类(如乔姆斯基层次)、 语言分类,以及各类语言的性质及其间的关系等。程序理论研究程序的语义性质和程序的设计与开发,主要包括程序语义理论、 数据类型理论、 程序逻辑理论、 程序验证理论、 并发程序设计理论和混合程序设计理论等。程序理论和计算理论是计算机科学理论的两大支柱。形式语义理论是用数学方法研究程序语言的含义的理论,包括操作语义、 公理语义、 指称语义以及代数语义等。此外,还有旨在用计算机研究代数演算的 “计算机代数” 以及用计算机研究数学证明的 “计算机数学” 等。2. 计算机组织与体系结构计算机体系结构着重研究计算机系统的物理或硬件结构、 各组成部分的属性以及这些部分的相互联系。它可分为系统体系结构和实现体系结构两个方面。前者着重从系统软件开发人员的角度看计算机系统的功能行为和概念结构;后者从计算机系统的价格和性能特征出发,考虑该系统的结构和实现,包括中央处理器、 存储器等部件的结构和实现。也有人认为计算机体系结构专指系统体系结构,而将实现体系结构称为计算机组织。这里的计算机组织与体系结构包括上述的计算机系统体系结构和计算机实现体系结构。其内容除了计算机体系结构和计算机组织外,还包括计算机类型、 计算机网络、 计算机 RAS技术和计算机性能评价。可从不同角度来区分计算机类型。按计算机内数据表示的方式分,有数字计算机、 模拟计算机、 混合计算机等。按系统规模和性能分,有微型计算机、 小型计算机、 大型计算机、 巨型计算机等。按用途分,有通用计算机和专用计算机,通用计算机能够处理各种不同类型的问题,专用计算机只适合于处理某一类特定问题。按工作风格分,有基于冯诺依曼结构的传统计算机和非传统计算机。传统计算机的特征是命令驱动、 指令串行执行;非传统计算机可以是数据驱动或需求驱动、 指令并行执行。计算机组织包括数据表示、 算术逻辑运算、 指令系统、 中央处理器、 存储器组织和输入输出技术。数据表示包括二进制数制、 浮点数标准和字符集;算术逻辑运算包括二进制算术运算和逻辑运算;指令系统包括指令类型、 指令格式和寻址方式;中央处理器包括运算器、 控制器、数据通路等;存储器组织包括各种存储器、 存储器的差错校验以及对存储器的性能评价;输入输出技术是主机和输入输出设备连接的技术,包括总线、 输入输出通道、 输入输出接口等。计算机体系结构包括处理机体系结构、 存储系统、 并行处理系统、 分布式处理系统等。处理机体系结构包括各种类型的处理机结构,特别是精简指令集计算机的体系结构对计算机的发展有重要的影响。存储系统具有层次结构。一般由四级存储器组成: 第一级是寄存器(在中央处理器中) ;第二级是高速缓冲存储器;第三级是主存储器;第四级是辅助存储器。这四级存储器都是实际存储器。虚拟存储器为用户提供比主存储器容量大得多的可随机访问地址空间。并行处理系统旨在突破单机运算速度与作业吞吐量的限制,以适应日益增长的巨大计算能力需求。它将多个处理机通过互联网络连接起来,实现并行处理。其体系结构大体上可分为单指令流多数据流和多指令流多数据流两种。由成百上千个微处理器构成的大规模并行处理系统和其它并行处理系统已经实现。分布式处理系统将不同地点或不同功能的多台计算机用通信网络连接起来,协同完成信息处理任务。它包括客户 服务器计算、 计算机簇、 分布式异构型计算机系统等。计算机网络是计算机与通信技术相结合的产物,通过它可实现计算机之间的通信和资源共享。它包括网络体系结构、 网络协议、 网络种类、 网络互连、 网络管理和网络应用,特别是因特网的应用。计算机 RAS 技术包括计算机系统的可靠性、 计算机的可用性和可维护性、 计算机安全等。计算机性能评价包括对运算速度的评价、 评价系统性能的指标、 性能评价的基准程序以及对计算机系统性能的模拟。3. 计算机软件计算机软件一般指计算机系统中的程序及其文档,也可以指在研究、 开发、 维护以及使用上述含义下的软件所涉及的理论、 方法、 技术所构成的学科。软件的作用有三: 一是用作计算机用户与硬件之间的接口界面;二是在计算机系统中起指挥管理作用;三是计算机体系结构设计的重要依据。软件的发展过程大致可分为三个阶段。从第一台计算机上第一个程序的出现到实用的高级程序设计语言出现以前( 20 世纪 40 年代中期至 50 年代中期)为第一阶段。从实用的高级程序设计语言出现以后到软件工程出现以前( 50 年代中期至 60 年代后期)为第二阶段。软件工程出现以后迄今( 60 年代后期以来)为第三阶段。一般说来,软件可分为系统软件、 支撑软件以及应用软件三类。系统软件是计算机系统中最靠近硬件层次的软件,如操作系统、 编译程序等均为系统软件。它和具体的应用领域无关,解任何领域的问题一般都要用到系统软件。支撑软件是支撑其它软件的开发与维护的软件,例如: 软件开发环境即为支撑软件。应用软件是特定应用领域的专用软件,如人口普查软件、 飞机订票软件等。上述分类也并非绝对,而是相互有所覆盖交叉和变动,三者既有分工,又相结合,不能截然分开。软件的基本内容包括软件语言、 软件方法学、 软件工程以及软件系统。软件语言是用以书写软件的语言。它包括书写软件需求定义的需求级语言、 书写软件功能规约的功能级语言、 书写软件设计规约的设计级语言、 书写实现算法的实现级语言以及书写软件文档的文档语言。软件方法学是以软件方法为研究对象的学科。从开发范型上看,有自顶向下的软件开发方法以及自底向上的软件开发方法。从表现形式上看,有形式方法与非形式方法。从适用范围来看,有整体性方法与局部性方法。软件工程是应用计算机科学与数学原理制作软件的工程。它含有四个要素:第一为目标,如产品的正确性、 可用性以及价格合宜等。第二为范型,它反映软件开发过程的原则与风格。范型是模型的基础,模型是范型的体现,方法又是模型的体现。一般有功能分解范型、 功能综合范型等等。第三为过程,它主要包括需求、 设计、 实现、 确认以及支撑等阶段。第四为原则,它主要涉及系统设计、 软件设计、 软件过程支撑以及软件过程管理等方面。如认识需求的变动性,采用稳妥的设计方法, 提供高水平的支撑,提供有效的管理等等。软件系统包括操作系统、 语言处理系统、 数据库系统、 分布式软件系统、 网络软件系统及人 机交互软件系统等。操作系统是用以管理系统资源的软件,旨在提高计算机的总体效用。一般包括存储管理、 设备管理、 信息管理、 作业管理等。语言处理系统包括各种类型的语言处理程序,如解释程序、 汇编程序、 编译程序、 编辑程序、 装配程序等。数据库系统包括数据库及其管理系统。数据库是相互关联的在某种特定的数据模式指导下组织而成的各种类型的数据的集合。数据库管理系统则是为数据库的建立、 使用和维护而配置的软件,它建立在操作系统的基础上,对数据库进行统一的控制和维护。它一般包括模式翻译、 应用程序的编译、 查询命令的解释执行以及运行管理等部分。分布式软件系统是管理、 支撑分布式计算系统的软件系统。它一般包括分布式操作系统、 分布式程序设计语言及其编译程序、 分布式数据库管理系统、 分布式算法及其软件包、 分布式开发工具包等。网络软件系统是在计算机网络环境中,用于支持数据通信和各种网络活动的软件系统。它主要包括通信软件、 网络协议软件和网络应用系统、 网络服务管理系统以及用于特殊网络站点的软件等。人 机交互软件系统是人 机交互系统中的软件子系统,它一般包括人 机接口软件、 命令语言及其处理系统、 用户接口管理系统、 多媒体软件、 超文本软件等。4. 计算机硬件计算机硬件是构成计算机系统的所有物质元器件、 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。计算机系统的部件和设备包括控制器、 运算器、 存储器、输入输出设备、 电源等。元器件包括集成电路、 印制电路板及其它磁性元件、 电子元件等。控制器用于控制整个计算机自动地执行程序指令。它由指令部件、 时序部件和操作控制部件三部分组成。控制器调动计算机各个部件参与运行,依次接受程序指令,进行解释,并把相应的控制信号送往各个部件以完成规定的操作。运算器用以实现二进制编码的算术与逻辑运算,由算术逻辑部件、 累加器和通用寄存器等组成。运算器在控制器的控制和存储器的支持下,完成程序的算术和逻辑运算。存储器用来储存程序所需的数据和指令信息。根据不同的功能、 结构与工作原理,存储器可分为半导体存储器、 磁盘存储器、 磁带存储器、 光盘存储器等。过去曾一度使用的磁心存储器和磁鼓存储器等则随着技术的发展而被淘汰。输入输出设备是计算机和用户的交互接口部件,主要包括输入设备、 输出设备以及终端设备等三大类。输入设备有批式输入设备(如纸带输入机、 软盘输入机等) ,交互式输入设备(如键盘、 鼠标器、 触屏等)以及语音、 文字、 图形输入设备等。输出设备有显示设备、 印刷设备、 语音输出设备、 绘图仪等。终端是用户与网络进行交互操作以利用其计算机资源的一种设备,通常可分为两类: 一类是通用终端,适用于一般用户。另一类是面向特定作业的终端,如商业收款机、 银行柜员机、 信用卡验证终端等。集成电路是微电子学和制造工艺技术高度发展的产物,它是将大量晶体管、 二极管、 电阻、 电容等各种元件集成在一块半导体芯片上,以实现特定完整功能的器件。集成电路是现代计算机最主要的物质基础。它的发展大大促进了计算机体系结构和硬件的发展,促进了计算机科学技术的发展。此外,计算机硬件还应包括计算机制造、 计算机检测及计算机维护等技术。5. 计算机应用技术计算机应用技术着重研究计算机用于各个领域所涉及的原理、 方法与技术。范围十分广泛,其中内容丰富并已发展为系统领域者有中文信息处理、 计算机图形学、 数字图象处理、 计算机辅助技术、 多媒体计算技术、 计算机控制、 信息系统以及计算机仿真等。中文信息处理研究用计算机处理中文信息所涉及的原理、 方法和技术。由于中文和西文(汉语和西语)有很大差别(如西文为拼音文字,二十几个字母,而汉语常用字就有六七千个,总数达五万余;西文词与词间有空格,而中文字字相连;西文多有形态,如性别、 时态、 数量的变化,而中文甚少;汉语文法亦不如西语规范等) ,致使中文信息处理不能完全沿用西文信息的处理方法。为了推广应用计算机,加速实现社会信息化,中文信息处理技术对我们炎黄子孙以及进行国际文化交流均有特殊重要意义。中文信息处理技术的主要内容有: 在国际标准架构下,建立、 发展全球通用的汉字编码字符集、 汉字编码输入、 汉字识别、 汉语语音识别、 机器翻译、 自然语言理解、 中文信息检索、 电子印前处理等。计算机图形学是借助计算机产生真实物体或想象物体图形的综合性技术。计算机辅助造型和画面绘制是计算机图形学的两个重要组成部分。计算机图形学的发展颇为迅速,其关键性的概念乃是计算机内描述的环境的图形或图象的产生过程。关键性技术主要有造型技术、 人机交互技术、 彩色生成和处理、 真实感图形生成技术、 动画绘制以及科学计算可视化技术等方面。计算机图形学具有代表性的应用领域有: 计算可视化、 动画设计、 计算机辅助设计与制造、 过程控制、 办公自动化、 电子出版以及艺术制作等。数字图象处理是利用计算机将模糊或受损图象进行处理以实现图象增强、 复原、 重建以及分割、 配色等的过程与技术。主要包括图象的获取与输入、 图象储存、 图象处理、 图象表现、 图象分析与识别、 图象输出与传输等方面。数字图象处理已广泛应用于卫星遥感遥测、 大地测量、 资源勘探以及医学等方面。计算机辅助技术的应用十分广泛,其中主要有计算机辅助设计、 计算机辅助制造、计算机辅助工程、 计算机辅助教学等。计算机辅助设计是利用计算机帮助设计人员进行工程、 产品等设计工作的过程和技术。由计算机辅助产生的设计结果通过图形设备与设计人员进行交互,以便及时对设计做出判断和修改,最终完成设计工作。计算机辅助设计有效地减轻了设计人员的劳动,缩短了设计周期,提高了设计质量。计算机辅助制造是在制造业中利用计算机通过各种设备辅助完成产品的加工、 装配、 检测和包装等的制造过程和技术。它已广泛用于飞机、 汽车、 机械、 家用电器、 电子产品等制造业,显著地提高了企业的生产效率和产品质量,缩短了生产周期,降低了产品成本。计算机辅助工程是利用计算机帮助工程人员进行工程分析与实现的过程和技术。它可以提高产品质量,缩短工程周期以及降低产品成本等。其应用领域有机械工程、 土木工程、 电子工程等。计算机辅助教学是利用计算机辅助教师对学生进行教学、 训练的过程和技术。一般是通过学生与计算机的对话实现的。对话在计算机指导程序和学生之间进行。学生可以根据个人特点进行学习,变被动学习为主动学习,教学形象直观,从而提高学习效果。多媒体计算技术指用计算机交互式综合处理文字、 图形、 图象、 声音和一般数据等多种媒体信息,使多种信息建立起逻辑连接,并集成为系统的技术。它汇集计算机体系结构、 计算机软件以及视频音频信号获取、 处理和显示输出等技术。它的出现拓宽了计算机处理信息的类型,方便了用户,推动了计算机的普及应用,促进了计算机科学技术与其它学科的发展。多媒体计算技术已成为现代计算技术的重要标志。它一般包括: 多媒体硬件支撑、 多媒体软件、 音频视频信号的压缩和编码、 多媒体数据库以及多媒体通信等。计算机控制是计算机用于实验、生产或类似的过程中进行操作控制的过程和技术。它通过检测获取受控对象的数据和变量信息,经计算做出判断,实现控制。计算机控制能有效提高产品质量和数量,降低能耗和材耗,改善劳动条件和提高操作安全性。信息系统是由人、 计算机和管理规则等组成,以收集、 传递、 储存、 加工、 维护与使用信息的人 机系统。按其管理工作和功能的不同,可分为低、 中、 高三个层次,低层为数据处理系统,中层为管理信息系统,高层为决策支持系统。管理信息系统应用广泛,对提高全社会的工作效率和管理效能,均发挥巨大作用。计算机仿真是对各种类型的系统,根据它们的有关概念、 变量、 规则、 逻辑关系、 数学表达式、 图形和表格等必要信息,建立数学模型或描述模型并在计算机上加以体现和试验,从而达到分析、 研究该系统之目的的过程和技术。计算机仿真的主要内容有离散事件系统仿真、 一体化仿真、 连续系统仿真以及仿真语言等。计算机仿真已成为工程设计,系统开发,自然科学、 经济和社会问题研究以及进行教育训练等的有力手段。6. 人工智能人工智能着重研究、 解释和模拟人类智能、 智能行为及其规律。其主要任务是建立智能信息处理理论,进而设计并实现可以展现某些近似于人类智能行为的计算系统。对于智能与智能行为虽然迄今尚无一致的理解,但一般认为智能主要指人的学习能力。在研究路线上,初期有微观结构路线与智能行为路线之分。至 50 年代末,后一路线成为研究的主流。人工智能的研究内容一般可分为基础问题、 系统问题和应用问题。基础问题包括认知基础与技术基础。前者涉及常识知识、 学习、 联想及问题求解等;后者涉及表示、 推理及搜索等。系统问题涉及知识库、 推理机及分布式系统结构等。应用问题涉及自然语言处理、 软件自动化、 智能机器人以及各类专家系统等。知识表示研究用以表示智能系统中所用的知识的语言以及用以实现相应语言的方法和技术。常用的知识表示方法有两类: 一类是过程性表示,将问题写成一组过程;另一类是陈述性表示,它又可