第一章计算机Fortran语言简介

1、 第1章计算机与Fortran语言简介知道计算机的基本构造理解二进制系统Fortran的历史和现状内容简介：1.1 计算机CPU (central processing unit)内存储器内存储器（寄存器）（寄存器）控制器控制器算术算术逻辑单元逻辑单元主存储器主存储器辅助存储器辅助存储器输入设备输入设备输出设备输出设备 1.1 计 算 机概述CPU主存储器和辅助存储器输入和输出设备CPU是计算机的心脏控制器：控制计算机的各个部分算术逻辑单元（ALU）：进行数学运算内存储器(寄存器）：暂时存储计算的中间结果。例如：某程序要求计算两个数相加控制器将 1. 解释程序的指令， 2. 从主存储器或输入设

2、备读入数据， 3. 将这两个数据存入寄存器， 4. 将这两个数据和计算指令一并送给ALU， 5. 然后将计算结果存储在内存储器中的另 一个位置 6. 从内存储器中取出结果，送回主存储器。 1.1 计 算 机概述CPU主存储器和辅助存储器输入和输出设备主存储器：由半导体芯片组成（内存条）； 速度快 50ns存取一个数据 ； 因为快，所以被用来暂时存储当前正在执行的程序，和用到的数据；贵；断电后，数据消失。辅助存储器：硬盘、软盘、USB设备、CD、磁带 等等；便宜；永久存储。 1.1 计 算 机输入设备：键盘和鼠标 扫描仪、麦克风、摄像头（不常用）输出设备：显示器和打印机 绘图仪、扬声器（不常用）

3、概述CPU主存储器和辅助存储器输入和输出设备1.2 计算机中的数据表达bit ：byte：word：计算机存储器由成千上万的“开关”组成，每一个都处于或者“开”，或者“关”的状态。每个开关可以代表一个二进制字节（bit）“0”或“1”。一组（8个）bits代表一个二进制数。几个（2个、4个、 8个）byte一起表示一个数。现在的计算机或者用32个bits，或者用64个bits。1.2 计算机中的数据表达十进制：123个位十位百位二进制：21011位2位4位0123 102 101 10 1050121 20 21 2 1.2 计算机中的数据表达注意到 二进制三位数可以代表十进制中的07共8种不

4、同可能值000 001 010 011 100 101 110 111 0 1 2 3 4 5 6 7 8 bits 28=25616 bits 216=65,53632 bits 232= 4,294,967,296 一般说来，用前一半代表正数和0，用后一半代表负数，所以，8 bits（1 byte）用来代表-128127。1.2 计算机中的数据表达二进制补码用最左端的一位代表符号，0为正，1为负。将正数变为相对应的负数，须按以下两步：1. 将所有0，1互换（即1写成0，0写成1）；2. 加1.例如：000000112 310 111111002 111111002+1= 111111012

5、 -310 将负数变为相对应的正数，也须按同样两步：1. 将所有0，1互换（即1写成0，0写成1）；2. 加1.1.2 计算机中的数据表达注意到 二进制三位数可以代表十进制中的07共8种不同可能值000 001 010 011 100 101 110 111 0 1 2 3 4 5 6 7 8 bits 28=25616 bits 216=65,53632 bits 232= 4,294,967,296 一般说来，用前一半代表正数和0，用后一半代表负数，所以，8 bits（1 byte）用来代表-128127。 0 1 2 3 -4 -3 -2 -11.2 计算机中的数据表达二进制补码带来的好

6、处不用考虑符号，负数和正数可以按通常的加法规则相加，而得到正确的结果。这大大简化的计算机的电路设计。1.3 程序设计语言程序设计语言是程序设计语言是人与计算机进行交流的有效工具人与计算机进行交流的有效工具,伴随计算机诞生而诞生伴随计算机诞生而诞生,伴随计伴随计算机发展而发展算机发展而发展,在计算机科学技术的发展过程中在计算机科学技术的发展过程中,发挥了巨大作用。发挥了巨大作用。 对于计算机来说，对于计算机来说，如果说如果说CPU是计算机心脏，那么程序设计语言及其程序就是是计算机心脏，那么程序设计语言及其程序就是其灵魂其灵魂。了解和掌握程序设计语言和程序设计方法是驾驭和运用计算机系统的。了解和掌

7、握程序设计语言和程序设计方法是驾驭和运用计算机系统的重要一环。重要一环。 目前，程序设计语言种类很多，各有特色，但本质相同。目前，程序设计语言种类很多，各有特色，但本质相同。l程序设计语言属于人工语言、形式语言、非自然语言。程序设计语言属于人工语言、形式语言、非自然语言。l程序设计语言分：程序设计语言分：低级语言（机器语言、汇编语言）、低级语言（机器语言、汇编语言）、高级语言高级语言。语言示例比较语言示例比较0010001100000010 -将将2送累加器送累加器A0000001100000011 -将将3与累加器相加与累加器相加,结果在累加器结果在累加器00110111 -将累加器数取反将

8、累加器数取反,求反码求反码00010111 -将累加器数加将累加器数加1,求补码求补码,结果为结果为-50000001100000100 -将将4与累加器相加与累加器相加,结果结果-1在累加器在累加器00110111 -将累加器数取反将累加器数取反,求反码求反码00010111 -将累加器数加将累加器数加1,求补码求补码,结果为结果为100000010 -将累加器数将累加器数1从总线输出从总线输出MOV A,2H -将将2送累加器送累加器AADD A,3H -将将3与累加器相加与累加器相加,结果在累加器结果在累加器CPL A -将累加器数取反将累加器数取反,求反码求反码INC A -将累加器数

9、加将累加器数加1,求补码求补码,结果为结果为-5ADD A,4H -将将4与累加器相加与累加器相加,结果结果-1在累加器在累加器CPL A -将累加器数取反将累加器数取反,求反码求反码INC A -将累加器数加将累加器数加1,求补码求补码,结果为结果为1OUTL BUS,A -将累加器数将累加器数1从总线输出从总线输出PRINT *，2+3-4 -计算计算2+3-4，并输出，并输出END! -calculate the volume of a cone-program Example_1_2a use constantsuse coneimplicit nonereal(long) : r,

10、h, v, s print*,Input radius r and height h ?read*, r, hv = volume(r, h)s = area(r, h)print*, Volume =, vprint*, Area =, send program Example_1_2a例例1.1 输入半径输入半径r，求圆的面积和周长，求圆的面积和周长FortranFortran程序示例程序示例module constants implicit none integer, parameter : long = selected_real_kind(15, 307) real (long),

11、parameter : pi = 3.14159265358979324d0end module constantsmodule cone use constants implicit none contains function area(r, h) real(long), intent(in) : r, h real(long) : area area = pi*r*(r + sqrt(r*2 + h*2) end function area function volume(r, h) real(long), intent(in) : r, h real(long) : volume vo

12、lume = pi*h*r*2/3.0 end function volumeend module cone1.4 Fortran发展史l1954年，美国年，美国IBM公司着手研究开发公司着手研究开发FORTRAN语言，并于语言，并于1957年对外年对外发布，称发布，称FORTRAN。l1958年，扩充和完善年，扩充和完善FORTRAN, 引入函数概念，投入商业运行，推引入函数概念，投入商业运行，推出出FORTRAN。l1960年，推出年，推出FORTRAN ，但没有在计算机上实现。，但没有在计算机上实现。l1962年，推出了年，推出了FORTRAN 。没有充分考虑兼容性。没有充分考虑兼容性。

13、l1966年，推出年，推出FORTRAN 66，美国标准，后被，美国标准，后被ISO采用。采用。l1978年，推出年，推出FORTRAN 77，兼容性好，结构化特征。，兼容性好，结构化特征。l1991年，推出年，推出FORTRAN 90，现代语言，可视化编程。，现代语言，可视化编程。l1997年，推出年，推出FORTRAN 95，提高了并行表达和计算能力。，提高了并行表达和计算能力。l2004年，推出年，推出FORTRAN 2003，面向对象机制和开放性。，面向对象机制和开放性。l1995年，微软公司在年，微软公司在Developer Studio集成开发平台上推出集成开发平台上推出FORTR

14、AN PowerStation 4.0。引入可视化编程技术。引入可视化编程技术。l1997年，微软和数据设备公司合作推出年，微软和数据设备公司合作推出Digital Visual FORTRAN 5.0,功功能强大。能强大。l1998年，康柏公司与数据设备公司合并，推出年，康柏公司与数据设备公司合并，推出Compaq Visual FORTRAN 6.x。l2005年，年，CVF开发团队加盟开发团队加盟Intel公司，公司，Intel Visual Fortran 9.0 作为后作为后续编译器。（支持续编译器。（支持64位机）位机）Fortran标准：标准：Fortran 66：当时的美国标准

15、协会（当时的美国标准协会（ASA），也就是后来的美国国家标），也就是后来的美国国家标准协会（准协会（ANSI），现在的国家信息技术标准委员会（），现在的国家信息技术标准委员会（NCITS）开始了）开始了一个对数据处理进行标准化的项目，人们提出了对编程语言进行标一个对数据处理进行标准化的项目，人们提出了对编程语言进行标准化的想法，一个后来被称为准化的想法，一个后来被称为X3J3， 而后而后J3，2007年定名为年定名为INCITS、PL22.3的委员会成立，负责为的委员会成立，负责为Fortran语言制定标准。最初的标准于语言制定标准。最初的标准于1966年确立，在后来的年确立，在后来的Fort

16、ran 77标准出台后，将之称为标准出台后，将之称为Fortran 66. Fortran 77：1966年之后，年之后，Fortran语序继续发展变化，于语序继续发展变化，于1977年出台了年出台了新的新的Fortran标准，称为标准，称为Fortran 77，这个标准在，这个标准在1978年发布。年发布。F77最显最显著的特色是引入了字符型变量，著的特色是引入了字符型变量，Hollerith代码被摒弃，代码被摒弃， IF-THEN-ELSE结构，以及诸多新的输入输出功能，例如直接存取文件和结构，以及诸多新的输入输出功能，例如直接存取文件和OPEN语句语句等。除了字符型变量以外，大多数新功能

17、都能在许多编译器或处理等。除了字符型变量以外，大多数新功能都能在许多编译器或处理器上执行。当时国际标准化组织（器上执行。当时国际标准化组织（ISO）开始规范程序设计语言并将）开始规范程序设计语言并将F77确立为国际标准。确立为国际标准。Fortran 90：F77标准出台后，标准出台后，X3J3和和ISO的团队马上开始着手制定新的的团队马上开始着手制定新的标准，也就是后来的标准，也就是后来的F90。F90一开始就是国际标准，一开始就是国际标准，US直接采纳。直接采纳。F90与与F77相比有重大变化，包括自由的书写格式，完整的迭代和选相比有重大变化，包括自由的书写格式，完整的迭代和选择控制结构，

18、数组的整体操作，动态内存分配等等，为择控制结构，数组的整体操作，动态内存分配等等，为Fortran语言语言注入了现代的气息。注入了现代的气息。Fortran 95：F95仅是一个小改版，大部份修正了仅是一个小改版，大部份修正了F90 一些较为显著的问一些较为显著的问题，并对题，并对F90做了一些扩充。做了一些扩充。Fortran标准：标准：Fortran 2003：F2003有着更大幅度的改版。有着更大幅度的改版。ISO Fortran Working Group (WG5)的的官方网站有关于官方网站有关于Fortran 2003新特性的详细总结，并有新特性的详细总结，并有PDF文件或者文件或

19、者压缩压缩PostScript文件可供直接下载。文件可供直接下载。据该文所述，本版本的主要改进包括：据该文所述，本版本的主要改进包括：增强了派生类型：带参数的派生类型，改善了控制的可操作性，改善了结增强了派生类型：带参数的派生类型，改善了控制的可操作性，改善了结构化的创建和释放。构化的创建和释放。支持面向对象编程：扩展类型和继承，多态，动态类型分配，以及类型绑支持面向对象编程：扩展类型和继承，多态，动态类型分配，以及类型绑定过程。定过程。改善了数据操作：可分配的组件（编入改善了数据操作：可分配的组件（编入IEEE TR 15581），延期的类型参数，），延期的类型参数，VOLATILE属性，在数组构造和分配语句中显式定义类型，增强的指针，扩属性，在数组构造和分配语句中显式定义类型，增强的指针，扩展的初始化表达式，增强的内部过程。展的初始化表达式，增强的内部过程。增强的输入输出：异步传输，流访问，用户指定派生类型的传输操作，增强的输入输出：异步传输，流访问，用户指定派生类型的传输操作，用户在格式转换时指定舍入控制，为连接前单元