電子信息工程概論課件第七章

1、 目目 錄錄1 計算機科學與技術(shù)2 計算機科學簡介3 計算機系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)4 軟件工程5 計算機應(yīng)用技術(shù)6 本章結(jié)束語1.計算機抽象出計算機抽象出軟件和硬件軟件和硬件兩個獨立部分兩個獨立部分;2. 軟件又被抽象成專門與硬件打交道的操軟件又被抽象成專門與硬件打交道的操作系統(tǒng)和建筑在操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用軟件作系統(tǒng)和建筑在操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用軟件;3. 數(shù)據(jù)處理又是許多應(yīng)用軟件必須的前提，數(shù)據(jù)處理又是許多應(yīng)用軟件必須的前提，從而抽象出數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。從而抽象出數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。4.到了網(wǎng)絡(luò)時代，為了更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)軟件到了網(wǎng)絡(luò)時代，為了更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)軟件的開發(fā)，應(yīng)用軟件中又抽象出應(yīng)用服務(wù)器的開發(fā)，應(yīng)用軟件中又抽象出

2、應(yīng)用服務(wù)器提供各種服務(wù)。提供各種服務(wù)。1 計算機科學與技術(shù)計算機科學與技術(shù)計算機科學技術(shù)除了具有較強的科學性計算機科學技術(shù)除了具有較強的科學性外外,還具有較強的工程性，因此，它是一門還具有較強的工程性，因此，它是一門科學性與工程性并重的學科。表現(xiàn)為理論科學性與工程性并重的學科。表現(xiàn)為理論性和實踐性緊密結(jié)合的特征。性和實踐性緊密結(jié)合的特征。 計算科學的研究領(lǐng)域有：計算機系統(tǒng)計算科學的研究領(lǐng)域有：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計科學與方法論，軟件工程結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計科學與方法論，軟件工程基礎(chǔ)理論，人工智能與知識處理，網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)理論，人工智能與知識處理，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫及各種計算機輔助技術(shù)，理論計算數(shù)據(jù)庫及各種計

3、算機輔助技術(shù)，理論計算機科學，計算機科學史等。機科學，計算機科學史等。o從學科體系和知識結(jié)構(gòu)看，現(xiàn)在的計算從學科體系和知識結(jié)構(gòu)看，現(xiàn)在的計算機科學與技術(shù)學科可分為應(yīng)用層、專業(yè)機科學與技術(shù)學科可分為應(yīng)用層、專業(yè)基礎(chǔ)層和基礎(chǔ)層三個層面的內(nèi)容基礎(chǔ)層和基礎(chǔ)層三個層面的內(nèi)容o應(yīng)用層主要包括計算機應(yīng)用的各個應(yīng)用應(yīng)用層主要包括計算機應(yīng)用的各個應(yīng)用方向，如移動計算與全球定位、計算機方向，如移動計算與全球定位、計算機自動控制、模式識別與圖像處理、軟件自動控制、模式識別與圖像處理、軟件測試技術(shù)等測試技術(shù)等o專業(yè)基礎(chǔ)層為應(yīng)用層提供技術(shù)與環(huán)境，專業(yè)基礎(chǔ)層為應(yīng)用層提供技術(shù)與環(huán)境，如軟件開發(fā)方法學、軟件工程技術(shù)、如軟件開

4、發(fā)方法學、軟件工程技術(shù)、軟件開發(fā)工具與環(huán)境、計算機系統(tǒng)基軟件開發(fā)工具與環(huán)境、計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)、計算機接口與通信、計算機網(wǎng)絡(luò)礎(chǔ)、計算機接口與通信、計算機網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)等與數(shù)據(jù)通信技術(shù)等o基礎(chǔ)層主要包括計算的數(shù)學理論、邏基礎(chǔ)層主要包括計算的數(shù)學理論、邏輯理論，如控制論基礎(chǔ)、信息論基礎(chǔ)、輯理論，如控制論基礎(chǔ)、信息論基礎(chǔ)、算法理論、可計算性理論、數(shù)字系統(tǒng)算法理論、可計算性理論、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)等。設(shè)計基礎(chǔ)等。計算機的種類很多，在規(guī)模和性能計算機的種類很多，在規(guī)模和性能上存在很大的差別，然而各種計算機上存在很大的差別，然而各種計算機的邏輯結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同，計的邏輯結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同，計算機系

5、統(tǒng)都是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)算機系統(tǒng)都是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成兩大部分組成( (圖圖7-1),7-1),它的層次結(jié)構(gòu)它的層次結(jié)構(gòu)如圖如圖7-27-2所示。所示。用用 戶戶應(yīng)用程序應(yīng)用程序操操 作作 系系 統(tǒng)統(tǒng)機機 器器 語語 言言硬硬 件件 系系 統(tǒng)統(tǒng)圖圖7-2計算機的層次結(jié)構(gòu)計算機的層次結(jié)構(gòu) 計算機硬件（計算機硬件（Hardware）是計算機系統(tǒng)使用）是計算機系統(tǒng)使用的電子線路和電子元件等物理設(shè)備的總稱。的電子線路和電子元件等物理設(shè)備的總稱。 20世紀世紀40年代中期，美國科學家馮年代中期，美國科學家馮諾依曼大諾依曼大膽的提出了采用二進制作為數(shù)字計算機的數(shù)制基礎(chǔ)膽的提出了采用二進制作

6、為數(shù)字計算機的數(shù)制基礎(chǔ)的理論。同時，他還提出了計算機組成結(jié)構(gòu)、程序的理論。同時，他還提出了計算機組成結(jié)構(gòu)、程序存儲和計算機應(yīng)該按照程序順序執(zhí)行的思想。存儲和計算機應(yīng)該按照程序順序執(zhí)行的思想。 馮馮諾依曼指出計算機硬件系統(tǒng)應(yīng)由運算器、諾依曼指出計算機硬件系統(tǒng)應(yīng)由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分構(gòu)控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分構(gòu)成成運算器運算器控制器控制器存儲器存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備CPU圖3 計算機的基本結(jié)構(gòu)1）最重要的硬件）最重要的硬件-主機主機 （1）中央處理器（）中央處理器（CPU）,它合成它合成了運算器和控制器的功能，是計算機系了運算器和控制器的功能，是計算

7、機系統(tǒng)的心臟，它負責算術(shù)運算、邏輯運算統(tǒng)的心臟，它負責算術(shù)運算、邏輯運算及系統(tǒng)控制及系統(tǒng)控制,是計算機硬件的核心部分。是計算機硬件的核心部分。（2）內(nèi)部存儲器簡稱內(nèi)存）內(nèi)部存儲器簡稱內(nèi)存,它是計算它是計算機系統(tǒng)工作時存儲程序、數(shù)據(jù)的記憶機系統(tǒng)工作時存儲程序、數(shù)據(jù)的記憶裝置。內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)的速度很快，與裝置。內(nèi)存讀寫數(shù)據(jù)的速度很快，與CPU的速度相當，因此，正在運行的的速度相當，因此，正在運行的程序總是放在內(nèi)存中。程序總是放在內(nèi)存中。 在在PC中，作為內(nèi)存的中，作為內(nèi)存的ROM一般只有一片，一般只有一片，用于存放基本輸入輸出系統(tǒng)用于存放基本輸入輸出系統(tǒng)(Basic Input/Output Sys

8、tem)。BIOS含有與主板搭含有與主板搭配的各種設(shè)備的驅(qū)動程序和初始化程序，配的各種設(shè)備的驅(qū)動程序和初始化程序，PC啟動時，首先運行的是啟動時，首先運行的是BIOS程序。多片程序。多片RAM芯片被焊在一個長條形的印刷電路板芯片被焊在一個長條形的印刷電路板上構(gòu)成內(nèi)存條，一個或多個內(nèi)存條插入主上構(gòu)成內(nèi)存條，一個或多個內(nèi)存條插入主板的內(nèi)存插槽中構(gòu)成內(nèi)存主體。板的內(nèi)存插槽中構(gòu)成內(nèi)存主體。（3）主板（）主板（MainBoard）是一塊有各種）是一塊有各種接口接口,插槽及復(fù)雜的控制元器件的電路板插槽及復(fù)雜的控制元器件的電路板,主機箱中幾乎所有的部件都與它相接主機箱中幾乎所有的部件都與它相接,運運算器、控

9、制器、算器、控制器、I/O接口和內(nèi)存儲器以及接口和內(nèi)存儲器以及相關(guān)的導線、電阻、電容、插座等均固相關(guān)的導線、電阻、電容、插座等均固定在這塊印刷電路板上。定在這塊印刷電路板上。圖5 CPU、內(nèi)存條、主板2）外部設(shè)備）外部設(shè)備 （1）外存儲器簡稱外存或輔存。）外存儲器簡稱外存或輔存。內(nèi)存雖然速度快，但價格昂貴、容內(nèi)存雖然速度快，但價格昂貴、容量小，所以，還需要外存來存放數(shù)量小，所以，還需要外存來存放數(shù)據(jù)。據(jù)。圖6 軟盤、硬盤、光盤、U盤 （2）輸入設(shè)備的功能是將文本、）輸入設(shè)備的功能是將文本、圖形、圖像、聲音以及其他形式的圖形、圖像、聲音以及其他形式的信號轉(zhuǎn)換成計算機能接受的數(shù)據(jù)形信號轉(zhuǎn)換成計算機

10、能接受的數(shù)據(jù)形式并傳送給計算機。式并傳送給計算機。圖7 鍵盤、鼠標、攝像頭、圖像掃描儀、觸摸屏 （3）輸出設(shè)備的功能是將計算）輸出設(shè)備的功能是將計算機處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為文本、圖形、機處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為文本、圖形、圖像、及聲音等信號形式。圖像、及聲音等信號形式。 圖7-8 顯示器 打印機 軟件系統(tǒng)是計算機正常工作所軟件系統(tǒng)是計算機正常工作所需要的各種程序和數(shù)據(jù)的總和。根需要的各種程序和數(shù)據(jù)的總和。根據(jù)軟件用途的不同，可將其分為兩據(jù)軟件用途的不同，可將其分為兩大類：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。大類：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。1）系統(tǒng)軟件）系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件主要指面向硬件或者開發(fā)者所系統(tǒng)軟件主要指面向硬件或者開發(fā)者所

11、設(shè)立的軟件，如操作系統(tǒng)，編譯系統(tǒng)，數(shù)據(jù)設(shè)立的軟件，如操作系統(tǒng)，編譯系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，中間件等面向開發(fā)者的軟件。庫管理系統(tǒng)，中間件等面向開發(fā)者的軟件。 （1）操作系統(tǒng)是人與計算機進行交流的）操作系統(tǒng)是人與計算機進行交流的接口程序，是用來管理計算機的全部硬件、接口程序，是用來管理計算機的全部硬件、軟件資源和數(shù)據(jù)資源，為用戶提供高效、周軟件資源和數(shù)據(jù)資源，為用戶提供高效、周到的服務(wù)界面。運用較為廣泛的有到的服務(wù)界面。運用較為廣泛的有Windows、Linux、Unix等。等。 （2）語言編譯程序是人與計算機交流信息）語言編譯程序是人與計算機交流信息的工具，分為機器語言、匯編語言和高級的工具，分為

12、機器語言、匯編語言和高級語言。語言。（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)目前主要用于檔案管）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)目前主要用于檔案管理、財務(wù)管理、圖書資料管理及倉庫管理理、財務(wù)管理、圖書資料管理及倉庫管理等。等。 （4）設(shè)備驅(qū)動程序用來使一個特定的硬件）設(shè)備驅(qū)動程序用來使一個特定的硬件或軟件可以與一個特定的操作系統(tǒng)建立聯(lián)或軟件可以與一個特定的操作系統(tǒng)建立聯(lián)系。系。2）應(yīng)用軟件）應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件是計算機軟件的主要分類之一，應(yīng)用軟件是計算機軟件的主要分類之一，是指為針對使用者的某種應(yīng)用目的所撰寫的是指為針對使用者的某種應(yīng)用目的所撰寫的軟件。軟件。 （1）文字表格處理軟件中，最為廣泛應(yīng)用）文字表格處理軟件中，最為廣泛應(yīng)用

13、的就是的就是Windows Office。Office 是一套由微是一套由微軟公司開發(fā)的辦公軟件，它為軟公司開發(fā)的辦公軟件，它為Microsoft Windows操作系統(tǒng)而開發(fā)。與辦公室應(yīng)用程操作系統(tǒng)而開發(fā)。與辦公室應(yīng)用程序一樣，它包括聯(lián)合的服務(wù)器和基于互聯(lián)網(wǎng)序一樣，它包括聯(lián)合的服務(wù)器和基于互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)。的服務(wù)。 （2）輔助設(shè)計軟件目前在汽車、飛機、船）輔助設(shè)計軟件目前在汽車、飛機、船舶、超大集成電路等項目的設(shè)計、制造過舶、超大集成電路等項目的設(shè)計、制造過程中，占據(jù)著重要的地位。程中，占據(jù)著重要的地位。（3）網(wǎng)絡(luò)軟件相對較為豐富，包括通信支）網(wǎng)絡(luò)軟件相對較為豐富，包括通信支撐平臺軟件、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

14、支撐平臺軟件、網(wǎng)撐平臺軟件、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支撐平臺軟件、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐平臺軟件、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐平臺軟件、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)以及用于特殊網(wǎng)絡(luò)站點的軟件絡(luò)管理系統(tǒng)以及用于特殊網(wǎng)絡(luò)站點的軟件等等。 （4）用戶為解決實際問題，還編制了許）用戶為解決實際問題，還編制了許多特定作用的應(yīng)用軟件，如看圖軟件多特定作用的應(yīng)用軟件，如看圖軟件（ACDSee）、平面設(shè)計軟件）、平面設(shè)計軟件（Photoshop）、平面動畫制作軟件）、平面動畫制作軟件（Flash）、網(wǎng)頁制作軟件（）、網(wǎng)頁制作軟件（Dreamweaver）等。等。 （1）運算速度）運算速度:是指計算機每秒鐘能執(zhí)行的是指計算機每秒鐘能執(zhí)行的指

15、令數(shù)。單位為每秒百萬條指令，簡稱指令數(shù)。單位為每秒百萬條指令，簡稱MIPS（MillionInstructions Per Second)。19801987年年,速度速度12MIPS, 目前幾千目前幾千MIPS。 （2）主頻（時鐘頻率）：是指計算機的）主頻（時鐘頻率）：是指計算機的CPU在單位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)。通俗地可在單位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)。通俗地可理解為每秒鐘運算的次數(shù)，它在很大程度上理解為每秒鐘運算的次數(shù)，它在很大程度上決定了計算機的運行速度。單位決定了計算機的運行速度。單位MHz。Intel486的主頻為的主頻為33MHz120MHz.等。目前，等。目前，微機的主頻：幾微機的主頻：幾

16、GHz （3）字長：是指計算機能夠同時處理）字長：是指計算機能夠同時處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，它是一個重要的的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，它是一個重要的技術(shù)指標，直接影響到計算機的計算精技術(shù)指標，直接影響到計算機的計算精度和速度。計算機的字長越長，表示的度和速度。計算機的字長越長，表示的有效位數(shù)就越多，因而精度和速度就越有效位數(shù)就越多，因而精度和速度就越高，功能越強，主要由高，功能越強，主要由CPU型號而定。型號而定。有有32位（微機）、位（微機）、64位（工作站）、位（工作站）、128位位(大、中型機）大、中型機） （4）內(nèi)存容量：是指隨機存儲器）內(nèi)存容量：是指隨機存儲器RAM存存儲容量的大小，它反映了

17、計算機處理數(shù)據(jù)儲容量的大小，它反映了計算機處理數(shù)據(jù)量的能力，內(nèi)存容量越大，計算機處理時量的能力，內(nèi)存容量越大，計算機處理時與外存儲器交換數(shù)據(jù)的次數(shù)越少，處理速與外存儲器交換數(shù)據(jù)的次數(shù)越少，處理速度越快度越快. 目前微機：目前微機：64MB、128MB、256MB、512MB，計算機的主頻越高、，計算機的主頻越高、字長越長，計算機的運算速度越快。字長越長，計算機的運算速度越快。 （5）可靠性與可用性：）可靠性與可用性： 系統(tǒng)的可靠性：系統(tǒng)的可靠性：指在給定的時間內(nèi)，計算機系統(tǒng)能正常運轉(zhuǎn)的概率，通常用平均無故障工作時間MTBF （Mean Time Between Failures)表示。 MTB

18、F的時間越長，系統(tǒng)的可靠性越高。 系統(tǒng)的可維護性：系統(tǒng)的可維護性：計算機的維修概率,通常用平均修復(fù)時間（Mean Time To Repair,簡稱MTTR）表示，即從故障發(fā)生到故障修復(fù)所需的時間。 系統(tǒng)的可用性：系統(tǒng)的可用性：若MTBF很高，且MTTR很低，則稱該計算機具很高的可用性。 （6）性能）性能/價格比：是一項綜合性評價格比：是一項綜合性評價計算機性能的指標價計算機性能的指標.機器允許配置機器允許配置的外部設(shè)備的最大數(shù)目、計算機系統(tǒng)的外部設(shè)備的最大數(shù)目、計算機系統(tǒng)的漢字處理能力、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及的漢字處理能力、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)功能等。網(wǎng)絡(luò)功能等。 軟件軟件(Software）是一

19、系列按照特定順序）是一系列按照特定順序組織的電腦數(shù)據(jù)和指令的集合。一般來講軟組織的電腦數(shù)據(jù)和指令的集合。一般來講軟件被劃分為編程語言、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件件被劃分為編程語言、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件和介于這兩者之間的中間件。和介于這兩者之間的中間件。 系統(tǒng)軟件為計算機使用提供最基本的功系統(tǒng)軟件為計算機使用提供最基本的功能，但是并不針對某一特定應(yīng)用領(lǐng)域。而應(yīng)能，但是并不針對某一特定應(yīng)用領(lǐng)域。而應(yīng)用軟件則恰好相反，不同的應(yīng)用軟件根據(jù)用用軟件則恰好相反，不同的應(yīng)用軟件根據(jù)用戶和所服務(wù)的領(lǐng)域提供不同的功能。戶和所服務(wù)的領(lǐng)域提供不同的功能。 從從19461946年出現(xiàn)了世界上第一臺計算機之后，就有了年出現(xiàn)了世界

20、上第一臺計算機之后，就有了程序的概念。在幾十年的發(fā)展中，計算機經(jīng)歷了程程序的概念。在幾十年的發(fā)展中，計算機經(jīng)歷了程序設(shè)計階段、程序系統(tǒng)階段、軟件工程階段和第四序設(shè)計階段、程序系統(tǒng)階段、軟件工程階段和第四階段。階段。階段程序設(shè)計階段程序系統(tǒng)階段軟件工程階段第四階段典型技術(shù)面向批處理、有限的分布、自定義軟件多用戶、實時、數(shù)據(jù)庫、軟件產(chǎn)品分布式系統(tǒng)、嵌入“智能”、低成本硬件、消費者的影響強大的桌面系統(tǒng)、面對對象技術(shù)、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、并行計算、網(wǎng)格計算表7-1計算機發(fā)展的幾個階段 在軟件的開發(fā)和維護過程中，如何在給定的成本和時間下開發(fā)出符合用戶需求的軟件，以及如何維護數(shù)量不斷膨脹的已有軟件產(chǎn)品

21、，對于這些問題的出現(xiàn)，均可定義為軟件危機。具體表現(xiàn)如下：具體表現(xiàn)如下：（1）產(chǎn)品不符合用戶要求；）產(chǎn)品不符合用戶要求；（2）對軟件開發(fā)成本和進度的估計不準；）對軟件開發(fā)成本和進度的估計不準；（3）軟件產(chǎn)品的評價困難；）軟件產(chǎn)品的評價困難；（4）軟件的生產(chǎn)仍然存在著低層次的重復(fù)）軟件的生產(chǎn)仍然存在著低層次的重復(fù)開發(fā)，難以實現(xiàn)可重用；開發(fā)，難以實現(xiàn)可重用；（5）軟件的可維護性差；維護代價昂貴；）軟件的可維護性差；維護代價昂貴；（6）軟件生產(chǎn)跟不上硬件發(fā)展的步伐，不）軟件生產(chǎn)跟不上硬件發(fā)展的步伐，不能充分利用計算機硬件的潛力。能充分利用計算機硬件的潛力。 為應(yīng)對和解決為應(yīng)對和解決“軟件危機軟件危機”

22、，在，在1986年秋季，年秋季，NATO（北約）的科技委（北約）的科技委員會第一次提出了軟件工程（員會第一次提出了軟件工程（Software Engineering）。）。 o軟件工程是指導計算機軟件開發(fā)和維護的軟件工程是指導計算機軟件開發(fā)和維護的一門工程學科。一門工程學科。o采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法來開采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法來開發(fā)與維護軟件，把經(jīng)過時間考驗而證明正發(fā)與維護軟件，把經(jīng)過時間考驗而證明正確的管理技術(shù)和當前能夠得到的最好的技確的管理技術(shù)和當前能夠得到的最好的技術(shù)方法結(jié)合起來。術(shù)方法結(jié)合起來。o從管理和技術(shù)兩方面研究如何更好地開發(fā)從管理和技術(shù)兩方面研究如何更好地開發(fā)

23、和維護計算機軟件的一門新興學科。和維護計算機軟件的一門新興學科。o它涉及到程序設(shè)計語言，數(shù)據(jù)庫，軟件開它涉及到程序設(shè)計語言，數(shù)據(jù)庫，軟件開發(fā)工具，系統(tǒng)平臺，標準，設(shè)計模式等方發(fā)工具，系統(tǒng)平臺，標準，設(shè)計模式等方面。面。 軟件工程包括三個要素：方法、工具和過程。軟件工程包括三個要素：方法、工具和過程。 方法為軟件開發(fā)提供了方法為軟件開發(fā)提供了“如何做如何做”的技術(shù)。的技術(shù)。它包括項目計劃與估算、軟件系統(tǒng)需求分析、數(shù)它包括項目計劃與估算、軟件系統(tǒng)需求分析、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、算法的設(shè)計、編據(jù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、算法的設(shè)計、編碼、測試和維護等。碼、測試和維護等。 工具為軟件工程方法提

24、供了工具為軟件工程方法提供了“如何更有效地如何更有效地做做”的項目支撐。由軟件工具集成起來形成的軟的項目支撐。由軟件工具集成起來形成的軟件開發(fā)支撐系統(tǒng)，即計算機輔助軟件工程。件開發(fā)支撐系統(tǒng)，即計算機輔助軟件工程。 主要包括以下基本活動：主要包括以下基本活動：（1)軟件定義軟件定義 進行軟件規(guī)格和使用限制的定義。進行軟件規(guī)格和使用限制的定義。（2)軟件開發(fā)軟件開發(fā) 根據(jù)軟件規(guī)格定義制作出軟件產(chǎn)品。根據(jù)軟件規(guī)格定義制作出軟件產(chǎn)品。（3)軟件驗證軟件驗證 確認軟件能夠滿足用戶提出的要求。確認軟件能夠滿足用戶提出的要求。（4)軟件維護軟件維護 修正軟件缺陷，并能根據(jù)用戶需求修正軟件缺陷，并能根據(jù)用戶需

25、求變化改進軟件變化改進軟件。 如同任何事都有一個發(fā)生、發(fā)展、成熟直如同任何事都有一個發(fā)生、發(fā)展、成熟直到衰亡的全過程，軟件系統(tǒng)或軟件產(chǎn)品也有到衰亡的全過程，軟件系統(tǒng)或軟件產(chǎn)品也有一個目標的提出、定義、開發(fā)、運行和維護一個目標的提出、定義、開發(fā)、運行和維護直到被廢棄不用的全過程。整個軟件的生命直到被廢棄不用的全過程。整個軟件的生命周期可分為軟件定義、軟件開發(fā)、軟件運行周期可分為軟件定義、軟件開發(fā)、軟件運行維護維護3個階段。在這個階段。在這3個階段之中，可細分為個階段之中，可細分為多個步驟。多個步驟。圖10 軟件生命周期 （1）定義時期）定義時期 其主要任務(wù)是收集和分析用其主要任務(wù)是收集和分析用戶

26、的要求，確定軟件開發(fā)的總目標，給出系統(tǒng)戶的要求，確定軟件開發(fā)的總目標，給出系統(tǒng)功能、性能結(jié)構(gòu)、可靠性以及接口等方面的要功能、性能結(jié)構(gòu)、可靠性以及接口等方面的要求。通過與用戶充分的交流，研究該軟件的可求。通過與用戶充分的交流，研究該軟件的可行性，制訂軟件項目的開發(fā)計劃，最后提交項行性，制訂軟件項目的開發(fā)計劃，最后提交項目報告。目報告。 （2）開發(fā)時期）開發(fā)時期 在定義完成之后，要對軟件在定義完成之后，要對軟件進行設(shè)計和生產(chǎn)，設(shè)計包括功能需求分析、概進行設(shè)計和生產(chǎn)，設(shè)計包括功能需求分析、概要設(shè)計和詳細設(shè)計。生產(chǎn)則包括編碼的實現(xiàn)和要設(shè)計和詳細設(shè)計。生產(chǎn)則包括編碼的實現(xiàn)和軟件測試驗證。軟件測試驗證。

27、（3）運行時期）運行時期 將軟件交付給用戶后將軟件交付給用戶后就進入運行時期。軟件產(chǎn)品不同于硬就進入運行時期。軟件產(chǎn)品不同于硬件產(chǎn)品，沒有機械磨損和化學性質(zhì)的件產(chǎn)品，沒有機械磨損和化學性質(zhì)的改變，但是在運行時期會出現(xiàn)開發(fā)時改變，但是在運行時期會出現(xiàn)開發(fā)時期未考慮到的問題，所以需要對軟件期未考慮到的問題，所以需要對軟件進行維護和更新進行維護和更新 軟件開發(fā)模型又稱為軟件生存期模型，軟件開發(fā)模型又稱為軟件生存期模型，是軟件開發(fā)實際過程的抽象與概括，是是軟件開發(fā)實際過程的抽象與概括，是對開發(fā)過程中各階段之間關(guān)系的描述和對開發(fā)過程中各階段之間關(guān)系的描述和表示。表示。圖11 瀑布模型和原型進化模型2）軟

28、件定義）軟件定義如圖如圖1212所示，在定義時期，根據(jù)定義的不同階段，所示，在定義時期，根據(jù)定義的不同階段，需要完成不同的工作。需要完成不同的工作。定義時期可行性研究軟件項目的問題定義制定軟件開發(fā)計劃圖12 定義時期的分段 首先說明軟件項目的最基本情況并形成項目報告，通過與用戶的交流，了解到待開發(fā)軟件項目的類型（應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件、通用軟件、專用軟件）、性質(zhì)（新軟件、軟件升級）、目標（使用功能）、大致規(guī)模等問題。 在問題定義階段，不必討論軟件項目細節(jié)。而可行性研究階段是在明確了上述問題之后，對軟件項目從技術(shù)、經(jīng)濟等各方面進行研究與分析。可行性研究的基礎(chǔ)和出發(fā)點是問題定義階段的結(jié)果，通常經(jīng)歷四個

29、階段：確認、分析、結(jié)論、書寫文檔。如圖13所示。1.確認4.書寫文檔3.結(jié)論2.分析對問題定義的結(jié)果進一步完善、認定對問題定義初步確定的軟件系統(tǒng)正確性進行確認技術(shù)可行性經(jīng)濟可行性操作可行性法律可行性是否繼續(xù)該工程文檔作為項目審查和決策的依據(jù)圖13 可行性研究流程可行性研究之后，進入制訂軟件開發(fā)計劃階段。這是一個綜合的計劃，作用于開發(fā)的全部過程，是開展項目活動的基礎(chǔ)，是軟件項目跟蹤與監(jiān)控的基礎(chǔ)，更是開發(fā)者對用戶需求理解的體現(xiàn)。制定計劃一般分為六個步驟，如圖14所示。1.確認項目交付的時間4.項目資源計劃3.任務(wù)的分解2.確定軟件目標和范圍由用戶提出，難以變更，須在規(guī)定時間內(nèi)完成由開發(fā)者根據(jù)實際情

30、況提出大致時間項目規(guī)模、類型、主要功能、性能限制、相關(guān)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)借口、特殊要求、開發(fā)概述。按階段進行任務(wù)分解（軟件生命周期）結(jié)構(gòu)化任務(wù)分解（體系結(jié)構(gòu)、功能劃分或軟件模塊）任務(wù)分解矩陣（用矩陣表格表現(xiàn)任務(wù)的分工）人力資源（參與項目開發(fā)的所有人員）軟件資源（各種支撐軟件、工具軟件、可重用軟件）6.計劃書5.項目進度安排內(nèi)容（時間分配、人員分配、定義責任、定義結(jié)果、定義里程碑）方法（時間季度表、關(guān)鍵路線網(wǎng)絡(luò)計劃、計劃評審技術(shù)）通過技術(shù)復(fù)查和管理復(fù)查，完善計劃書圖14軟件開發(fā)計劃流程3）需求分析 需求分析需求分析的任務(wù)是借助當前系統(tǒng)的邏輯模型導出新系統(tǒng)的邏輯模型，決定新系統(tǒng)做什么的問題。這相當于“分析

31、、理解和表達”的過程。具體任務(wù)在于（1）確定對系統(tǒng)的綜合需求（功能需求、性能需求、數(shù)據(jù)需求、運行環(huán)境需求）（2）提出新系統(tǒng)的邏輯模型（3）修正系統(tǒng)開發(fā)計劃（4）開發(fā)原型系統(tǒng)根據(jù)需求分析的任務(wù)，需求分析的過程如圖15所示。圖15 需求分析流程 需求分析中的各個環(huán)節(jié)，均可分為五個步驟來實現(xiàn)：獲取用戶需求、分析用戶需求、編寫需求文檔、評審需求文檔、管理需求。4）軟件設(shè)計 在需求分析之后，知道了系統(tǒng)“做什么”，但還不知道系統(tǒng)“怎么做”，軟件設(shè)計的任務(wù)就是實現(xiàn)需求的過程。而實現(xiàn)過程中，包含著“概況地描述”的概要設(shè)計和“具體地描述”的詳細設(shè)計。在詳細設(shè)計給出目標系統(tǒng)的精確描述后，在編碼階段就可以完成計算機

32、程序。 概要設(shè)計概要設(shè)計主要是將需求分析的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為具體的軟件結(jié)構(gòu)。為了完成此目的，設(shè)計人員通常要進行四個設(shè)計過程和步驟：數(shù)據(jù)設(shè)計、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計、接口設(shè)計和過程設(shè)計。（1）數(shù)據(jù)設(shè)計是從分析階段得到的邏輯模型出發(fā)，設(shè)計出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（2）軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計定義了系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)元素之間的關(guān)系，得到軟件層次化的結(jié)構(gòu)圖。（3）接口設(shè)計是要描述系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與用戶之間的通信。（4）過程設(shè)計是從分析階段得到的軟件過程說明，對系統(tǒng)各個功能進行過程化的描述。 詳細設(shè)計詳細設(shè)計的目標是在概要設(shè)計的基礎(chǔ)上具體地設(shè)計目標系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，得到新系統(tǒng)的詳細規(guī)劃。其中包括下列任務(wù)。（1）算法過程的設(shè)計，描

33、述出每個處理過程的詳細算法。（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對于處理過程中涉及的概念性的數(shù)據(jù)類型進行定義。（3）數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，確定那些依賴于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的存儲格式、存儲方法等。（4）信息編碼設(shè)計，將某些數(shù)據(jù)項的值用代號來表示，以提高數(shù)據(jù)處理的效率。（5）測試用例的設(shè)計，測試用例需要提供測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果，檢測系統(tǒng)是否完善，一般由進行了軟件詳細設(shè)計的人員提供測試用例。（6）其他設(shè)計，包括人機對話設(shè)計、系統(tǒng)配置設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計等。（7）編寫“詳細設(shè)計說明書”，這是詳細設(shè)計階段最重要的任務(wù)，編寫之后必須進行評審，直到滿足要求為止。5）編碼與測試（1）編碼編碼又稱程序設(shè)計，使用選定的程序設(shè)計語言，將詳細設(shè)

34、計中得到的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成能在計算機系統(tǒng)上運行的源代碼。目前，各類程序設(shè)計語言有許多種，不同的語言有不同的特點及其適用范圍，為了提高代碼的可讀性、可測試性、可維護性和可靠性，應(yīng)該選擇恰當?shù)某绦蛟O(shè)計語言進行編碼。（2）測試測試是通過執(zhí)行軟件來發(fā)現(xiàn)軟件中可能出現(xiàn)的錯誤和缺陷，從而改善軟件的可用性與可靠性。測試的過程可分為4個步驟，單元測試、集成測試、確認測試和系統(tǒng)測試。如圖16所示。5）編碼與測試（1）編碼編碼又稱程序設(shè)計，使用選定的程序設(shè)計語言，將詳細設(shè)計中得到的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成能在計算機系統(tǒng)上運行的源代碼。目前，各類程序設(shè)計語言有許多種，不同的語言有不同的特點及其適用范圍，為了提高代碼的可讀性、可測試性、

35、可維護性和可靠性，應(yīng)該選擇恰當?shù)某绦蛟O(shè)計語言進行編碼。（2）測試測試是通過執(zhí)行軟件來發(fā)現(xiàn)軟件中可能出現(xiàn)的錯誤和缺陷，從而改善軟件的可用性與可靠性。測試的過程可分為4個步驟，單元測試、集成測試、確認測試和系統(tǒng)測試。如圖16所示。 圖7-16 軟件測試流程6）運行維護 軟件的維護就是軟件在交付之后對軟件產(chǎn)品進行修改。根據(jù)軟件維護的原因，維護活動可分為4種類型：（1）改正性維護。開發(fā)時測試的不徹底、不完全，導致軟件在使用期間可能會發(fā)現(xiàn)程序的錯誤，也可能是性能上的錯誤。對這些錯誤進行識別、修正的過程，稱為改正性維護。（2）適應(yīng)性維護。由于計算機科學技術(shù)領(lǐng)域的飛速進步，外部環(huán)境或數(shù)據(jù)環(huán)境可能發(fā)生變化，為

36、使軟件適應(yīng)這些變化而做的修改的過程稱為適應(yīng)性維護。（3）完善性維護。在使用過程中，用戶會提出新的要求來改變軟件某些功能或者增強某些功能。為了滿足用戶的要求進行的維護活動稱為完善性維護。（4）預(yù)防性維護。為了提高未來的可維護性和可靠性，或給未來的改進工作奠定基礎(chǔ)而進行的維護活動，稱為預(yù)防性維護。統(tǒng)計數(shù)字表明：在整個軟件維護階段花費的全部工作量中，預(yù)防性維護只占4%左右；完善性維護占51%左右：改正性維護占20%左右；適應(yīng)性維護占25%左右。 進入進入21世紀以來，計算機的發(fā)展非常迅速，世紀以來，計算機的發(fā)展非常迅速，在科學技術(shù)、國防事業(yè)、經(jīng)濟、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在科學技術(shù)、國防事業(yè)、經(jīng)濟、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及

37、人類社會的各個方面所起的作用越來越以及人類社會的各個方面所起的作用越來越大，它替代了人們許多煩瑣的工作，提高了大，它替代了人們許多煩瑣的工作，提高了我們的工作效率。我們的工作效率。 它在通訊技術(shù)上的應(yīng)用，給人們的生活它在通訊技術(shù)上的應(yīng)用，給人們的生活帶來了極大的方便；在工業(yè)自動化應(yīng)用上，帶來了極大的方便；在工業(yè)自動化應(yīng)用上，使產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量都大幅度得到提高，特使產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量都大幅度得到提高，特別是在現(xiàn)代尖端科學技術(shù)方面，更離不開計別是在現(xiàn)代尖端科學技術(shù)方面，更離不開計算機。算機。 計算機革命幾乎沖擊了所有的領(lǐng)計算機革命幾乎沖擊了所有的領(lǐng)域，計算機作為域，計算機作為20世紀科學技術(shù)的世紀科

38、學技術(shù)的卓越成就之一，它正在改變并將繼續(xù)卓越成就之一，它正在改變并將繼續(xù)影響和改變?nèi)祟惖膶W習、工作和生活影響和改變?nèi)祟惖膶W習、工作和生活方式，計算機誕生以后，信息的交流方式，計算機誕生以后，信息的交流和傳播起了質(zhì)的變化，計算機科學這和傳播起了質(zhì)的變化，計算機科學這門年輕的學科，正愈來愈被人們所重門年輕的學科，正愈來愈被人們所重視。視。 機器指令：機器指令：是要計算機執(zhí)行某種操作的命是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。令。 指令系統(tǒng)：指令系統(tǒng)：所有指令的集合稱為計算機的所有指令的集合稱為計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是軟件和硬件的界面，指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是軟件和硬件的界面，指令是對計算機進行程序控制的最小

39、單位。指令是對計算機進行程序控制的最小單位。 機器語言程序：機器語言程序：用機器指令編寫的程序，用機器指令編寫的程序，也是目標程序。也是目標程序。取指令取指令：按照程序計數(shù)器的地址，從內(nèi)存中取出指令，并送往指令寄存器。分析指令分析指令：對指令寄存器存放的指令進行分析，由譯碼器對操作碼進行譯碼，將指令的操作碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制信號；由地址碼確定操作數(shù)的地址。 執(zhí)行指令：執(zhí)行指令：指令的操作碼指明了該指令要完成的操作類型或性質(zhì)，所以由操作控制線路發(fā)出完成該操作所須的一系列控制信息，去完成該指令所要求的操作。圖18 指令執(zhí)行過程 計算機語言（計算機語言（Computer Language）指用于人與計

40、算機之間通訊的語言。計指用于人與計算機之間通訊的語言。計算機語言是人與計算機之間傳遞信息的算機語言是人與計算機之間傳遞信息的媒介。計算機程序設(shè)計語言的發(fā)展，經(jīng)媒介。計算機程序設(shè)計語言的發(fā)展，經(jīng)歷了從機器語言、匯編語言到高級語言歷了從機器語言、匯編語言到高級語言的歷程。的歷程。（1）機器語言是指一臺計算機全部的）機器語言是指一臺計算機全部的指令集合，是第一代計算機語言。指令集合，是第一代計算機語言。（2）為了減輕使用機器語言編程的痛苦，）為了減輕使用機器語言編程的痛苦，人們進行了一種有益的改進：用一些簡人們進行了一種有益的改進：用一些簡潔的英文字母、符號串來替代一個特定潔的英文字母、符號串來替代

41、一個特定的指令的二進制串，的指令的二進制串， 匯編語言同樣十分依賴于機器硬件，匯編語言同樣十分依賴于機器硬件，移植性不好，但效率仍十分高，針對計移植性不好，但效率仍十分高，針對計算機特定硬件而編制的匯編語言程序，算機特定硬件而編制的匯編語言程序，能準確發(fā)揮計算機硬件的功能和特長，能準確發(fā)揮計算機硬件的功能和特長，程序精煉而質(zhì)量高，所以至今仍是一種程序精煉而質(zhì)量高，所以至今仍是一種常用而強有力的軟件開發(fā)工具。常用而強有力的軟件開發(fā)工具。（3）從最初與計算機交流的痛苦經(jīng)歷中，）從最初與計算機交流的痛苦經(jīng)歷中，人們意識到，應(yīng)該設(shè)計一種這樣的語言，人們意識到，應(yīng)該設(shè)計一種這樣的語言，這種語言接近于數(shù)學

42、語言或人的自然語這種語言接近于數(shù)學語言或人的自然語言，同時又不依賴于計算機硬件，編出言，同時又不依賴于計算機硬件，編出的程序能在所有機器上通用。的程序能在所有機器上通用。#includevoid main()printf(hello); 以上程序是C語言里面最簡單的一“HelloWorld”程序。其功能是在顯示屏上打印出“HelloWorld”字樣。1）操作系統(tǒng)的功能）操作系統(tǒng)的功能 操作系統(tǒng)能對計算機系統(tǒng)中的軟件操作系統(tǒng)能對計算機系統(tǒng)中的軟件和硬件資源進行有效地管理和控制，合和硬件資源進行有效地管理和控制，合理地組織計算機的工作流程，為用戶提理地組織計算機的工作流程，為用戶提供一個使用計算機

43、的工作環(huán)境，起到用供一個使用計算機的工作環(huán)境，起到用戶和計算機之間的接口作用。戶和計算機之間的接口作用。而其具體又可分為如下五類管理工作。而其具體又可分為如下五類管理工作。（1）處理器管理：用于分配和控制處理器。）處理器管理：用于分配和控制處理器。（2）存儲器管理：主要負責內(nèi)存的分配與回收。）存儲器管理：主要負責內(nèi)存的分配與回收。（3）設(shè)備管理：負責設(shè)備的分配與操縱。）設(shè)備管理：負責設(shè)備的分配與操縱。（4）文件管理：負責文件的存取、共享和保護。）文件管理：負責文件的存取、共享和保護。（5）接口管理：提供兩種方式的接口為用戶服務(wù)）接口管理：提供兩種方式的接口為用戶服務(wù)。 2）操作系統(tǒng)的分類）操作

44、系統(tǒng)的分類（1）按照與用戶對話的界面分類可分為：）按照與用戶對話的界面分類可分為：命令行界面操作系統(tǒng)和圖形用戶界面系統(tǒng)。命令行界面操作系統(tǒng)和圖形用戶界面系統(tǒng)。（2）按照支持的用戶數(shù)分類可分為：單用）按照支持的用戶數(shù)分類可分為：單用戶操作系統(tǒng)和多用戶操作系統(tǒng)。戶操作系統(tǒng)和多用戶操作系統(tǒng)。（3）按照運行任務(wù)的多少分類可分為：單）按照運行任務(wù)的多少分類可分為：單任務(wù)操作系統(tǒng)和多任務(wù)操作系統(tǒng)。任務(wù)操作系統(tǒng)和多任務(wù)操作系統(tǒng)。（4）按照系統(tǒng)的作用分類可分為：批處理）按照系統(tǒng)的作用分類可分為：批處理系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)。 1)科學計算

45、科學計算(或數(shù)值計算或數(shù)值計算) 科學計算是指利用計算機來完成科學研究科學計算是指利用計算機來完成科學研究和工程技術(shù)中提出的數(shù)學問題的計算。在現(xiàn)和工程技術(shù)中提出的數(shù)學問題的計算。在現(xiàn)代科學技術(shù)工作中，科學計算問題是大量的代科學技術(shù)工作中，科學計算問題是大量的和復(fù)雜的。利用計算機的高速計算、大存儲和復(fù)雜的。利用計算機的高速計算、大存儲容量和連續(xù)運算的能力，可以實現(xiàn)人工無法容量和連續(xù)運算的能力，可以實現(xiàn)人工無法解決的各種科學計算問題。解決的各種科學計算問題。2)數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理(或信息處理或信息處理) 數(shù)據(jù)處理是指對各種數(shù)據(jù)進行收集、存儲、數(shù)據(jù)處理是指對各種數(shù)據(jù)進行收集、存儲、整理、分類、統(tǒng)計、加

46、工、利用、傳播等一整理、分類、統(tǒng)計、加工、利用、傳播等一系列活動的統(tǒng)稱。據(jù)統(tǒng)計，系列活動的統(tǒng)稱。據(jù)統(tǒng)計，80以上的計算以上的計算機主要用于數(shù)據(jù)處理，這類工作量大面寬，機主要用于數(shù)據(jù)處理，這類工作量大面寬，決定了計算機應(yīng)用的主導方向。決定了計算機應(yīng)用的主導方向。 3)輔助技術(shù)輔助技術(shù)(或計算機輔助設(shè)計與制造或計算機輔助設(shè)計與制造) 計算機輔助技術(shù)包括計算機輔助技術(shù)包括CAD、CAM和和CAI等。等。計算機輔助制造計算機輔助制造 計算機輔助制造是利用計算機系統(tǒng)進行計算機輔助制造是利用計算機系統(tǒng)進行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的過程。例如，生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的過程。例如，在產(chǎn)品的制造過程中，用計算機控制機