計(jì)算機(jī)和程序

第1章計(jì)算機(jī)與程序設(shè)計(jì)本章介紹計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，主要內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)等。通過(guò)對(duì)這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，可使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)和程序設(shè)計(jì)有一個(gè)初步的了解，為后面各章的學(xué)習(xí)奠定必要的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)1.1.1計(jì)算機(jī)硬件的基本組成計(jì)算機(jī)是作為一種計(jì)算工具出現(xiàn)的，它的工作過(guò)程和人使用算盤或計(jì)算器等簡(jiǎn)單計(jì)算工具解題的過(guò)程很相似。為了了解計(jì)算機(jī)的組成和工作過(guò)程，下面先講述使用算盤解題的步驟和所需要的設(shè)備。1．用算盤解題的設(shè)備和步驟假設(shè)需要計(jì)算半徑為15的圓面積與邊長(zhǎng)為12的正方形面積之差，即計(jì)算下式的值：×15×15–12×12首先，需要有一個(gè)算盤作為計(jì)算工具，其次需要一張紙，以便記錄原始數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果和最后結(jié)果。把這些原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果記錄到紙上是由人用筆來(lái)完成的，整個(gè)運(yùn)算過(guò)程也是在人的控制下進(jìn)行的。運(yùn)算步驟概括如下：（1）人把要計(jì)算的表達(dá)式（其中包含了原始數(shù)據(jù)）用筆記錄在紙上。（2）人用算盤計(jì)算×15×15，然后把中間結(jié)果用筆記錄在紙上。（3）人用算盤計(jì)算12×12得到中間結(jié)果144，把這個(gè)中間結(jié)果也用筆記錄在紙上。（4）最后，人用算盤從第一個(gè)中間結(jié)果中減去第二個(gè)中間結(jié)果144，得到最后結(jié)果，再用筆把它記錄在紙上。2．用計(jì)算機(jī)解題需要的設(shè)備用計(jì)算機(jī)來(lái)完成上述解題過(guò)程，首先需要一個(gè)能夠代替算盤完成各種運(yùn)算的部件，這個(gè)部件稱為運(yùn)算器。其次，需要一個(gè)能存放原始數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果的部件，這個(gè)部件稱為存儲(chǔ)器，有內(nèi)存儲(chǔ)器與外存儲(chǔ)器之分。雖然計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程和人用算盤解題的過(guò)程很相似，但是它們之間卻有一個(gè)本質(zhì)區(qū)別：計(jì)算機(jī)工作過(guò)程是脫離人的干預(yù)的，人只要事先把解題步驟按先后順序排列起來(lái)，輸入到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器中，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)按預(yù)先安排好的解題步驟完成計(jì)算。這種事先編寫好的解題步驟稱為程序。通常，把程序及其相關(guān)文檔資料稱為軟件?？梢?jiàn)，存儲(chǔ)器也是存放程序的部件。用來(lái)把原始數(shù)據(jù)和程序輸入到計(jì)算機(jī)中的設(shè)備，稱為輸入設(shè)備。輸出計(jì)算結(jié)果所用的設(shè)備稱為輸出設(shè)備。人在使用計(jì)算機(jī)時(shí)應(yīng)完成的任務(wù)只是編寫程序和操作計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)解題的全過(guò)程是在程序控制下依次發(fā)出各種控制命令，操縱計(jì)算過(guò)程一步一步地進(jìn)行，完全取代了人在用算盤計(jì)算過(guò)程中所起的控制作用。把能夠依次發(fā)出各種控制信息、代替人起控制作用的部件稱為控制器。綜上所述，計(jì)算機(jī)主要由內(nèi)存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等5個(gè)部件組成。此外，為了擴(kuò)大存儲(chǔ)容量和長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，通常還設(shè)有外存儲(chǔ)器。各部件的關(guān)系如圖所示。3．計(jì)算機(jī)的內(nèi)部組成（1）中央處理器（CPU）CPU即中央處理器，如圖所示。它是計(jì)算機(jī)的大腦，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算、控制都是由它來(lái)處理的。它的發(fā)展非常迅速，就像不斷在加速的列車一樣。個(gè)人計(jì)算機(jī)從8088(XT)時(shí)代發(fā)展到現(xiàn)在的PentiumD時(shí)代，只經(jīng)過(guò)了不到20年的時(shí)間。從生產(chǎn)技術(shù)來(lái)說(shuō)，最初的8088集成了29?000個(gè)晶體管，而高能奔騰的集成度超過(guò)了750萬(wàn)個(gè)晶體管。從而，CPU的運(yùn)行速度也有了本質(zhì)上的提高。圖計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

圖中央處理器（CPU）（2）主板主板是計(jì)算機(jī)中最重要的部件之一，是整個(gè)計(jì)算機(jī)工作的基礎(chǔ)，如圖所示。計(jì)算機(jī)技術(shù)已非常成熟，幾乎都是模塊化的設(shè)計(jì)。對(duì)10種或20種主板進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，它們差不多是相同的，它分為許多個(gè)功能塊，每個(gè)功能塊由一些芯片或元件組成。萬(wàn)變不離其宗，大致說(shuō)來(lái)，主板由以下幾個(gè)部分組成：CPU插槽（插座），內(nèi)存插槽，高速緩存，局域總線和擴(kuò)展總線，硬盤、軟驅(qū)、串口、并口等外設(shè)接口，時(shí)鐘和CMOS芯片，BIOS控制芯片。（3）內(nèi)存內(nèi)存一般指的是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM），如圖所示。靜態(tài)內(nèi)存（SRAM）指靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，用作系統(tǒng)的高速緩存，而平常所提到的計(jì)算機(jī)的內(nèi)存指的是動(dòng)態(tài)內(nèi)存（DRAM）指動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。除此之外，還有各種用途的內(nèi)存，如顯示卡使用的VRAM，存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)置信息的CMOSRAM等。圖主板圖內(nèi)存每條內(nèi)存上有一排黑色的芯片，稱為內(nèi)存顆粒，每個(gè)內(nèi)存顆粒里，又有很多個(gè)內(nèi)存單元，一個(gè)內(nèi)存單元由一個(gè)電容和一個(gè)晶體管組成，為了讓系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存準(zhǔn)確無(wú)誤，有秩序的管理，所以給每個(gè)內(nèi)存單元分配了在它所在系統(tǒng)里的唯一的一個(gè)內(nèi)存地址，而內(nèi)存范圍就是很多內(nèi)存地址中的一段，比如0x5b000005～0x5c0000010。本書(shū)第4章將介紹指針的使用，指針就是地址?？梢詫⒅羔樌斫鉃樗赶蛄藘?nèi)存中的某個(gè)內(nèi)存單元（如地址為0x5b000005的單元），如果想獲取此指針的值，這個(gè)指針值便是這個(gè)地址（0x5b000005）。也可以這樣來(lái)理解，把對(duì)內(nèi)存單元的訪問(wèn)管理和學(xué)生公寓的情況類比，如圖所示。圖存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和學(xué)生公寓結(jié)構(gòu)對(duì)比圖假設(shè)每個(gè)學(xué)生住一間房，一個(gè)學(xué)生就相當(dāng)于一個(gè)變量的內(nèi)容，房間是內(nèi)存單元，房號(hào)就是內(nèi)存地址。如果知道了學(xué)生姓名，可以通過(guò)這個(gè)名字來(lái)訪問(wèn)該學(xué)生，這相當(dāng)于使用普通變量名訪問(wèn)數(shù)據(jù)。如果知道了房號(hào)，同樣也可以訪問(wèn)該學(xué)生，這相當(dāng)于通過(guò)地址訪問(wèn)數(shù)據(jù)。比如，要從303（如同0x5b000005一樣）房間中取出某樣物品，有了地址以后，就可以從地址所指定的房間取出所要的物品（即數(shù)據(jù)的調(diào)用）。（4）硬盤硬盤的結(jié)構(gòu)和軟盤差不多，是由磁道（tracks）、扇區(qū)（sectors）、柱面（cylinders）和磁頭（heads）組成的，如圖所示。拿一個(gè)盤片來(lái)講，它和軟盤類似，上面被分成若干個(gè)同心圓磁道，每個(gè)磁道被分成若干個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū)通常是512B。硬盤的磁道數(shù)一般為300～3000，每磁道的扇區(qū)數(shù)通常是63個(gè)，而早期的硬盤只有17個(gè)。圖硬盤和軟盤不同的是，硬盤由很多個(gè)盤片疊在一起，柱面指的就是多個(gè)磁片上具有相同編號(hào)的磁道，它的數(shù)目和磁道數(shù)是相同的。硬盤的容量按下式計(jì)算：硬盤容量=柱面數(shù)×扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)×磁頭數(shù)標(biāo)準(zhǔn)IDE接口最多支持1024個(gè)柱面、63個(gè)扇區(qū)、16個(gè)磁頭，其最大容量為1024×63×16×512B=528482304B，即528MB。增強(qiáng)型IDE（IntegratedDriveElectronics）接口最多可支持256個(gè)邏輯磁頭，容量最大可達(dá)到。這里需要提到有關(guān)簇的概念，簇是文件存儲(chǔ)的最小單位。軟盤的簇只有一個(gè)扇區(qū)。在硬盤上，簇的大小和分區(qū)大小有關(guān)。比如，當(dāng)分區(qū)容量介于64MB和128MB之間時(shí)，每簇有4個(gè)扇區(qū)；介于128MB和256MB之間時(shí)，每簇有8個(gè)扇區(qū)；而當(dāng)分區(qū)容量大于1024MB時(shí)，每簇的扇區(qū)數(shù)目將超過(guò)64個(gè)，容量達(dá)到32KB以上。在此時(shí)，一個(gè)1B的文件在硬盤上也會(huì)占用32KB的空間。因此，要根據(jù)具體情況來(lái)進(jìn)行合理分區(qū)，以免浪費(fèi)很多的硬盤空間。如果用戶使用的Windows95OSR2或者Windows98的話，可以利用它們提供的FAT32分區(qū)，使硬盤的每一個(gè)簇小到4KB。如果使用的是Windows2000或WindowsXP，使用NTFS分區(qū)，每個(gè)簇的大小不要超過(guò)4KB。（5）其他部件一般來(lái)說(shuō)，一臺(tái)完整的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)還配備有軟驅(qū)（floppydrive）、光驅(qū)（CD/DVD-ROM）、刻錄機(jī)（CD/DVD-RW）、顯示卡（videocard）、聲卡（audiocard）、網(wǎng)卡（networkcard）及顯示器（display）、音箱（soundbox）、鍵盤（keyboard）、鼠標(biāo)（mouse）、掃描儀（scanner）、打印機(jī)（printer）等，本書(shū)不做詳細(xì)介紹，請(qǐng)有興趣的同學(xué)自行查找相關(guān)資料。1.1.2計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程如圖所示，在計(jì)算機(jī)中有兩類信息在流動(dòng)。一類信息是數(shù)據(jù)，包括原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果、最后結(jié)果和程序指令等，數(shù)據(jù)流在圖中用粗線表示，箭頭表明流動(dòng)方向。另一類信息是控制命令，在圖中用細(xì)線表示，箭頭同樣表明流動(dòng)方向。不論是數(shù)據(jù)還是控制命令，在計(jì)算機(jī)中都是僅用“0”和“1”表示的二進(jìn)制信息。通過(guò)輸入設(shè)備把程序和原始數(shù)據(jù)按指定地址輸入存儲(chǔ)器保存，圖是存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的示意圖。然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，則計(jì)算機(jī)按照存入的順序依次取出存儲(chǔ)器中的指令送入控制器分析，控制器根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制命令，從而按照人的意圖自動(dòng)完成全部運(yùn)算，最后再通過(guò)輸出設(shè)備輸出計(jì)算結(jié)果。在運(yùn)算過(guò)程中，數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器取出并輸入運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的中間結(jié)果和最后結(jié)果可存入存儲(chǔ)器保存，也可由運(yùn)算器經(jīng)過(guò)輸出設(shè)備輸出。必要時(shí)，可將內(nèi)存儲(chǔ)器的成批數(shù)據(jù)送入外存儲(chǔ)器保存，或?qū)⑼獯鎯?chǔ)器中的成批數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存儲(chǔ)器參加運(yùn)算。前面概括地說(shuō)明了計(jì)算機(jī)工作的大致過(guò)程，下面，仍以前面所舉的計(jì)算×15×15–12×12為例，具體說(shuō)明計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程。第一步，用輸入設(shè)備把事先編寫好的解題步驟（即程序）和原始數(shù)據(jù)（第二步，命令計(jì)算機(jī)從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行程序，則計(jì)算機(jī)在程序控制下自動(dòng)完成解題的全過(guò)程。具體說(shuō)來(lái)，解題過(guò)程包括下列操作：（1）把第一個(gè)數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中取到運(yùn)算器內(nèi)。（2）把第二個(gè)數(shù)據(jù)15從存儲(chǔ)器中取到運(yùn)算器內(nèi)，進(jìn)行乘法運(yùn)算×15，得到中間結(jié)果。（3）用第二個(gè)數(shù)據(jù)15再次乘中間結(jié)果，得到新的中間結(jié)果。（4）把運(yùn)算器中的中間結(jié)果送到存儲(chǔ)器中暫時(shí)保存。（5）把第三個(gè)數(shù)據(jù)12從存儲(chǔ)器中取到運(yùn)算器內(nèi)。（6）進(jìn)行乘法運(yùn)算12×12，得到中間結(jié)果144。（7）把運(yùn)算器中的中間結(jié)果144送到存儲(chǔ)器中暫時(shí)存放。（8）把暫存的中間結(jié)果取到運(yùn)算器內(nèi)。（9）把暫存的中間結(jié)果144取到運(yùn)算器內(nèi)，進(jìn)行減法運(yùn)算–144，得到最后結(jié)果。（10）把最后結(jié)果通過(guò)輸出設(shè)備輸出給用戶（例如，用打印機(jī)打印在紙上或顯示在顯示器的熒光屏上）。（11）停機(jī)。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)本身并不知道如何解決一個(gè)問(wèn)題，必須由人事先把解題步驟設(shè)計(jì)好，編寫成程序輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)才能在程序控制下按照人的意圖解決這個(gè)問(wèn)題。因此，人們必須用計(jì)算機(jī)能夠接受的語(yǔ)言和它通信，告訴它對(duì)什么數(shù)據(jù)進(jìn)行什么運(yùn)算，以及運(yùn)算的次序。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言就是為了表達(dá)程序而由人設(shè)計(jì)出來(lái)的計(jì)算機(jī)能夠接受的人工語(yǔ)言，它是用來(lái)表達(dá)用戶意圖指揮計(jì)算機(jī)工作的通信工具。目前，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了4代，第五代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言尚處于萌芽狀態(tài)。下面簡(jiǎn)單介紹一下各代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的基本特點(diǎn)。1．第一代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言第一代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是機(jī)器語(yǔ)言，它是計(jì)算機(jī)所特有的，也就是說(shuō)，不同計(jì)算機(jī)有不同的機(jī)器語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言的基本組成成分是若干條機(jī)器指令，每條指令指明作什么運(yùn)算及對(duì)哪個(gè)單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。這些指令是計(jì)算機(jī)硬件可以直接識(shí)別和執(zhí)行的。計(jì)算機(jī)只能存儲(chǔ)和識(shí)別二進(jìn)制的數(shù)據(jù)和指令，因此，機(jī)器語(yǔ)言也稱為二進(jìn)制語(yǔ)言。用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序時(shí)，數(shù)據(jù)和指令必須分別存儲(chǔ)在不同的單元中。例如，計(jì)算半徑為15的圓面積：A=×15×15用某種型號(hào)計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)，內(nèi)存中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)及用機(jī)器語(yǔ)言編寫的程序如表和表所示。表數(shù)據(jù)地址數(shù)值地址數(shù)值地址數(shù)值00100011150012A表程序地址指令注釋操作碼地址碼01000210010取01010120011×1501020120011×1501030220012存A01040350012打印A01050070000停機(jī)計(jì)算機(jī)可以直接識(shí)別和執(zhí)行用機(jī)器語(yǔ)言編寫的程序，因此效率較高。但是，人工編寫機(jī)器語(yǔ)言程序很繁瑣，容易出錯(cuò)，而且不同計(jì)算機(jī)有不同的機(jī)器語(yǔ)言，通用性很差。2．第二代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為了克服機(jī)器語(yǔ)言的缺點(diǎn)，人們?cè)O(shè)計(jì)出第二代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言——匯編語(yǔ)言，也稱為符號(hào)語(yǔ)言。相對(duì)于第一代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，第二代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的主要進(jìn)步是，用含義較鮮明的符號(hào)代替機(jī)器語(yǔ)言中的二進(jìn)制編碼，因此看起來(lái)較直觀，不易出錯(cuò)。例如，上面的計(jì)算圓面積的例子，如果用匯編語(yǔ)言編程序，則源程序如下：LOADMUL15MUL15SAVEAPRINTASTOP計(jì)算機(jī)硬件并不能直接識(shí)別和執(zhí)行匯編語(yǔ)言源程序，因此，必須用一個(gè)編譯程序（一種系統(tǒng)軟件）把匯編語(yǔ)言源程序轉(zhuǎn)換（即翻譯）成機(jī)器語(yǔ)言程序（稱為目標(biāo)程序）之后，才能執(zhí)行。匯編語(yǔ)言仍然是依賴于計(jì)算機(jī)的，不同計(jì)算機(jī)有不同的匯編語(yǔ)言，彼此不能通用。此外，匯編語(yǔ)言指令與機(jī)器語(yǔ)言指令是一一對(duì)應(yīng)的，一個(gè)復(fù)雜的程序需要包含大量匯編語(yǔ)言指令，編寫起來(lái)仍然很繁瑣。為了克服匯編語(yǔ)言的缺點(diǎn)，人們開(kāi)發(fā)出第三代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。3．第三代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言前面曾經(jīng)講過(guò)，為了利用計(jì)算機(jī)解決一個(gè)特定問(wèn)題，必須首先設(shè)計(jì)出解題步驟。通常，把為了在計(jì)算機(jī)上解決一個(gè)問(wèn)題而采用的方法和步驟稱為算法。更確切地說(shuō)，算法是在有限步驟內(nèi)解決某一問(wèn)題所使用的有精確定義的一系列操作規(guī)則。第三代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言特別適合用來(lái)表達(dá)算法，因此也稱為算法語(yǔ)言。算法語(yǔ)言的基本組成成分是各種語(yǔ)句。通常一個(gè)語(yǔ)句的功能相當(dāng)于多條機(jī)器指令的功能，因此，用算法語(yǔ)言編寫程序遠(yuǎn)比用機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫程序更加方便、簡(jiǎn)單和直觀，而且更不容易出錯(cuò)。此外，算法語(yǔ)言不依賴于機(jī)器，同一個(gè)算法語(yǔ)言程序可以在眾多不同類型的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，通用性很強(qiáng)。因此，第三代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言也稱為高級(jí)語(yǔ)言。常用的高級(jí)語(yǔ)言有BASIC、FORTRAN、ALGOL、COBOL、C、Pascal、PL/1等。例如，計(jì)算前述圓面積的BASIC源程序如下（每行前數(shù)字為行號(hào)）：10A=*15*1520PRINTA30END顯然，計(jì)算機(jī)硬件并不能直接識(shí)別和執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言源程序，因此，必須首先使用編譯程序（一種系統(tǒng)軟件）把高級(jí)語(yǔ)言源程序編譯（即翻譯）成機(jī)器語(yǔ)言程序（稱為目標(biāo)程序），然后才能執(zhí)行。4．第四代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言雖然比起機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言來(lái)，第三代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有了很大進(jìn)步，但是，為了能熟練地使用這種語(yǔ)言解決實(shí)際問(wèn)題，仍然需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的專業(yè)訓(xùn)練。為了提高軟件開(kāi)發(fā)效率，增強(qiáng)軟件的可維護(hù)性，人們研究出第四代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。所謂第四代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，實(shí)質(zhì)上是可以快速開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件的各種高生產(chǎn)率的軟件工具的統(tǒng)稱。5．第五代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言多數(shù)人認(rèn)為，第五代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言將是智能化的語(yǔ)言。到目前為止，還沒(méi)有公認(rèn)的第五代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言出現(xiàn)。PROLOG語(yǔ)言可能是第五代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言最著名的雛形。面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)如前所述，使用傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，不論所使用的語(yǔ)言是第一代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言或第二代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，還是第三代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，都必須詳細(xì)準(zhǔn)確地描述解題過(guò)程。也就是說(shuō)，當(dāng)人們用這類語(yǔ)言表達(dá)自己意圖指揮計(jì)算機(jī)工作時(shí)，必須向計(jì)算機(jī)詳細(xì)說(shuō)明怎樣完成預(yù)定的功能：第一步做什么、第二步做什么、第三步做什么……哪些操作按程序編寫順序只做一遍，哪些操作重復(fù)做多遍，哪些操作在某個(gè)條件成立時(shí)做，等等。因?yàn)槌绦蛟O(shè)計(jì)工作主要圍繞設(shè)計(jì)解題過(guò)程來(lái)進(jìn)行，這種傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方法稱為面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言稱為過(guò)程性語(yǔ)言。使用過(guò)程性語(yǔ)言編寫的程序，其功能是隱含在程序代碼中的。為了搞清楚程序的功能，必須反復(fù)閱讀程序，仔細(xì)分析程序的每個(gè)語(yǔ)句，根據(jù)該程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的語(yǔ)法確定語(yǔ)句的執(zhí)行順序，并要綜合每個(gè)語(yǔ)句的語(yǔ)義及執(zhí)行順序才能推斷出程序的功能。因此，理解面向過(guò)程的程序相當(dāng)困難。顯然，當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)的功能比較復(fù)雜時(shí)，應(yīng)用程序的規(guī)模必然十分龐大，包含的語(yǔ)句很多，程序元素（數(shù)據(jù)、語(yǔ)句）相互之間的關(guān)系十分復(fù)雜。因此，用面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，需要耗費(fèi)大量人力物力，只有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練的有經(jīng)驗(yàn)的程序員才能勝任編程工作。這樣的應(yīng)用系統(tǒng)不僅不易開(kāi)發(fā)，維護(hù)起來(lái)也十分困難。所謂維護(hù)，就是在軟件交付給用戶使用期間，出于種種原因，而對(duì)軟件進(jìn)行修改。人們?cè)陂_(kāi)發(fā)軟件的長(zhǎng)期實(shí)踐過(guò)程中，總結(jié)出一些設(shè)計(jì)原理并研究出一些系統(tǒng)化的技術(shù)方法，把它們用于面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)，能夠提高開(kāi)發(fā)效率，增加系統(tǒng)的可理解性、可閱讀性和可維護(hù)性。這些原理和技術(shù)方法，在進(jìn)行面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)時(shí)也有借鑒意義。下面簡(jiǎn)要介紹主要設(shè)計(jì)原理和技術(shù)方法。1.3.1模塊化模塊是數(shù)據(jù)說(shuō)明、可執(zhí)行的語(yǔ)句等程序元素的集合，它是單獨(dú)命名的而且可以通過(guò)名字來(lái)訪問(wèn)，也就是說(shuō)，可以用名字代表該模塊。所謂模塊化，就是把一個(gè)程序劃分成若干個(gè)模塊，每個(gè)模塊完成一個(gè)子功能，把這些模塊組裝成一個(gè)整體，可以完成指定的功能。模塊化是為了使一個(gè)復(fù)雜的大型程序能被人的智力所管理、程序應(yīng)該具備的基本屬性。如果一個(gè)大型程序僅由一個(gè)模塊組成，例如，程序由幾十萬(wàn)個(gè)語(yǔ)句一個(gè)語(yǔ)句接著一個(gè)語(yǔ)句堆積而成，那么它將很難被人所理解。下面根據(jù)人類解決問(wèn)題的一般規(guī)律，論證上面的結(jié)論。設(shè)函數(shù)C

(x)定義問(wèn)題X的復(fù)雜程度，函數(shù)E

(x)確定解決問(wèn)題X需要的工作量（時(shí)間）。對(duì)于兩個(gè)問(wèn)題P1和P2，如果C

(P1)>C

(P2)顯然E

(P1)>E

(P2)根據(jù)人們解決一般問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，另一個(gè)有趣的規(guī)律為：C(P1+P2)>C

(P1)+C

(P2)也就是說(shuō)，如果一個(gè)問(wèn)題由P1和P2兩個(gè)問(wèn)題組合而成，那么它的復(fù)雜程度大于分別考慮每個(gè)問(wèn)題時(shí)的復(fù)雜程度之和。綜上所述，得到下面的不等式：E

(P1+P2)>E

(P1)+E

(P2)這個(gè)不等式導(dǎo)致“各個(gè)擊破”的結(jié)論——把復(fù)雜的問(wèn)題分解成許多容易解決的小問(wèn)題，原來(lái)的問(wèn)題也就容易解決了。這就是模塊化的根據(jù)。從上面的不等式并不能得出“如果無(wú)限地分割程序，最后為了開(kāi)發(fā)程序而需要的工作量也就小得可以忽略了”的結(jié)論。事實(shí)上，還有另一個(gè)因素在起作用，從而使得上述結(jié)論不能成立。當(dāng)模塊數(shù)目增加時(shí)每個(gè)模塊的規(guī)模將減小，開(kāi)發(fā)單個(gè)模塊的工作量確實(shí)減少了；但是，隨著模塊數(shù)目增加，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)模塊接口所需要的工作量也將增加。綜合這兩個(gè)因素，每個(gè)程序都有一個(gè)最適合的模塊數(shù)目，使得開(kāi)發(fā)該程序的總成本（開(kāi)發(fā)模塊的成本加上開(kāi)發(fā)模塊間接口的成本）最小。換句話說(shuō)，在把程序劃分成模塊的時(shí)候，模塊規(guī)模應(yīng)該適當(dāng)。模塊太大則模塊化帶來(lái)的好處不明顯，模塊太小，則模塊間接口的成本過(guò)大。采用模塊化原理可以使程序結(jié)構(gòu)清晰，不僅容易設(shè)計(jì)也容易閱讀和理解。因?yàn)槌绦蝈e(cuò)誤通常局限在有關(guān)的模塊及它們之間的接口中，所以模塊化使軟件容易測(cè)試和調(diào)試，因而有助于提高軟件的穩(wěn)定性。因?yàn)樽儎?dòng)往往只涉及少數(shù)幾個(gè)模塊，所以模塊化能夠提高軟件的可修改性。模塊化也有助于軟件開(kāi)發(fā)工程的組織管理，一個(gè)復(fù)雜的大型程序可以由許多程序員分工編寫不同的模塊，并且可以進(jìn)一步分配技術(shù)熟練的程序員編寫困難的模塊。1.3.2抽象人類在認(rèn)識(shí)復(fù)雜現(xiàn)象的過(guò)程中使用的最強(qiáng)有力的思維工具是抽象。人們?cè)趯?shí)踐中認(rèn)識(shí)到，在現(xiàn)實(shí)世界中一定事物、狀態(tài)或過(guò)程之間總存在著某些相似的方面（共性）。把這些相似的方面集中和概括起來(lái)，暫時(shí)忽略它們之間的差異，這就是抽象。在求解問(wèn)題的過(guò)程中使用抽象原理，就是忽略該問(wèn)題與當(dāng)前目的無(wú)關(guān)的那些方面，以便集中精力考慮與當(dāng)前目的有關(guān)的那些方面。由于人類思維能力的限制，如果每次面臨的因素太多，是不可能做出精確的思維的。處理復(fù)雜系統(tǒng)的唯一有效的方法是用層次的方式構(gòu)造和分析它。一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)首先可以用一些高級(jí)的抽象概念構(gòu)造和理解，這些高級(jí)概念又可以用一些較低級(jí)的概念構(gòu)造和理解，如此進(jìn)行下去，直至最低層次的具體元素。這種層次的思維和解題方式必須反映在定義動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)之中，每層的一個(gè)概念將以某種方式對(duì)應(yīng)于程序的一組成分。考慮問(wèn)題的模塊化解法時(shí)，可以提出許多抽象的層次。在抽象的最高層次使用描述問(wèn)題環(huán)境的語(yǔ)言，以概括的方式敘述問(wèn)題的解法；在較低抽象層次采用更過(guò)程化的方法，把面向問(wèn)題的術(shù)語(yǔ)和面向?qū)崿F(xiàn)的術(shù)語(yǔ)結(jié)合起來(lái)敘述問(wèn)題的解法；最后，在最低的抽象層次用可以直接實(shí)現(xiàn)的方式敘述問(wèn)題的解法。逐步求精和模塊化的概念，與抽象是密切相關(guān)的。隨著程序開(kāi)發(fā)工作的進(jìn)展，在程序結(jié)構(gòu)每一層次中的模塊，表示了對(duì)程序抽象層次的一次精化。事實(shí)上處于程序結(jié)構(gòu)頂層的模塊，控制了程序的全部功能并且影響全局；在程序結(jié)構(gòu)底層的模塊，完成對(duì)數(shù)據(jù)的一個(gè)具體處理。用自頂向下由抽象到具體的方式分配控制，簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，提高了程序的可理解性、可修改性和可測(cè)試性，使程序更容易維護(hù)。1.3信息隱藏原理指出，在設(shè)計(jì)和確定模塊時(shí)，應(yīng)該使得一個(gè)模塊內(nèi)包含的信息（數(shù)據(jù)和操作）對(duì)于不需要這些信息的其他模塊來(lái)說(shuō)，是不能訪問(wèn)的。局部化的概念和信息隱藏概念是密切相關(guān)的。所謂局部化，是指把一些關(guān)系密切的程序元素物理地放得彼此靠近，處于同一局部區(qū)城內(nèi)。在模塊中使用局部數(shù)據(jù)元素是局部化的一個(gè)例子。顯然，局部化有助于實(shí)現(xiàn)信息隱藏?！半[藏”意味著有效的模塊化可以通過(guò)定義一組獨(dú)立的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些獨(dú)立的模塊彼此間僅僅交換那些為了完成系統(tǒng)功能而必須交換的信息。如果在測(cè)試期間和以后的維護(hù)期間需要修改程序，那么用信息隱藏原理指導(dǎo)模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)就會(huì)帶來(lái)極大好處。因?yàn)榻^大多數(shù)數(shù)據(jù)和處理過(guò)程對(duì)于程序的其他部分而言是隱藏的（也就是“看不見(jiàn)”的），在修改期間由于疏忽而引入的錯(cuò)誤傳播到程序的其他部分的可能性就很小。1.3.4模塊獨(dú)立模塊獨(dú)立原理是模塊化、抽象、信息隱藏和局部化原理的直接結(jié)果和進(jìn)一步發(fā)展。開(kāi)發(fā)具有獨(dú)立、完整功能而且和其他模塊之間沒(méi)有過(guò)多相互作用的模塊，就可以做到模塊獨(dú)立。換句話說(shuō)，應(yīng)該這樣設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)模塊完成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的特定子功能，并且和其他模塊之間的關(guān)系盡可能簡(jiǎn)單。為什么模塊的獨(dú)立性很重要呢？主要有兩條理由：第一，有效的模塊化（即具有獨(dú)立的模塊）的軟件比較容易開(kāi)發(fā)出來(lái)。這是由于能夠分割功能而且接口可以簡(jiǎn)化，當(dāng)許多人分工合作開(kāi)發(fā)同一個(gè)軟件時(shí)，這一優(yōu)點(diǎn)尤其重要。第二，獨(dú)立的模塊軟件比較容易測(cè)試和維護(hù)。這是因?yàn)橄鄬?duì)說(shuō)來(lái)，修改設(shè)計(jì)和程序需要的工作量比較小，錯(cuò)誤傳播范圍小，需要擴(kuò)充功能時(shí)能夠“插入”模塊?？傊?，模塊獨(dú)立是好設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，而設(shè)計(jì)又是決定軟件質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模塊的獨(dú)立程度可以由兩個(gè)定性標(biāo)準(zhǔn)量度，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別稱為耦合度和內(nèi)聚度。耦合度衡量不同模塊彼此間互相依賴（連接）的緊密程度；內(nèi)聚度衡量一個(gè)模塊內(nèi)部各個(gè)元素彼此結(jié)合的緊密程度。在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該追求盡可能松散耦合的系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中可以研究、測(cè)試或維護(hù)任何一個(gè)模塊，而不需要對(duì)系統(tǒng)的其他模塊有很多了解。此外，由于模塊間聯(lián)系簡(jiǎn)單，發(fā)生在一處的錯(cuò)誤傳播到整個(gè)系統(tǒng)的可能性就很小。因此，模塊間的耦合程度強(qiáng)烈影響系統(tǒng)的可理解性、可測(cè)試性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性。一般說(shuō)來(lái)，如果兩個(gè)模塊彼此間通過(guò)參數(shù)交換信息，而且交換的信息基本上是數(shù)據(jù)，則這樣的耦合是松耦合。內(nèi)聚表示一個(gè)模塊內(nèi)部各個(gè)元素彼此結(jié)合的緊密程度，它是信息隱藏和局部化概念的自然擴(kuò)展。簡(jiǎn)單地說(shuō)，理想內(nèi)聚的模塊只做一件事情。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該力求做到高內(nèi)聚，通常中等程度的內(nèi)聚也是可以采用的，而且效果和高內(nèi)聚相差不多。但是，低內(nèi)聚效果很差，不要使用。如果模塊內(nèi)所有元素屬于一個(gè)整體，完成一個(gè)單一的功能，則稱為功能內(nèi)聚。這種內(nèi)聚是最高程度的內(nèi)聚。內(nèi)聚和耦合是密切相關(guān)的，模塊內(nèi)的高內(nèi)聚往往意味著模塊間的松耦合。高內(nèi)聚和松耦合都是進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，但是實(shí)踐表明內(nèi)聚更重要，應(yīng)該把更多注意力集中到提高模塊的內(nèi)聚程度上。1.3.5結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)技術(shù)在把一個(gè)程序劃分成若干個(gè)模塊，并且確定了模塊之間的關(guān)系之后，進(jìn)一步的工作就是設(shè)計(jì)完成每個(gè)模塊功能的處理過(guò)程。為了能開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的程序，必須充分注意下述事實(shí)：在軟件的生存周期中，設(shè)計(jì)測(cè)試方案，診斷程序錯(cuò)誤，修改和改進(jìn)程序等都必須首先讀懂程序。實(shí)際上對(duì)于長(zhǎng)期使用的軟件系統(tǒng)而言，讀程序的時(shí)間可能比寫程序的時(shí)間還要長(zhǎng)得多。因此，衡量程序的質(zhì)量不僅要看它的邏輯是否正確，性能是否滿足要求，更主要的是看它是否容易閱讀和理解。怎樣才能設(shè)計(jì)出容易閱讀、容易理解的程序呢？結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的概念最早由提出。1965年他在一次會(huì)議上指出：“可以從高級(jí)語(yǔ)言中取消goto語(yǔ)句”，“程序的質(zhì)量與程序中所包含的goto語(yǔ)句的數(shù)量成反比”。所謂goto語(yǔ)句就是轉(zhuǎn)移語(yǔ)句。1966年和證明，只用3種基本的控制結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)任何單入口單出口的程序。這3種基本的控制結(jié)構(gòu)是“順序”、“選擇”和“循環(huán)”，它們的流程圖分別如圖（a）、圖（b）和圖（c）所示。流程圖是描繪處理過(guò)程的一種常用圖形，矩形框表示操作，菱形框表示條件，箭頭線表明執(zhí)行次序。（a）順序結(jié)構(gòu)，先執(zhí)行A再執(zhí)行B

（b）if-then-else型選擇（分支）結(jié)構(gòu)（c）do-while型循環(huán)結(jié)構(gòu)圖3種基本的控制結(jié)構(gòu)雖然從理論上說(shuō)只用上述3種基本控制結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)任何單入口單出口的程序，但是為了實(shí)際使用方便起見(jiàn)，常常還使用do-until和do-case兩種控制結(jié)構(gòu)，它們的流程圖分別如圖（a）和圖（b）所示。（a）do-until型循環(huán)結(jié)構(gòu)

（b）多分支結(jié)構(gòu)圖其他常用的控制結(jié)構(gòu)如圖和圖所示可以看出，這幾種控制結(jié)構(gòu)有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是每種結(jié)構(gòu)都只有一個(gè)入口和一個(gè)出口，因此統(tǒng)稱為單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)。那么，什么是結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)呢？目前還沒(méi)