计算机 知识结构,计算机科学与技术知识结构

计算机科学与技术本科知识体系

前两天阐述了一下本校计算机科学与技术专业本科生需要掌握的知识体系。自觉比较有道理，整理一下发上来。适合的阅读对象：刚进入计算机系，对整个计算机科学技术的知识体系尚未了解的同学。本校学生获益尤大。

整个计算机科学就像人一样，有两条腿。一条叫做数学(基础)，一条叫做物理(基础)。数学主要指的是数理逻辑。其中比较重要的是形式逻辑系统、Turing论题和Churcher论题。形式逻辑系统用逻辑的方法描述这个世界，在寥寥数条公理和推理规则之上构筑了整个逻辑系统、数论系统乃至计算机科学。Turing论题是计算机科学的基础，它点出了形式逻辑系统的威力：只要是人能计算的，机器都能用形式逻辑的规则进行计算。并且它提出了一种实现的方法，就是Turing机。Churcher论题指出了形式逻辑系统的不足：人能证明的，机器不一定能证明。更准确的说是，在形式逻辑系统中，不存在一种通用的算法，能判断所有命题的真假。这就是计算机科学的数学基础。

而计算机技术的物理基础就是数字逻辑电路。这里不说模拟电路啊电磁学啊，因为感觉和“逻辑”联系不是很大。首先数字电路中给出了逻辑的电路实现，比如如何实现这样的电路——仅当两输入均为高电平时输出为高电平——即与门。然后数字电路给出了组合逻辑的设计方法。这直接使算术逻辑单元(ALU)的设计成为可能。最后，数字电路给出了时序逻辑的设计方法，典型的结果就是寄存器、计数器的出现，使得时序控制成为可能。

但仅仅是数学和物理远不足以构成计算机科学与技术这样庞大复杂的知识体系。从历史的角度来看，对计算能力的渴求直接造就了计算机的出现。什么是计算机？高效完成计算的机器。为了实现用机器来高效计算这个目标，我们至少需要解决两个问题：首先，如何和机器沟通，亦即如何让它明白自己应当做什么，这就是软件知识系统的起源。然后，机器自身如何运作，这就是硬件知识系统的起源。再后来，随着时代的进一步发展，又诞生了很多对计算能力也有需求的新的科学分支，于是如何应用计算机的科学也就应运而生了。下面将从硬件、软件、应用这三个层次，自底向上分析计算机科学技术的知识架构。

数字电路已经实现了ALU、寄存器(存储器)等等基本部件。下一个问题就是如何用这些部件构成一个能完成高效计算的机器。现代常用计算机的体系结构是由冯.诺依曼同学指定的，称为冯.诺依曼结构。这位同学把整个计算机拆成了5大块：运算器、控制器、存储器、输出设备和输出设备。计算机采用2进制。指令和数据以同等的地位存放在存储器里。计算机进行计算时，控