計算機教育信息流體系結(jié)構(gòu)淺析

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摘要：“計算機教育信息流（jsjjyxxl）”貫穿于計算機教育體系（圖1[1]），是一個抽象發(fā)展概念，對于不同領域計算體系軟件體系，規(guī)模大小復雜程度雖不盡相同，但必然有限，且它們的抽象具體化過程，具相同的模式?；赨NIX操作指令系統(tǒng)（Czzlxt）的匯編語言軟體體系可能規(guī)模最小，生成jsjjyxxl最小計算語句系列，而Wondows2000Server軟體體系則可能規(guī)模最大，jsjjyxxl計算語句系列可能最長，但必然都是有限的jsjjyxxl抽象具體化思想，更能體現(xiàn)現(xiàn)代計算機教育目的和宗旨。Jsjjyxxl抽象具體化過程引導開發(fā)科學系統(tǒng)計算機教育方案，更能體現(xiàn)混合教學模式優(yōu)越性，以利于深化學生計算概念、計算過程和計算體系的認知過程，體念計算思維感覺，潛移默化養(yǎng)成計算思維習慣。

關(guān)鍵詞：運算符系列；操作指令系列；計算語句系列；計算結(jié)構(gòu)；計算體系

Jsjjyxxl抽象具體化概念，通過一組計算關(guān)鍵詞解析說明，深化理解。計算體系由計算機硬體體系和軟體體系合成?；谟搀w體系，面對不同確定應用領域（或稱定義域），可開發(fā)不同的軟體體系，并以各自的計算語句集，與硬體體系交互鏈接，計算處理定義域?qū)ο蟆＿@個計算語句集，記為Jsjjyxxl。Jsjjyxxl遂成為所有軟體體系共用的抽象概念，但不同定義域的軟體體系，它們的Jsjjyxxl計算語句集各不相同，對于不同軟體體系，視為Jsjjyxxl一次具體化實現(xiàn)。提供自身定義域所有可計算處理問題（P），計算處理時需要的所有計算語句。

1Jsjjyxxl抽象具體化過程

作為一個特例，匯編語言軟體體系，包含UNIX操作系統(tǒng)，形成的計算語句集合，直接定義于硬體，可視為Jsjjyxxl一次具體化實現(xiàn)。UNIX完全仿真于計算機硬體，體現(xiàn)計算機硬體結(jié)構(gòu)特征，充分完美地表達計算機硬體體系結(jié)構(gòu)、計算方式和基本的計算能力；以UNIX為基礎，開發(fā)的匯編語言軟體體系，它的定義域限于數(shù)字領域，適用于數(shù)字科學計算。但遠不足以作為一個更通用操作指令系統(tǒng)（Czzlxt），開發(fā)能力更強軟體體系，在更寬廣的領域，為更多對象類型，處理可計算問題（P）。一般來說確定Czzlxt仍然嚴格地建立在硬體體系基礎上，同時有賴于開發(fā)軟體體系的定義域，形成確定的運算符系列，系統(tǒng)地刻畫施加于定義域?qū)ο蟮乃胁僮餍螒B(tài)和方式方法，才能形成有效的Jsjjyxxl，完成P計算過程的計算語句系列（Pjsxxl）。正因為如此，自UNIX開始，經(jīng)歷ALGOL-60、BISCAL、PASCAL到C語言，其后隨著網(wǎng)絡和AI智能應用領域發(fā)展，不斷更新豐富計算語句集合，也就是Jsjjyxxl不斷更新具體化。時至今日，還在不斷發(fā)布新的軟體體系，意味著流經(jīng)計算機的語句信息及其信息流結(jié)構(gòu)也隨之相應發(fā)展，不斷滿足現(xiàn)實世界實現(xiàn)數(shù)字化社會的要求。語言發(fā)展過程，正好體現(xiàn)計算機發(fā)展的科學規(guī)律，展現(xiàn)一些基本性發(fā)展特征：（1）語言發(fā)展的動力來源于現(xiàn)實需求，最重要的目的是提升計算能力，擴大計算對象，開拓更大應用領域。如C語言，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富，具有鏈表、樹和棧多類高級數(shù)據(jù)類型，極大地擴大了計算處理對象；（2）C的運算類型極其豐富，表達式類型多樣化，靈活使用各種運算符可以實現(xiàn)在其它高級語言中難以實現(xiàn)的運算；（3）后期發(fā)展語言對它們前期語言的運算符號，皆有包容性或兼用性,如C語言能實現(xiàn)匯編語言大部分功能，可以直接對硬件進行操作，既是高級語言，又具有低級語言功能；（4）運算符精細設計，成為提升計算能力的基本功。從UNIX拾多個運算符到C語言32個運算符，實現(xiàn)了計算能力能級跨越，從數(shù)值計算進入到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理，極大地擴大應用領域，深入到社會生活更一般對象處理。精細化運算符設計方向，引導其后語言發(fā)布，向著逐進深入數(shù)字化智能社會發(fā)展，導致對更多更智能化可計算問題（P）處理能力。[2]

2jsjjyxxl形式定義

不同計算語言，皆有對應抽象jsjjyxxl，語言發(fā)展過程，則視為抽象jsjjyxxl具體化過程。依據(jù)圖靈可計算理論，存在這樣的語言，它的運算符滿足可計算理論，這樣語言的運算符系列就是jsjyxxl最大具體化計算語句系列。Jsjjyxxl是有限計算語句系列抽象概念，還不是一個具體真實計算過程信息流，泛稱可計算問題計算過程信息流，但可視為這些可計算問題（P），計算過程的計算語句信息流（Pjsxxl）載體。歸結(jié)上面的討論，現(xiàn)在正式定義jsjjyxxl形式定義。對任何可計算（P），必然存在一個Pjsxxl，PJsxxl=s1，s2，…sk（1）其中k>0是一個有限整數(shù)。并且，P可計算性，認定存在PJsxxl，表達實際運算過程，實現(xiàn)P計算表達式,F(X)=y（2）正確計算，其中X為定義域，Y為值域。即，pjsxxl運行等效于實施（2）的計算。綜合（1）（2）將得到下面表達式（3），稱為jsjjyxxl形式定義。jsjjyxxl形式定義：在jsjjyxxl上，直接實施P計算。意味著P的計算結(jié)構(gòu)F，展開成計算語句系列pjsxxl，T表示表達式成立，并確認Y就是P計算結(jié)果值。（∀P∃Pjsxxl=s1，s2，…sk→∀si（i=1…k）∈jsjjyxxl）→（F(X)=y）=T（3）特別值得指出：（1）（3）式Pjsxxl是軟體結(jié)構(gòu)F計算語句線性展開系列；（2）依據(jù)圖靈計算理論，任何可計算問題（P），存在一個軟體結(jié)構(gòu)，它的jsjjyxxl，實現(xiàn)F的Pjsxxl。

3Jsjjyxxl生成形式模式

（3）式實際上慨括了這個模式。jsjjyxx是計算體系語句集合，如（3）式說明，該計算系統(tǒng)任何可計算問題（P），pjsxxl的每個計算語句都屬于jsjjyxx。因此jsjjyxx稱為該計算系統(tǒng)計算語句抽象集合。不僅如此，jsjjyxx生成過程，還形成計算系統(tǒng)形式結(jié)構(gòu)。軟件體系包含操作系統(tǒng)和服務軟件兩部分，即，在操作系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)面向社會應用軟件系統(tǒng)（服務軟件），以鍵盤為操作平臺，通過操作系統(tǒng)，進入計算機硬體，進行用戶要求的實時處理，操作系統(tǒng)則稱為人-機交互接口。Jsjjyxxl抽象概念，是一個通用性概念。凡是軟體體系，都必定形成本系統(tǒng)的Jsjjyxxl。因此現(xiàn)有的計算語言，能夠開發(fā)專用于該語言軟體體系。首先定義一組運算符，處理其定義域的計算對象，形成該定義域操作指令系列，得以形成Jsjjyxxl。（3）式說明，每個可計算對象計算語句系列pjsxxl，其中每個計算語句都來自Jsjjyxxl。（3）式從形式上定義Jsjjyxxl，該定義蘊含Jsjjyxxl抽象具體化過程的形式結(jié)構(gòu)。這個形式結(jié)構(gòu)將貫穿計算概念：從運算符系列，形成操作指令系列，到計算語句系列定義及其計算結(jié)構(gòu)，伴隨軟體體系系統(tǒng)軟件生成，最終形成該語言的jsjjyxxl?？傊?，每個語言都經(jīng)歷一次這樣的具體化過程，生成它的計算體系，同時生成該語言的jsjjyxxl。計算體系的軟體體系由操作指令系列和系統(tǒng)軟件兩部分合成；系統(tǒng)軟件定義域就是它面對的數(shù)據(jù)對象集合，并為規(guī)范定義域數(shù)據(jù)對象的運算處理，定義一組運算符，確定語句形態(tài)和語法規(guī)則，以及計算過程語句系列的計算結(jié)構(gòu)。綜上所述，Jsjjyxxl抽象具體化過程也正好隨著圖1[1]模塊系統(tǒng)地展開，形成它生成的形式結(jié)構(gòu)。

4Jsjjyxxl生成形式結(jié)構(gòu)

上面的討論規(guī)范為一種模式，適用于任何計算語言，隨著Jsjjyxxl抽象具體化，生成計算系統(tǒng)軟體體系的系統(tǒng)軟件。這個模式也是一種通用模式。對于更大的綜合性更強的軟體體系如Windows系統(tǒng)也是正確的。這些軟件或稱系統(tǒng)軟件的服務軟件。自X-500,NDS和Exchange到1993年Server起，Nevell的NDS，WindowsNT,Wondows2000Server。NDS的發(fā)布被認為是一次計算的突破，從WindowsNT,到Wondows2000Server,實現(xiàn)目錄管理服務，更被視為革命性的進步。[3]這些大型軟體體系，類似于基于UNIX數(shù)值計算的軟體體系的開發(fā)。它們的開發(fā)也必須遵循上述一般軟件體系開發(fā)模式。所有軟體體系，不論規(guī)模大小和復雜程度如何，它們的Jsjjyxxl抽象具體化過程的形式結(jié)構(gòu)也基本上相同。jsjjyxxl一次抽象具體化，意味著：計算體系（jstx）一個確定軟體體系（rttx）在其硬體體系（yttx）上的實現(xiàn)。于是三者合成圖1，稱為jsjjyxxl形式體系單位樹。這顆單位樹，將基于圖1[1]模型，轉(zhuǎn)換成生成jsjjyxxl形式結(jié)構(gòu)體系。計算概念系列遂成為規(guī)劃教學計劃的主軸。貫穿于圖1[1]教學進程，逐步展現(xiàn)jsjjyxxl抽象具體化過程。并以線上線下混合教學模式,，實現(xiàn)圖1[1]的教學規(guī)劃。單位樹根節(jié)點（gjd）為計算體系（jstx），兩個葉節(jié)點（yjd）分別是yttx和rttx。以圖1[1]為基礎，兩個yjd各自生成自己的單位樹，分別顯示于圖2和3，也就是分解圖1[1]成兩部分，即yttx單位樹的yjd，就是計算機系統(tǒng)（圖1[1]）成為唯一yjd，圖3rttx單位樹的yjd為圖1[1]其余4個模塊（數(shù)據(jù)、計算語言、軟件工程和計算機網(wǎng)絡）。自然意味著：計算體系gjddws定位于圖1[1]的5個模塊，形成它的yjd單位樹，也是它的第二級子節(jié)點（zjd）；最終意味著：jsjjyxxl形式體系將在圖1[1]的系統(tǒng)上生成。致使4個軟體模塊將在硬體模塊上嚴格制約下實現(xiàn)它們的功能。從計算體系單位樹gjd到它的第二級yjd，顯示gjd抽象度逐層降低趨勢。事實上，從第二級葉節(jié)點進一步生長它們的yjd，其抽象度將會進一步降低，葉節(jié)點單位樹進一步生長過程，直至某個第k（>0有限整數(shù)）層，它的所有節(jié)點都成為計算語句葉節(jié)點，不能再生成單位樹為止。至此，jstxgjd全樹生成，它的所有yjd合成jsjjyxxl。如是得到結(jié)論：jstxgjd功能逐層解析過程，也就是隨著它的抽象度逐層降低，直至k（>0有限整數(shù)）層，所有yjd皆為計算語句，最終生成rttx的jsjjyxxl，或者說，k層葉節(jié)點集合即jsjjyxxl。該結(jié)論正確性可以形式邏輯證明。本文在下面僅給以簡單說明。這個過程演繹jstxyttx直接生成rttx，形成該rttx的jsjjyxxl。硬體系統(tǒng)成為硬化計算概念系列的硬化模型，規(guī)范軟件體系，在約定運算符系列基礎上，生成計算系統(tǒng)的系統(tǒng)服務軟件。運算符系列確定rttx的操作指令系列，確定軟件體系服務軟件的定義域，并生成jsjjyxxl，為服務領域?qū)ο筇幚硖峁┧械挠嬎阏Z句。最簡單的例子，就是直接以數(shù)字運算的運算符，如，加、減、乘和除，以及若干邏輯運算符，直接定義運算符系列，形成UNIX操作系統(tǒng)，并隨著圖1[1]教學演繹過程，生成匯編語言服務軟件，同時伴隨著具體化的jsjjyxxl語句形成，滿足數(shù)學科學計算。jsjjyxxl語句，隨著jstxgjd功能抽象具體化過程生成步驟：（1）Sjxt（圖3）（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊圖1[1]）規(guī)定數(shù)據(jù)類型，形成rttx定義域，規(guī)劃、設計運算符系列（ysfxl）；（2）ysfxl進入子節(jié)點yttx（圖2，jsjxt（圖1[1]），其操作指令譯碼器（czzlymq）進行識別編譯，如果識別編譯成功，則對ysfxl進行硬化處理：依次編序和符號語義硬化。形成rttx的czzlxl，否則修改ysfxl或必要時jsjxt適當調(diào)整，直至rttx的czzlxl形成；（3）yyxt（圖3，計算語言模塊（圖1[1]），依據(jù)ysfxl每一個運算符號，生成rttx計算語句系列（jsyjxl），如C語言，計算語句的基本形式歸類9類，其中第一類稱為表達式語句，有7類表達式語句，而控制語句則有5類；（4）軟件結(jié)構(gòu)rjjg（圖3），即軟件工程模塊（圖1[1]），形成該rttx任何任何可計算問題（P）計算語句系列（jsyjxl）的rjjg（公式（3）之F）；（5）計算網(wǎng)絡（wl），提供rttxjsyjxl進入定義域數(shù)據(jù)通道接口語句?？傊琷stxgjd功能抽象具體化，基于計算機教育體系模塊（圖1[1]）逐層降低過程，直至某個第k（>0有限整數(shù)）層，它的所有節(jié)點都成為計算語句葉節(jié)點皆為計算語句（jsyj），至此jstxgjd到K層葉節(jié)點形成一個網(wǎng)絡型形式結(jié)構(gòu)，jsjjyxxl語句集生成，并且從jstxgjd到jsjjyxxl每個語句有一條連通路徑。形式邏輯理論即可證明它的正確性。

5結(jié)論

jsjjyxxl形式定義（3），將建立計算體系開發(fā)應用領域軟體體系、確定計算體系計算能力并有助于開發(fā)應用軟件，滿足社會數(shù)字化需求。

參考文獻

[1]李暉，張華.計算機教育計算信息流混合教學模式[J].電腦知識與技術(shù)，2021，17（35）.

[2]譚浩強.C程序設計（計算機基礎教育叢書）[M].北京：清華大學出版社，1994.

[3]汪洲，劉硯，龔建，等譯.Windows2000Server體系結(jié)構(gòu)與規(guī)劃[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

作者:李暉 單位:武漢大學計算機學院