計算機導(dǎo)論論文

1、計算機導(dǎo)論 論文主題：“計算機語言的發(fā)展史”姓名：蘭天陽 專業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)年級：2015級班級：2班學(xué)號：2015404052121. 計算機仿真發(fā)展歷史仿真模擬方法可以追溯到1773年，法國科學(xué)家用仿真模擬的方法做物理實驗，然而，第一個用這種方法做隨機試驗的人也許是美國統(tǒng)計學(xué)家E.L De forest，那是在1876年。比較早而且著名的蒙特卡羅方法使用者是W.S.Gosseet。他在1908年以”Student”為筆名發(fā)表論文時，使用了蒙特卡羅方法來證明他的t分步法；盡管蒙特卡羅法起源于1876年，但是直到約75年后，它才命名為蒙特卡羅法。其原因是直到數(shù)字計算機出現(xiàn)以前，這種方法在許

2、多重要問題上不能運用。從1946年到1952年數(shù)字計算機在一些科研機構(gòu)得到發(fā)展。與今天的計算機相比，早期的計算機預(yù)算速度慢且不能存儲任何東西?，F(xiàn)在可并行計算機已成主流。自計算機誕生以來，性能的提高，幾乎是每四五年提高100倍，每十年提高1萬倍的速度持續(xù)發(fā)展著。高性能計算機的出現(xiàn)為計算機仿真的發(fā)展創(chuàng)造了條件，同時計算機仿真的需求又促進了高性能的計算機的發(fā)展。計算機仿真的發(fā)展歷史就是計算機的發(fā)展歷史。巨型機幾乎都被用于模擬實驗?？傊?，計算機模擬實驗已經(jīng)不單單是一個方便的研究手段，它已經(jīng)成為發(fā)現(xiàn)新世紀的新的認知手段，而且這個新世紀是沒有這個新手段就不能發(fā)現(xiàn)的。如今計算機仿真技術(shù)被廣泛用于眾多的領(lǐng)域之

3、中。進入21世紀，仿真模擬技術(shù)在高科技中所處的地位日益提高。一些發(fā)達國家，非常重視仿真模擬技術(shù)的開發(fā)運用，在科學(xué)研究領(lǐng)域、工業(yè)、交通、軍事、教育等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。 2. 仿真的定義和分類2.1仿真定義計算機仿真技術(shù)是以數(shù)學(xué)理論、相似原理、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術(shù)。仿真是在數(shù)字計算機上進行實驗的數(shù)字化技術(shù)，它包括數(shù)字與邏輯模型的某些模式，這些模型描述某一事件和經(jīng)濟系統(tǒng)，在若干周期內(nèi)的特征。系統(tǒng)仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計算機和

4、其它專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進行試驗，并借助于專家經(jīng)驗知識、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和信息資料對實驗結(jié)果進行分析研究，進而作出決策的一門綜合性的和試驗性的學(xué)科。2.2仿真分類根據(jù)被研究系統(tǒng)的特征可分為來那個大類：系統(tǒng)仿真可分為連續(xù)性系統(tǒng)仿真和離散事件系統(tǒng)仿真。按仿真實驗中的所取的時間標尺與自然時間標尺之間的關(guān)系可將仿真分為實時仿真和非實時仿真兩大類。按照參與仿真的模型的種類不同，系統(tǒng)仿真又可以分為物理仿真、數(shù)學(xué)仿真及物理-數(shù)學(xué)仿真。從仿真的定義不難看出，要進行仿真實驗，系統(tǒng)和系統(tǒng)模型是主要因素，同時對復(fù)雜系統(tǒng)的模型處理和模型求解離不開高性能的信息處理裝置，而現(xiàn)代的計算機又責無旁貸

5、地充當了這一角色，所以系統(tǒng)仿真應(yīng)該包括三個基本要素：系統(tǒng)、系統(tǒng)模型、計算機。而聯(lián)系這三項要素的基本活動是模型建立、仿真模型建立和仿真實驗；定義中的模型可以使定量的，也可以是定性的；可以是物理的，也可以是數(shù)學(xué)的，或者是他們的綜合。要對某一系統(tǒng)進行研究，其“白色”部分，可以建立定量的解釋模型；灰色“部分”可以通過做實驗、觀測和歸納推理獲得其模型結(jié)構(gòu)，并根據(jù)專家經(jīng)驗知識來辨別參數(shù)；而對于“黑色”部分則只能借助與各種信息知識給予定性描述。2.2.1 物理仿真物理仿真又稱為物理效應(yīng)仿真，是指按照實際的物理學(xué)系統(tǒng)性質(zhì)，構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型時進行實驗研究。物理仿真直觀形象，逼真度高，但不如數(shù)學(xué)仿

6、真方便，盡管不必采用昂貴的原型系統(tǒng)，但在某些情況下構(gòu)造一套物理模型也需要花較大的投資，且周期較長，此外在物理建模上做實驗不易修改系統(tǒng)的結(jié)果和參數(shù)。2.2.2 數(shù)學(xué)仿真數(shù)學(xué)仿真是首先建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并肩數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為仿真計算模型，通過仿真模型的運行達到對系統(tǒng)運行的目的?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)仿真有仿真系統(tǒng)的軟件及硬件環(huán)境、動畫與圖形顯示、輸出與輸出等設(shè)備組成。數(shù)學(xué)仿真在系統(tǒng)分析與設(shè)計階段是十分重要的，通過它可以檢測理論設(shè)計的正確性與合理性。數(shù)學(xué)仿真有經(jīng)濟性、靈活性和仿真模型通用性等特點，今后隨著并行處理技術(shù)、集成化軟件技術(shù)、圖形技術(shù)、人工智能技術(shù)、先進的交互式建模和仿真軟件的發(fā)展，數(shù)字仿真必將獲得飛速發(fā)展

7、。2.2.3 數(shù)學(xué)-物理仿真數(shù)學(xué)-物理仿真有叫半實物仿真，準確稱謂是硬件在回路中的仿真。這種仿真將系統(tǒng)的部分以數(shù)學(xué)模型描述，并將它轉(zhuǎn)化為仿真計算模型；另一部分以實物引入仿真回路。該仿真有一下特點：（1） 原系統(tǒng)的若干子系統(tǒng)或部件很難建立準確的數(shù)學(xué)模型，再加上各種難以實現(xiàn)的非線性因素和隨機因素的影響，使得進行純數(shù)學(xué)仿真很難進行或難以取得理想效果。在半實物仿真中將不易建模的部分用以實物代之參與仿真試驗，可避免建模的困難。（2） 利用半實物建?？蓹z驗系統(tǒng)建模的正確性和數(shù)學(xué)仿真結(jié)果的準確性。（3） 利用半實物仿真可以檢驗構(gòu)成真實系統(tǒng)的某些食物部件乃至整個系統(tǒng)的性能指標及可靠性，準確調(diào)整系統(tǒng)的性能指標，

8、準確調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)和控制規(guī)律。在航空航天、武器系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，半實物仿真是不可少的重要手段。3 需求牽引 技術(shù)推動3.1 相互推動計算機技術(shù)作為一個獨立的研究領(lǐng)域已有多年的歷史，計算機仿真技術(shù)隨著計算機科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，除了本身日趨成熟，并且或得了廣泛運用外，目前正面臨挑戰(zhàn)。 “需求牽引、技術(shù)推動“是促使計算機仿真技術(shù)在近年內(nèi)去得飛速發(fā)展的重要。計算機仿真的形成是當代科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的結(jié)果。計算機仿真技術(shù)首先可以以高效地處理科學(xué)數(shù)據(jù)和解釋科學(xué)數(shù)據(jù)。其次，計算機仿真技術(shù)豐富了信息交流手段。計算機仿真技術(shù)的形成推動工業(yè)發(fā)展、提高工業(yè)競爭能力的需要。3.2 仿真計算機仿真計算機是指運行仿真對象模型

9、的計算機，根據(jù)仿真應(yīng)用的需求，仿真機可以用通用計算機，也可以設(shè)計專用的仿真計算機。從滿足仿真應(yīng)用領(lǐng)域的要求以及數(shù)字仿真機自身發(fā)展的規(guī)律，仿真機發(fā)展主要集中在三各方面。（1） 滿足實時的純數(shù)字仿真和半實物仿真需求的高性能數(shù)字仿真機。高性能主要突出在處理速度和實物接口方面。（2） 滿足多系統(tǒng)綜合仿真需求的分布集群式網(wǎng)絡(luò)方針及系統(tǒng)。（3） 滿足包括人參與仿真需求的虛擬仿真計算機系統(tǒng)。3.3 人工智能計算機一個國際研究小組研制成功了世界上首臺“人工智能計算機”。這種計算機不僅能從事實驗，還能設(shè)計研究項目，并對研究結(jié)果進行分析。這個研制項目的成功被認為是人工只能領(lǐng)域的一項重大突破。在人工智能領(lǐng)域，計算機

10、的智慧與開發(fā)這種計算機的人的智慧不相上下。這是第一次有人將一種全新的系統(tǒng)同機器人結(jié)合在一起，這種機器人能在實驗室里對實驗進行操作，這種能力用更加廣泛的應(yīng)用。4.仿真軟件4.1 仿真軟件的應(yīng)用和定義仿真建模軟件系統(tǒng)，是為科研人員進行仿真實驗提供支持的系統(tǒng)。如果在計算機上進行仿真實驗必做一場軍事演習(xí)，那么科研人員就是這場軍事演習(xí)的指揮官，仿真建模系統(tǒng)則為這場演習(xí)提供場地和手段。他能為指揮官加工信息、預(yù)計結(jié)果和進行輔助決策。其用途非常廣泛，經(jīng)濟價值極高。仿真軟件是一項面向仿真用途的專用軟件，他的特點是面向用戶、面向問題。仿真軟件一般是由模型和描述語言、翻譯程序、使用程序、算法庫、函數(shù)庫、模型庫、運行

11、控制程序等組成。應(yīng)具有建模、運行控制、結(jié)果處理以及相關(guān)的數(shù)據(jù)庫等組成。4.2 仿真軟件的構(gòu)成仿真軟件包括仿真程序和仿真語言，其中仿真程序是仿真軟件的初級形式，是仿真軟件的基本組成成分。仿真程序用于某些特定問題的仿真，可提供許多算法；仿真語言則為用戶提供更多的仿真語言，適用于不同領(lǐng)域的多系統(tǒng)的仿真。仿真程序與仿真語言比較如下： 表4.1 仿真工具比較性能仿真程序仿真語言通用性差好編程難易程度困難方便功能弱強程序靈活性差好對存儲容量要求低較高程序執(zhí)行時間短較長4.2.1 仿真程序仿真程序分為三部分：主程序，功能程序塊和基本子程序。仿真程序主要特點：（1） 仿真程序?qū)τ嬎銠C的硬件要求較低。（2） 被

12、仿真的問題千差萬別，難以用一種通用的仿真軟件完全解決仿真問題，而各種仿真程序則可通過對其實當?shù)男薷暮鸵欢ǖ脭U充更好地給與解決，。（3） 仿真程序使用簡單，使用者只需輸入系統(tǒng)模型及參數(shù)即可，并能選擇多種積分算法。幾種廣泛應(yīng)用的仿真程序有CSS1.面相結(jié)構(gòu)的CCS2及CCS3,以及處理偏微分方程的PDEL,LEANS-3等。 表4.2 連續(xù)系統(tǒng)仿真語言一覽表年份語言說明1967CSMP/360 CSMP3面向方程的編譯器1967DSL 1130/1180第一個強大仿真語言1967第一個交互式語言1968MIMICCSSL語言1969CSSL3CSSL67標準語言1970SL1實時處理1972CSS

13、L4第一個強大仿真語言1972CSMP3高效圖形表達功能1973HL-1混合系統(tǒng)仿真語言1975SIMMON較好的交互特性1975ASCL商業(yè)性仿真語言1975DARE-P試圖分離建模試驗1976DARE/ELEVEN面向方程和框圖建模1980DESIREULTRA 快速編譯器1981推薦新的CSSL811983ISIM用于8位微機1983STARTAN混合計算機仿真語言1984ADSIM/PARSIM專用計算機仿真語言1984ESL/SYSMOD/COSMOS新型仿真語言4.2.2 仿真語言數(shù)字仿真語言是現(xiàn)代仿真工具，因其相對簡單而廣泛應(yīng)用。（1） 根據(jù)建模過程和系統(tǒng)特性的使用性，仿真語言可

14、分為以下兩種，通用仿真語言和專用仿真語言。（2） 根據(jù)微分方程類型，可分為常微分方程系統(tǒng)仿真語言和偏微分方程。（3） 還可分為解釋性仿真語言和編譯型仿真語言。 表4.3 仿真語言分類動力學(xué)系統(tǒng)離散事件系統(tǒng)常微分方程偏微分方程差分方程面向?qū)嶓w面向過程面向事件面向活動DSL/90FORSIMDYNAMOGPSSSIMUALSIMSCRIPCLSMIMICPDELBOSSSOLGASPELPCSMPQGERTSIMLIBCSSLDARE-PADSIMADSIMYFSIMYFSIM幾年來，以仿真語言為基礎(chǔ)，在實際的需求牽引下，仿真語言取得了巨大發(fā)展，仿真軟件走過了程序設(shè)計語言、仿真程序包、商品化仿真語

15、言、一體化建模與仿真環(huán)境階段，正向智能化建模與仿真環(huán)境和支持分布交互高仿真的綜合仿真環(huán)境方向發(fā)展，特別是相同性方向發(fā)展4.3 仿真軟件的現(xiàn)在在應(yīng)用需求的推動下，仿真軟件充分吸收了方針方法學(xué)、計算機、網(wǎng)絡(luò)、圖形、多媒體、軟件工程、系統(tǒng)工程、自動控制、人工智能等技術(shù)的新成果，從而取得了較大的發(fā)展。（1） 仿真軟件在航空、航天領(lǐng)域發(fā)揮得淋漓盡致 航空航天是最早應(yīng)用仿真軟件的幾個傳統(tǒng)領(lǐng)域之一，是仿真軟件的搖籃，正是有了航空、航天領(lǐng)域的巨大的需求，才引發(fā)仿真軟件的飛速發(fā)展。一些院校和科研機構(gòu)以航天、航空領(lǐng)域的具體應(yīng)用背景，開發(fā)了大量的仿真軟件，這些軟件有的以具體型號任務(wù)為依托，有的是以具體型號應(yīng)用為支撐

16、，他們在整個航天、航空領(lǐng)域發(fā)揮的淋漓盡致，為國家的建設(shè)做出了重大貢獻。衛(wèi)星的上天、火箭的升空、特別是近年來神舟系列的飛船勝利發(fā)射，無不演繹著仿真軟件在這些領(lǐng)域的輝煌。（2） 仿真軟件在兵器、船舶領(lǐng)域的應(yīng)用繼續(xù)深化近年來，出現(xiàn)了針對船舶的仿真軟件，這些軟件可以對商船、艦艇、內(nèi)河船舶、漁船以及高速船進行仿真。武漢交通科技大學(xué)研制的船舶型仿真軟件，對于船舶人員的設(shè)計分析，修改及優(yōu)化發(fā)揮了重要的作用。西北工大和海軍航空工程學(xué)院研制了水下自動化航行器仿真系統(tǒng)軟件，用于海洋環(huán)境下對水下自動航行器的訓(xùn)練使用和性能分析；特別是江蘇自動化所在引進和改造的基礎(chǔ)上，研制了船舶領(lǐng)域的武器系統(tǒng)集成仿真環(huán)境。（3） 仿真

17、軟件在電子、電力領(lǐng)域的應(yīng)用如火如荼在電子電工仿真上，出現(xiàn)了大量的仿真軟件，其中ORCAD更具有優(yōu)勢。在電路仿真方面PSPIC獨具特色，他一圖形方式輸入，自動撿行電路，生成網(wǎng)表，模擬和計算的功能，不僅可以對模擬電子電路進行不同的輸入狀態(tài)看的時間響應(yīng)、頻率響應(yīng)、噪聲和其他性能的分析優(yōu)化，以使設(shè)計電路達到最佳的性能指標。Intusoft 公司開發(fā)的ICAP是電子電路通用軟件，編程簡單直觀，無需建立電路方程求解，可以直接按電路的脫坡結(jié)構(gòu)建立仿真模型。清華大學(xué)研制的圖形化建模系統(tǒng)是為韓國用戶開發(fā)的一體化仿真環(huán)境，他能支撐從模型建立到模型驗證的整個過程。（4） 仿真軟件在通信領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用隨著通信網(wǎng)

18、絡(luò)的日益復(fù)雜和計算機硬件能力的提高，通用網(wǎng)絡(luò)分析軟件在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、優(yōu)化、評估中越來越重要。目前，比較優(yōu)秀的通信網(wǎng)絡(luò)有MIL3公司開發(fā)的OPENT，Cadence Design System 公司開發(fā)的Bones.OPENT是目前公認的最優(yōu)通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)施、協(xié)議的仿真及建模工具，它面向?qū)ο蟮慕７绞胶蛨D形化的編輯器能夠真實地反映實際網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可以直接映射到模型上。他無語倫比的靈活性使得他幾乎能夠支持所有類型的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。（5） 仿真軟件在化工領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟仿真軟件在化工領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟。大慶石油學(xué)院開發(fā)了油田注水系統(tǒng)生產(chǎn)過程仿真軟件，金陵石化開發(fā)了芳烴提取分離裝置的建模，北京化工大學(xué)化工過

19、程動態(tài)軟件；中南大學(xué)研制成了鋁電解槽槽膛形仿真軟件。（6） 仿真軟件在建筑方面的應(yīng)用已經(jīng)全面展開仿真軟件在建筑方面，特別是建筑節(jié)能方面及暖通空調(diào)方面出現(xiàn)了一些列的仿真軟件。整體系統(tǒng)軟件有現(xiàn)有商業(yè)建筑的能量性能分析軟件，商業(yè)建筑中的復(fù)雜系統(tǒng)能量效率分析軟件，基于民用的建筑能量軟件，負荷、能耗分析軟件，建筑外圍結(jié)構(gòu)軟件，二維及三維靜態(tài)及動態(tài)熱濕傳遞仿真軟件.5仿真的實現(xiàn) 仿真技術(shù)研究的主要課題是建模/仿真方法學(xué)、仿真計算機和仿真軟件。對實際系統(tǒng)的仿真過程是一個不斷發(fā)展和完善的過程，一般可分為以下幾步：如圖所示：（1） 問題的提出。（2） 模型的建立。根據(jù)所提出問題的描述，把系統(tǒng)抽象為數(shù)學(xué)上的邏輯關(guān)

20、系。（3） 數(shù)據(jù)需求。數(shù)據(jù)的標示、定義和收集。（4） 模型轉(zhuǎn)換。用文字、圖形、流程表示的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換為計算機的仿真語句序列。（5） 論證和計劃。建立仿真模型和實際系統(tǒng)之間的關(guān)系，并為使用的模型建立試驗條件。（6） 試驗。執(zhí)行仿真模型，輸出實驗結(jié)果，輸出實驗結(jié)果，包裹數(shù)據(jù)、表格和圖形。（7） 分析結(jié)果。分析仿真輸出結(jié)果，求得解決問題的途徑。（8） 修改和完善模型。根據(jù)結(jié)果，修改和完善模型，反復(fù)試驗，直到取得滿意的結(jié)果。（9） 實施和文檔。根據(jù)結(jié)果進行決策，進行實施，并記載他的模型和使用情況。（10） 系統(tǒng)維護。使用模型和仿真結(jié)果，形成產(chǎn)品和維護。6 計算機仿真的基本理論計算機仿真是由系統(tǒng)工程、現(xiàn)

21、代數(shù)學(xué)方法和計算機技術(shù)相結(jié)合的新型學(xué)科。計算機仿真是一種科學(xué)方法，科學(xué)研究通常有三種途徑：理論推導(dǎo)、科學(xué)實驗和仿真模擬。計算機與數(shù)學(xué)學(xué)科的相互作用促進了進算計技術(shù)的發(fā)展。在本質(zhì)上數(shù)學(xué)是計算機的靈魂。在計算機仿真技術(shù)中引入人工智能技術(shù)，能夠優(yōu)化系統(tǒng)，做到有優(yōu)化機制自動修改系統(tǒng)參數(shù)，并啟動仿真模塊，最終獲得最優(yōu)解，但在離散事件系統(tǒng)仿真重這種機制還處于研究階段。新技術(shù)的研究開發(fā)、利用，大大提高計算機的仿真軟件的功能與性能，解決計算機仿真系統(tǒng)開發(fā)的軟件瓶頸問題。隨著以智能化、集成化、自動化、并行化、開放化以及自然化、為標志的計算機仿真軟件新技術(shù)的深入研究、開發(fā)、利用，不僅是仿真軟件的功能與性能迅速提高

22、，而且有可能從根本上解決仿真軟件生產(chǎn)率低下的問題。結(jié)合軟件工程實踐，探討軟件理論，有可能從理論弄清楚軟件開發(fā)的復(fù)雜度，進而采取有效的測試進行控制，從理論與實踐兩方面解決計算機仿真系統(tǒng)開發(fā)的軟件瓶頸問題。7 計算機仿真技術(shù)的支撐技術(shù)計算機仿真技術(shù)的支撐技術(shù)主要有分布式計算機仿真技術(shù)、協(xié)同式計算機仿真技術(shù)、沉浸式計算機仿真技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境計算機仿真技術(shù)。計算機仿真技術(shù)分布式，既是由于數(shù)據(jù)分布的需要，也是應(yīng)用分布式計算環(huán)境進行并行計算，以達到實時顯示目的的重要手段，分布式計算平臺有互聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)機組成，包括高性能的SMP和DSM多處理器、工作站/PC機機群系統(tǒng)。來自不同地區(qū)、不同學(xué)科的學(xué)者過去式通

23、過出差或開會等方式進行交流的，現(xiàn)在，隨著高速網(wǎng)絡(luò)投入使用，采用多媒體技術(shù)支持下是、的CSCW技術(shù)可以達到快捷、高效協(xié)同工作的目的。計算機仿真技術(shù)采用傳統(tǒng)上為虛擬環(huán)境所裝用的投影式顯示設(shè)備，標志著這兩個研究方向融合的發(fā)展趨勢。由于沉浸式顯示設(shè)備能使用戶獲得臨場感，更有利于用戶獲得對數(shù)據(jù)的直觀感受，有助于結(jié)果的分析。8 仿真系統(tǒng)的作用和意義隨著軍事和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，仿真已成各種復(fù)雜系統(tǒng)研制工作的一種比不可少的手段。尤其是在航空航天領(lǐng)域，仿真即使已是飛行器和衛(wèi)星運載工具研制必不可少的手段。在研制、堅定、和定形全過程必須全面的應(yīng)用先進的仿真技術(shù)。否則，任何新型的、先進的飛行器和運載工具的研制都將是不可能的。9 計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用9.1 計算機仿真技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用德國計算機圖形學(xué)研究所在1995年建立了大屏幕投影式顯示設(shè)備和整