fortran95程序設(shè)計(jì)-第一章

1、Fortran 95 程序設(shè)計(jì)中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院陸希 電話： 郵件： 機(jī)房上課，每次課后都有上機(jī)實(shí)習(xí)認(rèn)真進(jìn)行課堂學(xué)習(xí)，完成課外作業(yè) 充分利用上機(jī)時(shí)間，按時(shí)完成程序設(shè)計(jì) 期中和期終考核均為上機(jī)考試需要利用氣象數(shù)據(jù)通過(guò)程序設(shè)計(jì)完成一篇小論文 總評(píng)成績(jī)?yōu)槠綍r(shí)分（考勤、課堂表現(xiàn)、作業(yè)，小論文）與期終成績(jī)的加權(quán)平均本課程學(xué)習(xí)和考核本課程主要內(nèi)容和參考書(shū)目FORTRAN程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì) 選擇結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì) 循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì) 數(shù)組 函數(shù) 文件 指針* MODULE及面向?qū)ο?彭國(guó)倫，F(xiàn)ortran 95程序設(shè)計(jì)，中國(guó)電力出版社，2002Fortran 95/2003程序設(shè)計(jì)（第三版）（或者其英

2、文原版）Adams, Brainerd, Martin, Smith, Wagener. Fortran 95 Handbook, MIT Press, 1997. ISBN 0-262-51096-0Brainerd, W., Goldberg, and Adams. Programmers guide to Fortran 90, 3rd edition, The Fortran Company, 1996. ISBN 0-07-000248-7 Chamberland, Luc. Fortran 90 : A Reference Guide, Prentice Hall. ISBN 0-

3、13-397332-8袁駟等譯，F(xiàn)ortran 90編程指南(第3版),高等教育出版社，2000，ISBN 7-04-007937參考書(shū)目：學(xué)習(xí)方法：強(qiáng)化實(shí)踐，重視上機(jī)操作 程序設(shè)計(jì)是高強(qiáng)度的腦力勞動(dòng)，不是聽(tīng)會(huì)的，看會(huì)的，而是練會(huì)的！“自學(xué)，動(dòng)手，應(yīng)用，上網(wǎng)” 只有在編寫(xiě)大量程序后才能運(yùn)用自如。 重點(diǎn)放在思路、算法、編程構(gòu)思和程序?qū)崿F(xiàn)上。 2. 養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣 強(qiáng)調(diào)可讀性 變量要加注釋 程序構(gòu)思要有說(shuō)明 學(xué)會(huì)如何調(diào)試程序 盡可能優(yōu)化 對(duì)運(yùn)行結(jié)果要做正確與否的分析本節(jié)課主要內(nèi)容概述編譯器的使用FORTRAN程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一. 概述為什么要學(xué)習(xí)FORTRAN語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)？FORTRAN語(yǔ)言的發(fā)展

4、歷史為什么學(xué)習(xí)Fortran程序設(shè)計(jì)？首先什么是程序設(shè)計(jì)？計(jì)算機(jī)在“程序”的控制下進(jìn)行自動(dòng)工作：計(jì)算機(jī)解決任何問(wèn)題都依賴(lài)于解決問(wèn)題的程序程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)應(yīng)用人員的一項(xiàng)基本功，也是對(duì)學(xué)習(xí)者的一項(xiàng)基本思維方式訓(xùn)練 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言：1. 機(jī)器語(yǔ)言（Machine Language）: 二進(jìn)制編碼組成計(jì)算機(jī)可以直接識(shí)別 2. 匯編語(yǔ)言（Assemble Language）： 20世紀(jì)50年代初用比較容易識(shí)別、記憶的助記符替代特定的二進(jìn)制串 3. 高級(jí)語(yǔ)言（High-level language）： 1954年，第一個(gè)高級(jí)語(yǔ)言FORTRAN問(wèn)世 面向用戶的語(yǔ)言 FORTRAN語(yǔ)言的特點(diǎn)？被認(rèn)為是科學(xué)計(jì)算的專(zhuān)

5、用語(yǔ)言，計(jì)算是科學(xué)的基石之一為什么選擇FORTRAN ？ 什么是科學(xué)計(jì)算問(wèn)題？科學(xué)計(jì)算問(wèn)題三個(gè)涵義:1 問(wèn)題本身以及問(wèn)題的解答都能夠使用數(shù)學(xué)語(yǔ)言予以精確描述； 2 如果要使用通常的數(shù)學(xué)方法來(lái)給出我們所需要的數(shù)值答案，會(huì)很麻煩或者根本無(wú)法給出； 3 問(wèn)題以一定的科學(xué)與技術(shù)知識(shí)作為背景 一個(gè)科學(xué)計(jì)算問(wèn)題總是要以一個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算問(wèn)題的形式出現(xiàn)，因此描述科學(xué)計(jì)算問(wèn)題的語(yǔ)言應(yīng)該能夠自然地描述數(shù)學(xué)問(wèn)題 一個(gè)科學(xué)計(jì)算問(wèn)題之所以需要使用計(jì)算機(jī)，肯定是因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題具有一定的計(jì)算量，因此程序的運(yùn)行效率往往是選擇語(yǔ)言時(shí)最重要的考量因素1. 描述數(shù)學(xué)語(yǔ)言的自然性Fortran語(yǔ)法簡(jiǎn)明且嚴(yán)謹(jǐn)，易學(xué)，最大特性是接近數(shù)學(xué)公式的

6、自然描述，可以直接對(duì)矩陣和復(fù)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，特別適合做矩陣數(shù)組運(yùn)算.FORTRAN是現(xiàn)在眾多語(yǔ)言當(dāng)中的絕對(duì)勝出者!=FORmula TRANslator2. 執(zhí)行代碼速度大多數(shù)Fortran編譯器產(chǎn)生的可執(zhí)行代碼在效率上甚至?xí)^(guò)以高效著稱(chēng)的C或C+語(yǔ)言。 而且，長(zhǎng)久一來(lái)，fortran聚集了一大批高效，嚴(yán)格的，經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的成熟的函數(shù)庫(kù)，軟件包，這是一筆巨大的財(cái)富，這些巨大的成熟的函數(shù)庫(kù)沒(méi)必要用C或C+再寫(xiě)一遍。3.并行計(jì)算領(lǐng)域，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷為了在高性能的并行處理系統(tǒng)（如IBM的“深藍(lán)”和我國(guó)的“曙光”）上獲得更出色的執(zhí)行效率，F(xiàn)ortran 95還特意吸收了HPF語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，為Fortran語(yǔ)言增添了

7、若干支持并行計(jì)算的語(yǔ)法特征 。 Fortran語(yǔ)言最常出現(xiàn)的地方也是科技創(chuàng)新最活躍、知識(shí)密集度最大的地方：在中科院大氣物理研究所里，研究人員們正使用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)大氣數(shù)據(jù)分析軟件；在國(guó)家高性能計(jì)算中心里，F(xiàn)ortran語(yǔ)言正在新安裝的曙光并行計(jì)算機(jī)上執(zhí)行著各種科學(xué)計(jì)算任務(wù)；在一個(gè)又一個(gè)分子生物學(xué)、高能物理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室里，F(xiàn)ortran是研究者們最為倚重的工具之一；FORTRAN語(yǔ)言的發(fā)展歷史1954年，IBM公司，嘗試將接近數(shù)學(xué)語(yǔ)言的文本翻譯成機(jī)械語(yǔ)言1957：第一個(gè)Fortran程序在IBM704上運(yùn)行1958和1962年先后推出Fortran 和Fortran 19

8、66：ANSI公布Fortran 661978：ANSI公布Fortran 77 添加了邏輯判斷和輸入輸出方面的功能1992：ISO公布Fortran 90 面向?qū)ο蟮母拍罴肮ぞ摺⒅羔?、加?qiáng)了數(shù)組的功能、改良舊式語(yǔ)法中的編寫(xiě)格式1997：ISO公布Fortran 95 是90的修正版，加強(qiáng)了在并行運(yùn)算方面的支持 現(xiàn)在，F(xiàn)ortran 2003LINUX操作系統(tǒng)下PGI FortranIntel Fortran，英特爾公司的開(kāi)發(fā)的Linux平臺(tái)Fortran編譯器。G77，GNU的Fortran77編譯器，集成在GCC中。GFORTRAN，GNU的最新的Fortran編譯器，集成在GCC 4.0

9、中，目的是支持Fortran 95和一部分Fortran 2003的功能，以替代G77。G95，跟GFortran同為開(kāi)放源代碼的Fortran95編譯器。二、編譯器的使用編譯器 Visual Fortran的使用（windows 下安裝）新建Project，編譯FORTRAN程序本課程選用的是Windows平臺(tái)下的Compaq Visual Fortran 6.6整個(gè)安裝過(guò)程簡(jiǎn)單，但是針對(duì)64位機(jī)器，需要安裝更高版本（課后可以自己安裝，有很多網(wǎng)絡(luò)資源），切記關(guān)掉迅雷以及各種防火墻！安裝過(guò)程編譯程序的過(guò)程雙擊在圖形界面下，編寫(xiě)、調(diào)試一個(gè)Fortran程序首先需要建立一個(gè)Developer St

10、udio 工程。 Fortran console Application3. 生成一個(gè)新的程序文件（File/New, 選擇File項(xiàng)）4. 在Fortran工程中添加源代碼 Program main write(*,*) Hello World!end program main5. 用Build菜單下的 Execute選項(xiàng)來(lái)編譯和執(zhí)行程序，或者只單擊 Build項(xiàng)來(lái)做編譯不運(yùn)行程序。6.要寫(xiě)新的程序可以建立一個(gè)新的project, 或者是直接更換project中的文件，千萬(wàn)不要把兩個(gè)獨(dú)立的程序文件放入同一個(gè)project中，否則導(dǎo)致編譯過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤。7. 下次要修改程序時(shí),可以直接打開(kāi)*.d

11、sw的project 工程文件。 練習(xí)：執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的打印語(yǔ)句三、FORTRAN程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ) Fortran程序的基本組成字符集源碼格式程序組成程序簡(jiǎn)例 編程實(shí)例程序的特點(diǎn)Fortran程序的基本組成 字符集編寫(xiě)Fortran程序時(shí)，能使用的所有字符和符號(hào)英文26個(gè)字母字母大小寫(xiě)不分10個(gè)數(shù)字0922個(gè)特殊符號(hào): = + - * / ( ) , . ! “ % & ; ? $ _ 以及空格符對(duì)于基本字符有如下幾個(gè)問(wèn)題需要予以注意： 一.文字字符的用處： 主要是命名的作用，可以用來(lái)命名語(yǔ)言中的一切對(duì)象，這三種符號(hào)可以混合使用； 數(shù)字還具有它本來(lái)的含義，就是表示數(shù)目。 二.特殊字符的用處： 特殊字

12、符主要具有功能的意義，如編輯功能，運(yùn)算功能，語(yǔ)法功能等。 FORTRAN 95標(biāo)準(zhǔn)原則上接受小寫(xiě)字母。因此除了以下位置，大小寫(xiě)是等價(jià)的： 三.大小寫(xiě)必須區(qū)分的位置： 作為字符常量的字符串里面； 輸入輸出的紀(jì)錄里面； 作為編輯描述符的引號(hào)或撇號(hào)里面。 四.數(shù)字的涵義： 除了以下情形，數(shù)字總是表示十進(jìn)位數(shù)字 屬于二進(jìn)制，八進(jìn)制，十六進(jìn)制的字面常量； 帶有 B,O,Z 編輯描述符的輸入輸出紀(jì)錄。 【例】 以下語(yǔ)句當(dāng)中的數(shù)字不是屬于十進(jìn)位數(shù)字： DATA I, J, K / O1001, 23.54, Z5CA2 / 其中第一個(gè)為八進(jìn)制數(shù)，第二個(gè)為十進(jìn)制數(shù)，第三個(gè)為十六進(jìn)制數(shù)。 五.下劃線的涵義： 下

13、劃線的主要作用就是置于單詞之間代替空格，使得我們?cè)诿麜r(shí)使用清楚的英語(yǔ)詞匯。 下劃線不能置于任意名稱(chēng)的前面，但是可以置于名稱(chēng)的最后。 下劃線也用于在字面常量中區(qū)隔常量的值和種別參數(shù)。 源碼書(shū)面格式兩種，F(xiàn)ree Format / Fixed Format Fixed Format :第1個(gè)字符如果是C 、c 或星號(hào) *，表示該句為批注 15標(biāo)號(hào)區(qū)。數(shù)字，則為行代號(hào)，否則空 6續(xù)行位。非空非0表示續(xù)行（77不超過(guò)19）固定格式的幾個(gè)規(guī)則： 語(yǔ)句只能書(shū)寫(xiě)在一行的第 7 到第72 個(gè)格子上。 空格除了在字符常量里以外，都是沒(méi)有意義的。 在某行第一格為字符 C,或*,就表示該行整行都是注釋。注釋總是被

14、忽略。 字符!只要不是出現(xiàn)在第 6 格，也不是屬于字符文本，則從它開(kāi)始一直到該行的行末，都屬于注釋。 一行如果只包含空格字符，或者根本不包含任何字符(這兩者表現(xiàn)一樣)，那么編譯器總是把該行視為注釋行，予以忽略。 一行中的多條語(yǔ)句用一個(gè)或多個(gè)分號(hào)分隔；分號(hào)可以出現(xiàn)在行末，但沒(méi)有更多的意義；分號(hào)不能是一行的第 7 到第72個(gè)格子上第一個(gè)非空格字符。 除了空格和 0 之外的任意字符，只要出現(xiàn)在某行第 6 格上，則表示該行為連續(xù)行。一行后面最多只能有 19個(gè)連續(xù)行，第一行稱(chēng)為初始行。 標(biāo)識(shí)符只能出現(xiàn)在第 1 到第 5 格上，被連續(xù)的語(yǔ)句只有第一行可以使用標(biāo)識(shí)符，這樣下面所有的連續(xù)行的第 1 到第5格上

15、只能是空格。 END語(yǔ)句不能被連續(xù)，它也不能被視為初始行Free Format : 符號(hào) ！后都是注釋 每行可以編寫(xiě)132個(gè)字符 行號(hào)放在每行程序的最前面 續(xù)行號(hào) & 在一行程序代碼的最后或者開(kāi)頭 在FORTRAN里，一個(gè)語(yǔ)句所跟隨的連續(xù)行不能超過(guò)39行。 在一行之內(nèi)可以不止包含一條語(yǔ)句，語(yǔ)句之間必須用 ；加以分隔例：自由源程序格式的一般規(guī)則如下： 對(duì)于 FORTRAN的基本字符集而言，一行至多能容納 132 個(gè)字符，如果出現(xiàn)非基本字符集當(dāng)中的字符，則具體的平臺(tái)會(huì)有相應(yīng)的規(guī)定，這時(shí)，可能能夠容納的字符數(shù)目就會(huì)少于 132。 【例 4-12】 假如下面的語(yǔ)句剛好包含 132 個(gè)字符，但是其中含有

16、中文字符： TEXT = CHINESE_SENTENCEthis line has exactly 132 characters and contains人 這時(shí)，一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)會(huì)有相應(yīng)的規(guī)定，一般來(lái)說(shuō)它會(huì)認(rèn)為上面語(yǔ)句的字符太 多了，因此為保險(xiǎn)起見(jiàn)，盡量使用續(xù)行符。 只要字符！不是作為字符文本當(dāng)中的一個(gè)字符，那么在該行內(nèi)它后面的所有字符都是屬于注釋的內(nèi)容。而 FORTRAN 對(duì)于注釋內(nèi)容沒(méi)有任何限制，可以是任意形式，因?yàn)榉凑魏尉幾g器對(duì)于注釋部分都是忽略掉的。一行內(nèi)可以在語(yǔ)句后面接注釋內(nèi)容，也可以整行就以！開(kāi)頭，這時(shí)該行就是完全的注釋行。 只要字符&不是作為字符文本當(dāng)中的一個(gè)字符，那么在

17、該行內(nèi)它后面只能接空格以及注釋?zhuān)诰o接著的行內(nèi)只要存在非注釋部分，那就是和該&前面的部分是連續(xù)的，被稱(chēng)為連續(xù)行。 一行如果只包含空格字符，或者根本不包含任何字符(這兩者表現(xiàn)一樣)，那么編譯器總是把該行視為注釋行，予以忽略。 一行之內(nèi)可以不止包含一條語(yǔ)句，語(yǔ)句之間必須用(；)加以分隔。 任何輔助字符集當(dāng)中的字符都可以在字符字面常量和字符串編輯符當(dāng)中使用。 標(biāo)簽被放置于語(yǔ)句之前，任何情形下都必須避免標(biāo)簽被認(rèn)為是屬于一條語(yǔ)句內(nèi)部的字符。 程序組成程序總體構(gòu)造 Fortran程序是一種分塊形式的程序，由若干個(gè)程序模塊組成。其中主程序起整體控制作用，各輔程序模塊各自完成問(wèn)題中的一個(gè)算法。主程序依次調(diào)用各

18、輔程序模塊，控制各子算法的實(shí)施，通過(guò)主程序?qū)ψ映绦虻恼{(diào)用，形成程序的整體運(yùn)行，完成問(wèn)題的解。若某一子程序算法仍復(fù)雜，可再把它分解為若干更小的算法，分別編寫(xiě)為更低一層次的輔程序，由其他輔程序分別去調(diào)用。這種情況可以類(lèi)推到其它子程序或更低一層次。按現(xiàn)代要求，即使功能比較簡(jiǎn)單的問(wèn)題，也最好寫(xiě)成主程序調(diào)用輔程序的形式，以便于維護(hù)。程序單位 主程序 PROGRAM 程序名 語(yǔ)句可省略.END PROGRAM 程序名 END必須有輔程序(過(guò)程)SUBROUTINE 子程序FUNCTION 函數(shù)BLOCK DATA 塊數(shù)據(jù)MODULE 模塊 (F90) 內(nèi)部過(guò)程 CONTAINS (F90)Fortran程序簡(jiǎn)例： 例3.1 輸入兩個(gè)數(shù)，求算數(shù)平均和幾何平均值 計(jì)算例 1.0 2.0 鍵盤(pán)輸入(a,b)值 1.500000 1.414214 計(jì)算結(jié)果輸出至屏幕例3.2 輸入圓錐底面半徑r和高h(yuǎn)，求體積和表面積 計(jì)算例Input radius r and height h ? 提示待輸入數(shù)據(jù)的物理含義 3.0 5.