第1章 Fortran背景知識

工程分析程序設計任課教師：劉小liuxm@工程館3樓程序設計概述課程設置的目的了解和掌握用計算機解題的思路與方法編程技術的入門及其推廣VB，VC，VF，C++課程的特點掌握基本的編程技術記住最基本的語句和語法邊學邊用，邊用邊學上機實習是重點，是需要大家重視的環(huán)節(jié)課程考試考試成績：平時成績+考試卷面成績平時成績（20%）：課堂表現(xiàn)；上機作業(yè)

考試(80%)：筆試（程序操作規(guī)則、閱讀程序能力、程序編寫能力）上機

以班級為單位，人守一臺，計算機教學中心，第4周開始（班長聯(lián)系，并由機房管理人員安裝軟件）第一章Fortran背景知識本章主要內容:

1.Fortran語言簡史

2.Fortran90/95語言特點

3.VisualFortran編譯器的演變

計算機語言和軟件系統(tǒng)低級語言機器語言—采用二進制代碼優(yōu)點：快、直接；缺點：繁瑣，直觀差，極不方便。匯編語言—采用助記符代替二進制代碼

一條符號語言指令對應一條機器指令。高級語言（面向問題）—不依賴機器，易學易懂。

高級語言的一條語句（指令）對應若干條機器指令如：BASIC、FORTRAN、PASCAL、C等等計算機語言和軟件系統(tǒng)高級語言（面向對象）

如：VB、VC、MATLAB、CAD、Java、Delphi

高級語言不能為計算機直接接受，必須翻譯成機器指令。其中，將高級語言程序(源程序)轉換為機器語言程序(目標程序)的工作由“編譯程序”來完成。高級語言程序機器指令目標程序計算結果編譯程序（預先存入電腦）編譯執(zhí)行FORTRAN的優(yōu)勢相比其他語言，F(xiàn)ORTRAN具有以下優(yōu)點：

1.近50年的豐富積累，資源不浪費，對原有程序向下兼容。而C語言與Matlab才20多年2.FORTRAN書寫和語法要求嚴格，更適合于嚴謹?shù)目茖W計算。而C對數(shù)組不提供越界檢查，容易出錯，而且不容易查出3.FORTRAN90~95可以直接對矩陣和復數(shù)進行運算。而C語言則要用多重循環(huán)如：C=A+B在并行計算中獨領風騷。如：深藍、銀河4.FORTRAN是一種編譯語言，運行速度快；而Matlab則是類似Basic的解釋語言FORTRAN(IBMFORmulaTRANslation)即公式翻譯語言1.FORTRAN語言的產(chǎn)生1953年，JohnBackus成立研究小組,針對IBM704計算機編程；1954年，開發(fā)了編程語言規(guī)范，IBMMathematical

FormulaTranslationSystem(FORTRAN)；1956年，F(xiàn)ORTRAN語言的第一個編程指南發(fā)布；（FORTRANI）

具備當今FORTRAN標準的基本結構，如允許浮點運算、數(shù)組說明、DO循環(huán)控制結構及輸入輸出語句等。第一節(jié)Fortran語言簡史Fortran語言發(fā)展簡史2.FORTRAN版本的演變

FORTRANⅡ1958年，研究小組公布FORTRANⅡ。主要改進如下：允許復型與雙精度浮點運算、子程序定義機制、輸入輸出的格式說明等，加強了程序診斷功能。FORTRANⅢ

在開發(fā)FORTRANⅡ的同時開始FORTRANⅢ的設計。主要改進如下：允許布爾表達式、函數(shù)和子例程名可以作為參量傳遞，允許處理字母數(shù)字數(shù)據(jù)等，允許符號指令(與機器特征相關)和FORTRAN語句混合使用。FORTRANⅣ

FORTRAN66，F(xiàn)ORTRANⅡ的改進版本，融合了FORTRANⅢ的新特征，得到

FORTRANⅣ

，1962年，在IBM7030計算機上得以實現(xiàn)。

美國標準協(xié)會于1966年3月公布了兩個美國標準文本:1.標準FORTRAN(X3.9-1966)；

2.標準基本FORTRAN(X3.10-1966)。

1972年，國際標準化組織(ISO)接受美國標準，公布了ISOFORTRAN標準，共分為三級：

1.完全的(一級)FORTRAN；

2.中間的(二級)FORTRAN；

3.基本的(三級)FORTRAN。FORTRAN77

美國標準化協(xié)會在對FORTRAN(X3.9-1966)修訂的基礎上，1977年通過定名為FORTRAN77的FORTRAN標準。1980年，F(xiàn)ORTRAN77被接受為國際標準。FORTRAN77重要改進如下：擴充字符處理功能，適用于非數(shù)值運算行領域；增加塊IF語句、ELSE語句、ENDIF語句等，程序趨于結構化，可讀性加強；增強輸入輸出的功能和文件處理能力；兼容性強。FORTRAN90

1990年3月，ISO和ANSI雙重批準了Fortran語言的最新國際標準，定名為Fortran90。此時Fortran90已經(jīng)是具有強大數(shù)值計算能力的現(xiàn)代高級語言，程序的書寫更趨結構化、模塊化。

與此同時，計算機也開始進入了快速的發(fā)展階段。程序語言的發(fā)展必須要有相應的計算機硬件的支持。FORTRAN90Fortran90對FORTRAN77的主要擴充有：

(1)自由形式的源程序形式；

(2)模塊化數(shù)據(jù)與過程定義機制；

(3)從六種內部數(shù)據(jù)類型中派生出用戶定義的數(shù)據(jù)類型；

(4)數(shù)組操作機制；

(5)指針機制，允許創(chuàng)建與操作動態(tài)數(shù)據(jù)結構；

(6)數(shù)據(jù)類型參數(shù)化，允許使用多種字符類型；

(7)過程的遞歸調用機制；

(8)附加的控制結構，如do…enddo,dowhile等。HighPerformanceFortran(HPF)

1993年，由工業(yè)界和學術界聯(lián)合組成的機構-高性能Fortran論壇推出一種新的Fortran語言標準-高性能Fortran(HPF)。HPF的目標是為Fortran語言定義一組語言擴充標準，以支持：(1)數(shù)據(jù)并行程序設計；(2)能在非一致存儲訪問開銷的SIMD或MIMD計算機上獲得最高性能；(3)程序代碼便于在不同體系結構的計算機間移植。HighPerformanceFortran(HPF)

HPF對Fortran90的主要擴充：(1)數(shù)據(jù)分布特性；(2)并行語句；(3)在HPF定義中包括一個HPF子集。Fortran95

1995年完成，在Fortran90的基礎上，吸收HPF并行運算的優(yōu)點，提高Fortran90語言在并行任務中的表達和計算能力，完善派生類型、指針、數(shù)組等要素的相關語法；Fortran2003

2004年，在ISO、IEC聯(lián)合工作組JTC1/SC22/WG5以及美國Fortran委員會NCITS/J3共同努力下，推出Fortran2003標準；（完整面向對象機制、靈活的語法特征、統(tǒng)一的接口標準）第二節(jié)Fortran語言的特征Fortran語言的最大特性是接近數(shù)學公式的自然描述，在計算機里具有很高的執(zhí)行效率。易學，語法嚴謹，易查錯。可以直接對矩陣和復數(shù)進行運算。自誕生以來廣泛地應用于數(shù)值計算領域，積累了大量高效而可靠的源程序。很多專用的大型數(shù)值運算計算機針對Fortran做了優(yōu)化。廣泛地應用于并行計算和高性能計算領域。Fortran90，F(xiàn)ortran95，F(xiàn)ortran2003的相繼推出使Fortran語言具備了現(xiàn)代高級編程語言的一些特性。Fortran90/95新的語言特征Fortran90/951自由書寫格式

行中的位置沒有特殊意義；沒有保留列；尾部可以出現(xiàn)注釋；空格在某些情況下是有意義的；……2模塊

模塊(程序單元)，包含數(shù)據(jù)、例程、例程接口等及相關要素的聲明；3自定義（派生）數(shù)據(jù)類型和操作符

允許從固有數(shù)據(jù)類型和派生類型中定義新的數(shù)據(jù)類型；Fortran90/954數(shù)組功能加強

固有操作符和相關的固有函數(shù)可以直接操作整個數(shù)組或數(shù)組段；能夠創(chuàng)建和使用多維數(shù)組，支持數(shù)組運算；5例程重載6指針

指針允許動態(tài)訪問和處理數(shù)據(jù)，可以用來創(chuàng)建動態(tài)數(shù)組和派生類型的動態(tài)數(shù)組結構；Fortran90/95新的語言特征Fortran90/957遞歸關鍵字RECURSIVE添加在例程(FUNCTION或SUBROUTINE)原型中，例程可以實現(xiàn)遞歸；8接口塊

1)描述外部例程或虛參例程的接口；

2)為重載的例程規(guī)定統(tǒng)一的名稱；

3)定義或擴展操作符等。9封裝機制

類似于C++中的類，將派生類型數(shù)據(jù)連同其操作例程封裝在模塊內，通過其公有接口，供別的程序單元使用，擴展Fortran功能,有利于程序開發(fā)，提高計算效率；Fortran90/95新的語言特征Fortran95獨有1FORALL語句和構造

FORALL語句和構造提供了一種數(shù)組操作方式，允許通過元素下標對數(shù)組元素、數(shù)組段、字符字串進行操作；

FORALL構造可以使幾個數(shù)組賦值語句共享相同的小標循環(huán)控制表達式，類似于隱式DO循環(huán)；

FORALL是WHERE的一般形式，通過隱式循環(huán)對數(shù)組進行操作；

FORALL是針對元素下標，WHERE則針對整個數(shù)組。2PURE用戶定義例程

在用戶定義的例程(子程序或函數(shù))原型前加PURE關鍵字，向系統(tǒng)聲明該用戶定義例程沒有負作用。Fortran953ELEMENTAL用戶定義例程

在用戶定義例程原型前加ELEMENTAL關鍵字，是PURE例程的特殊形式，但是需要在調用程序中建立其接口塊。4CPU_TIME子程序

通過參數(shù)返回特定CPU處理器的時間，單位為秒。5NULL函數(shù)

NULL函數(shù)直接初始化指針為空指針。國內使用較多的Fortran編譯器或可視化集成開發(fā)環(huán)境為VisualFortran，起源于Microsoft的FortranPowerStation4.0；這套工具后來賣給Digital公司繼續(xù)開發(fā)第二個版本稱為DigitalVisualFortran5.0；第三節(jié)VisualFortran編譯器1998年，Digital被Compaq并購后，接下來的6.0、6.1、6.5和6.6版本稱為CompaqVisualFortran；到目前為止，VisualFORTRAN的最新版本為2001推出的CompaqVisualFORTRAN6.6。Compaq也不再開發(fā)Fortran，CVF6.6C成為最終的版本。Compaq的Fortran開發(fā)小組投入Intel旗下；Compaq被HP公司收購。VisualFortran雖然沒有集成可視化開發(fā)環(huán)境，但它可以嵌入到DevelopStudio.NET集成開發(fā)環(huán)境中。CompaqVi