計算機軟件技術概述

計算機軟件技術概述

1.1計算機軟件技術涉及的內容

計算機的應用是非常廣泛的，包括工業(yè)、農業(yè)、科研、教育、

商業(yè)、國防、行政管理，直至家庭和個人等各個領域。

一般又分為科學計算、數(shù)據(jù)處理、過程控制和人工智能幾大

類。為了把計算機用于解決某類具體問題，

軟件部分著重研究的是在機器一級的程序及有關數(shù)據(jù)的表示

方法、控制程序執(zhí)行的方案，以及對計算機語言進行處理和管理

計算機資源與操作過程的各種程序及實現(xiàn)技術。

這些研究包括：

①程序設計語言；②編譯技術；③操作系統(tǒng)及實用程序；④數(shù)據(jù)

庫技術；⑤軟件工具及實現(xiàn)技術等方面。

對應用問題的求解，首先必須解決的問題

是清晰地描述問題。

在現(xiàn)代的軟件開發(fā)中采用了逐步求精等程序設計方

法，提出軟件工程的概念，即以工程的手段、技術和方法

來開發(fā)與維護軟件。

確定數(shù)據(jù)結構和算法，它們涉及程序的數(shù)據(jù)結構和控

制結構。

如果對應用問題能細化到這一步，則就可以用某種程

序設計語言來編寫程序了。

所以，在軟件開發(fā)方法和技術方面包括

綜上所述，計算機軟件技術應涉及以下內容:

程序設計語言

編譯技術

［軟件及實現(xiàn)技術《操作系統(tǒng)及實用程序

Ij數(shù)據(jù)庫技術

計算機軟件技術，I軟件工具及實現(xiàn)技術

,軟件工程

軟件開發(fā)方法與技術《程序設計方法

、數(shù)據(jù)結構與算法

計算機軟件及軟件開發(fā)方法與技術涉及的內容是非常豐富的,

它的每一個方面都是計算機科學中的重要分支。

1.2計算機軟件概述

計算機由硬件和軟件兩大部分組成。

硬件主要研究機器的組成和邏輯設計。它包括中央處

理機、主存貯器、外部設備等部件。

軟件是程序、數(shù)據(jù)及有關文檔資料的集合。例如，操

作系統(tǒng)、匯編程序、編譯程序、診斷程序、專用程序包、

嘉神勵I麟居系統(tǒng)、各種維護使用手冊、程序

計算機軟件自20世紀50年代到目前的發(fā)展過程中在以下四大領域中有重大的

進展：

1.程序設計語言及語言處理；

2.操作系統(tǒng)；

3.數(shù)據(jù)設置與處理；

4,軟件工具；

5.技術和規(guī)定。

程序設計語言是用戶用來編寫輸入到計算機的程序所

使用的語言。當問題能清晰地描述時，就可以用程序設計

語言來編寫程序了。但從便于用戶書寫的語言形式到計算

機能夠理解的機器語言的轉換還需要語言翻譯（編譯）系統(tǒng)。

在研制編譯系統(tǒng)時，重點是提供快速翻譯和產(chǎn)生高效

目標代碼的技術。

操作系統(tǒng)是控制計算機工作流程和管理計算機軟件、

硬件資源的系統(tǒng)程序。它能使計算機以順序或并行的方式

處理用戶提交的算題任務；或以交互式或聯(lián)機方式進行處

理，并提供極為方便的手段讓用戶使用計算機。

操作系統(tǒng)的實現(xiàn)技術涉及多道程序設計技術、

分時技術、資源的分配與調度等極為豐富的內容。

數(shù)據(jù)設置與處理是指用來處理大量數(shù)據(jù)的工具與技

術。它涉及描述文件與單個記錄的工具與技術，對

數(shù)據(jù)進行排序、分類、查詢、計算并產(chǎn)生各種報表

目前，這方面有較為成熟的數(shù)據(jù)庫技術。

第四個領域是軟件工具。研制軟件工具的目的

是使軟件開發(fā)過程“自動化”。軟件工具按功能可

劃分為：說明工具系統(tǒng)、設計工具系統(tǒng)、實現(xiàn)工具

系統(tǒng)、維護工具系統(tǒng)、管理工具系統(tǒng)。例如：結構

化編輯器、源程序調試器都是軟件工具。另外，編

譯程序也是一種翻譯工具。這些軟件工具與操作系

統(tǒng)及實用程序一起組成了軟件開發(fā)環(huán)境。

軟件開發(fā)方法與技術

軟件研制過程與軟件工程概述

（一）軟件研制過程中的問題

在科學技術迅猛發(fā)展的當今時代，有大量的科

學計算、數(shù)據(jù)處理和各種應用領域中的實際問題需

要求解。為此，首先必須提出問題，弄清楚要研究

的對象；然后給出對問題的形式化定義和求解方法

的形式描述。

O做到這一步

就可以利用計算機求解問題了。

例如，要解決輪船最少航行費用問題。假設以勻速V航行的輪船,

每小時燃料費用為C元，每小時管理費用為M元，經(jīng)過航程為L,欲

使總航行費用最少，航行速度v應取何值？

這是一個實際問題。為了能使航行費用最少，需要找出該問題的

形式化描述。經(jīng)過大量的實驗，可以得出，勻速航行的輪船，其每

小時的燃料費與速度的立方成正比。即有：

C=kv3(k為比例系數(shù))

航行總費用x由下式?jīng)Q定(t為總航時)

x=t(C+M)=L/v(kv3+M)

欲使X為最小值，求其對V的導數(shù)，并使之等于零。此即為最少航

行費用的數(shù)學模型。

dx/dv=(2KL/vA2)(vA3-M/2k)=0

上式在V=(M/2k)人1/3時成立。這樣可以得到為使

總航行費用最少時所應取的航行速度V。

所以，用計算機解題時，首先是提出問題，然后建立數(shù)學模型,

確定算法。確定算法后就可以編程、上機調試、運行，最后得到結

果，再經(jīng)分析整理后存檔。這一解題過程可用圖表示。

計算機解題過程

計算機出現(xiàn)后的相當長的一段時間內，人們在編制程

序或開發(fā)軟件系統(tǒng)時，往往一個人或幾個人按各自的習慣

和經(jīng)驗來進行，這實際上是一種手工作坊式的生產(chǎn)方式。

以這種方式研制的軟件，其周期長、費用高，而且質量低

下、可靠性得不到保證。

到60年代中期，計算機進入到集成電路時代，大批功

能強大的計算機進入市場，高級語言蓬勃興起。計算機應

用迅速地滲透到各個科學技術領域。同時，程序的規(guī)模和

復雜程度也急劇地增長。然而程序設計仍停留在個體手工

方式上。

到70年代初，形成了所謂的“軟件危機”。

軟件危機是指在計算機軟件的開發(fā)和維護過程中所遇

到的一系列嚴重的問題，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

⑴對軟件開發(fā)成本和進度的估計很不準確，個

體手工生產(chǎn)方式的軟件生產(chǎn)率很低，軟件常常不能

如期交貨。

(2)用戶對“已完成”的軟件系統(tǒng)不滿意的現(xiàn)象

經(jīng)常發(fā)生。

(3)軟件產(chǎn)品的質量不可靠，在那個時期，可以

說“沒有不出現(xiàn)錯誤的軟件”。

(4)軟件常常是不可維護的。

⑸軟件通常沒有適當?shù)奈臋n資料。

后來，當研制的軟件規(guī)模日趨龐大時，使問題

變得越來越復雜。

（二）軟件工程概述

軟件工程是指導計算機軟件開發(fā)和維護的工程

科學，采用工程的概念、原理、技術和方法來開發(fā)

與維護軟件。

軟件工程強調使用軟件生命周期方法學和各種

結構分析及結構設計技術。

所謂軟件生命期是指一個軟件從定義、開發(fā)、

使用和維護，直到最終被廢棄所經(jīng)歷的一段漫長的

時期。

軟件生命期分為三個時期，每個時期又進一步分成若干個階段。

軟件生命期模型可由表說明，其中：

軟件生命期模型

時期階段

軟件定義軟件計劃

軟件需求分析

軟件開發(fā)總體設計

詳細設計

軟件編碼

單元測試

綜合測試

軟件維護

■;在設計任務確立前，首先要進行調研和可

行性研究，理解工作范圍和所花費的代價，然后作出軟件

并如O

■:對用戶要求具體進行分析，確定用戶

要求軟件系統(tǒng)做什么，并用軟件需求規(guī)格說明書表達出來,

作為用戶和軟件人員之間共同的約定。

■:根據(jù)需求說明建立軟件系統(tǒng)的“結構”，

包括數(shù)據(jù)結構和模塊結構。它又分為總體設計和詳細設計

兩個階段。其中：總體設計決定系統(tǒng)的模塊結構，給出模

塊的相互調用關系，產(chǎn)生軟件概要說明書；詳細設計給出

模塊內部的細節(jié)及功能說明，產(chǎn)生詳細設計說明書。

■:按軟件設計的要求為每個模塊編寫程序。

■:發(fā)現(xiàn)和排除程序中留存的錯誤，經(jīng)過測試

排錯，得到可交付運行的軟件。軟件測試又分為單元測試

和綜合測試兩個階段。

軟件生命期各階段的任務、應完成的工作:

軟件生命期各階段的任務

航段基本任身產(chǎn)生文檔

軟件計劃理解工作范HI計劃任務書

病求分析定義用戶要求fll求規(guī)格說明書

軟件微要設計說明竹

軟件設計建立軟件結構，

軟件詳城設計說明書

?耳程序程序

■試發(fā)現(xiàn)和排除帽濕?可運行的程序

攤護運行和管理改進的皋鍵

程序與程序設計語言

（一）程序

是按某種順序排列的，使計算機能執(zhí)行某種

任務（例如解題、檢索數(shù)據(jù)或對一個系統(tǒng)進行控制

等）的指令集合。

也可以這樣定義:程序是計算機系統(tǒng)中計算任

O

一個計算機程序總是用某種程序設計語言書

寫的。程序設計語言是組成軟件的重要部分。

現(xiàn)在實際使用的語言是相當豐富的，它們滿足

了各種不同的需要。

（二）程序設計語言

程序設計語言是編寫計算機程序所用的語言。程序設計語言按

語言的級別來分可以分為低級語言和高級語言兩大類。

機器語言是計算機直接使用的程序語言或指令代碼。這些代碼

:需翻譯，可直接為機器所接受。機器語言使用絕對地址和絕對操

作碼。

而匯編語言又稱為面向計算機的語言，是圍繞特定的計算機或

其目的尾婚置懇慰虺試融細節(jié)

,，斗將制藪轉履I和存儲分配等），而

內在聯(lián)系。匯編語言又稱符號機器rq

它的主要思想是用符號形式表示機器指令，用助記憶碼代表機器的

操作碼，用標識符代一一O

常用的高級語言有PASCAL、

FORTRAN>C、C++、C#、VB語言等。

高級語言根據(jù)應用特點又可分為通用語言和專

用語言。

通用語言是在商業(yè)、科學、工程計算等方面能

廣泛應用的程序設計語言。這些語言有大量的軟件

庫，并為大家所熟悉和接受。

專用語言是具有為某種特殊應用而設計的獨特

的語法形式，其應用面較窄，僅適用于某一類問題

如API語言是為數(shù)組和向量運算設計的簡潔而又功

能很強的語言，它幾乎不提供結構化的控制結構和

數(shù)據(jù)類型。針對某一類問題采用專用語言編制的程

序，其執(zhí)行效率是很高的。

程序設計方法

程序設計是把復雜問題的求解轉換為計算機能

執(zhí)行的簡單操作的過程，是一種處理復雜問題的高

智力活動。

為了將復雜的問題分解簡化，人們提出了逐步

求精的設計方法。同時，為了提高程序的可靠性和

可維護性，必須提高程序的可讀性，這就要求對程

序從結構和風格上加以必要的限制。

為此，人們提出了結構化程序設計技術

和模塊化程序設計技術。

（一）逐步求精的設計方法

在進行程序設計時，要將一個復雜的問題最終

變?yōu)橐粋€書寫正確的程序，最好的方式是逐步展開

而采用逐步展開的方式研制程序的策略應是自頂向

下的策略。

把要解決的復雜問題分解成若干個子問題，然

后分別獨立解決這些子問題，再將各個子問題的解

以某種方式聯(lián)結起來，這就是原始問題的正確解答

如果子問題仍較復雜，則又可以把這些子問題

看作新的要解決的問題而對它們進行分解。這樣不

斷地分解，最終使得子問題簡單得可用若干行程序

設計語言來表達，于是整個問題便得到了解決。

使用自頂向下、逐步細化的設計方法符合人們

解決復雜問題的一般規(guī)律，是人的智力能接受的方

法，可以顯著地提高程序設計的效率。

在這樣的設計方法指導下，實現(xiàn)了先全局后局

部，先整體后細節(jié)，先抽象后具體的逐步細化的過

程。這樣研制出來的程序具有結構清晰的特點，有

很高的可讀性和可維護性。

(二)結構化程序設計

結構化程序設計是按照一定的原則與原理，組織和編制正確且

易讀的程序的軟件技術。

結構化程序設計的主要特征有以下幾點：

⑴結構化程序設計要求把程序的結構限制為順序、選擇和循環(huán)三

種基本結構，即以三種基本結構的組合來描述程序。

(2)有限制地使用got。語句，在非用不可的情況下，也要十分謹慎,

并且只限于在一個結構內部跳轉，不允許從一個結構跳到另一個結

構。這樣可縮小程序的靜態(tài)結構與動態(tài)執(zhí)行過程之間的差異，使人

們能正確理解程序的功能。

(3)以控制結構為單位，只有一個入口，一個出口，各單位之間接

口簡單，每個單位也容易理解。

(4)采用結構化程序設計語言來書寫結構化程序，并采用一定的書

寫格式以提高程序結構的清晰性和增進程序的易讀性。

（三）模塊化程序設計

程序設計是把復雜問題的求解轉換為計算機能

執(zhí)行的簡單操作的過程。

模塊化指的是把一個程序按功能分解成若干彼

此具有一定獨立性同時也具有一定聯(lián)系的組成部分

這些組成部分稱為模塊。每個程序由一個或多個模

塊組成。

采用模塊化程序設計時，一個系統(tǒng)被劃分為若干模塊。因此，

在結構化設計方法下，要求在設計程序系統(tǒng)時按層次結構組織模塊。

其中，最上層的模塊是對系統(tǒng)的整體功能的抽象，它指出系統(tǒng)

應該“做什么”，而不涉及“如何做”的細節(jié)；下層模塊是對上層

所分解的幾個“做什么”進行進一步的描述。

在最后一層模塊中，才對“如何做”進行精確的描述。圖給出

了一個程序的模塊結構。

程序的模塊結構

程序結構

程序設計是設計、編制和調試程序的過程。這

一過程首先要確定解題方式，設計程序流程圖，使

問題內容和解題計劃變?yōu)橛嬎銠C能夠接受的指令或

語句序列。

程序設計概括地說應包括四個方面的內容：

O

算法和數(shù)據(jù)結構涉及的是程序的數(shù)據(jù)結構和控

制結構。

方法是研究如何將復雜問題的求解轉換為計算

機能執(zhí)行的簡單操作的方法。

而程序設計是在一定環(huán)境中進行的，其中包括

了在程序設計過程中可能使用的軟件工具。

（一）程序的數(shù)據(jù)結構

程序的執(zhí)行總要處理大量的數(shù)據(jù)信息，即任何

一個算法總是與某些特定的數(shù)據(jù)相聯(lián)的，這些數(shù)據(jù)

或作為輸入，或作為中間結果，或作為輸出。

信息不僅具有屬性，而且在大多數(shù)情況下互相

聯(lián)系，尤其是在非數(shù)值處理領域中更是如此。

在程序中，信息的特征被抽象為數(shù)據(jù)類型和值

而O

1.數(shù)據(jù)類型

不同的高級語言所提供的數(shù)據(jù)類型以及類型定

義的方式是不相同的。一般數(shù)據(jù)類型分為基本數(shù)據(jù)

類型(簡單數(shù)據(jù)類型)和構造數(shù)據(jù)類型兩種。構造類

型是由基本數(shù)據(jù)類型按某種方式組合而成的，如數(shù)

組(array)>指針(pointer)>結構(struct)等。

O例

如，對類型為int的量只能進行整型運算。所以，

概括起來說，量涉及名、值與類型三個方面，而類

型則涉及名、值集和運算集三個方面。

2.數(shù)據(jù)結構

數(shù)據(jù)結構研究的是數(shù)據(jù)的組織形式，它涉及三個方面

的電容匕抽象藪據(jù)結標，內部存儲結構，數(shù)據(jù)結構上所施

加的運算。

1）抽象數(shù)據(jù)結構

抽象數(shù)據(jù)結構又稱數(shù)據(jù)的邏輯結構，它是客體之間聯(lián)

系的抽象。

抽象數(shù)據(jù)結構分為線性結構和非線性結構。線性結構

有串、棧、隊、表等，非線性結構有樹、圖等。

2）內部存儲結構

內部存儲結構又稱數(shù)據(jù)的物理結構。它是數(shù)據(jù)邏輯結

構的物理實現(xiàn)方式，是依賴于計算機的，即是數(shù)據(jù)的邏輯

結抱在正算機的存儲器中的排布方式。它一般有兩種方式:

順序萬式和鏈接萬式。

3）數(shù)據(jù)結構與算法

用計算機解題涉及解題方法和被處理對

象的表示，所以算法與數(shù)據(jù)結構是人們用計

算機解題時所作的兩種抽象。

這兩種抽象互相依賴、互相補充、緊密相聯(lián)。進行程

序設計時，建立合適的數(shù)據(jù)結構、確定合理的算法是編制

高質量程序的兩個重要方面。

（二）程序的控制結構

程序的基本目標是實現(xiàn)算法和對初始數(shù)據(jù)進行

處理從而獲得所期望的效果。而算法實現(xiàn)過程是由

一系列操作所組成的。

算法使用一些最基本的操作（加、減、乘、除、

“與”、“或”、“非”、傳送、比較），通過對

已知條件進行一步一步的加工、變換，最終實現(xiàn)解

題目標。這些操作的執(zhí)行實現(xiàn)了程序應完成的功能

而操作之間的執(zhí)行次序就是控制結構。有三種

最基本的控制結構：順序結構、選擇結構、重復結

構。

1966年Bohm和Jacopini證明了任何復雜的算法都

可以用順序、選擇、循環(huán)三種結構組合而成。所以

這三種控制結構稱為程序的三種基本控制結構。

程序設計工具

為了提高程序設計的效率和保證軟件的質量，

應該選擇使用各種優(yōu)秀的軟件工具。軟件工具也是

一些計算機程序，它們用來輔助與支持其它軟件的

設計、編制和調試工作。

在程序設計的全過程中涉及的軟件工具有：

（一）程序設計語言的選用

在進行程序設計時選用哪種語言，這與許多因

素有關，如應用范圍、算法復雜程度、數(shù)據(jù)結構的

復雜程度、與該語言相聯(lián)系的軟件工具是否豐富等

就計算機應用范圍來說，大致可以分為科學工

程計算、計算機模擬、數(shù)據(jù)處理、實時控制、

CAD和CAI、系統(tǒng)程序設計、人工智能等領域。

各種程序設計語言都具有某一方面的優(yōu)勢。

（二）算法描述工具

在軟件設計和編制階段，為了能對算法的各個

實現(xiàn)步驟進行清晰的描述，往往使用算法描述工具

來進行。常用的算法描述工具有流程圖、NS圖（結

構化流程圖）、PDL,語言等。

在這里，我們僅討論流程圖。流程圖能形象地

描述算法各階段所應完成的工作及各階段之間的聯(lián)

系。

它是一個有向圖，圖中用矩形框代表一個或一

系列操作，箭頭指明各框執(zhí)行的先后次序。下面給

出一個算法框圖的例子。

例：計算兩個正整數(shù)m和n的最大公因子的算法如下：

第一^步：讀入兩個正整數(shù)m和n(設m>n)。

第二步：求m和n的余數(shù)r,即

r—mod(m,n)=m-[m/n]*n

式中：[m/n]表示小于或等于m/n的最大整數(shù)。

；

第三步：變換m和n值，即m=nn=ro

第四步：判斷r是否為零。如果r=0,則m為最大公因子,

轉第五步，否則轉第二步。

第五步：輸出m值，即為最大公因子。

第六步：結束。

這個算法實現(xiàn)時，從第一步開始，一步一步執(zhí)行，

直到『0,轉至第五步，輸出最大公因子，然后停止。

此算法的流程圖如圖所示。

/輸個0,n/

lr=mod(m?n)

m=n.n=r

/輸出m/

C結束）

求最大公因子流程圖

在結構化程序設計方法出現(xiàn)后，要求算法的結構限制在順序、選

擇、循環(huán)三種基本結構及其組合上。在一般的程序設計語言中，這

三種基本結構共有五種形式，現(xiàn)具體描述如下：

1)順序結構(SEQUENCE)

在順序結構中，控制從A順序地流向B,如圖所示。

2)條件轉移結構(IFTHENELSE)

在條件轉移結構中，如果條件A成立，則處理B,

否則處理C。如果條件A不成立，則不執(zhí)行C。

3)當循環(huán)結構(DOWHILE)及

4)直到循環(huán)結構(DOUNTIL)

在當循環(huán)結構中，當條件A成立時，處理B。B

執(zhí)行結束后，再次判斷條件A。如果條件A不成立,

則控制轉出該循環(huán)。

5)分情況結構(CASE)

在分情況結構中，根據(jù)第i種情況，選擇處理Pi。

（三）編輯工具

編輯工具用來產(chǎn)生和修改文件，用戶通過它們

對文件進行增、冊h修改、剪接等處理工作。

（四）格式化工具

格式化工具是將格式不標準的文本按規(guī)定格式

重新進行編排的程序。該軟件工具根據(jù)預定義的或

用戶定義的約定排列程序正文。

在進行程序設計時，為了使程序易讀、易理解

往往需要遵守某種特定的書寫格式（如行首

縮進形式）。采用格式化工具可以使嵌