計(jì)算機(jī)教育信息流體系結(jié)構(gòu)淺析

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摘要：“計(jì)算機(jī)教育信息流（jsjjyxxl）”貫穿于計(jì)算機(jī)教育體系（圖1[1]），是一個(gè)抽象發(fā)展概念，對(duì)于不同領(lǐng)域計(jì)算體系軟件體系，規(guī)模大小復(fù)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(jì)算語句系列，而Wondows2000Server軟體體系則可能規(guī)模最大，jsjjyxxl計(jì)算語句系列可能最長(zhǎng)，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(jì)算機(jī)教育目的和宗旨。Jsjjyxxl抽象具體化過程引導(dǎo)開發(fā)科學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)教育方案，更能體現(xiàn)混合教學(xué)模式優(yōu)越性，以利于深化學(xué)生計(jì)算概念、計(jì)算過程和計(jì)算體系的認(rèn)知過程，體念計(jì)算思維感覺，潛移默化養(yǎng)成計(jì)算思維習(xí)慣。

關(guān)鍵詞：運(yùn)算符系列；操作指令系列；計(jì)算語句系列；計(jì)算結(jié)構(gòu)；計(jì)算體系

Jsjjyxxl抽象具體化概念，通過一組計(jì)算關(guān)鍵詞解析說明，深化理解。計(jì)算體系由計(jì)算機(jī)硬體體系和軟體體系合成。基于硬體體系，面對(duì)不同確定應(yīng)用領(lǐng)域（或稱定義域），可開發(fā)不同的軟體體系，并以各自的計(jì)算語句集，與硬體體系交互鏈接，計(jì)算處理定義域?qū)ο?。這個(gè)計(jì)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(jì)算語句集各不相同，對(duì)于不同軟體體系，視為Jsjjyxxl一次具體化實(shí)現(xiàn)。提供自身定義域所有可計(jì)算處理問題（P），計(jì)算處理時(shí)需要的所有計(jì)算語句。

1Jsjjyxxl抽象具體化過程

作為一個(gè)特例，匯編語言軟體體系，包含UNIX操作系統(tǒng)，形成的計(jì)算語句集合，直接定義于硬體，可視為Jsjjyxxl一次具體化實(shí)現(xiàn)。UNIX完全仿真于計(jì)算機(jī)硬體，體現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬體結(jié)構(gòu)特征，充分完美地表達(dá)計(jì)算機(jī)硬體體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算方式和基本的計(jì)算能力；以UNIX為基礎(chǔ)，開發(fā)的匯編語言軟體體系，它的定義域限于數(shù)字領(lǐng)域，適用于數(shù)字科學(xué)計(jì)算。但遠(yuǎn)不足以作為一個(gè)更通用操作指令系統(tǒng)（Czzlxt），開發(fā)能力更強(qiáng)軟體體系，在更寬廣的領(lǐng)域，為更多對(duì)象類型，處理可計(jì)算問題（P）。一般來說確定Czzlxt仍然嚴(yán)格地建立在硬體體系基礎(chǔ)上，同時(shí)有賴于開發(fā)軟體體系的定義域，形成確定的運(yùn)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(jì)算過程的計(jì)算語句系列（Pjsxxl）。正因?yàn)槿绱?，自UNIX開始，經(jīng)歷ALGOL-60、BISCAL、PASCAL到C語言，其后隨著網(wǎng)絡(luò)和AI智能應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，不斷更新豐富計(jì)算語句集合，也就是Jsjjyxxl不斷更新具體化。時(shí)至今日，還在不斷發(fā)布新的軟體體系，意味著流經(jīng)計(jì)算機(jī)的語句信息及其信息流結(jié)構(gòu)也隨之相應(yīng)發(fā)展，不斷滿足現(xiàn)實(shí)世界實(shí)現(xiàn)數(shù)字化社會(huì)的要求。語言發(fā)展過程，正好體現(xiàn)計(jì)算機(jī)發(fā)展的科學(xué)規(guī)律，展現(xiàn)一些基本性發(fā)展特征：（1）語言發(fā)展的動(dòng)力來源于現(xiàn)實(shí)需求，最重要的目的是提升計(jì)算能力，擴(kuò)大計(jì)算對(duì)象，開拓更大應(yīng)用領(lǐng)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(jí)數(shù)據(jù)類型，極大地?cái)U(kuò)大了計(jì)算處理對(duì)象；（2）C的運(yùn)算類型極其豐富，表達(dá)式類型多樣化，靈活使用各種運(yùn)算符可以實(shí)現(xiàn)在其它高級(jí)語言中難以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算；（3）后期發(fā)展語言對(duì)它們前期語言的運(yùn)算符號(hào)，皆有包容性或兼用性,如C語言能實(shí)現(xiàn)匯編語言大部分功能，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，既是高級(jí)語言，又具有低級(jí)語言功能；（4）運(yùn)算符精細(xì)設(shè)計(jì)，成為提升計(jì)算能力的基本功。從UNIX拾多個(gè)運(yùn)算符到C語言32個(gè)運(yùn)算符，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算能力能級(jí)跨越，從數(shù)值計(jì)算進(jìn)入到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理，極大地?cái)U(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，深入到社會(huì)生活更一般對(duì)象處理。精細(xì)化運(yùn)算符設(shè)計(jì)方向，引導(dǎo)其后語言發(fā)布，向著逐進(jìn)深入數(shù)字化智能社會(huì)發(fā)展，導(dǎo)致對(duì)更多更智能化可計(jì)算問題（P）處理能力。[2]

2jsjjyxxl形式定義

不同計(jì)算語言，皆有對(duì)應(yīng)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(jì)算理論，存在這樣的語言，它的運(yùn)算符滿足可計(jì)算理論，這樣語言的運(yùn)算符系列就是jsjyxxl最大具體化計(jì)算語句系列。Jsjjyxxl是有限計(jì)算語句系列抽象概念，還不是一個(gè)具體真實(shí)計(jì)算過程信息流，泛稱可計(jì)算問題計(jì)算過程信息流，但可視為這些可計(jì)算問題（P），計(jì)算過程的計(jì)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(duì)任何可計(jì)算（P），必然存在一個(gè)Pjsxxl，PJsxxl=s1，s2，…sk（1）其中k>0是一個(gè)有限整數(shù)。并且，P可計(jì)算性，認(rèn)定存在PJsxxl，表達(dá)實(shí)際運(yùn)算過程，實(shí)現(xiàn)P計(jì)算表達(dá)式,F(X)=y（2）正確計(jì)算，其中X為定義域，Y為值域。即，pjsxxl運(yùn)行等效于實(shí)施（2）的計(jì)算。綜合（1）（2）將得到下面表達(dá)式（3），稱為jsjjyxxl形式定義。jsjjyxxl形式定義：在jsjjyxxl上，直接實(shí)施P計(jì)算。意味著P的計(jì)算結(jié)構(gòu)F，展開成計(jì)算語句系列pjsxxl，T表示表達(dá)式成立，并確認(rèn)Y就是P計(jì)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(jì)算語句線性展開系列；（2）依據(jù)圖靈計(jì)算理論，任何可計(jì)算問題（P），存在一個(gè)軟體結(jié)構(gòu)，它的jsjjyxxl，實(shí)現(xiàn)F的Pjsxxl。

3Jsjjyxxl生成形式模式

（3）式實(shí)際上慨括了這個(gè)模式。jsjjyxx是計(jì)算體系語句集合，如（3）式說明，該計(jì)算系統(tǒng)任何可計(jì)算問題（P），pjsxxl的每個(gè)計(jì)算語句都屬于jsjjyxx。因此jsjjyxx稱為該計(jì)算系統(tǒng)計(jì)算語句抽象集合。不僅如此，jsjjyxx生成過程，還形成計(jì)算系統(tǒng)形式結(jié)構(gòu)。軟件體系包含操作系統(tǒng)和服務(wù)軟件兩部分，即，在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)面向社會(huì)應(yīng)用軟件系統(tǒng)（服務(wù)軟件），以鍵盤為操作平臺(tái)，通過操作系統(tǒng)，進(jìn)入計(jì)算機(jī)硬體，進(jìn)行用戶要求的實(shí)時(shí)處理，操作系統(tǒng)則稱為人-機(jī)交互接口。Jsjjyxxl抽象概念，是一個(gè)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(jì)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(yùn)算符，處理其定義域的計(jì)算對(duì)象，形成該定義域操作指令系列，得以形成Jsjjyxxl。（3）式說明，每個(gè)可計(jì)算對(duì)象計(jì)算語句系列pjsxxl，其中每個(gè)計(jì)算語句都來自Jsjjyxxl。（3）式從形式上定義Jsjjyxxl，該定義蘊(yùn)含Jsjjyxxl抽象具體化過程的形式結(jié)構(gòu)。這個(gè)形式結(jié)構(gòu)將貫穿計(jì)算概念：從運(yùn)算符系列，形成操作指令系列，到計(jì)算語句系列定義及其計(jì)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。總之，每個(gè)語言都經(jīng)歷一次這樣的具體化過程，生成它的計(jì)算體系，同時(shí)生成該語言的jsjjyxxl。計(jì)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(duì)的數(shù)據(jù)對(duì)象集合，并為規(guī)范定義域數(shù)據(jù)對(duì)象的運(yùn)算處理，定義一組運(yùn)算符，確定語句形態(tài)和語法規(guī)則，以及計(jì)算過程語句系列的計(jì)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(jì)算語言，隨著Jsjjyxxl抽象具體化，生成計(jì)算系統(tǒng)軟體體系的系統(tǒng)軟件。這個(gè)模式也是一種通用模式。對(duì)于更大的綜合性更強(qiáng)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(wù)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(rèn)為是一次計(jì)算的突破，從WindowsNT,到Wondows2000Server,實(shí)現(xiàn)目錄管理服務(wù)，更被視為革命性的進(jìn)步。[3]這些大型軟體體系，類似于基于UNIX數(shù)值計(jì)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(fù)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(jì)算體系（jstx）一個(gè)確定軟體體系（rttx）在其硬體體系（yttx）上的實(shí)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(jì)算概念系列遂成為規(guī)劃教學(xué)計(jì)劃的主軸。貫穿于圖1[1]教學(xué)進(jìn)程，逐步展現(xiàn)jsjjyxxl抽象具體化過程。并以線上線下混合教學(xué)模式,，實(shí)現(xiàn)圖1[1]的教學(xué)規(guī)劃。單位樹根節(jié)點(diǎn)（gjd）為計(jì)算體系（jstx），兩個(gè)葉節(jié)點(diǎn)（yjd）分別是yttx和rttx。以圖1[1]為基礎(chǔ)，兩個(gè)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(jì)算機(jī)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(gè)模塊（數(shù)據(jù)、計(jì)算語言、軟件工程和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）。自然意味著：計(jì)算體系gjddws定位于圖1[1]的5個(gè)模塊，形成它的yjd單位樹，也是它的第二級(jí)子節(jié)點(diǎn)（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(gè)軟體模塊將在硬體模塊上嚴(yán)格制約下實(shí)現(xiàn)它們的功能。從計(jì)算體系單位樹gjd到它的第二級(jí)yjd，顯示gjd抽象度逐層降低趨勢(shì)。事實(shí)上，從第二級(jí)葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步生長(zhǎng)它們的yjd，其抽象度將會(huì)進(jìn)一步降低，葉節(jié)點(diǎn)單位樹進(jìn)一步生長(zhǎng)過程，直至某個(gè)第k（>0有限整數(shù)）層，它的所有節(jié)點(diǎn)都成為計(jì)算語句葉節(jié)點(diǎn)，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(jì)算語句，最終生成rttx的jsjjyxxl，或者說，k層葉節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)單說明。這個(gè)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(jì)算概念系列的硬化模型，規(guī)范軟件體系，在約定運(yùn)算符系列基礎(chǔ)上，生成計(jì)算系統(tǒng)的系統(tǒng)服務(wù)軟件。運(yùn)算符系列確定rttx的操作指令系列，確定軟件體系服務(wù)軟件的定義域，并生成jsjjyxxl，為服務(wù)領(lǐng)域?qū)ο筇幚硖峁┧械挠?jì)算語句。最簡(jiǎn)單的例子，就是直接以數(shù)字運(yùn)算的運(yùn)算符，如，加、減、乘和除，以及若干邏輯運(yùn)算符，直接定義運(yùn)算符系列，形成UNIX操作系統(tǒng)，并隨著圖1[1]教學(xué)演繹過程，生成匯編語言服務(wù)軟件，同時(shí)伴隨著具體化的jsjjyxxl語句形成，滿足數(shù)學(xué)科學(xué)計(jì)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(shè)計(jì)運(yùn)算符系列（ysfxl）；（2）ysfxl進(jìn)入子節(jié)點(diǎn)yttx（圖2，jsjxt（圖1[1]），其操作指令譯碼器（czzlymq）進(jìn)行識(shí)別編譯，如果識(shí)別編譯成功，則對(duì)ysfxl進(jìn)行硬化處理：依次編序和符號(hào)語義硬化。形成rttx的czzlxl，否則修改ysfxl或必要時(shí)jsjxt適當(dāng)調(diào)整，直至rttx的czzlxl形成；（3）yyxt（圖3，計(jì)算語言模塊（圖1[1]），依據(jù)ysfxl每一個(gè)運(yùn)算符號(hào)，生成rttx計(jì)算語句系列（jsyjxl），如C語言，計(jì)算語句的基本形式歸類9類，其中第一類稱為表達(dá)式語句，有7類表達(dá)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(jì)算問題（P）計(jì)算語句系列（jsyjxl）的rjjg（公式（3）之F）；（5）計(jì)算網(wǎng)絡(luò)（wl），提供rttxjsyjxl進(jìn)入定義域數(shù)據(jù)通道接口語句?？傊?，jstxgjd功能抽象具體化，基于計(jì)算機(jī)教育體系模塊（圖1[1]）逐層降低過程，直至某個(gè)第k（>0有限整數(shù)）層，它的所有節(jié)點(diǎn)都成為計(jì)算語句葉節(jié)點(diǎn)皆為計(jì)算語句（jsyj），至此jstxgjd到K層葉節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)型形式結(jié)構(gòu)，jsjjyxxl語句集生成，并且從jstxgjd到j(luò)sjjyxxl每個(gè)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(jì)算體系開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域軟體體系、確定計(jì)算體系計(jì)算能力并有助于開發(fā)應(yīng)用軟件，滿足社會(huì)數(shù)字化需求。

參考文獻(xiàn)

[1]李暉，張華.計(jì)算機(jī)教育計(jì)算信息流混合教學(xué)模式[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2021，17（35）.

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作者:李暉 單位:武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院