-
《计算机英语》参考译文
第一单元：计算机与计算机科学
课文
A
：计算机概览
一、引言
计算机是一种电子设备，<
/p>
它能接收一套指令或一个程序，
然后通过对
数字数据进行运算
或对其他形式的信息进行处理来执行该程序。
要不是由于计算机的发展，
现代的高科技世界是不可能产生的。
不同
类型和大小的计算
机在
整个社会被用于存储和处理各种数据，
从保密政府文件、
银行交
易到私人家庭账目。计
算机通过自动
化技术开辟了制造业的新纪元，
而且它们也增强了现代
通信系统
的性能。在几
乎每一个研究和应用技术领域，
从构建宇宙模型到产生明天的气象报
告，计算机都是必要的
工具，
并且它们的应用本身就开辟了人们推测的新领域。
数据库服务
和计算机网络使各种各
<
/p>
样的信息源可供使用。
同样的先进技术也使侵犯个人隐私和商业秘
密
成为可能。计算机犯罪
已经成为作为现代技术代价组成部分的许多风险之一。
二、历史
第一台加法机是法国科学家
、数学家和哲学家布莱斯
?
帕斯卡于
1
642
1
年设计的，它是数
字计算机的先驱。
这个装置使用了一系列带有
10
个齿的轮子，每个
齿代表从
0
到
9
的一个数字。
轮子互相连接，
< br>从而通过按照正确的齿数向前转动轮子，
就可以将数
字彼
此相加。
17
世纪
70
年代，
德国哲学家和数学家戈特弗里德
?
威廉
?
莱布尼兹对这台机器进
行了改良，设计了一台
也能做乘法的机器。
法国发明家约瑟
夫―玛丽
?
雅卡尔，在设计自动织机时，使用了穿孔
的薄木板来控制复
杂图案的编织。在
19
世纪
80
年代期间，
美国统计学家赫尔曼
?
何勒
里斯，想出
了使用类似雅
卡尔的木板那样的穿孔卡片来处理数据的主意。
通过使用一种将穿孔
卡片从电触点上移过的
系统，他得以为
1890
年的美
国人口普查汇编统计信息。
1
、分析机
也是在
19
世纪，
英国数学家和发明家
查尔斯
?
巴比奇，
提出了现代数
字计算机的原理。
他构想出旨在处理复杂数
学题的若干机器，
如差分机。
许多历史学家
认为，巴比奇及其合伙
人，数学家奥古斯塔
?
埃达
?
拜伦，是现代数字
计算机的真正先驱。巴
比奇的设计之一，分析
2
机，
具
有现代计算机的许多特征。
它有一个以一叠穿孔卡片的形式存
在
的输入流、一个保存
数据的“仓库”
、一个进行算术运算的“工厂”和一个产生永久性纪
录的打印机。巴比奇未
能将这个想法付诸实践，尽管在那个时代它在技术上很可能是可行
的。
2
、早期的计算机
< br>模拟计算机是
19
世纪末开始制造的。早期型号是靠转动
的轴和齿轮
来进行计算的。用任
何其
他方法都难以计算的方程近似数值，可以用这样的机器来求得。
开尔文勋爵制造了一台<
/p>
机械潮汐预报器，
这实际上就是一台专
用模拟计算机。
第一次和第二
次世界大战期间，机械
模拟计算系统，
以及后来的电动模拟计算系统，
在潜艇上被用作鱼雷
航线预测器，在飞机上
被用作轰炸瞄准具的控制器。
有人还设计了另一个系统，
用于预测密
西西比河流域春天的洪
水。
3
、电子计算机
第二次世界大战期间，
以伦敦北面的布莱切利公园为工作地点的一组
科学家和数学家，
制造了最早的全电子数字计算机之
一：
“巨人”
。到
1943
年
12
月，这
3
个包含了
1500
个真空管
的“巨人”开始运转了。它被以艾伦
?
图灵为首的小组用于破译德国
用恩尼格码加
密的无线
电报，他们的尝试大部分是成功的。
除此而外，在美国，约翰
?
阿塔纳索夫和克利福德
?
贝里早在
1939
年
就在艾奥瓦州立学院
制造了一台原型电子
机。
这台原型机和后来的研究工作都是悄悄完成
的，而且后来因
1945
年
电子数字积分计算机（
ENIAC
）的研制而显得相形见绌。<
/p>
ENIAC
被
授予了专利。但是，数十<
/p>
年后，在
1973
年，当该机被揭露吸收了在阿塔纳索夫―贝里计算机
中首次使用的原理后，这
项专利被废除了。
图
1 A -
1
：
E N
IAC
是最早的全电子数字计算机之一。
ENIAC
（见图
1A-1
）含有
18,000
个真空管，具有每分钟几百次的乘
法运算速度，但是，
其程序最初是通过导线传送到处
理器内的，
必须由人工更改。
根据美
籍
匈牙利数学家约翰
?
冯
?
诺伊曼的想法，后来制造的机器带有一个程序存储器。指令像数
据一样存储
在“存储器”
中，
使计算机在执行过
程中摆脱了纸带阅读器的速度限制，
并使问题
在不给计算机重新
接线
4
的情况下得以解决。
20
世纪
50
年代末，晶体管在计算机中的应用，标志
着比在真空管机
器情况下体积小、速
度快、用途广的逻辑元件的出现。由于晶体管使用的功率小得多，寿
命也长得多，仅这项
发
展本身就导致了被称之为第二代计算机的改良机器的产生。
元件变小
了，元件的间距也变小
了，而且系统的制造成本也变得低得多。
4
、集成电路
20
世纪
60
年代末，集成电路（见
图
1A-2
）得到采用，从而有可能将
许多晶体管制作在一
块硅衬底上，
晶
体管之间用覆镀在适当位置的导线相连接。
集成电路
导致价格、
尺寸和故障
率的进一步降低。
20<
/p>
世纪
70
年代中期，随着大规模集成电路
和后来
的超大规模集成电路（微
芯片
）
的采用，
成千上万个彼此相连的晶体管被蚀刻在一块硅衬底上
，
于是微处理器成为现
实。
图
1
A - 2
：集成电路
那么，再回过
头来看看现代计算机处理开关值的能力：
20
世纪
70
年
代的计算机一般一次
能够处理
8
个开关值。也就是说，在每
个循环中，它们能处理
8
个二
5
进制数字或位的数据。
8
个位为一组，
称为一个字节；
每个字节包含<
/p>
256
个开与关
（或
0
与
1
）
的可能模式。每个模式
相当于一条指令、
一条指令的一部分或者一个特定的数据类型，
如一
个数字、
一个字符或一
个图形符号。例如，
1
1010010
这个模式可能是二进制数据——在此
情况下代表
210
这个十进
制数字，
或者它可能是一条指令，
告诉计算机将存储在其交
换设备中
的数据与存储在存储芯
片某个位置的数据进行比较。
一次能
处理
16
、
32
和
64
位数据的处理器的研制，
提高
了计算机的速
度。一台计算机能够
处
理的全部可识别模式——操作总清单——称为其指令集。
随着现代
数字计算机的不断发
展，
这两个因
素——能够同时处理的位数和指令集的大小——在继续
增长。
三、硬件
不论尺寸大小，现代数字计
算机在概念上都是类似的。然而，根据成
本与性能，它们可
<
/p>
分为几类：个人计算机或微型计算机，一种成本较低的机器，通常只
有桌面大小（尽管“膝
上型计算机”小到能够放入公文包，
而“掌上型计算机”能够放入口
6
袋）
；工作站，一种具
有增强型图形与通信能力、
从而使其对于办公室工作特别有用的微型
计算机；小型计算机，
一般就个人使用而言太
昂贵，
其性能适合于工商企业、
学校或实验室；
以及大型机，一种大
型的昂贵机器，具有满足大规模
工商企业、政府部门、科研机构或者
诸如此类机构需要的能
<
/p>
力（其中体积最大、速度最快的称为巨型计算机）
。
一台数字计算机不是单一的机器。
确切地说，
它是由
5
个不同的要素
组成的系统：
（
1
）
中央处理器；
（
2
）
输入设备；
（
3<
/p>
）
存储设备；
（
4
）
输出设备；
以及
< br>（
5
）
被称作总线的通信
网络，它将系统的所有要素连接起来并将系统与外界连接起来。
四、编程
一个程序就是一系列指令，
告诉计算机硬件对数据执行什么样的操
作。程序可以内嵌在
<
/p>
硬件本身里，或以软件的形式独立存在。在一些专门或“专用”计算
机中，操作指令被嵌入
其电路里；常见的例子有计算器、手
表、汽车发动机和微波炉中的微
型计算机。另一方面，
通用计算机尽管含有一些内置的程序
（在只读存储器中）
或者指令
（在
处理器芯片中）
，但
7
依靠外部程序来执行有用的任务。
计算机一旦被编程，
就只能
做在任
何特定时刻控制它的软
件所允
许它做的事情。
广泛使用的软件包括一系列各种各样的应用程
序
——告诉计算机如何
执行各种任务的指令。
五、未来的发展
计算机发展的一个持
续不断的趋势是微小型化，
亦即将越来越多的电
路元件压缩在越
来
越小的芯片空间内的努力。
研究人
员也在设法利用超导性来提高电路
的功能速度。超导性是
在超低温条件下在某些材料中观察到的电阻减小现象。
计算机发展的另一个趋势是“第五代”计算机的研制工作，亦即研制
可
以解决复杂问题
而且其解决方法用
“
创造性的”
这个词来形容或许最终名副其实的计
算机，理想的目
标是真
正的人工智能。
正在积极探索
的一条道路是并行处理计算，
亦即利用
许多芯片来同时执行数<
/p>
个不同的任务。
一种重要的并行处理方
法是模仿神经系统结构的神经
网络。另一个持续不断
的趋势是计算机联网的增加。
计算机联网现在使用由卫星和电缆链路
构成的世界范围的数据
通信系统，来将全
球的计算机连在一起。此外，大量的研究工作还投
8
入在探索“光”计算机
的可能性上—
—这种硬件处理的不是电脉冲而是快得多的光脉冲。
第二单元：计算机体系结构
课文
A
：计算机硬件
一、引言
计算机硬件是计算机运行所
需要的设备，由可被物理操纵的部件组
成。这些部件的功能
<
/p>
一般分为
3
个主要类别：输入、输出和存
储。这些类别的部件与微处
理器相连接，特别是与
计算机的中央处理器相连接。
中央处理器系电子线路，
它通过称为总
线的线路或电路来提供
计算能力和对计算机进行控制。
另一
方面，
软件是计算机用来处理数据的一套指令，
如文字处理程序
或电子游戏。这些
程序通常被存储起
来，
并由计算机硬件调入和调出中央处理器。
软件
也控制着硬件如何利用：
例如，
< br>如何从存储设备中检索信息。
输入与输出硬件的交互是由基本
输入
/
输出系统（
BIOS
）
软件控制的。
尽管微处理器在技术上仍被认为是硬件，
但其部分功能也与计算
机软
件有关系。既然微
处理器同时具有硬件与软件的特征，它们因此经常被称作固件。
9
二、输入硬件
输入硬件由给计算机提
供信息和指令的外部设备——亦即计算机中
央处理器以外的部
件——组成。
光笔是带有光敏端头的输入笔，
< br>用来在计算机显示屏上
直接写画，或者通过按
光笔上的夹子或用光笔接触屏幕来在屏幕上选择信息。
这种笔含有光
传感器，用于识别笔所
经过的屏幕部分。
鼠标是为一只手抓握而设计的指示设备。
它在底部
有一个检测装置（通常
是一个圆球）
，使用户能够通过在一个平面上移动鼠标来控制屏幕上
指针或光标的运动。该
装置滑过平面时，
光标随着在屏幕上
移动。
要在屏幕上选择项目或命
令，用户就点击鼠标上
的按钮。
操纵杆是由一根杆子组成的指示设备
，
该杆以向多个方向移
动来操纵计算机屏幕上
< br>
的光标或者其他图形对象。
键盘是一个像打字机的设备
，
它使用户得
以向计算机键入文本和
命令。
有些键盘有特殊功能键或集成指示设备，
如轨迹球或者可以让
用户通过手指的移动来
移动屏幕上光标的触敏区。
光扫描仪
利用光感应设备将图片或文本等形式的图像转换成计算机
能够处理的电子信
10
号。例如，一张
照片可以扫入一台计算机，然后包括在该计算机创建
的文本文件中。两种最
常见的扫描仪类型是平板扫描仪和手持式扫描仪，
前者类似一台办公
室用复印机，后者用手
动的方式从要处理的图像上扫过。
麦克风是将声音转换成可被计算机
存储、处理和回放的信
号的设备。
< br>语音识别模块是将话语转换成计算机能够识别和处理的信
息的设备。
调制解调器代表调制器―解调器，
是将计算机与电
话线连接、
允许信
息传送给或接收自
另一台计算机的设备。
每台发送或接收信息的计算机都必须与调
制解
调器相连接。一台计算
机发送的
信息由调制解调器转换成音频信号，
然后通过电话线传送到
接收
端调制解调器，由
其将信号转换成接收端计算机能够理解的信息。
三、输出硬件
输出硬件由将信息从计
算机中央处理器传给计算机用户的外部设备
构成。视频显示器或
屏幕将计算机生成的信息转换成可视信息。显示器一般有两种形式：
阴极射线管视频屏幕和
液晶显示视频屏幕。
基于阴极射线管的屏幕或监视器看起来就像一台
电视机。从中央处理器
11
输出的信
息，使用电子束显示出来，其过程是电子束扫描荧光屏，而
荧光屏则发出光并产生
图像。
基于液晶显示器的屏幕将可视信息显
示在比基于阴极射线管的
视频监视器平且小的屏
幕上。液晶显示器常常用于膝上型计算机。
< br>打印机将计算机输出的文本和图像打印在纸上。
点阵打印机使用细小
的金属丝打击色
带，从而形成字符。激光打印机使
用光束在磁鼓上画图像，然后由磁
鼓吸起称为墨粉的微小
黑粒。
墨粉熔凝到纸上，
形成图像。
喷墨打印机将小墨滴喷射到纸上，
形成字符和图像。
< br>
四、存储硬件
存储硬件永久
性地存储信息和程序，
供计算机检索。
两种主要的存储
设备是磁盘驱动器
和存储器。磁盘驱动器有几
种类型：硬盘、软盘、磁光盘和光盘。硬
盘驱动器将信息存储在
盘中嵌入的磁性颗粒中。
硬盘驱动器通常是计算机的固定部分，
能存
储大量的信息并对其进
行非常快速的检索。
软盘驱动器也将信息存储在磁性颗粒中，
但这些
颗粒是嵌入可移动的盘
< br>中的，
而这些盘既可能是软的也可能是硬的。
软盘比硬盘
存储的信息
少，检索该信息的速度
12
也慢得多。
磁光盘驱动器将信息
存储在对激光和磁场均敏感的可移动
盘上。它们可存储的信
<
/p>
息通常与硬盘一样多，
但检索速度稍微慢一点。
< br>由反射材料制成的光
盘，其表面烧蚀出凹陷
区。
光盘驱动器
（只读光盘存储器，
CD-ROM
）
就是将信息存储于此。
存储在只读光盘存储
器上的信息不能擦除或用新信
息盖写。
它们能够存储和硬盘驱动器差
不多的信息量，但信息<
/p>
检索速度比其慢。
< br>存储器指存储信息供中央处理器快速检索的计算机芯片。
随机存储器
（
RAM
）用来存储
操作计算机程序的信息和指令。
通常，
程序
由磁盘驱动器的存储区调
到随机存储器中。随机
存储器也称作易失性存储器，
因为当计算机的电源关闭时，
< br>计算机芯
片中的信息随着丢失。
只读存储器（
ROM
）包含必须永久性可供计算机操作使用的
关键信
息和软件，如从开机到关
机一
直指挥计算机运行的操作系统。只读存储器叫做非易失性存储
器，因为当计算机的电源<
/p>
关闭时，存储芯片中的信息不会丢失。
有些设备有不止一种用途。例如，软盘也可用作输入设备，如果它们
含有计算机用户要
13
使用和处理的信息的话。此外，它们也可用作输出设备，如果用户想
将计算结果存储在它们
上面的话。
五、硬件的连接
要想运转，硬件需要
物理连接，使部件之间能够通信和交互。总线提
供了一种常见的互
连系统。
它由一组导线或电路组成，
在计算机的内部组成部分之间协
调和移动信息。计算机
总线由两条通道组成：
一条由中央处理器用来给数据定位，
叫做地址
总线；另一条用来将该
数据送往那个地址，叫做数据总线。总线可用两个特征来描述：一次
可以处理
的信息量——
称为总线宽度，以及传送这些数据的速度。
< br>串行连接是一根或一组导线，
用于将信息从中央处理器传送到外部设
备，如鼠标、键盘、
调制解调器、
扫描仪和一些类型的打印机。
这种连接一次只能传送一
段数据，因此比较慢。
使用串行连接的好处在于它能提供远距离的有效连接。
并行连接使用多组导线来同时传送数个信息块。
多数扫描仪和打印机<
/p>
使用这种连接方
式。
< br>并行连接比串行连接速度快得多，
但它仅限于中央处理器和外部
< br>设备之间不到
3
米（
10
14
英尺）的距离。
第三单元：计算机语言与编程
课文<
/p>
A
：编程语言
一、引言
在计算机科学中，
编程语言是用于编写可由计算机运行的一系列指令
（计算机程序）的
人工语言。
与英语等自然语言相类似，<
/p>
编程语言有词汇、
语法和句法。
然而，自
然语言不适
合为计算机编程，
因为它
们会引起歧义，
也就是说它们的词汇和语法
结构可能被用多种方
式
进行解释。
用于计算机编程的语言
必须有简单的逻辑结构，
它们的语
法、拼写和标点符号规
则必须精确。
编
程语言在复杂性和通用程度上差异很大。
一些编程语言是为了处理
特定类型的计算问
题或为了用于特定型号的计算机系统而编
写的。例如，
FORTRAN
和
COB
OL
等编程语言是为
解决某些普遍的
编程问题类型而编写的——
FORTRAN
是为了科学
领域的应用，而
COBOL
是
< br>
为了商业领域的应用。尽管这些语言旨在处理特定类型的计算机问
题，但它们具有很高的可
移植性，
也就是说它们可以用来为多种类型的计算机编程。
其他的语
15
言，如机器语言，是为
一种特定型号的计算机系统，
甚至是一台特定的计算机，
在某些研究
领域使用而编写的。最
常用的编程语言具有很高的可移植性，
可以用于有效地解决不同类型
的计算问题。像
C
、
PASCAL
和
BASIC
这样的语言就属于这一范畴。
二、语言类型
编程语言可分为低级语
言和高级语言。
低级编程语言或机器语言，
是
< br>编程语言中最基础
的类型，
可
以被计算机直接理解。
机器语言视计算机制造商与型号不
同而有
所区别。高级语
言是必须首先翻译成机器语言计算机才能理解
和处理的编程语言。
C
、
C++
、
PASCAL
和
FORTRAN
都是高级语言的例子。汇编语言是中级语言，非
常接近于
机器语言，没有其他高
级语言所表现出的语言复杂程度，但仍然得翻译成机器语言。
1
、机器语言
在机器语言中，指令被写成计算机能够直接理解的
1
和
0
（称作位）
序列。一条机器语言
指令一般告诉计算机
4
件事：
（
1
）到计算机主存（随机存储
器）的什
么位置去找一两个数字
或简
单的数据片；
（
2
）要执行的简单操作
，如将两个数字相加；
（
3
）
16
在主存的什么位置存
放该简单操作的
结果；
（
4
）到什么位置去找下一条要
执行的指令。尽
管所有的可执行程序
最终都是以机器语言的形式被计算机读入的，
但它们并非都是用机器
语言编写的。直接用机
器语言编程极端困难，
因为指令是
0
和
1
的序列。
一条典型的机器语
言指令可能写成<
/p>
10010
1100 1011
，意思
是把存储寄存器
A
的内容加到存储寄存器
B
的内容
中。
2
、高级语言
高级语言是相对复杂的一系列语句，
它们使用来自人类语言的词汇和
< br>句法。高级语言比
汇编语言或机器语言类似于正常的人
类语言，
因此用高级语言来编写
复杂的程序比较容易。
这些编程语言可以更快地开发更大和更复杂的程序。
< br>然而，
高级语言
必须由称为编译器的另
< br>
外一种程序翻译成机器语言，计算机才能理解它们。因为这个原因，
与用汇编语言编写的程
序相比较，用高级语言编
写的程序可能运行时间长，占用内存多。
3
、汇编语言
计算机程序员通过使用汇编语言，
使机器语言程序比较容易编写。
在
汇编语言中，每个
17
语句大致对应于一条机器语言指令。
汇编语言的语句是借助易于记忆
的命令编写的。在一个
<
/p>
典型的汇编语言语句中，把存储寄存器
A
的内容加到存储寄存器
B
的内容中这一命令，可能写
成
ADD B, A
。
汇编语言与机器语言具有某些共同的特征。例如，对
特定的位进行操控，用汇
编语言和机器语言都是可行的。当尽量减少程序的运行时间很重要
时，程序员就使用汇编语
言，
因为从汇编语言到机器语言的翻译相对简单。
汇编语言也用于计
算机的某个部分必须被
直接控制的情况，如监视器
上的单个点或者单个字符向打印机的流
动。
三、高级语言的分类
高级语言通常分
为面向过程语言、
函数式语言、
面向对象语言或逻辑
语言。当今最常见
的高级语言是面向过程语言。
在这种语言中，
执行某个完整功能的一
个或多个相关的语句块
组成一个程序模块或过程，而且被给予
诸如“过程
A
”一类名称。如
果在程序
的其他地方需
要同样的操作序列，
可
以使用一个简单的语句调回这个过程。
实质上，
一个过程就是一
个小
型程序。
一个大型程序可以通过
将执行不同任务的过程组合在一起而
18
构成。过程语言使程序
变得比较短，
而且比较容易被计算机读取，
但要求程序员将每个过程
都设计得足够通用，能
用于不同的情况。
函数式语言像对待
数学函数一样对待过程，
并允许像处理程序中的任
何其他数据一
样处
理它们。这就使程序构造在更高、更严密的水平上得以实
现。函数式
语言也允许变量——在
程
序运行过程中可以被用户指定和更改的数据符号——只被赋值一
次。这样，通过减少对语
句执行的确切顺序给予关注的必要性，
就简化了编程，
因为一个变量
没有必要每次在一个程
序语句中用到，
都重新声明或重新说明。
来自函数式语言的许多思想
已经成为许多现代过程
< br>
语言的关键部分。
面向对象
语言是函数式语言的发展结果。
在面向对象语言中，
用来编
写程序的代码和由
程序处理的数据，组合
成叫做对象的单元。对象进一步组合成类，而
类则定义对象必须具有
的属性。
类的一个简单例子就是书这个类。
这个类中的对象可能是小
说和短篇小说。对象还
<
/p>
有某些与其相关的功能，
称为方法。
计算
机通过使用一个对象的某种
19
方法来访问该对象。方
法对对象中的
数据执行某种操作，
然后将值返回给计算机。
对象的类
也可进一步组合成层，
而在层中一个类的对象
可继承另一个类的方法。
面向对象语言提供的
这种结构，使该语
言对
于复杂的编程任务非常有用。
逻辑语言将逻辑用作其数学基础。逻辑程序由事实组和“如果―则”
规则构成，
“如果―
则”
规则具体说明一组事实如何可以从其他事实组中推断出来，
例如：
如果
X
语句为真
，则
Y
语句为假。
< br>在这样一个程序的执行过程中，
一条输入语句可以按照逻辑从程序中
的其他语句推断出
来。许多人工智能程序使用这种语言编写。
四、语言结构与成分
编程语言使用特
定类型的语句或指令，
来给程序提供功能结构。
程序
中的一个语句是表
达一个简单想法的基本句子—
—它的目的是给计算机一条基本指令。
语句定义所允许的数据
类型、
数据如何处理以及过程和函数的工作方式。
程序员使用语句来
操控编程语言的常见成
分，如变量和宏（程序中的小程序段）
。
数据声明语句给称为变量的那些程序元素以名称和属性。
变量在程序
20
中可以赋予不同的
值。变量可以具有
的属性称为类型，它们包括：变量中能保存哪些可
能的值；这些值中使用
何种程度的数值精度；
以及一个变量可以如何以有组
织结构的方式—
—如以表或数组的形式
——表示一组比较简单的值。
在许多编程语言中，
一个关键的
数据类
型是指针。指针变量本
身没有
值，
而是含有计算机可以用来查找某个其他变量的信息——也
就
是说，它们指向另一
个变量。
表达式是语句的一段，
用于描述要对一些程序变量执行的一系列计算
操作，如
X+Y/Z
，
其中
X
、
< br>Y
和
Z
为变量，
加法和除法是计算操作。
赋值语句给一个变
量赋予得自
某个表达式的
值，
而条件语句则指定
要被测试、
然后用于选择接下来应该执行的其
他语句的表达式。
过程和函数语句将某些代码块定义为以后可在程序中回调的过
程或
函数。这些语句也定
义程序员可
选的变量和参数种类，
以及当表达式访问过程或函数时代
码所返
回的值的类型。
许多编程语言也容许叫做宏的小翻译程序。<
/p>
宏将那些用程序员定义的
语言结构编写的代码段
< br>
21
翻译成编程语言可以理解的语句。
五、历史
编程语言几乎可以追溯到<
/p>
20
世纪
40
年
代数字计算机发明之时。
随着
商用计算机的推出，
最早的汇编语言出现于
20
世纪
50
年代末。最早的过程语言是在
20
世纪
50
年代末到
60
年代初
开发的：
约翰
?
巴克斯创造了
FORTRAN
语言，
接着格雷斯
?
霍珀创造
了
COBOL
语言。第一种
函数式语言是
LISP
，由约翰
?
麦卡锡于
20
世纪
50
年代末编
写。所有
这
3
种语言今天仍在广泛使<
/p>
用，但经历过大量更新。
20
世纪
60
年代末，出
现了最早的面向对象语言，如
SIMULA
语言。
逻辑语言在
20
世纪
70
年代中期随着
PROLOG
语言的推出
而变得广为人知，
PROLOG
语言
是
一种用于编写人工智
能软件的语言。在
20
世纪
70
年代，过程语言继续发
展，出现了
ALGOL
、
BASIC<
/p>
、
PASCAL
、
C
和
Ada
等语言。
SMALLTALK
语言是一种具有高度影响力的面
向
对象语言，它导致了面向对
象语言
与过程语言在
C++
和更近期的
JA<
/p>
V
A
语言中的结合。
尽管纯粹
逻辑语言的流行程度已
经下降，但其以关系语言形式用于现代数据库的变种却变得非常重
22
要，如结构化查询语言。
第四单元：软件开发
课文
A
：计算机程序
一、引言
计算机程序是指挥计算机执
行某种处理功能或功能组合的一套指令。
要使指令得到执
行，计算机必须执行程序，也就是说，计算机要读取程序，然后按准
确的顺序实施程序中编
码的步骤，直至程序结束。一个程序可
多次执行，而且，取决于用户
提供给计算机的选项和
数据，每次执行可能产生不同的结果。
程序分为两大类：
应用程序和操作系统。
应用程序直接为用户
执行某
种功能，如处理文
字或玩游戏
。操作系统管理计算机以及与之相连的各种资源和设备，
如随机存储器、硬盘驱
动器、监视器、键盘、打印机和调制解调器，以便其他程序可以使用<
/p>
它们。操作系统的例子
包括：
DOS
、
Windows 95
、
OS/2
和
UNIX
。
二、程序开发
软件设计者使用经常被称为实用程序或开发程序的专门应用程序来
创建新程序。程序员
使用称为文本编辑程序的另一种程序，
来以称为编程语言的特殊符号
23
编写新程序。程序员使
用文本编辑程
序创建一个文本文件，这个文本文件是一个有序指令
表，也称为程序源文件。
构成程序源文件的单个指令称为源代码。
在这个
时候，
一种专门的应
用程序将源代码翻译成
机器语言或目标代码——操作系统将认作真程序并能够执行的一种
格式。
将源代码翻译成目标代码的应用程序有
3
种：
编译程序、
解
释程序和
汇编程序。这
3
种应
用程序有不同的操作方式，对不同类型的编程语言进行操作，但是，<
/p>
它们都要达到将编程语
言翻译成机器语言的相同目的。
编译
程序将使用
FORTRAN
、
C
和
Pascal
等高级编程语言编写的文本<
/p>
文件一次性从源代
码翻译成目标代码。
这不同于
BASIC
等解释执行的语言所采取的方
式。在解释执行的语言中，
程序是随着每条指令的
执行而逐个语句地翻译成目标代码的。
解释执
行的语言的优点是
，它
们可以立即开始执行程序，而不需要等到所有的源代码都
得到编译。
对程序的更改也可以相
当
快地进行，无需等到程序重新编译完。解释执行的语言的缺点是，
它们执行起来慢，因为
24
每
次运行程序，都必须对整个程序一次一条指令地翻译。另一方面，
编译执行的语言只编译
一次，
因此计算机执行起来可比解释
执行的语言快得多。
由于这个原
因，编译执行的语言比
解释执行的语言常用，
而且，
在专业和科学领域几乎总是应用编译执
行的语言。
<
/p>
另一种翻译程序是汇编程序，
它用于以汇编语言编写的程序或程序
组
成部分。汇编语言
也是一种编程语
言，但它远比其他类型的高级语言类似于机器语言。
在汇编语言中，一个语
句通常可以翻译成机器语言的一条指令。
今天，<
/p>
汇编语言很少用来编
写整个程序，而是最常
用于程序员需要直接控制计算机某方面功能的情况下。
<
/p>
程序经常编写为一组较小的程序片，
每片表示整个应用程序的某个
方
面。每片独立编译
之后，
一种称为连接程序的程序将所有翻译好的程序片组合成一个可
执行程序。
程序罕有第一次能够正确运行的，
所
以一种称为调试程序的程序常被
用来帮助查找称为
程序错误的问题。
调试程序通常在运行的程序中检测到一个事件，
并
将程序员指引到该事件
在程序代码中的起源。
25
Java
等最近出现的编程系统
，
采取多种方法相结合的方式创建和执行
程序。编译程序取
来
Java
源程
序，并将其翻译成中间形式。这样的中间程序随后通过
因特网传送给计算机，而
计算机里的解释程序接着将中间形式作为应用程序来执行。
三、程序元素
多数程序仅由少数几种
步骤构成，
这些步骤在整个程序中在不同的上
下文和以不同的组
合方式多次重复。
最常见的步骤执行
某种计算，
然后按程序员指定的
顺序，进入程序的下一
个步骤。
程序经常
需要多次重复不长的一系列步骤，
例如：
在浏览游戏得分表
并从中找出最高得
分时。这种重复的代码序列称为循环。
计算机具有的使其如此有用的能力之一，是它们能够作出条件判定，
并根据正在处理的
数据的值执行不同的指令。
if-
then-else
（如果－则－否则）语句执行
这种功能，采
用的方法
是测试某个数据片，
然后根
据结果从两个指令序列中选择一个。
这些
选择对象中的指令之一
可能是一个
goto
语句，用以指引计算机从程序的另一个部分选择下
一条指令。例如，一个程
26
序可能比较两个数，并视比较结果而分支到程序的另一个部分：
If x is greater than y
then
goto instruction #10
else
continue
程序经常不止一次地使用特定的一系列步骤。
这样的一系列步骤可以
组合成一个子例
程，
而子例程根据需要可在主程序的不同部分进行调用或访问。
每次
调用一个子例程，计算
机都
会记住该调用发生时自己在程序中所处的位置，
以便在运行完这
个子例程后还能够回到
那里。在每次调用之前，程序可以指定
子例程使用不同的数据，从而
允许一个通用性很强的
代码片只编写一次，但以多种方式使用。
大多数程序使用几种不同的子例程。
其中最常用的是函数、
过程、
库、
系统例程以及设
备驱动程序。
函数是一种短的子例程，
用来计算
某个值，
如角的计算，
而该值计算机仅用一
条基本指令无法计算。
过程执行的是比较复杂的功能，<
/p>
如给一组名字
排序。库是为多种不同
<
/p>
程序使用而编写的子例程。
系统例程类似于库程序，
但实际上用于操
作系统。它们为应用程
27
序提供某种服务，如打印一行
文字。设备驱动程序是一种系统例程，
它们加到操作系统中，
以使计算机能够与扫描仪、
调制解调器或打印机等新设备通信。
设备
驱动程序常常具有可以
作为应用程序直接执行的特征。
这使用户得以直接控制设备。
这一点
很有用，例如：在彩色
打印机更换墨盒后需要重新调整以达到最佳打印质量的情况下。
四、程序功能
现代计算机通常将程序
存储在计算机可以随机访问的某种形式的磁
性存储介质上，如固
定放在计算机内的硬盘或者便携式软盘。
这些磁盘上称为目录的
额外
信息，指明盘上各种程
序的名称
、它们写入盘中的时间以及它们在磁盘介质上的起始位置。
用户命令计算机执行一
个特定应用程序时，操作系统就浏览这些目录，找到程序，并将一个
副本读入随机存储器。
操作系统然后
命令中央处理器开始执行程序开头的指令。
程序开头的
指令为计
算机处理信息
作好准备，
其方法是在
随机存储器中找到空闲存储单元来容纳工作数
据，从盘中检索用户指
出的标准选项和默认值的副本，并在监视器上绘制初始显示。
应用程序通过调用系统例程来对用户输入的任何信息都要求一个副
28
本。操作系统将如此
输入的任何数据都转换成标准的内部形式。
应用程序然后使用该信息
决定下一步干什么，如
执行某项期望
的处理功能——像重新格式化一页文本或从盘上的另
一个文件获取一些额外
信息。两种情况无论是哪一种，都要调用其他系统例程，以事实上完
成结果的显示或对盘上
文件的访问。
运行结束或接到退出的
提示时，
应用程序进行进一步的系统调用，
以
< br>确保所有需要保存
的数据已写回磁盘。
然后，
应用程序向操作系统进行最后一次系统调
用，指
明它已运行结束。
操作系统接下来释放随机存储器和该应用程
序使用的任何设备，
并等
待用户的命令，以开始
运行另一个程序。
五、历史
人们以程序的形式存储指令
序列已经有几个世纪了。
18
世纪的音乐
盒和
19
世纪末与
20
世纪初的自动钢琴，
就可以播放音乐程序。
这些程
序以一系列金属针
或纸孔的形式存储，每
一行（针或孔）
表示何时演奏一个音符，而针或孔则表明此时演奏什
么音符。
19
世纪初，随
29
着法国发明家约瑟夫―玛丽·
雅卡尔发明由穿孔卡片控制的织机，
对
物理设备更精巧的控制
变得常见了。
在编织特定图案的过程中，
织机的各个部分得进行机械
定位。为
了使这个过程
自动化，
雅卡尔使用一
张纸质卡片代表织机的一个定位，
用卡片上的
孔来指示应该执行
织机
的哪种操作。
整条花毯的编织可
编码到一叠这样的卡片上，
同样的一
叠卡片每次使用都会编
出相同的花毯图案。在开发和使用的程序中，有的由
24,000
多张卡
片构成。
世界上第一台可编程的机器是由英国数学家和发明家查尔斯
?
巴比奇
设计的，但他从未
完全制造成该机器。
这台叫做分析机的机器，
使
用和雅卡尔织机类似
的穿孔卡片，来选择每
< br>个步骤应该执行的具体算术运算。
插入不同的卡片组，
就
会改变机器
执行的运算。这种机器
几
乎能在现代计算机中找到所有的对应物，
但它是机械化的，
而非
电
气化的。分析机的制造
从未完成，因为制造它所需要的技术当时不存在。
供分析机使用的最早卡片组式程序是由诗人拜伦勋爵的女儿、
英国数
学家奥古斯塔
?
埃
达
?
拜伦开发的。由于这个原因，她被
公认为世界上第一位程序员。
30
现代的内部存储计算机程序概念是由美籍匈牙利数学家约翰
?<
/p>
冯
?
诺
伊曼于<
/p>
1945
年首先
提出来的。冯
?
诺伊曼的想法是，使用计算机的存储器既存储
数据又
存储程序。这样，程序
可被视
为数据，
可像数据一样被其他程序处理。
这一想法极大地简化<
/p>
了在计算机中存储与执
行程序的任务。
六、未来
由于计算机使用的增加，<
/p>
自
20
世纪
50
年代以来，
计算机科学领域发
展迅猛。
作为对用户
需求和技术进步的反应，
计算机程序在这一时期经历了许多变化。
计
算领域的新思想，如
并
行计算、
分布式计算和人工智能，
从根本上改变了一度决定程序形式
与功能的传统概念。
致力于并行计算领域研究的计算机科学家们，
推出了许多新的程序模
型。在并行计算中，
< br>多个中央处理器同时合作处理同一个问题。
一个问题的组成部分由不
同的处理器同时处理，
这样就加快了问题的解决速
度。由于并行处理计算机的极端复杂性，
以及使其尽可能有效地
运行所包含的困难，
为这种系统设计程序的科学家和工程师面临
着许
多挑战。
31
一种称为分布式计算的并行计算，
使用多个互连计算机的中央处理器
来解决问题。用来
在分布式计算应用环境下处理信息的计算机，常常通过因特网连接。
因
特网的应用正在成为
分布式计算的一种特别有用的形式，尤其
是在使用
Java
等编程语言
的情况下
。在这种应用中，
用户登录到一个站点，并下载一个
Java
程序到其计算机上。该
Java
程序运行时，就会与其
所来自的站点上的其
他程序通信，
也可以与不同计算机或站点上运行
的其他程序通信
。
人工智能研究已经带来其他几种新的编程风格。
例如，
逻辑程序不是
由供计算机盲目执
行的单个指令构成，
而是由成套的规则组成：<
/p>
如果
x
发生，
则
执行
y
。
一种称为推理机的特殊
程序，在向其提出一个新问题时，就使用这些规则来“推理”出一个
结论。逻辑程序的用途
包括自动监控复杂系统和证明数学定理。
一种全然不同的计算方法称为神经网络，
在这种计算中没有传统意义
上的程序。神经网
络是一组高度互连的简单处理单元
，
旨在模拟大脑。
神经网络不是像
传统
计算机那样通过程
序来指挥信息处理，
而是依靠其处理单元的连接方式来处理信息。
给
32
神经网络编程的实现方
法是，
给其提供输入与输出数据的已知模式，
并调整处理单元之间各
种互连的相对重要性，
直到完成所期望的模式匹配。
神经网络通常在传统计算机上模拟，
但
是，不同于传统的计算
机程序，神经网络具有经验学习的能力。
第五单元：软件过程
课文
A
：软件过程模型
一、引言
一个软件过程是生产出软件
产品的一系列活动。
这些活动可能涉及使
用一种像
Java
或
C
这样的标准
编程语言从零开始开发软件。
然而，
开发新软件越来越多
地使用的方法是，扩展
和修改现有系统，以及配置和集成现成软件或系统组件。
一个软件过程模型是对一个软件过程的一种抽象表示。
每个过程模型
都从一个特定角度
表示一个过程，<
/p>
因此都只提供有关那个过程的部分信息。
本文介绍几
种非常通用的过程模型
（有时称为过程范例）
，并从体系结构的角度描述它们。也就是说，
我们看到的是过程的框
架，而非具体活动的细节。
这些类属模型不是对软件过程的规定性描述。
确切点说，
它们是过程
33
的抽象，可用于解
释软件开发的不同
方法。
你可以将其视为可扩展和调整以创建更为具
体软件工程过
程的过程
框架。
< br>这里论述的过程模型是瀑布模型、演化开发和基于组件的软件工程。
这
3
种类属过程模
型在当
前的软件工程实践中广泛使用。
它们不是互不相容，
而是经常<
/p>
一起使用，尤其是在大
型系统开发的情
况下。
一个较大型系统内的子系统可使用不同的方法
开发。因此
，尽管分别
讨论这些模型比较方便，但应该明白，实际上它们
经常结合使用。
二、瀑布模型
最早公布的软件开发过程模型源自比较通用的系统工程过程。
这种模
型如图
5A-1
所示。
由于从一个阶段到另一个阶段的瀑布状级联，
该模型
称为瀑布模型或
软件生命周期。该模型
的主要阶段映射基本的开发活动：
1
、
需求分
析与定义。系统的服务、约束和目标要经过与系统用户的
磋商加以确定。然
后，它们得到详细定义并作为系统规格说明。
2
、
系统与
软件设计。
系统设计过程将需求划分成需硬件或软件系统
实现的
部分。该过
34
程确立一个总的系统体系结构。
软件设计涉及到确定和描述基本的软
件系统抽象及
其相互关系。
3
、
实现与
单元测试。在这个阶段，软件设计被实现为一组程序或程
序单元。单元测试
涉及到验证每个单元是否符合其规格说明。
4
、
集成与
系统测试。
单个的程序单元或程序进行集成并作为一个完
整系统
进行测试，
以确保软件需求已得到满足。测试之后，软件系统交付客户。
5
、
运行与
维护。通常（但并非必定）
，这是软件生命周期最长的阶
段。系
统经过安装
投入实际使用。
维护涉及
到纠正在软件生命周期前面阶段没有发现的
错误，改进系
统单元的实现，并随着新需求的发现增强系统的服务。
原则上，
每个阶段的结果都要形成一份或多份经过批准的文件。
前一
个阶段未结束，下
一个阶段不应开始。实际上，这些阶段重叠并互相馈送信息。在设计
期间，需求方面
存在的
问题得到识别；在编码期间，设计问题被发现，等等。
软件过程并非
一个简单的线性模型，
而是涉及到一系列迭代的开发活动。
由于编制和批准文件的成本，
迭代需要大笔开销，
而且需要做大
量重
35
复工作。因此，经
过少数迭代之后，
通常应冻结开发的某些部分，如规格说明，并继续
进行后面的开发阶段。
存在的问题留待以后解决，置之不顾，或者通过编程绕过去。这样仓
促冻结需求，可能意味
图
5A-1
：软件生命周期
运行与
维护
集成与
系统测试
实现与
单元测试
系统与
软件设计
需求定义
着系统将难以满足用户的要
求。由于使用实现技巧规避了设计问题，
这也可能导致不良的系
统结构。
在最后的生命周期阶段（运
行与维护）
，软件投入使用。最初软件需
求中存在的错误与
疏漏被发现，程序与设计错误浮现，而且新的功能需要得到确定。
因
此，为保持有用性，系
36
统必须演变。进行有关更改
（软
件维护）可能涉及到重复以前的过程
阶段。
< br>瀑布模型的优点在于每个阶段都编制文件，
而且它与其他的工程过程
模型相符合。其主
要问题在于将项目僵硬地划分成
不同的阶段。在过程的一个早期阶
段，必须定下决心，从而
使得应对客户需求变化很困难。
因此
，
只有在需求得到很好理解、
在系统开发期间不可能发生根本性
变化的情况下，才
应使用瀑布模型。
然而，
瀑布模型体现了在其他工程项目中所使用的
过程模型类型。所以，
基于这种方法的软件过程仍
然用于软件开发，
特别是当有关软件项目
是一个较大系统工程项
目的一部分时。
三、演化开发
演化开发基于这样的思
想：
开发一个初始的实现，
让其接受用户评论，
并让其经过多个
版本的改进，一直到开发出能够满足
需要的系统（图
5A-2
）
。规格说<
/p>
明、开发及验证活动不
是分开进行，而是交叉进行，各项活动之间有快速的信息反馈。
演化开发有两个基本类型：
1
、
探索式
开发。
在这种类型中，过程的目标是与客户协作探索其需
37
求，并交付一个最
终的系统。
开发从业已理解的系统部分开始。
随着
增添客户提出的新
特征，系统不
中间
版本
并行活动
图
5A-2
：演化开发
描述
最终
版本
初始
版本
开发
验证
规格说明
断演变。
2
、
抛弃式
原型开发。在这种类型中，演化开发过程的目标是理解客
户的需求，从而为
系统开发比较好的需求定义。原型集中试验没有很好理解的客户需
求。
在生产满足客户眼下需要的系统时，
软件开发的演化方法常常比瀑布
方法有效。基于演
< br>
38
化方法的软件过程的
优点是，
规格说明可以渐进地开发。
随着用户增
进对其问题的理解，这
种理解可以反映在软件系统中
。然而，从工程和管理的角度来看，演
化方法存在两个问题：
1
、
过程缺
乏可视性。管理员需要定期交付的产品来衡量进度。在快
速开发系统的情况
下，编制反映每个系统版本的文件不合算。
2
、
系统常
常缺乏良好的结构。不断的更改往往会破坏软件的结构。
吸收软件更改变得
越来越困难，越来越成本高昂。
对于中小型系统
（上至
50
万
行代码）
，
演化方法或许是最佳的开发方
法。对于不同小组
开发系统不同部分的大型、复杂、长寿命
系统，演化开发存在的问题
尤为严重。使用这种方
法难以建立一个稳定的系统体系结构，
这使得集成各小组的贡献变得
很难。
对于大型系统，
建议使用一种混合过程，
将瀑布模型和演化开发模型
的最佳
特征结合起
来。
这可能涉及到使用演
化方法开发一个抛弃式原型，
以解决系统规
格说明中存在的不确
定
性。然后，可使用一种结构化程度比较高的方法重新实现系
统。得到
很好理解的系统部分可
39
使用基于瀑布模型的过程进行规格说明和开发。
事先难以进行规格说
明的其他系统部分，如
用户界面，无例外地应使用探索式编程方法来开发。
四、基于组件的软件工程
大多数软件
项目都存在某种程度的软件复用。
通常，
这是非正式发生
的。参加项目的人
知道有现成的设计或编码
类似于他们所需的设计或编码。
他们寻找这
些设计或编码，根据
需
要对其进行修改，
并将其吸收进他
们的系统。
对于使用演化方法进行
快速系统开发，复用常
常是必要的。
这
种非正式复用的发生是不考虑所使用的开发过程的。
然而，
在过
去
几年中，出现了一
种软件开发方法
，这种方法使用得越来越多，它依靠复用，被称为基
于组件的软件工程。
这种面向复用的方法依靠大量的可复用软件组件，
以
及用于这些组件
的某种集成框架。
有
时，
这些组件本身就是可提供文本格式化或数值计算等特定功能的
系统（商用现成系统）
。
基于组件
的软件工程的类属过程模型如图
5A-3
所示。
就最初的需求规格说明阶段和验证阶段而言，
面向复
用过程与其他过
程相类似，但它的
40
中间阶段与其他过程不同。这些阶段是：
1
、
组件分
析。
在有需求规格说明的情况下，
搜索实现该规格的组件。
通常，不存在完
全相符的组件。可能被使
用的组件只在某种程度上提供所要求的功
能。
2
、
需求修
改。
在这个阶段，使用已经发现的组件的相关信息分析需
求，然
后修改需求
以反映可用的组件。
在无
法进行修改的情况下，
可能重新进入组件分
析活动，以搜
索可供选择的解决方案。
3
、
带复用
的系统设计。在这个阶段，设计系统框架或复用现有的框
架。设计员考虑到
复用的组件，
并组织安排框架使其适应复用的要求
。
如果得不到可复
用的组件，可
能得设计一些新软件。
4
、
开发与
集成。
无法外部获得的软件要进行开发，组件和商用现成
系统要
集成以创建
新的系统。
系统集成在这
种模型中可能是开发过程的一部分，
而非一
项分开的活动。
基于组件的软件工程具有减少需要开发的软件量并因此降低成本与
风险的明显优点。它
通常也可更快地
交付软件。然而，需求方面的妥协不可避免，这可能
41
导致系统不能满足用户
的真正需要。
此外，可复用组件的新版本不受其使用机构的控制，因
此丧失了对系统演变的
某些控制。
图
5A-3
：基于组件的软件工程
需求
规格说明
组件
分析
需求
修改
带复用的
系统设计
系统
验证
开发与
集成
第六单元：数据库
课文
A
：数据库概览
一、引言
数据存储传统上是使用单独
的没有联系的文件，
这些文件有时称为平
面文件。在过去，
42
一个机
构中的每个应用程序都使用自己的文件。
例如，
在一个大学中，
每个部门都可能有其
自己的文件集：
档案办公室保存着关于学生信息和学生成绩的文件；
经济资助办公室保存着
其自己的关于需要经济资助以继续学业的学生的文件；
调度办公室保
存着教授的姓名和他们
所教的课程；
工薪发放部门保存着其自己的关于全体教职员工
（包括
教授）的文件，等等。
然而
，
所有这些平面文件今天都可结合成一个实体——供整个大学使
用的数据库。
虽然难以给出一个普遍接受的数据库定义，
但我们使用下面常见的定
义：一个数据库是
被一个机构内的应用程序所使用的具有逻辑相干性的相关数据的集
合。
二、数据库管理系统
数据库管理系统定义、
创建和维护数据库。
数
据库管理系统也允许对
数据库中的数据进
行受控的访问。一个数据库管理系统由
5
个组成部分构成：
硬件、软
件、数据、用户和规程。
1
、硬件
硬
件是指允许访问数据的计算机物理系统。例如，终端、硬盘、主机
和工作站被认为是
43
数据库管理系统的硬件组成部分。
2
、软件
软
件是指允许用户访问、维护和更新数据的实际程序。另外，软件还
控制着哪个用户可
以对数据库中的哪部分数据进行访问。
3
、数据
数
据库中的数据存储在物理存储设备上。
在一个数据库中，
数据是
独
立于对其进行访问
的软件的一个实
体。
这种独立使一个机构可以在不必更改物理数据及
其存储方式
的情况下更
改软件。
如果一个机构决
定使用一个数据库管理系统，
那么该机构所
需要的所有信息都应
作
为一个实体保存在一起，可由数据库管理系统中的软件访问。
4
、用户
在
数据库管理系统中，
用户这个术语有着广泛的定义。
我们可以将
用
户分为两类：最终
用户和应用程序。
最终用户是指可直
接访问数据库以获取信息的人。
最终用户又分为两
类：数据库管
理员
和普通用户。
数据库管理员拥有
最高程度的特权，
可以控制其他用户
及其对数据库管理系统
的访问，
可以将其某些特权授予其他人并
保留随时收回这些特权的能
44
力。另一方面，普通用
户只能使用数据库的一部分，只能进行有限的访问。
数据库中数据的其他用户就是应用程序。
应用程序需要访问和处理数
据。例如，工薪发
放应用程序需要在月底
访问数据库中的部分数据，
来开支付工薪的支
票。
5
、规程
数据库管理系统的最后一个组成部分就是应该明确定义并为数据库
用户所遵循
的一套
规程或规则。
三、数据库体系结构
美国国家标准协
会标准计划与需求委员会（
ANSI/SPARC
）为数据库<
/p>
管理系统确立了一
个包含
3
个层次的体系结构：内层、概念层和外层（图
6A
-1
）
。
1
、内层
内
层决定数据在存储设备上的实际存储位置。该层涉及低级访问方
法，以及字节如何传
向和传自存储设备。换句话说，内层直接与硬件交互。
2
、概念层
概念层定义数据的逻辑视图。
数据模型在该层定义，
数据库管理
系统
的主要功能——如
查询——也在
该层。
数据库管理系统把数据的内部视图转化为用户需
45
要看到的外部视图。概
念层是中介层，它使得用户不必与内层打交道。
3
、外层
外
层直接与用户（最终用户或应用程序）交互。它将来自概念层的数
据转化为用户所熟
悉的格式和视图。
四、数据库模型
数据库模型定义数据
的逻辑设计。
它也描述数据的不同部分之间的关
系。在数据库设
计
史上，使用过
3
< br>种数据库模型：层次模型、网络模型和关系模型。
1
、层次数据库模型
在层次模型中，数据被组织成一棵倒置的树。每个实体只有一个父，
但可有数个
子。在
分层结构的顶部，有一个实体，称为根。图
6A-2
给出了一个层次模
型例子的逻辑视图。层
次
模型现在已经过时。
2
、网络数据库模型
在网络模型中，
实体以图的形式来组织，
图中的有些实
体可通过多条
路径访问（图
6A-3
）
。
网络模型没有分层结构。这种模型现在也已经过时。
3
、关系数据库模型
在关系模型中，
数据被组织成称为关系的二维表。
关系
模型没有分层
46
或网络结构强加于
数据。然而，表或
关系是相互关联的（图
6A-4
）
。关
系数据库管理系
统组织数据，使其外部
视图呈现为关系或表的集合。
这并不意味着数据以表的形式存储：
数
据的物理存储与数据的
逻辑组
织方式毫无关系。图
6A-5
给出了一个关系的例子。关系数据
库管理系统中的关系具有
以下特征：
●
名称。关系数据库中的每个关系都
应具有一个名称，而这个名称
在所有关系中是独一
无二的。
●
属性。
关系中的每一列都称为一个属性。
在图
6A-5
的表中，
属性
是列的标题。每个
属性赋予存储在其下面的数
据以意义。
表中的每一列都必须具有一个
在关系的范围内
独一无二的名称。一个关系的属性总数称为该关系的度。例如，在图
6A-5
中，关系
< br>的度为
3
。注意属性名并不存储在数据库中：概念层使用
属性给每一
列赋予一定的意
义。
●
<
/p>
元组。关系中的每一行称为一个元组。元组定义一组属性值。一
个
关系中的总行数称
47
为该关系的基数。注意一个关系的基数随着元组的增加或删除而改
变。这
使数据库具
有了动态性。
关系模型是今天使用的常见模型之一。
源自关系模型的另外两种常见
模型是分布式模型
和面向对象模型。
4
、分布式数据库模型
分布式数据库模型并非一种新模型，而是基于关系模型的。但是，数
据存储在
通过因特
网或专用广域网通信的数台计算机上。每台计算机（
或站点）保持数
据库的一部分或整个数
据库。换句话说，
数据或者是分段存储的——每个站点存储一段，或
< br>者被每个站点复制一份。
在分段型分布式数据库中，<
/p>
数据是本地化的，
本地使用的数据存储在
相应的站点上。然
而，
这并不意味着
一个站点不能访问存储在另一个站点上的数据，
但
访问大多是本
地性的，
偶尔是全局性的。
虽然每个
站点对其本地数据具有完全的控制，
但也
存在通过因特网或广域
网的全局控制。
< br>例如，
一家制药公司可能在许多国家拥有多个站点。
每个
站点有一个
数据库，存储着自
48
己雇员的信息。但是，中心人事部门可以控制所有的数据库。
在复制型分布式数据库中，每个站点都有其他站点的一个完全副本。
对一个站点所存储
的数据进行的任何修改，
都要在其他每个站点上精确地重复进行。
拥
有这种数
据库是为了安
全。
如果一个站点上的
系统发生故障，
该站点的用户可以访问另一个
站点上的数据。<
/p>
5
、面向对象数据库模型
关系数据库具有一个特定的数据视图，
该视图基于数据库元组与属性
的性质。关系数据
库中最小的数据单位是一
个元组与一个属性的交集。
然而，
有些应用
程序需要将数据视为其
他形式，如看作一种结构，像由字段构成的记录。
面向对象数据库试图保留关系模型的优点，
同时允许应用程序访问结
构化数据。在面向
对象数据库中，对象及其
之间的关系得到定义。此外，每个对象可以
具有可表示为字段的属
性。
例如，在一个机构中，可以
为雇员、部门和客户定义对象类型。雇员
类可以定义一个雇
<
/p>
员对象的属性（名、姓、社会保险号码、薪水等等）
，以及可以如
何
访问它们。部门对象可
49
以定义部门的属性，以及可以如何访问它们。此外，数据
库还可以在
一个雇员对象与一个部
门对象之间创建一种关系，以表示该雇员在该部门工作。
五、数据库设计
任何数据库的设计都
是一项冗长、
复杂的任务，
只能通过一个逐步的
过程来完成。第一
步通常涉及对数据库潜在用户的大
量访谈，
以收集需要存储的信息和
每个部门的访问需求。
第二步是建立一个实体关系模型，
该模型定
义必须为之保存一些信息
的实体、这些实体的属
性以及这些实体之间的关系。
设计的
下一步基于所要使用的数据库的类型。
在关系数据库中，
下一<
/p>
步是建立基于实体
关系模型的关系，并
规范化这些关系。规范化是一个过程，通过该过
程一组特定的关系转化
< br>
成一组具有更坚固结构的新关系。为了达到以下目的，需要规范化：
允许数据库中的任何关
系得到表示，
允许像
SQL
（结构化查询语言）
这样的语言使用由原子
操作组成的功能强大的
检索操作，消除插入、删除和更新操作中的异常，以及减少添加新的
数
据类型时重构数据库
的必要性。
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