计算机未来发展纲要

从计算机工程教育看

知识、能力与工程方法浅谈马殿富北航计算机学院2021-12-19主要内容从PITAC2005看计算科学：确保美国核心竞争力第四范式Tony

Hey软件：工业的未来国际工业标准标准飞机及系统开发(ARP-4754A)平安评估(ARP-4761)集成模块化航空电子(DO-297)航空电子硬件(DO-254)航空软件(DO-178B/C)地面系统(DO-278A)ARINC653CommonCriteriaDO-178C软件开发过程过程子过程软件计划过程软件开发计划软件验证计划软件配置管理计划软件质量保证计划软件审定计划3个标准软件开发过程软件需求过程软件设计过程软件编码过程集成过程软件综合过程软件验证过程软件配置管理过程软件质量保证过程审定联络A级软件开发与验证〔DO-178C〕及CC安全需求严重性说明接受频率(发生的风险)系统开发安全等级高低灾难X<10-9LevelA危险10-9<X<10-7LevelB重要10-7<X<10-5LevelC次要X>10-3LevelD无无LevelE软件标准理论及软件验证问题Martin-LÖf类型理论：集合即是命题，也是问题描述；集合是一个标准说明Jean-RaymondAbrial的B方法在程序与证明之间存在着一种重要的差异。虽然程序和证明都是形式化的文本，但是在为证明提供了一个充分详尽的根底，总可以机械地检查这类证明的正确性。对程序就不可能做到这一点。TonyHoare大规模复杂软件验证的问题Verifiedsoftware:theories,tools,experiments(2005)Thelong-termvision(20~50).long-termfutureofreliableprogrammingonemillionlinesofverifiedcode赛灵思〔Xilinx〕预测未来10网络延时达ms级信息物理系统〔CyberPhysicalSystem〕应用将具有更广泛的前景。指令集指令数目MIPS171PowerPCE500335ARMv8446SPARC563标准ASIC/FPGA设计流程沈海华〔PPT〕原龙芯测试负责人主要内容知识与能力“知识是得到论证的真的信念〞,知识三个特征：被相信的、被证实的、真的柏拉图?泰阿泰德篇?“求知是人类的本性〞亚里斯多德?形而上学?能力〔百度百科〕能力

是完成一工程标或者任务所表达出来的素质。能力,就是指顺利完成某一活动所必需的主观条件。能力素质指在任务或情景中表现的一组行为。拥有知识就具有能力吗？工程教育认证“复杂工程问题〞特征毕业要求〔1/3〕1.工程知识：能够将数学、自然科学、工程根底和专业知识用于解决复杂工程问题。2.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的根本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。3.设计/开发解决方案：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元〔部件〕或工艺流程，并能够在设计环节中表达创新意识，考虑社会、健康、平安、法律、文化以及环境等因素。4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。毕业要求〔2/3〕毕业要求〔3/3〕9.个人和团队：能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。10.沟通：能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。11.工程管理：理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。12.终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应开展的能力。计算机专业知识体系知识体系按知识领域、知识单元和知识点组织。知识领域〔18〕、知识单元〔163〕、知识点〔1105,1618〕对于知识点，按了解、理解、实现及应用进行划分。教学方法了解：讲解历史理解：分析方法实现：综合方法应用：综合应用能力培养系统设计和实现能力综合应用所学知识解决实际问题能力2021ACM/IEEE课程体系〔18〕KnowledgeAreaCS2013Tier1CS2013Tier2CS2008CoreCC2001CoreAL-AlgorithmsandComplexity1993131AR-ArchitectureandOrganization0163636CN-ComputationalScience1000DS-DiscreteStructures3744343GV-GraphicsandVisualComputing2133HC-Human-ComputerInteraction4488IAS-SecurityandInformationAssurance26----IM-InformationManagement191110IS-IntelligentSystems0101010NC-NetworkingandCommunication371515OS-OperatingSystems4111818PBD-Platform-basedDevelopment00----PD-ParallelandDistributedComputing510----PL-ProgrammingLanguages8202121SDF-SoftwareDevelopmentFundamentals4204738SE-SoftwareEngineering6213131SF-SystemsFundamentals189----SP-SocialandProfessionalIssues1151616TotalCoreHours163142290280计算机专业课程关系问题核心课程先修课程计算机导论程序设计基础计算机导论离散结构数学分析或高等数学算法与数据结构高级语言程序设计、离散结构计算机组成基础计算机导论、数字逻辑计算机体系结构计算机组成基础操作系统算法与数据结构数据库系统原理算法与数据结构、离散数学编译原理程序设计、离散结构、算法与数据结构软件工程程序设计、算法与数据结构计算机图形学程序设计、离散数学计算机网络计算机导论、计算机组成、操作系统、算法与数据结构人工智能高级语言程序设计、离散结构数字逻辑计算机导论为什么离散数学的前导课程是数学？为什么数字逻辑课程前导课程是计算机导论？如何表达离散数学课程的根底性？计算机专业的根底问题逻辑是所有数学推理及其所有自动推理的根底。对于计算机的设计、系统标准说明、人工智能、计算机程序设计、程序设计语言以及计算机科学的其它许多领域，逻辑都有实际的应用。————KennethH.Rosen数理逻辑是离散数学的根底离散数学是计算机专业的根底主要内容方法论系统论观点贝塔朗菲提出“一般系统论〞系统作为研究对象，以及功能与结构关系。系统方法分析方法：给出系统输入和结构，求取系统输出综合方法：给出系统功能，构建系统结构。结构主义观点皮亚杰提出结构主义结构<S,R,F,C>整体性、转换、自身调整性三个语言环境观点李未提出对象语言、模型语言和元语言系统方法系统论系统、状态、环境行为：状态的序列功能：输入、输出及其关系结构：元素及其关系系统分析方法给定结构和输入，分析输出系统综合方法

给定输入和输出，综合结构系统验证方法给定结构，确定与功能符合系统能力与准那么系统论功能：输入、输出及其关系结构：元素及其关系系统分析能力给定结构和输入，分析输出系统综合能力

给定输入和输出，综合结构系统验证能力给定结构，确定与功能符合系统创新能力

设计新的功能与结构工业标准工程规模工程方法分析方法与综合方法分析方法给定系统结构S，对于输入Ik，分析输出Ok，即S+IkOkIk+OkSk综合方法对于所有输入I和输出O，有结构SI+OS综合结构难点构造S的方法？Ik+OkSkΣ〔Ik+OkSk〕S？分析与〔SI&SE〕方法设S是结构，I是输入，O是输出(1).分析：S+IN

ON(2).动机：I+O

S思想的一大步(3).启发：

从S0+I0

O0，到I0+O0

S0(4).SE方法(SynthesisofEngineering)(4.1).组件综合：Ik+Ok

Sk：k=0,1,…,mI0+O0

S0思想的一小步……Im+Om

Sm(4.2).结构综合计算一大步

Σ

(Ik+Ok

Sk)=Σ(Ik+Ok)

S∪Ik=I，∪Ok=O，∪Sk=？S探究工程综合方法SynthesisofEngineering工程综合方法〔1〕结构综合方法Σ〔Ik+OkSk〕S〔2〕组件综合方法对于所有输入Ik和输出Ok，给出相应的子结构Sk。〔Ik+OkSk〕k=1.2….,mSE方法应用于CPU设计编译系统操作系统从解决“复杂工程问题〞看系统能力培养计算机系统根底计算机组成〔数字逻辑〕操作系统编译系统数据库系统、计算机网络解决复杂工程问题的能力运用离散数学的原理，解决计算机系统工程问题运用计算机系统的工程原理，解决专业工程问题运用计算机专业的工程原理，解决领域工程问题运用计算机专业根底及工程原理，解决计算机系统的工程问题是系统能力培养的重要目标不能解决计算机系统工程问题，就难于解决专业工程问题，更难于解决领域工程问题主要内容思想理论与逻辑语言弗雷格思想理论思想是陈述句的含义思想有真假思想有结构思想通过语言来表达和传递存在判定思想同一性的标准思想影响人的意志自然语言符合逻辑语言在保持思想的情况下，自然语言变换为逻辑语言GottlobFrege1848-1925科学知识表达世界是由事实构成的?逻辑哲学论?事实是事物的性质，以及事物之间的关系?我们关于外间世界的知识-哲学上科学方法应用的一个领域?维特根斯坦罗素根据维特根斯坦和罗素的哲学思想，事实是表达事物的性质或表达一些事物之间的关系。世界由事实构成，而命题与事实对应，事实使一个命题为真或为假。最简单的事实称为原子事实，与原子事实对应的是原子命题。原子命题的真或假取决于它与相应的原子事实是否符合。符号化机械过程自然语言的命题符号化方法是机械式过程，无需理解具体概念的含义，仅仅将相同的客体、函数、性质或关系分别用相同符号表示。命题概念、运算、关系、定理命题由简单语句、联接词及量词构成。首先，识别出简单语句，而后，简单语句符号化。命题由符号化的简单命题形式和联接词及量词构成。命题就可以根据联接词及量词的含义，形成符号化的命题。极限的定义柯西：当属于一个变量的相继值无限地趋近某个固定值时，如果以这样一种方式告终，变量值同固定值之差小到我们希望的任意小，那么这个固定值就称为其他所有值的极限。维尔斯特拉斯：对于任意ε>0，存在δ>0，使得只要0<|x-x0|<δ，就有|f(x)-A|<ε。?微积分的历程—从牛顿到勒贝格?数学语言limxx0f(x)=Aε>0，δ>0，x(0<|x-x0|<δ：|f(x)-A|<ε逻辑语言ε(ε>0δ(δ>0x(|x-x0|<δ|f(x)-A|<ε)))希尔伯特证明论通过形式化第一次使证明本身成为数学研究对象。给出初始符号集合构造合式公式规那么Γ├Q的证明，构造出1~m个合式公式序列，其中，第m个合式公式是Q，并且1~m合式公式或者是前提或者是公理或者是推导规那么形式证明的正确性是可验证的。DavidHilbert1826-1943谓词逻辑公理系统(1)谓词逻辑语言：L=<{,},{},P,F,C>(2).公理集合：1).公理模式A1：Q(RQ)2).公理模式A2：(P(QR))((PQ)(PR))3).公理模式A3：(QR)(RQ)4).公理模式A4：xQ(x)Q(x)[x/t]其中，项t对于Q中的x是可代入的。5).公理模式A5：x(QR(x))(QxR(x))其中x不是Q中自由变元。(3).推理规那么1).别离规那么〔简称MP规那么〕：从Q和QR推出R。2).全称概括〔简称UG规那么〕：从Q(x)推出(xQ)。理论及其证明形式语言L理论Th〔逻辑公理和专用公理〕推导规那么〔别离规那么和概括规那么〕证明Γ├Q证明序列A1=α1A2=α2…An=αn其中，αn=Q，每个αk满足以下条件之一：(1).αk是公理；(2).αkΓ;(3)别离规那么：对于i<j<k≤n，Aj=αj和Ai=αjαk，有Ak=αk;(4)概括规那么：有j<i，使Ai=xAj。逻辑表达与证明能力逻辑表达能力自然语言标准称述的命题符号化为逻辑命题。命题：概念、运算、关系、定理逻辑证明能力构建理论形式证明形式验证如何能够具有逻辑表达与证明能力？主要内容核心课程教学体系物理根底组合逻辑：与门、或门、非门时序逻辑：D触发器存贮单元：SRAM、DRAM命题逻辑是数字逻辑根底概念与逻辑表达式数字逻辑部件功能用真值表表达功能：输入与输出之间的关系。结构：实现功能的逻辑表达式。逻辑结构的一般构建方法：给定功能真值表命题逻辑方法求出〔、、〕逻辑范式构建逻辑部件〔非门、与门、或门、存放器〕Verilog等软件实现功能的逻辑表达式一般方法假设xi,j=1，那么x'i,j=xk，假设xi,j=0，那么x'i,j=xi,j假设yk=1，k=0,…,n，那么yk=x'm-1,k…x'0,ky=y0…yn功能可以用真值表表达所有逻辑运算都可以表达为,,,的运算。x0…xk…xm-1y000000……………………k100101…………………2m-11…111…3线—8线译码器功能表〔因变量关系〕译码是的输入是一个二进制数X，用Xn-1,…,X1,X0表示，输出是二进制数2n-1，用Y2**n-1,…,Y1,Y0表示。输入输出X2X1X0Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y00000000000100100000010010000001000110000100010000010000101001000001100100000011110000000Y0=

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X2

X1

X0一般性方法求逻辑表达式32位译码器Verilog程序多路选择器〔5选1〕多路选择器是一种多路数据输入并且一路数据输出的逻辑部件输入输出C2C1C0akbkckdkekyk000D0k××××D0k001×D1k×××D1k010××D2k××D2k011×××D3k×D3k1000×××D4kD4kz0=

C2

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ak一般性方法求逻辑表达式多路选择器Verilog程序数字逻辑是计算机组成的根底传统教学方法—图式分析法原理性教学方法是一种重要的方法，通常采用分析式方法实现。这种方法给出系统的结构，通过给定的输入，分析输出效果。在指令系统教学中，给出一个比较复杂一点的CPU数据通路。学生能够从整体观察CPU结构，并且了解指令执行周期及执行过程。了解主要数字逻辑部件等；了解数字逻辑部件之间关系；了解典型指令如何在CPU上运行，分析每条指令执行效果。分析方法不能给出结构设计方法百余条指令图方法设计如何保证正确性？π的启示：图直观性与表达式精确性莱布尼茨(1646—1716)提出π的表达式当取10000000项，π/4=0.7853981634的前八位保持一致。逻辑是根底的信念用形式逻辑的方法可以容易看出，存在某种[指令集]在理论上足以控制和执行任意顺序的操作……从当前的观点出发，选择一个[指令集]时考虑的更多更实际的问题是：[指令集]要求的设备简单性，在实际重要的问题中有明确应用和解决该类问题的速度。——Burks,Goldstine&vonNeumann,1947探究逻辑与集合表达CPU结构——表达式方法CPU结构模型用结构模型方法构建MIPS指令集的CPU模型CPU结构模型<S,F,R,C>S：数字逻辑部件、多路选择器及控制部件F：数字逻辑部件功能及控制信号逻辑公式R：数据通路C：P0~P4通过关系集合和逻辑方法多路选择器的关系集合多路选择器控制信号逻辑表达式存放器控制信号逻辑表达式软件框架：Verilog代码生成理解指令及操作语义加法指令addrd,rs,rt指令格式3126252120161511106500rsrtrd00x20000000rsrtrd00000100000操作语义temp32..0

←(GPR[rs]31||GPR[rs]31..0)+(GPR[rt]31||GPR[rt]31..0)iftemp32

≠temp31thenSignalException(IntegerOverflow)else