计算机语言的发展史-计算机导论论.doc

计算机导论 论文主题：“计算机语言的发展史”姓名：兰天阳 专业：计算机科学与技术年级：2015级班级：2班学号：2015404052121. 计算机仿真发展历史仿真模拟方法可以追溯到1773年，法国科学家用仿真模拟的方法做物理实验，然而，第一个用这种方法做随机试验的人也许是美国统计学家E.L De forest，那是在1876年。比较早而且著名的蒙特卡罗方法使用者是W.S.Gosseet。他在1908年以”Student”为笔名发表论文时，使用了蒙特卡罗方法来证明他的t分步法；尽管蒙特卡罗法起源于1876年，但是直到约75年后，它才命名为蒙特卡罗法。其原因是直到数字计算机出现以前，这种方法在许多重要问题上不能运用。从1946年到1952年数字计算机在一些科研机构得到发展。与今天的计算机相比，早期的计算机预算速度慢且不能存储任何东西。现在可并行计算机已成主流。自计算机诞生以来，性能的提高，几乎是每四五年提高100倍，每十年提高1万倍的速度持续发展着。高性能计算机的出现为计算机仿真的发展创造了条件，同时计算机仿真的需求又促进了高性能的计算机的发展。计算机仿真的发展历史就是计算机的发展历史。巨型机几乎都被用于模拟实验。总之，计算机模拟实验已经不单单是一个方便的研究手段，它已经成为发现新世纪的新的认知手段，而且这个新世纪是没有这个新手段就不能发现的。如今计算机仿真技术被广泛用于众多的领域之中。进入21世纪，仿真模拟技术在高科技中所处的地位日益提高。一些发达国家，非常重视仿真模拟技术的开发运用，在科学研究领域、工业、交通、军事、教育等领域得到大量应用。 2. 仿真的定义和分类2.1仿真定义计算机仿真技术是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。仿真是在数字计算机上进行实验的数字化技术，它包括数字与逻辑模型的某些模式，这些模型描述某一事件和经济系统，在若干周期内的特征。系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助于专家经验知识、统计数据和信息资料对实验结果进行分析研究，进而作出决策的一门综合性的和试验性的学科。2.2仿真分类根据被研究系统的特征可分为来那个大类：系统仿真可分为连续性系统仿真和离散事件系统仿真。按仿真实验中的所取的时间标尺与自然时间标尺之间的关系可将仿真分为实时仿真和非实时仿真两大类。按照参与仿真的模型的种类不同，系统仿真又可以分为物理仿真、数学仿真及物理-数学仿真。从仿真的定义不难看出，要进行仿真实验，系统和系统模型是主要因素，同时对复杂系统的模型处理和模型求解离不开高性能的信息处理装置，而现代的计算机又责无旁贷地充当了这一角色，所以系统仿真应该包括三个基本要素：系统、系统模型、计算机。而联系这三项要素的基本活动是模型建立、仿真模型建立和仿真实验；定义中的模型可以使定量的，也可以是定性的；可以是物理的，也可以是数学的，或者是他们的综合。要对某一系统进行研究，其“白色”部分，可以建立定量的解释模型；灰色“部分”可以通过做实验、观测和归纳推理获得其模型结构，并根据专家经验知识来辨别参数；而对于“黑色”部分则只能借助与各种信息知识给予定性描述。2.2.1 物理仿真物理仿真又称为物理效应仿真，是指按照实际的物理学系统性质，构造系统的物理模型，并在物理模型时进行实验研究。物理仿真直观形象，逼真度高，但不如数学仿真方便，尽管不必采用昂贵的原型系统，但在某些情况下构造一套物理模型也需要花较大的投资，且周期较长，此外在物理建模上做实验不易修改系统的结果和参数。2.2.2 数学仿真数学仿真是首先建立系统的数学模型，并肩数学模型转化为仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代数学仿真有仿真系统的软件及硬件环境、动画与图形显示、输出与输出等设备组成。数学仿真在系统分析与设计阶段是十分重要的，通过它可以检测理论设计的正确性与合理性。数学仿真有经济性、灵活性和仿真模型通用性等特点，今后随着并行处理技术、集成化软件技术、图形技术、人工智能技术、先进的交互式建模和仿真软件的发展，数字仿真必将获得飞速发展。2.2.3 数学-物理仿真数学-物理仿真有叫半实物仿真，准确称谓是硬件在回路中的仿真。这种仿真将系统的部分以数学模型描述，并将它转化为仿真计算模型；另一部分以实物引入仿真回路。该仿真有一下特点：（1） 原系统的若干子系统或部件很难建立准确的数学模型，再加上各种难以实现的非线性因素和随机因素的影响，使得进行纯数学仿真很难进行或难以取得理想效果。在半实物仿真中将不易建模的部分用以实物代之参与仿真试验，可避免建模的困难。（2） 利用半实物建模可检验系统建模的正确性和数学仿真结果的准确性。（3） 利用半实物仿真可以检验构成真实系统的某些食物部件乃至整个系统的性能指标及可靠性，准确调整系统的性能指标，准确调整系统的参数和控制规律。在航空航天、武器系统的研究领域，半实物仿真是不可少的重要手段。3 需求牵引 技术推动3.1 相互推动计算机技术作为一个独立的研究领域已有多年的历史，计算机仿真技术随着计算机科学技术的飞速发展，除了本身日趋成熟，并且或得了广泛运用外，目前正面临挑战。 “需求牵引、技术推动“是促使计算机仿真技术在近年内去得飞速发展的重要。计算机仿真的形成是当代科学技术飞速发展的结果。计算机仿真技术首先可以以高效地处理科学数据和解释科学数据。其次，计算机仿真技术丰富了信息交流手段。计算机仿真技术的形成推动工业发展、提高工业竞争能力的需要。3.2 仿真计算机仿真计算机是指运行仿真对象模型的计算机，根据仿真应用的需求，仿真机可以用通用计算机，也可以设计专用的仿真计算机。从满足仿真应用领域的要求以及数字仿真机自身发展的规律，仿真机发展主要集中在三各方面。（1） 满足实时的纯数字仿真和半实物仿真需求的高性能数字仿真机。高性能主要突出在处理速度和实物接口方面。（2） 满足多系统综合仿真需求的分布集群式网络方针及系统。（3） 满足包括人参与仿真需求的虚拟仿真计算机系统。3.3 人工智能计算机一个国际研究小组研制成功了世界上首台“人工智能计算机”。这种计算机不仅能从事实验，还能设计研究项目，并对研究结果进行分析。这个研制项目的成功被认为是人工只能领域的一项重大突破。在人工智能领域，计算机的智慧与开发这种计算机的人的智慧不相上下。这是第一次有人将一种全新的系统同机器人结合在一起，这种机器人能在实验室里对实验进行操作，这种能力用更加广泛的应用。4.仿真软件4.1 仿真软件的应用和定义仿真建模软件系统，是为科研人员进行仿真实验提供支持的系统。如果在计算机上进行仿真实验必做一场军事演习，那么科研人员就是这场军事演习的指挥官，仿真建模系统则为这场演习提供场地和手段。他能为指挥官加工信息、预计结果和进行辅助决策。其用途非常广泛，经济价值极高。仿真软件是一项面向仿真用途的专用软件，他的特点是面向用户、面向问题。仿真软件一般是由模型和描述语言、翻译程序、使用程序、算法库、函数库、模型库、运行控制程序等组成。应具有建模、运行控制、结果处理以及相关的数据库等组成。4.2 仿真软件的构成仿真软件包括仿真程序和仿真语言，其中仿真程序是仿真软件的初级形式，是仿真软件的基本组成成分。仿真程序用于某些特定问题的仿真，可提供许多算法；仿真语言则为用户提供更多的仿真语言，适用于不同领域的多系统的仿真。仿真程序与仿真语言比较如下： 表4.1 仿真工具比较性能仿真程序仿真语言通用性差好编程难易程度困难方便功能弱强程序灵活性差好对存储容量要求低较高程序执行时间短较长4.2.1 仿真程序仿真程序分为三部分：主程序，功能程序块和基本子程序。仿真程序主要特点：（1） 仿真程序对计算机的硬件要求较低。（2） 被仿真的问题千差万别，难以用一种通用的仿真软件完全解决仿真问题，而各种仿真程序则可通过对其实当的修改和一定得扩充更好地给与解决，。（3） 仿真程序使用简单，使用者只需输入系统模型及参数即可，并能选择多种积分算法。几种广泛应用的仿真程序有CSS1.面相结构的CCS2及CCS3,以及处理偏微分方程的PDEL,LEANS-3等。 表4.2 连续系统仿真语言一览表年份语言说明1967CSMP/360 CSMP3面向方程的编译器1967DSL 1130/1180第一个强大仿真语言1967第一个交互式语言1968MIMICCSSL语言1969CSSL3CSSL67标准语言1970SL1实时处理1972CSSL4第一个强大仿真语言1972CSMP3高效图形表达功能1973HL-1混合系统仿真语言1975SIMMON较好的交互特性1975ASCL商业性仿真语言1975DARE-P试图分离建模试验1976DARE/ELEVEN面向方程和框图建模1980DESIREULTRA 快速编译器1981推荐新的CSSL811983ISIM用于8位微机1983STARTAN混合计算机仿真语言1984ADSIM/PARSIM专用计算机仿真语言1984ESL/SYSMOD/COSMOS新型仿真语言4.2.2 仿真语言数字仿真语言是现代仿真工具，因其相对简单而广泛应用。（1） 根据建模过程和系统特性的使用性，仿真语言可分为以下两种，通用仿真语言和专用仿真语言。（2） 根据微分方程类型，可分为常微分方程系统仿真语言和偏微分方程。（3） 还可分为解释性仿真语言和编译型仿真语言。 表4.3 仿真语言分类动力学系统离散事件系统常微分方程偏微分方程差分方程面向实体面向过程面向事件面向活动DSL/90FORSIMDYNAMOGPSSSIMUALSIMSCRIPCLSMIMICPDELBOSSSOLGASPELPCSMPQGERTSIMLIBCSSLDARE-PADSIMADSIMYFSIMYFSIM几年来，以仿真语言为基础，在实际的需求牵引下，仿真语言取得了巨大发展，仿真软件走过了程序设计语言、仿真程序包、商品化仿真语言、一体化建模与仿真环境阶段，正向智能化建模与仿真环境和支持分布交互高仿真的综合仿真环境方向发展，特别是相同性方向发展4.3 仿真软件的现在在应用需求的推动下，仿真软件充分吸收了方针方法学、计算机、网络、图形、多媒体、软件工程、系统工程、自动控制、人工智能等技术的新成果，从而取得了较大的发展。（1） 仿真软件在航空、航天领域发挥得淋漓尽致 航空航天是最早应用仿真软件的几个传统领域之一，是仿真软件的摇篮，正是有了航空、航天领域的巨大的需求，才引发仿真软件的飞速发展。一些院校和科研机构以航天、航空领域的具体应用背景，开发了大量的仿真软件，这些软件有的以具体型号任务为依托，有的是以具体型号应用为支撑，他们在整个航天、航空领域发挥的淋漓尽致，为国家的建设做出了重大贡献。卫星的上天、火箭的升空、特别是近年来神舟系列的飞船胜利发射，无不演绎着仿真软件在这些领域的辉煌。（2） 仿真软件在兵器、船舶领域的应用继续深化近年来，出现了针对船舶的仿真软件，这些软件可以对商船、舰艇、内河船舶、渔船以及高速船进行仿真。武汉交通科技大学研制的船舶型仿真软件，对于船舶人员的设计分析，修改及优化发挥了重要的作用。西北工大和海军航空工程学院研制了水下自动化航行器仿真系统软件，用于海洋环境下对水下自动航行器的训练使用和性能分析；特别是江苏自动化所在引进和改造的基础上，研制了船舶领域的武器系统集成仿真环境。（3） 仿真软件在电子、电力领域的应用如火如荼在电子电工仿真上，出现了大量的仿真软件，其中ORCAD更具有优势。在电路仿真方面PSPIC独具特色，他一图形方式输入，自动捡行电路，生成网表，模拟和计算的功能，不仅可以对模拟电子电路进行不同的输入状态看的时间响应、频率响应、噪声和其他性能的分析优化，以使设计电路达到最佳的性能指标。Intusoft 公司开发的ICAP是电子电路通用软件，编程简单直观，无需建立电路方程求解，可以直接按电路的脱坡结构建立仿真模型。清华大学研制的图形化建模系统是为韩国用户开发的一体化仿真环境，他能支撑从模型建立到模型验证的整个过程。（4） 仿真软件在通信领域取得了广泛的应用随着通信网络的日益复杂和计算机硬件能力的提高，通用网络分析软件在网络设计、优化、评估中越来越重要。目前，比较优秀的通信网络有MIL3公司开发的OPENT，Cadence Design System 公司开发的Bones.OPENT是目前公认的最优通信网络、设施、协议的仿真及建模工具，它面向对象的建模方式和图形化的编辑器能够真实地反映实际网络，系统可以直接映射到模型上。他无语伦比的灵活性使得他几乎能够支持所有类型的网络和网络技术。（5） 仿真软件在化工领域的应用日趋成熟仿真软件在化工领域的应用日趋成熟。大庆石油学院开发了油田注水系统生产过程仿真软件，金陵石化开发了芳烃提取分离装置的建模，北京化工大学化工过程动态软件；中南大学研制成了铝电解槽槽膛形仿真软件。（6） 仿真软件在建筑方面的应用已经全面展开仿真软件在建筑方面，特别是建筑节能方面及暖通空调方面出现了一些列的仿真软件。整体系统软件有现有商业建筑的能量性能分析软件，商业建筑中的复杂系统能量效率分析软件，基于民用的建筑能量软件，负荷、能耗分析软件，建筑外围结构软件，二维及三维静态及动态热湿传递仿真软件.5仿真的实现 仿真技术研究的主要课题是建模/仿真方法学、仿真计算机和仿真软件。对实际系统的仿真过程是一个不断发展和完善的过程，一般可分为以下几步：如图所示：（1） 问题的提出。（2） 模型的建立。根据所提出问题的描述，把系统抽象为数学上的逻辑关系。（3） 数据需求。数据的标示、定义和收集。（4） 模型转换。用文字、图形、流程表示的逻辑关系转换为计算机的仿真语句序列。（5） 论证和计划。建立仿真模型和实际系统之间的关系，并为使用的模型建立试验条件。（6） 试验。执行仿真模型，输出实验结果，输出实验结果，包裹数据、表格和图形。（7） 分析结果。分析仿真输出结果，求得解决问题的途径。（8） 修改和完善模型。根据结果，修改和完善模型，反复试验，直到取得满意的结果。（9） 实施和文档。根据结果进行决策，进行实施，并记载他的模型和使用情况。（10） 系统维护。使用模型和仿真结果，形成产品和维护。6 计算机仿真的基本理论计算机仿真是由系统工程、现代数学方法和计算机技术相结合的新型学科。计算机仿真是一种科学方法，科学研究通常有三种途径：理论推导、科学实验和仿真模拟。计算机与数学学科的相互作用促进了进算计技术的发展。在本质上数学是计算机的灵魂。在计算机仿真技术中引入人工智能技术，能够优化系统，做到有优化机制自动修改系统参数，并启动仿真模块，最终获得最优解，但在离散事件系统仿真重这种机制还处于研究阶段。新技术的研究开发、利用，大大提高计算机的仿真软件的功能与性能，解决计算机仿真系统开发的软件瓶颈问题。随着以智能化、集成化、自动化、并行化、开放化以及自然化、为标志的计算机仿真软件新技术的深入研究、开发、利用，不仅是仿真软件的功能与性能迅速提高，而且有可能从根本上解决仿真软件生产率低下的问题。结合软件工程实践，探讨软件理论，有可能从理论弄清楚软件开发的复杂度，进而采取有效的测试进行控制，从理论与实践两方面解决计算机仿真系统开发的软件瓶颈问题。7 计算机仿真技术的支撑技术计算机仿真技术的支撑技术主要有分布式计算机仿真技术、协同式计算机仿真技术、沉浸式计算机仿真技术、基于网络的环境计算机仿真技术。计算机仿真技术分布式，既是由于数据分布的需要，也是应用分布式计算环境进行并行计算，以达到实时显示目的的重要手段，分布式计算平台有互联网的异构机组成，包括高性能的SMP和DSM多处理器、工作站/PC机机群系统。来自不同地区、不同学科的学者过去式通过出差或开会等方式进行交流的，现在，随着高速网络投入使用，采用多媒体技术支持下是、的CSCW技术可以达到快捷、高效协同工作的目的。计算机仿真技术采用传统上为虚拟环境所装用的投影式显示设备，标志着这两个研究方向融合的发展趋势。由于沉浸式显示设备能使用户获得临场感，更有利于用户获得对数据的直观感受，有助于结果的分析。8 仿真系统的作用和意义随着军事和科学技术的迅猛发展，仿真已成各种复杂系统研制工作的一种比不可少的手段。尤其是在航空航天领域，仿真即使已是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段。在研制、坚定、和定形全过程必须全面的应用先进的仿真技术。否则，任何新型的、先进的飞行器和运载工具的研制都将是不可能的。9 计算机仿真技术的应用9.1 计算机仿真技术在汽车工业中的应用德国计算机图形学研究所在1995年建立了大屏幕投影式显示设备和整套的虚拟环境，完成了汽车外形空气动力学的计算及流场动态显示。面包车整体模型的立体显示，不仅可以仔细观察车体的外形，还可以进入车厢内体车陈内的装饰。BWM公司开发的安装汽车车门的系统，通过计算机技术安装培训工安装复杂的车门，有动态车门给出使用何种工具，把握工具的正确方位，零件的正确插入方法等，十分逼真。9.2 计算机仿真技术在医学中的应用德国计算机图形学研究正处于一项欧洲共同体项目，研究放射治疗的实时仿真，包括肿瘤的快速重建、定位、放射剂量的仿真计算、人体定位、找出最佳辐照方位等。9.3 计算机仿真与虚拟环境相结合应用与娱乐方面德国计算机图形学研究所在5面CAVE中对在葡萄牙首都举办的世界博览会时的仿真。其中有目前世界上最大的水族馆，发包括整个建筑群及周边环境，以及馆内各类生动的活泼、色彩斑斓、的鱼群，观众仿佛置身与海底世界的水草之中，鱼群就在身边游动，十分逼真。计算机仿真技术与虚拟环境相结合进一步拓宽了应用领域。9.4 计算机仿真技术在军事的应用计算机仿真技术在军事的应用是很广泛的，如运用交战模型进行的计算机仿真，新型武器装备发展过程中的仿真、部队作战训练方面的仿真、高层论证和规划计划中的仿真、军事作战理论和学术研究中的仿真、作战指挥和战争计划中的仿真，以及战后后勤保障的仿真等。 我相信，将计算机科学与技术设置为一门学科，是符合时代要求、紧跟时代脚步的做法。国家的重视，大学的教育，同学的努力。都会使我国计算机产业的到更迅速和良好的发展，只要加强教育力度，提高创新意识，中国计算机的有一高速发展时期必然快速到来，中国乃至世界计算机技术将会得到有一突破性发展。所以，作为计算机专业的一名学生，我们更要有自信，相信自己的未来必将充满希望。以计算机科学为发展方向，不断提高自己，完善自己的我们，相信世界因计算机而改变，世界因我们改变。