C语言程序设计基础（01）—— 计算机与程序设计基础

写在前面
　　我刚上大学的时候，学的第一门计算机编程语言就是 Ｃ语言，当时觉得这仿佛是天书，毕竟脑子里只有中学数学课上那点简单的流程图和VB概念，但是随着多年的练习和开发使用，我渐渐地开始掌握并喜欢上了这门语言，并且也开始学习C++、C#、JAVA等其它编程语言。不得不说，C语言的学习为我打下了良好的编程基础，同样也让我越来越清晰地认识到自己的不足。如今时代呈现指数式发展，尤其在IT等行业， 必须保证自己永远在学习新的知识技能，否则迎接你的就是淘汰。
　　大一课堂使用的课本是《C语言程序设计（第2版）》（姚琳 主编，屈微 副主编），虽然课本上也有一些小的瑕疵，但掩盖不了它开蒙启智的光辉。搬砖之余，在这里整理回顾下C语言的基础知识，感谢当年老师细致入微的指导，帮助我们解决了程序上数不尽的bug，为我们打下了良好的编程基础。

一、计算机组成及基本原理

计算机系统构成：

• 硬件系统
  • 主机
    • 内存储器（内存）
    • 中央处理器（CPU，Central Processing Unit）
      • 运算器
      • 控制器
  • 外部设备（外设）
    • 输入输出设备
    • 外存储器（外存）
• 软件系统
  • 应用软件
  • 系统软件
    • 操作系统
    • 语言处理程序
    • 服务程序

完整的计算机系统包含两个部分：硬件系统、软件系统。二者相辅相成，仿佛躯体和灵魂不可分割。

1、计算机硬件系统

（1）概念
　　组成计算机的各种电磁、机械部件和设备装置的总称，硬件（Hard ware） 系统是计算机实现自动控制和运算的物质基础。
　　
（2）冯·诺依曼结构
　　组成：运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备。
　　特点：程序和数据以二进制形式存在存储器中，在控制器的指挥下，自动从存储器中取指令并执行。¹

• 运算器
  　　对数据进行处理和运算。基本操作：算术运算、逻辑运算。
  　　包括算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）和寄存器。
• 存储器
  　　用来存储程序和数据。由许多存储单元组成，每个单元有自己的地址，可根据地址找到所需数据和程序。
  　　分为两类：
  　　①内存储器（主存储器）：存储当前要执行的程序和数据以及中间结果和最终结果。
  　　②外存储器（辅助存储器）：长期存储大量暂时不参与运算的数据和程序以及运算结果。
• 控制器
  　　指挥计算机各部件协调工作。控制：将输入设备输入的程序和数据存入存储器，按照程序要求指挥运算器进行运算处理并把结果再存入存储器中，最后将结果传给输出设备。
  　　主要组成部分：
  　　①程序计数器（PC，Program Counter）：存放当前要执行的指令地址，有自动加1的功能。
  　　②指令寄存器（IR，Instruction Register）：存放当前要执行的指令代码。
  　　③指令译码器（ID，Instruction Decoder）：识别IR中指令的性质和操作。
  　　④操作控制器（Operation Controller）：根据ID的译码，产生实现该指令全部动作的控制信号。
• 输入设备
  　　将用户的程序、数据和命令输入到计算机内存的设备。标准输入设备是键盘。其它常用输入设备：鼠标、扫描仪、语音输入设备、手写识别输入设备等。
• 输出设备
  　　显示、打印或保存计算机运算和处理结果。标准输出设备是显示器。其它常用输出设备：打印机、绘图仪、数据投影设备（投影仪）等。

2、计算机软件系统

（1）概念
　　软件（Software） 是计算机系统中各类程序、有关文档以及所需要的数据的总称。
　　程序：为了解决某一问题而设计的一系列指令或语句的集合。只是软件的一部分。
　　源程序（Source Program）：用户为解决自己的问题编制的程序。
　　计算机指令：用来控制计算机、告诉计算机进行怎样操作的命令。
　　
（2）两大分类

• 系统软件
  　　用来管理、维护计算机及协调计算机内部更有效工作。
  　①操作系统（核心软件）
  　　对计算机系统进行控制和管理的大型软件。
  　　操作系统的基本任务：
  　　　　1）管理好计算机的全部资源（包括CPU、存储器、程序、数据、各种外设）；
  　　　　2）担任用户与计算机之间的接口。
  　　操作系统的主要功能：
  　　　　CPU管理、存储管理、文件管理、设备管理、作业管理。
  　②语言处理程序
  　③服务性程序

• 应用软件
  　　为某个具体应用开发的软件。如文字处理软件、杀毒软件、财务软件、图形软件、工具软件、游戏程序等。

（3）计算机语言的发展
　　人类的语言一般称为自然语言。人为了让计算机完成某种任务而需要的语言就是计算机语言。机器语言是计算机语言发展的原点，高级程序设计语言是计算机语言发展的重要阶段。C语言是高级程序设计语言中的经典，是深入掌握其他程序设计语言的基础。

• 机器语言
  　　指令通常包含两个部分
  　　　　①操作码（Operation Code）：表示计算机执行什么操作
  　　　　②操作数（Operand）：表示参加操作的数的本身或所在地址
  　　计算机发展的初期，用指令的机器码（Machine Code）也就是用0和1组成的二进制代码形式来编写源程序。
  　　是计算机能唯一识别和可直接执行的语言，被称为“面向机器的语言”。它占用内存少，执行速度快效率高，无须“翻译”。但编写麻烦，无通用性。
• 汇编语言
  　　通常用由指令功能英文单词缩写形成的 助记符（Mnemonic） 代替操作码，用 符号（Symbol） 表示操作数。
  　　对于机器，必须用汇编程序将汇编语言源程序（.ASM）翻译成机器语言程序即目标程序（.OBJ），然后用连接程序将目标程序连接成可执行程序（.EXE）。
  　　汇编语言同样具有很差的通用性，也属于“面向机器的语言”。
• 高级语言（算法语言）
  　　特点是和人类的自然语言（英语）及数学语言比较接近，与硬件无关，无须熟悉计算机的指令系统。
  　　分类：
  　　　　面向过程　的高级语言：BASIC、FORTRAN、Pascal、C等。
  　　　　面向对象　的高级语言：C++、JAVA等。
  　　高级语言的翻译方式：
  　　　　编译方式： 先通过编译程序将高级语言源程序（.C和.PAS等）编译成目标程序（.OBJ），翻译过程中进行语法检查，如果有错将给出错误信息，无错才形成二进制的目标程序；然后通过连接程序进行连接和定位，生成可执行程序文件（.EXE）。类似于笔译。
  　　　　解释方式： 通过解释程序，对源程序（.BAS）解释一条语句便执行一条语句，若发现错误便给出错误信息并停止解释和执行，无错便解释执行到最后。不生成目标文件和可执行文件，重复运行程序需重新翻译。效率低，执行速度慢，但便于人机对话。类似于口译。

3、计算机工作原理

冯·诺依曼结构计算机的工作原理最重要之处是“存储原理”，要先把编好的程序输入存储器中存储起来，然后依次取出指令执行。
　　每条指令的执行过程分为3个基本操作：
　　①取出指令：从存储器某个地址中取要执行的指令；
　　②分析指令：送指令译码器进行译码；
　　③执行指令：向各个部件发送控制操作，完成指令要求。

二、程序设计基础

1、程序设计风格

风格会影响软件的质量和可维护性。好的程序设计风格可以使程序结构清晰合理，使代码便于维护。考虑因素如下。
　　
（1）源程序文档化
　　标志符命名： 见名知义。
　　程序注释信息：
　　　　序言性注释：位于程序开头，包括标题、程序主要功能、主要算法、作者等。
　　　　功能性注释：位于程序中间，描述变量含义、语句作用等。
　　视觉组织： 程序清晰，便于阅读，使用空格、空行、缩进技巧。
　　
（2）数据说明方法
　　数据说明应注意次序规范化。例如多个变量按照字母顺序排列，使用注释来说明复杂数据的结构等。
　　
（3）语句构造
　　当不考虑效率时，程序编写应清晰第一，效率第二。
　　
（4）输入输出
　　输入输出方式和格式应尽可能方便用户使用。

2、结构化程序设计（structured programming）

以模块化设计为中心，基本原则是：采用自顶向下、逐步细化的方法进行设计，采用模块化原则和方法进行设计，限制使用goto语句。主要特点是：程序易于理解、使用和维护，提高了编程工作效率，降低了软件开发成本。

程序化设计的基本结构：
（1）顺序结构
　　最基本做常用的结构，按照书写顺序依次执行语句。
（2）选择结构（分支结构）
　　按照给定条件判断选择执行相应的语句序列，可改变程序的执行流程。
（3）循环结构（重复结构）
　　通过循环控制条件来决定是否重复执行相同的语句序列。包括当型循环和直到型循环。
　　由三部分构成
　　①初始化部分：为循环作准备，如为循环变量赋初值，往往位于循环语句前面。
　　②循环控制部分：循环控制的条件。
　　③循环体部分：循环工作的重复部分。

三、C语言程序基本结构和开发过程

1、C语言程序的基本结构

C语言程序的几点说明：
（1）以函数作为模块单位，有且仅有一个main()函数即主函数，总是从main函数开始执行，在main函数中结束。
（2）C函数模块分为两大部分
　　①函数说明部分（函数首部）：包括函数类型、函数名、函数参数。
　　②函数体部分：用左“{”表示开始，用右“}”表示结束。
（3）语句分为说明性语句和可执行语句。每条语句必须以分号“；”结束，但书写格式自由，一行可以写多条语句，一条语句也可以占多行。
（4）编译预处理命令不是C语言语句，不能用分号结束，并且需要单独一行
（5）任何位置都可以用/**/进行注释，可以用英文或者中文进行注释，但建议使用英文注释，因为不同的开发环境使用的编码格式不同时，中文易导致乱码。

#include           /*编译预处理命令*/

/***** 主函数 *****/
void main(void)             /*函数首部*/
{                           /*函数体开始*/
    int r;                  /*说明性语句*/
    float area;
    
    r = 2;                  /*可执行语句*/
    area = 3.14*r*r;
    
    printf("%f\n", area);
}                           /*函数体结束*/

2、C语言程序开发过程

即：编辑、编译、连接、运行、调试。
　　
（1）源程序的编辑
　　使用文本编辑器（Editor）编写扩展名为.C的C语言源程序，实质是文本文件，可用任何文本编辑器来建立。
　　
（2）源程序的编译
　　使用编译系统（编译器）对源程序文件进行编译。若没有语法错误，则生成目标程序文件（.OBJ），有错会给出错误信息提示。两类错误：
　　①语法错误（Error）：必须修改源文件的错误代码，否则无法生成目标程序文件。
　　②警告错误（Warning）：系统按照缺省处理方式生成目标程序文件，但不一定符合作者预期。
　　
（3）目标程序文件的连接
　　利用连接器将一个或多个目标程序文件与库文件连接，生成可执行文件（.EXE），若找不到所需连接信息，会给出错误提示，不生成.EXE文件。
　　
（4）可执行文件的运行
　　可执行文件可以直接运行。在集成开发环境（IDE，Integrated Development Environment）下，可以方便地进行代码的运行和调试。也可不使用IDE，在Windows系统中，可直接在命令提示符中键入文件名来运行可执行文件。

（5）可执行文件的调试
　　若.EXE文件运行异常，得不到正确结果，则要返回源程序进行修改。

3、程序开发环境

集成开发环境IDE
　　初学的比较经典的C语言集成开发环境有Microsoft Visual C++（简称VC++）和Microsoft Visual Studio（简称VS），前者是后者这个完整开发工具集中的针对C类语言的开发环境。在学校用的是 VC++ 6.0 和 VS 2012 这两个版本。个人目前做嵌入式开发比较多，嵌入式Ｃ语言工程多结合具体的硬件设备开发，不同的产品可能有不同的IDE，比如经典的 ICCAVR、IAR、Keil、CodeWarrior 等。

关于编辑器
　　最近常用两款编辑器，一个是很火的Visual Studio Code，微软推出的跨平台、多语言文件格式、轻量级代码编辑器。一个是由Scitools发行的Understand，具有很强大的代码编辑跟踪和静态分析能力，而且界面非常方便友好，堪称神器。另外一些简单代码也会拿Windows记事本或者Notepad++直接撸，不得不说程序猿的工具还是相当多而且很人性的！

THE END

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1. 控制流可由控制器指向其余四个部分，但是运算器的数据只能跟存储器交换，控制器从存储器中取数据，也就是控制器与运算器之间没有直接的数据流，但有控制流。 ↩︎