美国＜91教程＞介绍，计算科学的九个分支领域

2.1.2　美国＜91教程＞介绍

1991年，美国的ACM和IEEE联合攻关组，进行了大量的调查和需求分析，对作为学科的计算科学作了详尽的描述；制订了计算科学＜91教程＞。

1．计算科学

计算科学处于数学、科学和工程之交，因而其主要学科形态包含：理论、抽象或模型化、设计。

理论基于数学，其特征是将研究对象特征化（定义）；假设它们之间可能的关系（定理）；判定这些关系是否正确（证明）；解释结果。

抽象或模型化基于实验科学。其特征是形成假设，构造模型并作出预言；设计实验并收集数据，分析结果。

设计基于工程，其特征是传述要求，给定技术条件，设计并实现该系统；测试该系统。

当出现错误时，应反复进行上述过程。

计算机科学是对描述和变换信息的算法过程的系统研究，包括理论、分析、设计、有效性、实现和应用。全部计算科学的基本问题是：什么能（有效地）自动进行？

计算科学包含了该学科的理论和抽象，计算机工程包含了抽象（模型化）和设计。

2．计算科学的9个分支领域

（1）算法和数据结构

研究特定类型问题及它们有效的解决方案。基本问题包括：对给定类型的问题为最佳算法、所要求的时空表示法、存取数据的最佳方法、最好算法的最坏情况、算法运行的平均程度、算法的一般化程度怎样等。

（2）程序设计语言

研究执行算法的虚拟机的符号表达、算法和数据的符号表达，以及从高级语言到机器语言的有效翻译。基本问题包括：由一种语言给出的虚拟机的可能的组织（数据类型、运算、控制结构、引入新的类型和运算的机制），这些如何在计算机上实现抽象？用什么符号表达（语法）可有效的指明计算机应该作什么?

（3）体系结构

研究将硬件（和相应软件）组成有效及可靠系统的方法。基本问题包括：在机器中实现处理器、存储器和通信的方法；如何设计和控制大计算机系统，并有说服力地表明它们能在有错误故障下完成预期的工作；什么体系结构能使多CPU有效的协同工作，实现计算的并行；怎样测度计算机的性能等。

（4）数值和符号计算

研究有效和精确地求解由系统的数学模型导出的一般方法。基本问题包括：怎样才能用有穷离散过程去精确地逼近连续或无穷的过程；怎样处理逼近导致的误差；怎样才能按照给定精度很快地解出给定类型的方程；怎样对方程进行符号运算，例如，积分、微分和化简为最小项等；怎样把问题的解加入到有效的、可靠的高质量的数学软件包中等。

（5）操作系统

研究多种资源在程序执行中有效配合的控制机制。基本问题包括：什么在计算机系统运行的各级上可见对象和允许的操作；允许每类资源（某级上可见的对象）有效使用的最小操作集；怎样组织接口，使用户只处理资源的抽象形式，而不管硬件的实现细节；作业调度、存储器管理、通信、软件资源存取、并发任务间通信、可靠性和安全性的有效控制策略为何；系统应在功能上可扩展，只反复用少量的构造原则，可扩展应遵循什么原则；怎样组织分布式计算，使网上的自治机器系统参加同一计算，而不论网络协议、机器位置、带宽和资源名称等。

（6）软件方法学及工程

研究满足技术要求、安全、可靠、可信的程序和大型软件系统的设计。基本问题包括：程序和程序设计系统的开发原理；怎样证明程序和系统满足技术要求；怎样给定技术要求，使之不遗漏重要的情况，而且可分析其安全性；怎样使软件系统通过不同阶段而不断改进；怎样使软件设计得易于理解和易于修改等。

（7）数据库和信息检索

研究大量共享数据集合的组织，使之能进行有效的查询和刷新。基本问题包括：用模型化概念表示数据元和它们间的关系；怎样把存储、定位、匹配和检索等基本操作组合为有效的事务；这些事物怎样与用户有效地交互作用；怎样把高级查询编译为高性能的程序；什么样的机器结构能导致有效的由于同时刷新而产生的不相容；当数据分散于多机时，怎样使保护和性能两者兼顾；怎样索引和分类正文，以达到有效的检索等。

（8）人工智能及机器学

研究动物和人类智能行为模型。基本问题包括：基本的行为模型；怎样构造机器来模拟它们；由规则赋值、推理、演绎和模式计算所描述的智能可达到何种程度；由这些模型模拟行为的机器最终能达到什么性能；感知的数据应如何编码，使得类似的模型有类似的码；驱动码怎样和感知码关联；学习系统的体系结构如何；以及这些系统如何表示外部世界的知识等。

（9）人机通信

研究人类和机器通过各种类似于人的传感器和电动机进行有效的信息交换，并研究反映人类的概念化的信息结构。基本问题包括：表示对象并自动创造可视画面的有效方法；何为接收输入和输出的有效方法；怎样使错误理解及其后的人类差错导致的危险减少到最小程度；怎样用图形和其它工具通过存储在数据集中的信息去理解自然现象等。

对这9个主题领域涉及的知识，划分为55个知识单元，并作了精心设计和描述。