第1章 Fortran背景知識(shí)

工程分析程序設(shè)計(jì)任課教師：劉小liuxm@工程館3樓程序設(shè)計(jì)概述課程設(shè)置的目的了解和掌握用計(jì)算機(jī)解題的思路與方法編程技術(shù)的入門及其推廣VB，VC，VF，C++課程的特點(diǎn)掌握基本的編程技術(shù)記住最基本的語(yǔ)句和語(yǔ)法邊學(xué)邊用，邊用邊學(xué)上機(jī)實(shí)習(xí)是重點(diǎn)，是需要大家重視的環(huán)節(jié)課程考試考試成績(jī)：平時(shí)成績(jī)+考試卷面成績(jī)平時(shí)成績(jī)（20%）：課堂表現(xiàn)；上機(jī)作業(yè)

考試(80%)：筆試（程序操作規(guī)則、閱讀程序能力、程序編寫能力）上機(jī)

以班級(jí)為單位，人守一臺(tái)，計(jì)算機(jī)教學(xué)中心，第4周開始（班長(zhǎng)聯(lián)系，并由機(jī)房管理人員安裝軟件）第一章Fortran背景知識(shí)本章主要內(nèi)容:

1.Fortran語(yǔ)言簡(jiǎn)史

2.Fortran90/95語(yǔ)言特點(diǎn)

3.VisualFortran編譯器的演變

計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和軟件系統(tǒng)低級(jí)語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言—采用二進(jìn)制代碼優(yōu)點(diǎn)：快、直接；缺點(diǎn)：繁瑣，直觀差，極不方便。匯編語(yǔ)言—采用助記符代替二進(jìn)制代碼

一條符號(hào)語(yǔ)言指令對(duì)應(yīng)一條機(jī)器指令。高級(jí)語(yǔ)言（面向問(wèn)題）—不依賴機(jī)器，易學(xué)易懂。

高級(jí)語(yǔ)言的一條語(yǔ)句（指令）對(duì)應(yīng)若干條機(jī)器指令如：BASIC、FORTRAN、PASCAL、C等等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和軟件系統(tǒng)高級(jí)語(yǔ)言（面向?qū)ο螅?/p>

如：VB、VC、MATLAB、CAD、Java、Delphi

高級(jí)語(yǔ)言不能為計(jì)算機(jī)直接接受，必須翻譯成機(jī)器指令。其中，將高級(jí)語(yǔ)言程序(源程序)轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言程序(目標(biāo)程序)的工作由“編譯程序”來(lái)完成。高級(jí)語(yǔ)言程序機(jī)器指令目標(biāo)程序計(jì)算結(jié)果編譯程序（預(yù)先存入電腦）編譯執(zhí)行FORTRAN的優(yōu)勢(shì)相比其他語(yǔ)言，F(xiàn)ORTRAN具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.近50年的豐富積累，資源不浪費(fèi)，對(duì)原有程序向下兼容。而C語(yǔ)言與Matlab才20多年2.FORTRAN書寫和語(yǔ)法要求嚴(yán)格，更適合于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)計(jì)算。而C對(duì)數(shù)組不提供越界檢查，容易出錯(cuò)，而且不容易查出3.FORTRAN90~95可以直接對(duì)矩陣和復(fù)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。而C語(yǔ)言則要用多重循環(huán)如：C=A+B在并行計(jì)算中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。如：深藍(lán)、銀河4.FORTRAN是一種編譯語(yǔ)言，運(yùn)行速度快；而Matlab則是類似Basic的解釋語(yǔ)言FORTRAN(IBMFORmulaTRANslation)即公式翻譯語(yǔ)言1.FORTRAN語(yǔ)言的產(chǎn)生1953年，JohnBackus成立研究小組,針對(duì)IBM704計(jì)算機(jī)編程；1954年，開發(fā)了編程語(yǔ)言規(guī)范，IBMMathematical

FormulaTranslationSystem(FORTRAN)；1956年，F(xiàn)ORTRAN語(yǔ)言的第一個(gè)編程指南發(fā)布；（FORTRANI）

具備當(dāng)今FORTRAN標(biāo)準(zhǔn)的基本結(jié)構(gòu)，如允許浮點(diǎn)運(yùn)算、數(shù)組說(shuō)明、DO循環(huán)控制結(jié)構(gòu)及輸入輸出語(yǔ)句等。第一節(jié)Fortran語(yǔ)言簡(jiǎn)史Fortran語(yǔ)言發(fā)展簡(jiǎn)史2.FORTRAN版本的演變

FORTRANⅡ1958年，研究小組公布FORTRANⅡ。主要改進(jìn)如下：允許復(fù)型與雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算、子程序定義機(jī)制、輸入輸出的格式說(shuō)明等，加強(qiáng)了程序診斷功能。FORTRANⅢ

在開發(fā)FORTRANⅡ的同時(shí)開始FORTRANⅢ的設(shè)計(jì)。主要改進(jìn)如下：允許布爾表達(dá)式、函數(shù)和子例程名可以作為參量傳遞，允許處理字母數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等，允許符號(hào)指令(與機(jī)器特征相關(guān))和FORTRAN語(yǔ)句混合使用。FORTRANⅣ

FORTRAN66，F(xiàn)ORTRANⅡ的改進(jìn)版本，融合了FORTRANⅢ的新特征，得到

FORTRANⅣ

，1962年，在IBM7030計(jì)算機(jī)上得以實(shí)現(xiàn)。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)于1966年3月公布了兩個(gè)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)文本:1.標(biāo)準(zhǔn)FORTRAN(X3.9-1966)；

2.標(biāo)準(zhǔn)基本FORTRAN(X3.10-1966)。

1972年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)接受美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，公布了ISOFORTRAN標(biāo)準(zhǔn)，共分為三級(jí)：

1.完全的(一級(jí))FORTRAN；

2.中間的(二級(jí))FORTRAN；

3.基本的(三級(jí))FORTRAN。FORTRAN77

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)在對(duì)FORTRAN(X3.9-1966)修訂的基礎(chǔ)上，1977年通過(guò)定名為FORTRAN77的FORTRAN標(biāo)準(zhǔn)。1980年，F(xiàn)ORTRAN77被接受為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。FORTRAN77重要改進(jìn)如下：擴(kuò)充字符處理功能，適用于非數(shù)值運(yùn)算行領(lǐng)域；增加塊IF語(yǔ)句、ELSE語(yǔ)句、ENDIF語(yǔ)句等，程序趨于結(jié)構(gòu)化，可讀性加強(qiáng)；增強(qiáng)輸入輸出的功能和文件處理能力；兼容性強(qiáng)。FORTRAN90

1990年3月，ISO和ANSI雙重批準(zhǔn)了Fortran語(yǔ)言的最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，定名為Fortran90。此時(shí)Fortran90已經(jīng)是具有強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算能力的現(xiàn)代高級(jí)語(yǔ)言，程序的書寫更趨結(jié)構(gòu)化、模塊化。

與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)也開始進(jìn)入了快速的發(fā)展階段。程序語(yǔ)言的發(fā)展必須要有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)硬件的支持。FORTRAN90Fortran90對(duì)FORTRAN77的主要擴(kuò)充有：

(1)自由形式的源程序形式；

(2)模塊化數(shù)據(jù)與過(guò)程定義機(jī)制；

(3)從六種內(nèi)部數(shù)據(jù)類型中派生出用戶定義的數(shù)據(jù)類型；

(4)數(shù)組操作機(jī)制；

(5)指針機(jī)制，允許創(chuàng)建與操作動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

(6)數(shù)據(jù)類型參數(shù)化，允許使用多種字符類型；

(7)過(guò)程的遞歸調(diào)用機(jī)制；

(8)附加的控制結(jié)構(gòu)，如do…enddo,dowhile等。HighPerformanceFortran(HPF)

1993年，由工業(yè)界和學(xué)術(shù)界聯(lián)合組成的機(jī)構(gòu)-高性能Fortran論壇推出一種新的Fortran語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)-高性能Fortran(HPF)。HPF的目標(biāo)是為Fortran語(yǔ)言定義一組語(yǔ)言擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)，以支持：(1)數(shù)據(jù)并行程序設(shè)計(jì)；(2)能在非一致存儲(chǔ)訪問(wèn)開銷的SIMD或MIMD計(jì)算機(jī)上獲得最高性能；(3)程序代碼便于在不同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)間移植。HighPerformanceFortran(HPF)

HPF對(duì)Fortran90的主要擴(kuò)充：(1)數(shù)據(jù)分布特性；(2)并行語(yǔ)句；(3)在HPF定義中包括一個(gè)HPF子集。Fortran95

1995年完成，在Fortran90的基礎(chǔ)上，吸收HPF并行運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)，提高Fortran90語(yǔ)言在并行任務(wù)中的表達(dá)和計(jì)算能力，完善派生類型、指針、數(shù)組等要素的相關(guān)語(yǔ)法；Fortran2003

2004年，在ISO、IEC聯(lián)合工作組JTC1/SC22/WG5以及美國(guó)Fortran委員會(huì)NCITS/J3共同努力下，推出Fortran2003標(biāo)準(zhǔn)；（完整面向?qū)ο髾C(jī)制、靈活的語(yǔ)法特征、統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)）第二節(jié)Fortran語(yǔ)言的特征Fortran語(yǔ)言的最大特性是接近數(shù)學(xué)公式的自然描述，在計(jì)算機(jī)里具有很高的執(zhí)行效率。易學(xué)，語(yǔ)法嚴(yán)謹(jǐn)，易查錯(cuò)。可以直接對(duì)矩陣和復(fù)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。自誕生以來(lái)廣泛地應(yīng)用于數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域，積累了大量高效而可靠的源程序。很多專用的大型數(shù)值運(yùn)算計(jì)算機(jī)針對(duì)Fortran做了優(yōu)化。廣泛地應(yīng)用于并行計(jì)算和高性能計(jì)算領(lǐng)域。Fortran90，F(xiàn)ortran95，F(xiàn)ortran2003的相繼推出使Fortran語(yǔ)言具備了現(xiàn)代高級(jí)編程語(yǔ)言的一些特性。Fortran90/95新的語(yǔ)言特征Fortran90/951自由書寫格式

行中的位置沒有特殊意義；沒有保留列；尾部可以出現(xiàn)注釋；空格在某些情況下是有意義的；……2模塊

模塊(程序單元)，包含數(shù)據(jù)、例程、例程接口等及相關(guān)要素的聲明；3自定義（派生）數(shù)據(jù)類型和操作符

允許從固有數(shù)據(jù)類型和派生類型中定義新的數(shù)據(jù)類型；Fortran90/954數(shù)組功能加強(qiáng)

固有操作符和相關(guān)的固有函數(shù)可以直接操作整個(gè)數(shù)組或數(shù)組段；能夠創(chuàng)建和使用多維數(shù)組，支持?jǐn)?shù)組運(yùn)算；5例程重載6指針

指針允許動(dòng)態(tài)訪問(wèn)和處理數(shù)據(jù)，可以用來(lái)創(chuàng)建動(dòng)態(tài)數(shù)組和派生類型的動(dòng)態(tài)數(shù)組結(jié)構(gòu)；Fortran90/95新的語(yǔ)言特征Fortran90/957遞歸關(guān)鍵字RECURSIVE添加在例程(FUNCTION或SUBROUTINE)原型中，例程可以實(shí)現(xiàn)遞歸；8接口塊

1)描述外部例程或虛參例程的接口；

2)為重載的例程規(guī)定統(tǒng)一的名稱；

3)定義或擴(kuò)展操作符等。9封裝機(jī)制

類似于C++中的類，將派生類型數(shù)據(jù)連同其操作例程封裝在模塊內(nèi)，通過(guò)其公有接口，供別的程序單元使用，擴(kuò)展Fortran功能,有利于程序開發(fā)，提高計(jì)算效率；Fortran90/95新的語(yǔ)言特征Fortran95獨(dú)有1FORALL語(yǔ)句和構(gòu)造

FORALL語(yǔ)句和構(gòu)造提供了一種數(shù)組操作方式，允許通過(guò)元素下標(biāo)對(duì)數(shù)組元素、數(shù)組段、字符字串進(jìn)行操作；

FORALL構(gòu)造可以使幾個(gè)數(shù)組賦值語(yǔ)句共享相同的小標(biāo)循環(huán)控制表達(dá)式，類似于隱式DO循環(huán)；

FORALL是WHERE的一般形式，通過(guò)隱式循環(huán)對(duì)數(shù)組進(jìn)行操作；

FORALL是針對(duì)元素下標(biāo)，WHERE則針對(duì)整個(gè)數(shù)組。2PURE用戶定義例程

在用戶定義的例程(子程序或函數(shù))原型前加PURE關(guān)鍵字，向系統(tǒng)聲明該用戶定義例程沒有負(fù)作用。Fortran953ELEMENTAL用戶定義例程

在用戶定義例程原型前加ELEMENTAL關(guān)鍵字，是PURE例程的特殊形式，但是需要在調(diào)用程序中建立其接口塊。4CPU_TIME子程序

通過(guò)參數(shù)返回特定CPU處理器的時(shí)間，單位為秒。5NULL函數(shù)

NULL函數(shù)直接初始化指針為空指針。國(guó)內(nèi)使用較多的Fortran編譯器或可視化集成開發(fā)環(huán)境為VisualFortran，起源于Microsoft的FortranPowerStation4.0；這套工具后來(lái)賣給Digital公司繼續(xù)開發(fā)第二個(gè)版本稱為DigitalVisualFortran5.0；第三節(jié)VisualFortran編譯器1998年，Digital被Compaq并購(gòu)后，接下來(lái)的6.0、6.1、6.5和6.6版本稱為CompaqVisualFortran；到目前為止，VisualFORTRAN的最新版本為2001推出的CompaqVisualFORTRAN6.6。Compaq也不再開發(fā)Fortran，CVF6.6C成為最終的版本。Compaq的Fortran開發(fā)小組投入Intel旗下；Compaq被HP公司收購(gòu)。VisualFortran雖然沒有集成可視化開發(fā)環(huán)境，但它可以嵌入到DevelopStudio.NET集成開發(fā)環(huán)境中。CompaqVi