第三章 计算机系统分层结构
第三章 计算机网络体系结构ppt课件
图1 OSI参考模型
最顶层
最底层
.
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层
（A）
（P） （S） （T） （N）
（DL） （PH）
通信子网
.
OSI中数据流动过程
用户看到的据流向
向实 际 数 据 流
向实 际 数 据 流
实际数据流向
.
2.3 OSI-RM 各层主要功能概述
1、物理层
2.1 网络体系结构及协议概念
2.1.1 网络体系结构的概念
计算机网络体系结构与网络协议是计算机网络技术 中的关键。
计算机网络的实现需要解决很多复杂的技术问题。 例如：①支持多种通信介质；②支持多厂商和异种机互 联，其中包括软件的通信规定及硬件接口的规范；③支 持多种业务，如远程登录、数据库、分布式计算等；④ 支持高级人机接口。
服务数据单元是指（N）实体为完成（N） 服务用户请求的功能所设置的数据单元
.
2.4.3 、服务原语： 在OSI-RM中，上层使用下层的服务，必须通过下
层交换一些命令，这些命令称为服务原语。
请求：用户要求服务做某项工作
服务原语
指示：用户被告知某事件发生了 响应：用户表示对某事件的响应
确认：用户实体收到关于它的请求答复
● 数据链路层协议分为两类：
● 面向字符型的主要特点是利用已定义好的一组 控制字符完成数据链路控制功能。
● 面向比特型的数据链路层，其规程传送信息的单 位称为帧。帧分为控制帧和信息帧。
.
1、数据链路层的功能
传输链路 传输链路是用于传输数据的通信信道，由双绞线、
光纤、 同轴电缆、微波、卫星通信等构成。 信道分为链路与通路两种：
计算机系统概论第三章
第三章数字逻辑结构在第一章中，我们提到计算机是由数量巨大的非常简单的结构所组成。
例如，Intel的Pentium Ⅳ微处理器，2000年推向市场，是由超过4千2百万个MOS晶体管制造的。
IBM Power PC 750 FX，2002年推出，是由超过3千8百万个MOS晶体管组成。
在本章中，我们将解释MOS晶体管作为逻辑单元的工作原理，如何将这些晶体管连接起来组成逻辑门，以及逻辑门是如何被互相连接起来而组成更大的制造计算机所需的单元。
在第四章，我们将把这些更大的单元连接起来组成计算机。
首先介绍晶体管。
3.1 晶体管今天的大多数计算机，或者说是大多数微处理器（所对应的计算机的核心）是由MOS 晶体管组成的。
MOS是金属氧化物半导体的英文缩写。
关于半导体的电子特性超出了本书的范围，它位于本书所描述的最底层的抽象之下，也就是说，如果晶体管出现差错，我们就受其控制，无法解决该问题了。
不过，也不太可能遇到晶体管出现问题的情况。
在此，我们只需了解MOS晶体管的两种类型：P型和N型。
它们都是进行逻辑运算的，其工作原理与墙上的电开关类似。
图3.1显示了最基本的电子电路，包括电源、一个墙上的开关和一盏灯。
为了让灯发光，电子必须流动；而为了使电子流动，必须存在一个从电源到灯、再回到电源的闭合电路。
通过操作开关可以控制电路的合与开，进而使灯打开或关闭。
我们使用一个N型或P型半导体晶体管来代替开关，控制电路的闭合。
图3.2是一个N 型晶体管的示意图，（a）单独出现的晶体管（b）出现在电路中的晶体管。
注意，在图3.2a 中的晶体管有三个终端，它们分别被称为栅极、源极和漏极，其命名原因不在本书范围之内。
如果N型晶体管的栅极被加以2.9伏电压，从源极到漏极的连接就相当于一段电线。
使用电子术语来说就是：在源极和漏极之间存在一个闭合回路，即导通。
如果N型晶体管的栅极被加以0伏电压，在源极和漏极之间的连接就被断开，在源极和漏极之间存在一个断路，即截止。
第三章计算机网络的层次结构
第3章 计算机网络的层次结构
TCP/IP与OSI/RM的比较 除表现结构上的不同之外，还需要说明几点。 （1）层次性是否严格 OSI/RM最大的贡献在于它作为一种理论模型， 有清晰的层次结构，并且用服务、接口和协议 三个基本概念作为每一层的核心。 TCP/IP是实践中形成的，是经验的总结，虽然T CP/IP模型也分层次，但是层次间的依赖关系不 像OSI/RM那样强。
第3章 计算机网络的层次结构
1.物理层 物理层（Physical Layer）的功能是解决 “物理连接”的标准问题，而不是物理线路的 敷设问题，具体可以有以下3点： 以下3 （1）它建立在传输介质之上，并不考虑传输 介质的具体敷设问题，而只关心介质两端的连 接，或者说它只关心链路两端点的物理特性。
第3章 计算机网络的层次结构 3.3 TCP/IP体系结构
3.3.1 TCP/IP模型 TCP/IP协议是事实上的工业标准 ，其中以TCP、 IP协议为主。 TCP/IP模型共划分了四个层次： 网络接口层、网络层、传输层、应用层。 网络层、传输层是核心层次，向上支持各 种应用，向下要进行数据的传输，加入了网络 接口层。
第3章 计算机网络的层次结构
6. 表示层 表示层处理两个应用实体间数据交换的语法问题， 解决数据交换中存在的数据格式不一致和数据表 示方法不同等问题。
第3章 计算机网络的层次结构
7. 应用层 应用层主要进行应用管理和系统管理，直接 为用户服务，在信息网络用户之间形成一个交换 信息的界面━━用户应用程序，如电子邮件、文 件传输等。简单地说，就是接收用户数据。
第3章 计算机网络的层次结构
（2）可靠性第一还是效率第一 可靠性是指网络正确地传输数据的能力。 OSI/RM以可靠性第一作为其基本宗旨; TCP/IP模型则以效率第一作为其基本宗旨. （3）主机负担重还是通信子网负担重 OSI/RM系统中通信子网负担较重，主机负担较轻， 即OSI/RM对主机的要求不高。 在TCP/IP模型中主机的负担较重。
简述计算机系统的结构
简述计算机系统的结构
计算机系统的结构可以分为以下几个层次：
1. 硬件层：计算机系统的物理设备，包括处理器、内存、硬盘、输入设备和输出设备等。
2. 操作系统层：管理计算机硬件资源的软件，提供文件管理、进程管理、设备管理等基本功能。
3. 应用软件层：运行在操作系统之上的软件，包括办公软件、游戏、浏览器等。
4. 用户界面层：用户与计算机系统交互的接口，包括命令行界面、图形用户界面等。
5. 网络通信层：支持计算机系统之间的通信和数据交换，包括网络协议、通信接口等。
这些层次之间相互协作，共同构成了一个完整的计算机系统。
其中，硬件层是计算机系统的基础，操作系统层是计算机系统的核心，应用软件层是计算机系统
的功能体现，用户界面层是计算机系统与用户之间的桥梁，网络通信层则是计算机系统与外部世界之间的联系纽带。
计算机系统结构前四章知识总结
计算机系统结构前四章知识总结第一章计算机系统结构的基本概念1、层次结构：计算机系统由硬件/器件和软件组成，按功能划分成多级层次结构。
每一级对应一种机器：第0级和第1级是具体实现机器指定功能的中央控制部分；第2级是传统机器语言及其；第3级是操作系统机器；第4级是汇编语言机器；第5级是高级语言机器；第6级是应用语言机器。
2、计算机系统结构：由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。
但按照计算机层次结构，不同程序者所看到的计算机有不同的属性。
主要研究软件、硬件功能分配和对软、硬件界面的确定。
3、计算机组成：计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
4、计算机实现：是指计算机组成的物理实现。
5、透明性：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。
6、由上往下设计（自上而下设计）：首先确定用户级虚拟机器的基本特征、数据类型和基本命令等，而后再逐级向下设计，直到由硬件执行或解释那级为止。
7、由下往上设计（自下而上设计）：根据硬件技术条件，特别是器件水平，首先把微程序机器级和传统机器研制出来。
在此基础上，再设计操作系统、汇编语言、高级语言等虚拟机器级。
最后设计面向应用的虚拟机器级。
8、系列机：是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
9、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各挡机器，可获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间。
10、兼容机：不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。
11、模拟：是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。
12、仿真：用程序直接解释另一种机器指令系统的方法。
13、虚拟机和宿主机：在A计算机上要实现B计算机的指令系统，通常采用解释方法来完成，即B机器的每一条指令用一段A机器的指令进行解释执行，如同A机器上也有B机器的指令系统一样，A机器称为宿主机，B机器称为虚拟机。
第三章 计算机网络体系结构-基本概念
6.网络体系结构 6.网络体系结构 1 2 3 4 网络体系结构的概念 网络体系结构的功能 网络体系结构的特点 网络体系结构的种类
网络体系结构的概念
计算机网络各层,对等进程通信的协议的集合称 计算机网络的体系结构(architecture) 为计算机网络的体系结构 (architecture) 计算机网络的体系结构 (architecture),它是 计算机网络及其部件所应完成功能的比较精确的 定义.从功能的角度描述计算机网络的结构. 体系结构只定义网络及其部件通过协议应当完成 的功能,不定义协议的实现细节和各层协议之间 的接口关系.
语法(Syntax):规定通信双方"如何讲",
3. 1
基本概念
2. 协议的分层结构
(1)协议分层结构 协议分层结构的思想是用一个模块的集合来完成 协议分层结构的思想是用一个模块的集合来完成 不同的通信功能,以简化设计的复杂性. 不同的通信功能,以简化设计的复杂性.大多数的 网络都按照层或级的方式来组织, 网络都按照层或级的方式来组织,每一层完成特定 的功能,每一层都建立在它的下层之上. 的功能,每一层都建立在它的下层之上.
网络协议的重要性: 网络协议的重要性:
没有协议就没有网络,每一种计算机网络都有 一套协议支持着.由于计算机网络的种类多,所以 协议的种类也很多. 所有协议的目的和功能是一样的,都是保证网 络上的信息能畅通无阻,准确无误地传输到目的地.
3. 1
基本概念
什么是网络协议? 什么是网络协议?
网络协议就是使计算机网络能协同工作实现信息 就是使计算机网络能协同工作实现信息
计算机网络应用技术
第3章 计算机网络体系结构
本章要点
了解网络体系结构分类,功能特点. 了解网络体系结构分类,功能特点. 掌握OSI参考模型的结构和各层功能. 掌握OSI参考模型的结构和各层功能. OSI参考模型的结构和各层功能 掌握TCP/IP体系结构的层次和功能. 掌握TCP/IP体系结构的层次和功能. TCP/IP体系结构的层次和功能 掌握IP地址管理和子网划分的方法. 掌握IP地址管理和子网划分的方法. IP地址管理和子网划分的方法
计算机系统层次结构
开发和运行程序需什么支撑？
• 最早的程序开发很简单（怎样简单？） – 直接输入指令和数据，启动后把第一条指令地址送PC开始执行 • 用高级语言开发程序需要复杂的支撑环境（怎样的环境？） – 需要编辑器编写源程序 – 需要一套翻译转换软件处理各类源程序 • 编译方式：预处理程序、编译器、汇编器、链接器
应用程序 指令集体系结构 计算机硬件
应用程序
汇编程序
操作系统 指令集体系结构 计算机硬件
现代（传统）计算机系统的层次
• 现代计算机用高级语言编程
第三代程序设计语言（3GL）为过程式 语言，编码时需要描述实现过程，即“ 如何做”。
应用程序 语言处理系统 操作系统 指令集体系结构
计算机硬件 第四代程序设计语言（4GL） 为非过程 化语言，编码时只需说明“做什么”， 不需要描述具体算法实现细节。 语言处理系统包括：各种语 言处理程序（如编译、汇编、 可以看出：语言的发展是一 链接）、运行时系统（如库 个不断“抽象”的过程，因 函数，调试、优化等功能）
ISA是计算机 组成的抽象
功能转换：上层是下层的抽象，下层是上层的实现 底层为上层提供支撑环境！
计算机系统的不同用户
最终用户工作在由应用程序提供的最上面的抽象层 系统管理员工作在由操作系统提供的抽象层 应用程序员工作在由语言处理系统（主要有编译器和汇编器）的抽象层 语言处理系统建立在操作系统之上 系统程序员（实现系统软件）工作在ISA层次，必须对ISA非常了解 编译器和汇编器的目标程序由机器级代码组成 操作系统通过指令直接对硬件进行编程控制 ISA是对硬件 ISA处于软件和硬件的交界面（接口） 的抽象
所有软件功 能都建立在 ISA之上
ISA是最重要的层次！ 那么，什么是ISA呢？
计算机系统的多级层次结构
计算机系统的多级层次结构计算机系统是由硬件和软件两部分组成的，硬件指的是计算机的物理部分，包括计算机主机、外围设备等；而软件指的是计算机内部的程序和指令，包括操作系统、应用软件等。
为了使计算机系统运行更加高效，计算机系统被设计成了多级层次结构。
第一层次：硬件层次。
这一层次是计算机系统最底层的结构，包括计算机主机、外围设备等。
计算机主机是计算机的核心，它包括中央处理器、内存、硬盘、显卡等，负责处理所有的数据和指令。
外围设备包括键盘、鼠标、打印机等，用来向计算机主机输入或输出数据。
第二层次：操作系统层次。
操作系统是计算机系统的核心软件，它控制着计算机的所有硬件和软件资源。
操作系统有多种类型，如Windows、Linux、Unix等，它们对用户和软件提供了接口，让用户和软件可以与计算机进行交互和操作。
第三层次：高级语言层次。
高级语言是计算机程序员用来编写程序和指令的语言，如Java、C++、Python等。
高级语言比机器语言和汇编语言更加容易理解和编写，程序员使用高级语言编写程序，然后将程序交给编译器转换成机器语言。
第四层次：应用程序层次。
这一层次包括各种各样的应用软件，如文字处理软件、图像处理软件、音视频播放软件等。
应用软件是用户可以直接使用的软件，用户可以利用它们完成各种各样的任务。
在多级层次结构中，每个层次都依赖于下一层次的结构，同时也提供接口供下一层次进行调用。
这样设计的目的是使计算机的各个部分能够协同工作，从而实现更加高效和稳定的计算机系统运行。
总之，计算机系统的多级层次结构是将各个部分有机地联系在一起，是计算机系统能够高效、稳定地运行的重要保障。
在计算机系统的发展过程中，多级层次结构不断完善和改进，带来了更加稳定、高效的计算机系统。
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PF
CF
奇偶（偶/奇）
进位（是/否）
PE
CY
PO
NC
3．总线
所谓总线是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路， 它分时接收各部件送来的信息，并发送信息到有关部件。
由于多个部件连接在一组公共总线上，可能会出现多个部件争 用总线，因此需设置总线控制逻辑以解决总线控制权的有关问题。
总线分类:
CPU内部总线用来连接CPU内的各寄存器与ALU ; 系统总线用来连接CPU、主存储器与I/O接口，它通常包括 三组：数据总线、地址总线和控制总线。 按总线传送的方向可将总线分为单向总线和双向总线。
CPU是计算机的核心组成部分
3.1.1
CPU的组成
• 由算术逻辑部件ALU 、控制器、各种寄存器（寄 存器群）和CPU内部总线（连接部件） • 另：Cache
•
1．ALU部件
ALU的功能是实现数据的算术与逻辑运算 两个输入端口，参加运算的两个操作数，通常 来自CPU中的通用寄存器或ALU总线。 控制信号：ADD,SUB,OR,AND等 输出：运算结果
时序控制方式就是指微操作与时序信号之间采取何种关系，
它不仅直接决定时序信号的产生，也影响到控制器及其他部件的组 成，以及指令的执行速度。
1．同步控制方式
同步控制方式是指各项操作由统一的时序信号进行同步控制。 同步控制的基本特征是将操作时间分为若干长度相同的时钟 周期（也称为节拍），要求在一个或几个时钟周期内完成各个微 操作。在CPU内部通常是采用同步控制方式 。 同步控制方式的优点是时序关系简单，结构上易于集中，相应 的设计和实现比较方便。
计算机系统结构
系统的层次结构
★★
5层
翻译(编译器)
1.4~ 系 统结构
面向问题语言层
4层
汇编语言层
翻译(汇编器)
面向用户的语言 符号化的机器语言 机器与人的界面 硬件--- 机器语言 硬件/固件(微程序)
3层
操作系统层
部分解释(操作系统)
2层
指令系统层
微体系结构层
直接执行/解释(微程序)
1层
第3章
（2）多组内总线结构（单向）
采用三总线结构的CPU数据通路
为了提高CPU的工作速度，一种方法是在CPU内部设置多组内总 线，使几个数据传送操作能够同时进行，即实现部分并行操作。
B U S（总线）
DRin DRout
DR
R0in R0out ARin
IRin
IRout IR A码
PSW ADD SUB AND OR
1．指令的分段执行过程
任何一条指令的执行都要经过读取指令、分析指令和执行指 令3个阶段。
（1）取指令 （2）分析指令 （3）执行指令 执行阶段还可细分为:
① 取操作数 ② 执行操作 ③ 形成下一条指令地址
此外，CPU还应该对运行过程中出现的某些异常情况 或输入/输出请求进行处理 。
模型机数据通路结构图
2．指令之间的衔接方式
指令之间的衔接方式有两种：串行的顺序安排方式与并行的 重叠处理方式。
3.1.3
时序控制方式
执行一条指令的过程可分为几个阶段，而每一阶段又分为若干 步基本操作，每一步操作则由控制器产生一些相应的控制信号实现。 因此，每条指令都可分解为一个控制信号序列，指令的执行过程就 是依次执行一个确定的控制信号序列的过程。
(2)暂存器暂存从主存储器读出的数据 ,暂 存器没有寄存器号，因此不能直接编程访 问它们，是透明的。（ALU的两个输入） （3）指令寄存器IR（Instruction Register） 用来存放当前正在执行的一条指令。执行 指令时，需根据PC中的指令地址从主存读 取指令送到IR中。 （4）程序计数器PC（Program Counter） 存放当前或下一条指令在主存中的地址， 因此又称为指令计数器或指令指针 IP（Instruction Pointer）。
移位器
R0 R1
R1in R1out
AR
ARout
ALU
AC Y
PCin PC
PCout
C码
ACin Yin
Rn
Rnin 红色箭头 是微命令 Rnout CS
R/ W
CU
部的 结构示意图
微命令序列(微指令)
3.1.2
指令执行过程
CPU的主要功能就是执行存放在存储器中的指令序列，即 程序。
4．CPU内部数据通路
CPU内部寄存器及ALU之间通常用总线方式传送数据信息。介绍 两种常见的结构。
（1）单总线数据通路结构（双向）
采用单总线结构的CPU数据通路
CPU数据通路结构只采用一组内总线，它是双向总线。通用 寄存器组、其他寄存器和ALU均连在这组内总线上。 CPU内各寄存器间的数据传送必须通过内总线进行，ALU通过内 总线得到操作数，其运算结果也经内总线输出。
微体系结构层—CPU组织
在微体系结构层 ，是从寄存器级分析 CPU的 结构和功能。
本章主要内容： CPU的基本组成和功能 算术逻辑部件ALU和运算方法 CPU模型机 组合逻辑控制器原理
微程序控制器原理
. 学习目的和要求： 认识CPU在计算机中的位置； 要求掌握CPU与各个部分的协调工作原理；
2.寄存器 • CPU 中的寄存器包括存放控制信息的寄存器， 如指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)和状态 字寄存器(FR)；以及存放所处理数据的寄存 器，如通用寄存器和暂存器。 (1)通用寄存器本身在逻辑上只具有接收信 息、存储信息和发送信息的功能。可为ALU提 供操作数并存放运算结果(MUL,DIV)，也可用 作变址寄存器(SI,DI)、地址指针和计数器 (CX)等。
. 重点：整机构成,三级时序,两类控制器； . 难点：运算器, 微程序控制和设计。
第5章CPU
3.1 CPU（Central Process Unit） 的组成和功能
3.1.CPU的组成和功能
计算机的工作就是不断执行指令序列的过程。 CPU的主要功能是从主存储器中取出指令、 分析指令和执行指令，即按指令控制计算机各部件 操作，并对数据进行处理。
（5）状态寄存器存放当前程序的运行状态和 工作方式，其内容称为程序状态字PSW （Program State Word），PSW是参与 控制程序执行的重要依据。(P144)
标志位的值
标志名 OF DF IF SF ZF AF 溢出（是/否） 方向（增量/ 减量） 中断（允许/关闭） 符号（正/负） 零（是/否） 辅助进位（是/否） 标志为1 OV DN EI NG ZR AC 标志为0 NV UP DI PL NZ NA