计算机系统的分层
系统的分层结构
第 2 章系统的分层结构2．1．简述我们在解决一个复杂的问题的时候，通常使用的一个技巧就是分解，把复杂的问题分解成为若干个简单的问题，逐步地、分别地解决这几个小问题，最后就把整个问题解决掉。
在设计一个复杂的软件系统的时候，同样的，为了简化问题，我们也通常使用的一个技术就是分层，每个层完成自身的功能，最后，所有的层整合起来构成一个完整的系统。
分层是计算机技术中的常用方法，一个典型的例子就是TCP/IP 技术的OSI 七层模型。
在应用软件开发中，典型的就是N层应用软件模型。
N层的应用软件系统，由于其众多的优点，已经成为典型的软件系统架构，也已经为广大开发人员所熟知。
在一个典型的三层应用软件系统中，应用系统通常被划分成以下三个层次：数据库层、应用服务层和用户界面层。
如下图（图2.1 ）所示：图2.1其中，应用服务层集中了系统的业务逻辑的处理，因此，可以说是应用软件系统中的核心部分。
软件系统的健壮性、灵活性、可重用性、可升级性和可维护性，在很大程度上取决于应用服务层的设计。
因此，如何构建一个良好架构的应用服务层，是应用软件开发者需要着重解决的问题。
为了使应用服务层的设计达到最好的效果，我们通常还需要对应用服务层作进一步的职能分析和层次细分。
很多开发者在构建应用服务层的时候，把数据库操纵、业务逻辑处理甚至界面显示夹杂在一起，或者，把业务逻辑处理等同于数据库操纵，等等，这些，都是有缺陷的做法。
我们将就在这个方面进行设计时可采用的方案进行一些探讨。
在一个分布式应用系统中，整个系统会部署在不同的物理设备上，如上面所示的三层体系，用户界面和应用服务器可能在不同的设备上，这就涉及到不同机器之间的通信问题，也就是层间的通信和交互问题。
我们已经有了很多可以用于分布式远程访问的技术，如CORB,在Java平台上，我们还有Java RMI、EJB,在Windows平台上，从DCOMU COM,+ 再到.Net 下的WebService 和.Net Remoting 等。
第三章 计算机系统分层结构
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)
解释计算机分层结构生活例子
解释计算机分层结构生活例子
计算机分层结构是指计算机系统按照功能和性能分为不同层次
的组织结构。
这种结构可以用生活中的例子来解释。
比如，我们可
以将计算机分层结构比作一个高楼大厦。
在这个比喻中，每一层都
有不同的功能和责任，但它们又相互依赖，共同构成整个大厦的结构。
首先，我们可以将大厦的地基比作计算机系统的硬件层。
硬件
层是整个系统的基础，它包括各种设备和部件，如处理器、存储器、输入输出设备等。
就像地基支撑着整个大厦一样，硬件层支撑着整
个计算机系统的运行。
其次，大厦的楼层可以比作操作系统和软件层。
操作系统是计
算机系统的管理者，它负责协调和管理硬件资源，使得软件程序能
够顺利运行。
而软件层则是具体的应用程序，比如办公软件、游戏
软件等，它们就像大厦的不同楼层，提供不同的功能和服务。
最后，大厦的外部环境和周围设施可以比作网络和通信层。
网
络和通信层连接着计算机系统与外部世界，使得系统能够与其他系
统进行交流和数据传输，就像大厦的周围环境和交通设施为大厦提
供了外部联系和交流的渠道。
这样的比喻可以帮助人们更直观地理解计算机分层结构，从而更好地理解计算机系统的组成和运行原理。
计算机系统的分层
常见的分层模式
• • • • • 客户端——服务器模型 三层模型：用户表示层、业务逻辑层、数据层 多层结构的技术组成模型：表现层、中间层、数据层 网络系统常用的三层结构：核心层、汇聚层和接入层 RUP典型分层方法：应用层、专业业务层、中间件层、系 统软件层 • 基于Java的B/S模式系统结构：浏览器端、服务器端、请 求接收层、请求处理层。 • 某六层结构：功能层（用户界面）、模块层、组装层（软 件总线）、服务层（数据处理）、数据层、核心层。
MVC典型实现
• 典型的实现： • C++：微软所推出的MFC Document/View架构是早期对于MVC模式 的实现，MFC将程序分成CView以及CDocument两大类型，其中的 Document对应MVC中的Model，View相当于MVC中的View＋ Controller，再加上CWinApp类型，合成三大项。但是基本上MFC是 一个失败的MVC模式作品。 • Java：Swing组件 • Swing是一个标准的MVC结构. ComponentUI代表View, 负责描画组 件. 组件尤其Model层, 比如JTextField的Document, JTable的 TableModel, JTree的TreeModel等等. 而Control可能不是很明显, 我 们或许可以简单的将其Event机制看作一个Swing团队开发给开发者的 Controller. • .Net：Windows Form • 在WinForms中，这个针对视图（View）和控制器（Controller）的模 式已经很好的定义。而模型（Model）则留给开发者去设计 • 其他还有Python中的Django，Ruby的Rails
数据传输过程 端系统A 端系统B
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。
计算机系统层次结构
计算机系统层次结构
计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，而如果按功能再细分，可分为7层（如图所示）。
第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。
第一级是微程序级。
这级的机器语言是微指令集，程序员用微指令编写的微程序，一般是直接由硬件直接执行的。
第二级是传统机器级，这级的机器语言是该机的指令集，程序员用机器指令编写的程序可以由微程序进行解释。
第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，一方面它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另一方面它又是传统机器的延伸。
第四级是汇编语言级，这级的机器语言是汇编语言，完成汇编语言翻译的程序叫做汇编程序。
第五级是高级语言级，这集的机器语言就是各种高级语言，通常用编译程序来完成高级语言翻译的工作。
第六级是应用语言级，这一级是为了使计算机满足某种用途而专门设计的，因此这一级语言就是各种面向问题的应用语言。
把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的工作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作用。
1/ 1。
计算机学科概论知识点总结
1.计算机的定义：计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速的对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。
2.计算机的工作过程就是运行程序的过程，也就是执行指令的过程。
3.计算机系统由计算机硬件和计算机软件构成，计算机的硬件是指构成计算机系统的所有物理器件、部件和设备（控制器、运算器、存储器、输入输出设备）的集合；计算机软件是指程序设计语言编写的程序，及运行程序所需的文档和数据的集合。
4.计算机的主要特点是：运算速度快、运算精度高、存储容量大、计算自动化、连接与网络化、通用性强。
5.计算机系统的分层结构为：硬件层（机器层、物理层）、软件层（通信层、应用软件层、系统软件层）6.计算机学科的定义：计算机学科是对描述和变换信息的算法过程，包括对其理论、分析、设计、效率、实现和应用等进行的系统研究。
它后来源于对算法理论、数据逻辑、计算模型、自动计算机器的研究，并于存储式电子计算机的发明一起形成与20世纪40年代初期。
7.图灵对计算的理解：所谓计算就是计算者对一条可以无限延长的工作带上的符号串执行命令，一步一步的改变工作带上的符号串，经过有限步骤的，最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。
8.GOTO语句问题导致了程序设计方法学的产生。
9.可以在多项式时间内验证的问题成为NP问题。
需要指数时间求解的问题是难解问题。
10.计算机学科的三个形态：抽象、理论、设计。
11.用连续形式表示的信息称为模拟信息。
用离散形式表示的数字化信息称为数字信息。
11.所谓命题是一个有具体意义切能判断真假的陈述句，命题分为原子命题和复合命题。
12.按进位的原则进行计数的方法称为进位计数制，简称进制。
13.补码是一种使用广泛的整数表示方法，其编码规则为：正数的补码其符号位为0，其余各位与数的绝对值相同，负数的补码其符号位为1，其余各位是数的绝对值取反，然后再最末位加1。
（1000101---01000101 -1000101---10111011）14.计算机采用二进制的原因：技术实现简单、简化运算规则、适合逻辑运算、易于进行转换、用二进制表示数据具有抗干扰能力强，可靠性高等优点。
计算机分层生活例子
计算机分层生活例子
计算机分层是一种将复杂系统分解为多个层次的方法，每个层次负责特定的功能，从而简化系统的设计和理解。
在计算机领域，分层的思想被广泛应用于操作系统、网络协议、软件架构等方面。
以下是一些计算机分层的生活例子：
1. 操作系统分层：操作系统是管理计算机硬件和软件资源的核心软件，它可以分为多个层次，如内核层、驱动层、应用层等。
内核层负责管理计算机的硬件资源，如 CPU、内存、磁盘等；驱动层负责管理各种硬件设备，如显卡、声卡、网卡等；应用层则是各种应用程序的运行环境。
这种分层结构使得操作系统更加灵活和可扩展。
2. 网络协议分层：网络协议是计算机之间通信的规则和标准，它也可以分为多个层次，如物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层等。
物理层负责处理物理介质上的信号传输；数据链路层负责将数据封装成帧，并进行错误检测和纠正；网络层负责将数据从源节点传输到目标节点；传输层负责提供可靠的数据传输服务；应用层则是各种应用程序的通信协议。
这种分层结构使得网络协议更加灵活和可扩展。
3. 软件架构分层：软件架构是软件系统的总体结构和组织方式，它也可以分为多个层次，如表示层、业务逻辑层、数据访问层等。
表示层负责处理用户界面和用户交互；业务逻辑层负责处理业务规则和逻辑；数据访问层负责访问和操作数据库或其他数据源。
这种分层结构使得软件系统更加灵活和可维护。
这些例子表明，计算机分层是一种非常有效的方法，可以将复杂的系统分解为多个简单的层次，每个层次负责特定的功能，从而简化系统的设计和理解。
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数据传输过程 端系统A 端系统B
表示层 应用层 应用层
表示层 会话层
应用层
表示层 会话层 传输层 网络层 数据连路层
传输层
网络层 数据连路层 物理层 通 信 介 质 通 信
物理层
介 质
为什么需要7层？
• 计算机网络的问题主要是解决异地独立工作的计算机 之间如何实现正确、可靠的通信，计算机网络分层体 系结构模型正是为解决计算机网络的这一关键问题而 设计的。 • 计算机网络体系结构分为相对独立的七层:应用层、表 示层、会话层、传输层、网络层、链路层、物理层。 • 层与层之间之间相互独立、隔离每一层对其他层的影 响较小，各层的功能、结构相对稳定并且有利于灵活 的扩充。这样，一个复杂而庞大的问题就简化为了几 个易研究、处理的相对独立的局部问题。
MVC典型实现
• 典型的实现： • C++：微软所推出的MFC Document/View架构是早期对于MVC模式 的实现，MFC将程序分成CView以及CDocument两大类型，其中的 Document对应MVC中的Model，View相当于MVC中的View＋ Controller，再加上CWinApp类型，合成三大项。但是基本上MFC是 一个失败的MVC模式作品。 • Java：Swing组件 • Swing是一个标准的MVC结构. ComponentUI代表View, 负责描画组 件. 组件尤其Model层, 比如JTextField的Document, JTable的 TableModel, JTree的TreeModel等等. 而Control可能不是很明显, 我 们或许可以简单的将其Event机制看作一个Swing团队开发给开发者的 Controller. • .Net：Windows Form • 在WinForms中，这个针对视图（View）和控制器（Controller）的模 式已经很好的定义。而模型（Model）则留给开发者去设计 • 其他还有Python中的Django，Ruby的Rails
MVC模式
• MVC模式是软件工程中的一种软件架构模式，把
软件系统分为三个基本部分：模型、视图和控制 器。 • 控制器：负责转发请求，对请求进行处理。 • 视图：界面设计人员进行图形界面设计。 • 模型：程序员编写程序应有的功能（实现算法等 等）、数据库专家进行数据管理和数据库设计(可 以实现具体的功能)。
计算机系统分层模型
• 从一般使用者的角度来看： • 计算机系统是由硬件和软件组成的。 • 软件根据其在计算机系统中所起的作用又可进一步分 为系统软件和应用软件。 • 系统软件是指能够对计算机硬件资源进行管理，对用 户方便使用计算机硬件资源提供服务的软件，其核心就是 操作系统。 • 应用软件则是人们使用各种计算机语言为解决各种应 用问题而编制的程序。 • 因此计算机系统自下而上又可以看成是由三个层次构成的： 计算机硬件、系统软件和应用软件。下层为上层功能的实 现提供支持。
பைடு நூலகம்
计算机系统分层模型
• 而从计算机设计者的角度看： • 计算机系统可以进一步划分为不同的层次来实现其功能。 这种划分可以看成是概念上的划分，但却是十分有意义的。 • 图1-17自下而上的结构： • 数字逻辑电路 • 控制系统 • 机器 • 系统软件 • 汇编语言 • 高级语言 • 用户
三层架构
• 三层架构是将整个业务应用划分为：表现层、业务逻
层 次 之 美
目录
• • • • • 常见分层模型概括 分层原则 网络OSI7层模型 计算机系统分层模型 两种软件分层思想
常见的分层模式
• • • • • 客户端——服务器模型 三层模型：用户表示层、业务逻辑层、数据层 多层结构的技术组成模型：表现层、中间层、数据层 网络系统常用的三层结构：核心层、汇聚层和接入层 RUP典型分层方法：应用层、专业业务层、中间件层、系 统软件层 • 基于Java的B/S模式系统结构：浏览器端、服务器端、请 求接收层、请求处理层。 • 某六层结构：功能层（用户界面）、模块层、组装层（软 件总线）、服务层（数据处理）、数据层、核心层。
分层的原则
• 主要就将一个复杂的计算机网络分开管理， 各个层实行相应的功能，便于管理和标准 的实行。 • 分层的原则 ： • 1.各个层之间有清晰的边界,便于理解; • 2.每个层实现特定的功能; • 3.层次的划分有利于国际标准协议的制定; • 4.层的数目应该足够多，以避免各个层功能 重复
网络OSI7层模型