体系结构
简述osi体系结构
简述osi体系结构
OSI（Open Systems Interconnection，开放式系统互联模型）体系结构是一种理论模型，用于指导网络协议的设计与实现，旨在实现网络设备之间的互通性，也就是实现跨网络厂商、跨设备之间的互操作性。
OSI体系结构分为7层，如下所示：
第1层：物理层（Physical Layer） - 负责将数字数据转换成比特流，并在物理媒介上传输比特流；
第2层：数据链路层（Data Link Layer） - 负责将比特流转换成帧，并通过物理媒介进行传输；
第3层：网络层（Network Layer） - 负责将帧转换为数据包，并提供路径选择、流量控制、差错处理等功能；
第4层：传输层（Transport Layer） - 负责数据传输的可靠性和顺序性，同时还负责流量控制、差错处理等问题；
第5层：会话层（Session Layer） - 负责建立、维护、终止会话连接；
第6层：表示层（Presentation Layer） - 负责对数据进行格式化、压缩、加密等处理，以确保不同设备间的数据格式的兼容性；
第7层：应用层（Application Layer） - 最高层，负责为用户提供服务，如电子邮件、文件传输、远程登录等。
OSI体系结构是一种理论模型，实际上实现起来比较困难，因此现在大多数协议都是在OSI模型的基础上进行了修改和简化，比如TCP/IP协议就是在OSI模型的基础上发展而来的。
现代科学的体系结构
现代科学的体系结构
现代科学的体系结构可以分为以下几个层次或领域：
1. 自然科学：包括物理学、化学、生物学、地球科学等。
自然
科学研究自然界的规律和现象，通过观察、实验和理论推导等手段揭
示自然现象背后的科学原理。
2. 社会科学：包括经济学、社会学、心理学、政治学等。
社会
科学研究人类社会的行为、组织、文化以及社会系统的运作规律。
3. 工程科学：包括工程学、计算机科学、材料科学等。
工程科
学研究实际应用中的技术问题，旨在解决现实生活中的实际工程和技
术挑战。
4. 数学：数学是一门独立的学科，也是其他科学领域的基础。
它研究空间、数量、结构以及变化等抽象概念。
数学的应用领域广泛，并且与其他科学领域有着密切的关系。
除了以上主要的科学领域，现代科学还涉及交叉学科的研究，如
生物化学、物理化学、生物医学工程等。
这些交叉学科的产生是为了
更好地解决复杂问题，促进科学的交叉和创新。
现代科学也注重科学
方法论的研究，如实证主义、理论预测、实验设计等，这些方法可以
帮助科学家进行科学研究和验证科学理论的可靠性。
现代科学的体系
结构是动态发展的，不断扩展和丰富。
系统 体系 结构的区别和联系
系统体系结构的区别和联系
系统、体系与结构是三个相互关联的概念，它们又有各自独特的含义和用法。
系统（System）是指有机的整体或组成部分，是由各种有机物或无机物组成的单元集合，通过各种相互作用和连通关系紧密地联系在一起，共同完成特定功能的过程。
例如，计算机系统就是由若干个硬件组成的单元集合，通过各种软件和硬件的相互作用和联接紧密地联系在一起，以完成一定的计算处理任务。
体系（Systematics）是指在学科研究中的有机整体结构或分类体系，是指一系列有机整体或分类单位，在研究中被认为是一个有机且有序的集合。
例如，生物体系是分类学研究中的一个有机且有序的集合，在这个集合中，生物体类之间有着一定的层级和关系。
结构（Structure）是指组成体系或系统的各个部分之间的相互关系和组织方式，体现了分支、衍生和层次等基本规律。
例如，建筑结构是指建筑物各部分之间的相互关系和组织方式。
在软件工程中，系统、体系和结构的含义常常存在重叠和交叉之处。
通常，系统是指软件系统的总体，它包括各种硬件、软件和人员等组成部分，体系是指软件系统的分类体系，例如软件体系架构、功能体
系等；而结构则是指软件系统的内部组成结构，例如数据结构、模块结构等。
三者之间的联系在不同的上下文中有所不同，但它们都是软件工程中必不可少的概念，能够帮助人们更好地理解和分析软件系统。
OSI 的七层体系结构
OSI 的七层体系结构：应用层表示层会话层运输层网络层数据链路层物理层物理层物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。
物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。
∙媒体和互连设备物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。
通信用的互连设备指DTE和DCE间的互连设备。
DTE既数据终端设备，又称物理设备，如计算机、终端等都包括在内。
而DCE则是数据通信设备或电路连接设备，如调制解调器等。
数据传输通常是经过DTE──DCE，再经过DCE──DTE的路径。
互连设备指将DTE、DCE 连接起来的装置，如各种插头、插座。
LAN中的各种粗、细同轴电缆、T型接、插头，接收器，发送器,中继器等都属物理层的媒体和连接器。
∙物理层的主要功能1.为数据端设备提供传送数据的通路,数据通路可以是一个物理媒体,也可以是多个物理媒体连接而成.一次完整的数据传输,包括激活物理连接,传送数据,终止物理连接.所谓激活,就是不管有多少物理媒体参与,都要在通信的两个数据终端设备间连接起来,形成一条通路.2.传输数据.物理层要形成适合数据传输需要的实体,为数据传送服务.一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽(带宽是指每秒钟内能通过的比特(BIT)数),以减少信道上的拥塞.传输数据的方式能满足点到点,一点到多点,串行或并行,半双工或全双工，同步或异步传输的需要.3.完成物理层的一些管理工作.∙物理层的一些重要标准物理层的一些标准和协议早在OSI/TC97/C16 分技术委员会成立之前就已制定并在应用了,OSI也制定了一些标准并采用了一些已有的成果.下面将一些重要的标准列出,以便读者查阅.ISO2110:称为"数据通信----25芯DTE/DCE接口连接器和插针分配".它与EIA(美国电子工业协会)的"RS-232-C"基本兼容。
网络体系结构
网络体系结构网络体系结构，简称网络架构，指的是互联网整体架构的逻辑架构、物理架构和协议架构，它决定了互联网的功能、性能、可靠性和安全性，同时也为互联网的拓展和发展提供了基础支持。
一、逻辑架构网络逻辑架构是指网络系统中各个部分的功能和互相之间的关系。
它是网络系统最基本的部分，以分层的方式进行组织，从上至下分别是：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。
1. 应用层应用层是网络体系结构中最靠近用户的一层，它主要负责处理和管理用户与网络之间的信息交互。
在这一层上，包括了很多常见的协议，如HTTP、FTP、SMTP等。
2. 传输层传输层主要负责网络数据的传输和速率的控制，它负责把数据分成若干个数据包，并负责传输和接收。
这一层也包括了两个主要的协议：TCP和UDP。
3. 网络层网络层主要负责寻找最佳的路径，实现不同网络之间的数据传输，强调数据包在网络中的传输。
在这一层上最常见的协议是IP协议。
4. 数据链路层数据链路层位于物理层和网络层之间，主要负责将网络层传过来的数据包转换成适合物理层传输的数据包。
最常见的协议是以太网协议。
5. 物理层物理层负责传输和接收网络中的数据以及硬件的控制。
它决定了数据的传输速率、数据的格式和传输媒介等。
最常见的传输媒介是有线和无线两种。
二、物理架构网络物理架构是指网络系统中各个设备之间的连接方式和传输媒介等硬件设备的布局、位置和组成。
物理架构包括以下几种架构方式：1. 局域网（LAN）局域网是指在一个较小范围内的计算机网络，其覆盖范围通常在一个建筑物或者一个校园内。
局域网的传输速率非常快，最常常用的网线是双绞线。
2. 城域网（MAN）城域网是指在一个城市或者地理范围比较大的区域内的计算机网络。
城域网常用的传输媒介是光纤。
3. 广域网（WAN）广域网是指在一个大范围的区域内的计算机网络，它由多个局域网和城域网组成。
广域网的传输媒介是电话线路或者无线电波。
三、协议架构网络协议架构是指网络系统中使用的通信协议以及协议之间的关系。
软件体系结构的定义
软件体系结构是指软件系统中各个组件之间的组织方式和相互关系的抽象表示。
它描述了一个软件系统的整体结构、组成部分及其相互之间的交互关系、通信方式和约束规则。
软件体系结构定义了系统的基本框架，规定了各个模块之间的功能划分、接口设计和数据流动等，是软件系统设计的基础。
软件体系结构通常包括以下几个方面的内容：
组件：软件系统的组成部分，可以是模块、类、对象等。
每个组件负责实现特定的功能，并通过接口与其他组件进行交互。
接口：定义了组件之间的通信规则和交互方式，包括输入和输出的数据格式、方法调用方式等。
结构：描述了组件之间的组织方式和关系，如层次结构、模块化结构、客户端-服务器结构等。
链接：描述了组件之间的连接方式和数据流动路径，如同步或异步通信、数据传输的方式等。
约束：定义了系统中的规范和限制条件，包括性能要求、安全性要求、可扩展性要求等。
通过定义和设计软件体系结构，可以提高软件系统的可维护性、可扩展性和可重用性，同时降低系统开发和维护的复杂性。
软件体系结构还可以帮助开发团队进行模块化的工作分配，提高开发效率和协作能力。
体系结构设计模型的表示方法
体系结构设计模型的表示方法体系结构设计模型的表示介绍体系结构设计模型是建立软件系统架构的关键步骤之一。
在设计过程中，如何准确地表示和展示系统的架构是十分重要的。
本文将介绍几种常用的体系结构设计模型的表示方法。
1. UMLUML（统一建模语言）是一种常用的软件工程建模语言，用于表示和描述系统的架构。
UML提供了多种图表，如用例图、类图、组件图、部署图等，能够很好地表示系统的结构和关系。
•用例图：用于描述系统功能和用户之间的交互。
•类图：用于描述系统中的类和它们之间的关系。
•组件图：用于描述系统中的模块和它们的依赖关系。
•部署图：用于描述系统的物理架构和部署方案。
2. 架构图架构图是一种更高层次的表示方法，它能够直观地展示系统的组成部分和它们之间的关系。
常见的架构图包括：•静态结构图：用于表示系统的静态组成，如层次结构图、模块图、包图等。
•动态行为图：用于表示系统的动态行为，如时序图、活动图等。
•部署图：用于描述系统的物理架构和部署方案。
3. 代码注释代码注释是一种简单而直接的体系结构表示方法。
通过在代码中添加注释，可以解释和说明代码的结构和设计思路。
代码注释可以采用各种规范和工具，如Javadoc、XML注释等。
4. 文档文档是另一种常用的体系结构表示方法。
通过编写详细的文档，可以描述系统的组成部分、接口细节、设计原理等，从而帮助人们理解和使用系统。
5. 绘图工具绘图工具是一种辅助工具，可以帮助开发人员创建和编辑各种类型的图表。
常见的绘图工具有Visio、Draw.io、Lucidchart等，它们提供了丰富的图形库和编辑功能，能够高效地创建和修改系统架构图。
总结在体系结构设计过程中，合适的表示方法能够更好地帮助开发人员理解和描述系统的架构。
本文介绍了几种常用的体系结构设计模型的表示方法，包括UML、架构图、代码注释、文档和绘图工具。
开发人员可以根据实际需求选择合适的表示方法，从而更好地设计和开发软件系统。
信息安全体系结构概述
信息安全体系结构概述信息安全体系结构通常包括以下几个关键组成部分：1. 策略和规程：包括制定和执行信息安全政策、安全规程、控制措施和程序，以确保组织内部对信息安全的重视和执行。
2. 风险管理：包括风险评估、威胁分析和安全漏洞管理，以识别和减轻潜在的安全风险。
3. 身份和访问管理：包括身份认证、授权和审计，确保只有授权的用户才能访问和操作组织的信息系统。
4. 安全基础设施：包括网络安全、终端安全、数据加密和恶意软件防护，以提供全方位的信息安全保护。
5. 安全监控和响应：包括实时监控、安全事件管理和安全事件响应，以保持对信息安全事件的感知和及时响应。
信息安全体系结构的设计和实施需要根据组织的特定需求和风险状况进行定制，以确保信息安全控制措施的有效性和适用性。
同时，信息安全体系结构也需要不断地进行评估和改进，以适应不断变化的安全威胁和技术环境。
通过建立健全的信息安全体系结构，组织可以有效地保护其信息资产，确保业务的连续性和稳定性。
信息安全体系结构是一个综合性的框架，涵盖了组织内部的信息安全管理、技术实施和持续改进，以保护组织的信息资产不受到未经授权的访问、使用、泄露、干扰或破坏。
下面我们将深入探讨信息安全体系结构的各个关键组成部分。
首先是策略和规程。
信息安全体系结构的基础是明确的信息安全政策和安全规程。
具体来说，信息安全政策应当包括对信息安全意识的要求、信息安全的目标和范围、信息安全管理的组织结构和沟通机制、信息安全责任和权限的分配、信息安全培训和监督制度，以及信息安全政策的制定、执行、检查、改进和审查的一系列管理程序。
涉及敏感信息资产的操作程序和应急响应机制，应当被明确规定。
其次是风险管理。
风险是信息系统安全的关键问题之一。
风险管理主要包括风险评估、威胁分析和安全漏洞管理。
通过对信息系统进行风险评估和威胁分析，可以评估信息系统的脆弱性，找出哪些方面具有较大的风险，并将重点放在这些方面，进行防护措施。
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某台主频为400MHz 的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均指令类型 指令执行数量平均时钟周期数整数 45000 1 数据传送 75000 2 浮点 8000 4 分支15002求该计算机的有效CPI 、MIPS 和程序执行时间。
解：（1）CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝ (或259460) （2）MIPS 速率＝f/ CPI ＝400/ ＝ (或2595180MIPS) （3）程序执行时间= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575μs将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？解 由题可知： 可改进比例 = 40% = 部件加速比 = 10 根据Amdahl 定律可知：()5625.1104.04.011=+-=系统加速比采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高到原来的倍。
指令 使用频度 指令 使用频度 指令 使用频度 ADD 43% JOM 6% CIL 2% SUB 13% STO 5% CLA 22% JMP7%SHR1%STP1%种编码的平均码长。
解：根据给出的九条指令的使用频度和哈弗曼生成算法的结构的不用构造了两种不同的哈夫曼树。
（左边为A ，右边为B ） 各编码如下：由表可知，三种编码的平均码长为：(公式：L=∑Pi*Li) 哈弗曼编码：位 3/3/3编码：位 2/7编码：位平均码长：2*43%+2*22%+4*（1-43%-22%）=.某机指令字长16位。
设有单地址指令和双地址指令两类。
若每个地址字段为6位.且双地址指令有X 条。
问单地址指令最多可以有多少条? 解：双地址指令结构为：（4位操作码）（6位地址码）（6位地址码） 单地址指令结构为：（10位操作码）（6位地址码） 因此，每少一条双地址指令，则多2^6条单地址指令， 双地址指令最多是2^(16-6-6)=2^4=16条 ， 指令 Ii Pi 哈弗曼A 哈弗曼B 3/3/3 2/7 ADD I1 0 0 00 00 CLA I2 10 100 01 01SUB I3 110 101 10 1000 JMP I4 11100 1100 1100 1001 JOM I5 11101 1101 1101 1010 STO I6 11110111011101011CIL I7 111110 11110 111100 1100 SHR I8 1111110 111110 111101 1101 STP I91111111 111111 111110 1110所以单地址指令最多有（16-X ）*2^6条。
.若某机要求：三地址指令4条，单地址指令255条，零地址指令16条。
设指令字长为12位．每个地址码长为3位。
问能否以扩展操作码为其编码?如果其中单地址指令为254条呢?说明其理由。
解：（1）不能用扩展码为其编码。
指令字长12位，每个地址码占3位，三地址指令最多是2^(12-3-3-3)=8条， 现三地址指令需4条,所以可有4条编码作为扩展码，而单地址指令最多为4×2^3×2^3=2^8=256条，现要求单地址指令255条， 所以可有一条编码作扩展码因此零地址指令最多为1×2^3＝8条不满足题目要求，故不可能以扩展码为其编码。
（2）若单地址指令254条，可以用扩展码为其编码。
依据（1）中推导，单地址指令中可用2条编码作为扩展码，零地址指令为2×2^3＝16条，满足题目要求有一指令流水线如下所示1 2 3 4 出 50ns 50ns 100ns 200ns（1） 求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率； （2） 该流水线的“瓶颈”在哪一段？请采取两种不同的措施消除此“瓶颈”。
对于你所给出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？解：（1）2200(ns)2009200)10050(50t )1n (t T maxm1i i pipeline =⨯++++=∆-+∆=∑= )(ns 2201T nTP 1pipeline-==45.45%1154400TP mtTP E m1i i≈=⋅=∆⋅=∑= （2）瓶颈在3、4段。
变成八级流水线（细分）850(ns)509850t 1)(n t T maxm1i i pipeline =⨯+⨯=∆-+∆=∑=)(ns 851T nTP 1pipeline-==58.82%17108400TP mtiTP E m1i ≈=⋅=∆⋅=∑= 重复设置部件)(ns 851T nTP 1pipeline-==58.82%1710885010400E ≈=⨯⨯=有一个流水线由4段组成，其中每当流经第3段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。
如果每段经过一次所需要的时间都是t ∆，问：（1） 当在流水线的输入端连续地每t ∆时间输入任务时，该流水线会发生什么情况？ （2） 此流水线的最大吞吐率为多少？如果每t ∆2输入一个任务，连续处理10个任务时的实际吞吐率和效率是多少？ （3） 当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理10个任务时，其123-13-24-1 4-2 4-3 4-4123_13_24_14_4入出1 11 12 2 223 3 334 4 445 5 55 6 6 667 7 778 8 9 9 1010 89108910 时间段吞吐率提高多少？第1个任务 S1 S2 S3 S3 S4 第2个任务 S1 S2 stall S3 S3 S4 第3个任务 S1 stall S2 stall S3 S3 S4 第4个任务S1stallS2stallS3S3S4（2）54.35%925045TP E 2310T nTp 23T 21TP pipelinepipeline max ≈=∆⋅=∆∆==∆=∆=t tt t（3）重复设置部件tt∆⋅=∆⋅==751410T nTP pipeline时间1 1 1 1 12 2 2 2 23 3 3 3 34 4 4 4 45 5 5 5 56 6 6 6 67 7 7 7 78 8 8 8 89 9 9 9 9 101010 10 10123_13_24ΔtΔt ΔtΔt段 时间13_1 3_2 11 1122 2 2 233 33344 44455 55566 66677 77788 888999991010101010t∆ 14吞吐率提高倍数＝tt ∆∆231075＝有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的时间为2△t ，其余各段的时间均为△t ，而且流水线的输出可以直接返回输入端或 暂存于相应的流水寄存器中。
现要在该流水线上计算，画出其时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。
解：首先，应选择适合于流水线工作的算法。
对于本题，应先计算A 1＋B 1、A 2＋B 2、A 3＋B 3和A 4＋B 4；再计算(A 1＋B 1) ×(A 2＋B 2)和(A 3＋B 3) ×(A 4＋B 4)；然后求总的结果。
其次，画出完成该计算的时空图，如图所示，图中阴影部分表示该段在工作。
由图可见，它在18个△t 时间中，给出了7个结果。
所以吞吐率为：tTP ∆=817如果不用流水线，由于一次求积需3△t ，一次求和需5△t ，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t 。
所以加速比为：该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得：解释下列术语指令级并行：简称ILP 。
是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两1234 5乘法加法△t△t2△t △t △t)(41i i i B A +∏= 时间段12 3 4 5 0 1 2 34 5 6 7 8 910 11 12 13 14 15 16 输 入A 1B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4ABCDA B CDA ×B A ×BC ×D A ×B ×C ×DA=A 1＋B 1 B=A 2＋B 2 C=A 3＋B 3 D=A 4＋B 4C ×D17 1861.18192=∆∆=tt S 223.01853354=⨯⨯+⨯=E条或两条以上的指令。
指令调度：通过在编译时让编译器重新组织指令顺序或通过硬件在执行时调整指令顺序来消除冲突。
指令的动态调度：是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。
是由硬件在程序实际运行时实施的。
指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。
它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。
保留站：在采用Tomasulo算法的MIPS处理器浮点部件中，在运算部件的入口设置的用来保存一条已经流出并等待到本功能部件执行的指令（相关信息）。
CDB：公共数据总线。
动态分支预测技术：是用硬件动态地进行分支处理的方法。
在程序运行时，根据分支指令过去的表现来预测其将来的行为。
如果分支行为发生了变化，预测结果也跟着改变。
BHT：分支历史表。
用来记录相关分支指令最近一次或几次的执行情况是成功还是失败，并据此进行预测。
分支目标缓冲：是一种动态分支预测技术。
将执行过的成功分支指令的地址以及预测的分支目标地址记录在一张硬件表中。
在每次取指令的同时，用该指令的地址与表中所有项目的相应字段进行比较，以便尽早知道分支是否成功，尽早知道分支目标地址，达到减少分支开销的目的。
前瞻执行：解决控制相关的方法，它对分支指令的结果进行猜测，然后按这个猜测结果继续取指、流出和执行后续的指令。
只是指令执行的结果不是写回到寄存器或存储器，而是放到一个称为ROB的缓冲器中。
等到相应的指令得到“确认”（即确实是应该执行的）后，才将结果写入寄存器或存储器。
ROB：ReOrder Buffer。
前瞻执行缓冲器。
超标量：一种多指令流出技术。
它在每个时钟周期流出的指令条数不固定，依代码的具体情况而定，但有个上限。
超流水：在一个时钟周期内分时流出多条指令。
超长指令字：一种多指令流出技术。
VLIW处理机在每个时钟周期流出的指令条数是固定的，这些指令构成一条长指令或者一个指令包，在这个指令包中，指令之间的并行性是通过指令显式地表示出来的。