计算机系统的分层

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。

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。

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。

下列选项列出的计算机系统由低到高分层顺序中，正确的是____B____。

A．硬件-应用软件-操作系统-其他系统软件B．硬件-操作系统-其他系统软件-应用软件C．硬件-其他系统软件-操作系统-应用软件D．硬件-应用软件-其他系统软件-操作系统下列选项中，不属于操作系统的是____D______。

A．Linux B．UNIXC．Windows D．CAXA下列程序设计语言中，属于解释语言的是_____C ____。

A．C B．DelphiC．BASIC D．C#下列MP3播放器选购注意事项中，错误的是___A______。

A．屏幕尺寸越大越好B．功能不要盲目求多C．存储容量越大越好D．要挑选做工精细的下列选项中，不属于数据库管理系统的是____A _____。

A．Excel B．FoxProC．Access D．SQL-Server下列选项中，不属于计算机病毒特点的是____B_____。

A．传染性B．自行消失性C．破坏性D．不可预见性下列选项中，不属于木马系统构成部分的是___D____。

A．硬件部分B．软件部分C．具体连接部分D．文档资料部分下列关于计算机网络协议的叙述中，错误的是___B_____。

A．网络协议是计算机网络中互相通信的对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的集合B．网络协议主要由语言、语法、载体三要素构成C．网络协议属于计算机网络软件系统D．网络协议是网络软件系统中最重要、最核心的部分以下选项中，属于广域网的是__B______。

A．宿舍网B．国家网C．校园网D．楼宇网以下选项中，不属于OSI参考模型分层的是___B_____。

A．物理层B．网络接口层C．数据链路层D．网络层在Windows中，下列文件名不合法的是___D_____。

A.系统B.ABC.系统@D.\系统\设置为默认的打印机其图标______B__。

A.反向显示B.左上角有一个标记C.右上角有一个标记D.左下角有一个小箭头快捷方式文件的图标_A_______。

说明计算机系统的层次结构
计算机系统的层次结构是指计算机硬件和软件组成的层次化结构。

计算机系统的层次结构从低到高分为五层：物理层、数字逻辑层、微程序层、指令集体系结构层和操作系统层。

物理层是计算机系统的最底层，它包括了计算机硬件的各种组件，如CPU、内存、硬盘、显示器等。

数字逻辑层是物理层之上的一层，它包括了计算机中的各种数字逻辑电路，如门电路、寄存器、计数器等。

数字逻辑层的主要任务是对物理层的硬件进行控制和管理，以实现计算机指令的执行。

微程序层是数字逻辑层之上的一层，它是计算机指令执行的关键。

在微程序层中，指令被翻译成微指令，然后在控制单元中执行。

微程序层对于指令执行的速度和灵活性起着至关重要的作用。

指令集体系结构层是微程序层之上的一层，它是计算机指令集的抽象层次。

在这一层中，计算机指令的操作码、寄存器等被规定。

指令集体系结构层决定了计算机的指令集和寻址方式等重要特性。

操作系统层是计算机系统的最高层，它是计算机系统的管理者。

操作系统层包括了各种系统软件，如操作系统、驱动程序、应用软件等。

操作系统层负责管理计算机的各种资源，如内存、CPU、输入输出设备等，为用户提供方便的计算环境。

总之，计算机系统的层次结构是一个由低到高、层层递进的结构，每一层都承担着不同的任务和职责。

只有各个层次之间的紧密协作和相互配合，才能使计算机系统正常运行。

计算机系统结构与组成了解计算机的层次结构和各个组成部分的功能与相互关系计算机系统结构与组成：了解计算机的层次结构和各个组成部分的功能与相互关系计算机系统是由硬件和软件两部分组成的，它们共同实现计算、控制、存储和输入/输出等功能。

在这个系统中，计算机的层次结构和各个组成部分具有紧密的功能联系和相互依赖关系，下面将介绍计算机系统结构的层次和各个组成部分的功能。

一、计算机系统结构的层次计算机系统结构可以划分为五个层次：硬件层、微程序层、指令系统层、操作系统层和应用层。

1. 硬件层：硬件层包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等，它们是计算机系统的基本组成部分，负责数据的处理和信息的存储。

2. 微程序层：微程序层主要包括微操作和微指令，它们是控制中央处理器工作的关键，通过微指令的执行来完成指令的解码和执行操作。

3. 指令系统层：指令系统层包括指令格式、寻址方式、指令集等，它规定了计算机的指令集和指令执行的方式，为高级语言提供了底层支持。

调计算机硬件和软件资源，提供用户与计算机系统之间的接口，为应用程序提供服务。

5. 应用层：应用层是计算机系统的最上层，包括各种应用软件（如文字处理、电子表格、数据库等），它们通过操作系统层来实现与底层硬件的交互。

二、计算机系统各部分的功能与相互关系1. 中央处理器（CPU）：CPU是计算机的核心，它负责进行算术逻辑运算、控制计算机的工作流程和解释执行指令等。

CPU由运算器和控制器组成，其中运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责指令的解码和执行。

2. 存储器：存储器用于存储数据和程序，包括主存储器（例如RAM）和辅助存储器（例如硬盘、光盘等）。

主存储器是CPU直接访问的存储空间，而辅助存储器用于长期存储和备份数据。

3. 输入输出设备：输入设备用于将外部数据输入到计算机系统中，如键盘、鼠标等；输出设备则用于将计算机处理的结果输出到外部，如显示器、打印机等。

输入输出设备与计算机系统通过接口进行数据传输和控制操作。

1、计算机系统的组成计算机是由硬件系统（hardware system）和软件系统（software system）两部分组成的。

硬件部分1、中央处理器中央处理器（Central Processing Unit，CPU）制作在一块集成电路芯片上，也称为微处理器（Micro Processor Unit，MPU）。

计算机利用中央处理器处理数据，利用存储器来存储数据。

CPU是计算机硬件的核心，主要包括运算器和控制器两大部分，控制着整个计算机系统的工作。

计算机的性能主要取决于CPU的性能。

运算器又称为算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）。

操作时，控制器从存储器取出数据，运算器进行算术运算或逻辑运算，并把处理后的结果送回存储器。

控制器的主要作用是使整个计算机能够自动的运行。

执行程序时，控制器从主存中取出相应的指令数据，然后向其他功能部件发出指令所需的控制信号，完成相应的操作，再从主存中取出下一条指令执行，如此循环，直到程序完成。

2、存储器存储器是计算机中的记忆存储部件。

存储器既能够接受和保存数据，又能够向其他部件提供数据。

存储器分为内存和外存两大类。

在计算机系统中，习惯上把内存、CPU合称为主机。

（1）内存储器内存储器分为随机读/写存储器（Random Access Memory，RAM）、只读存储器（Read OnlyMemory，ROM）和高速缓冲存储器（Cache）三类。

内存一般指的是RAM。

硬盘一般指ROM。

（2）外存储器外存储器主要包括硬盘、光盘、U盘和移动硬盘等。

ROM和RAM是计算机内存储器的两种型号，ROM表示的是只读存储器，即：它只能读出信息，不能写入信息，计算机关闭电源后其内的信息仍旧保存，一般用它存储固定的系统软件和字库等。

RAM表示的是读写存储器，可其中的任一存储单元进行读或写操作，计算机关闭电源后其内的信息将不在保存，再次开机需要重新装入，通常用来存放操作系统，各种正在运行的软件、输入和输出数据、中间结果及与外存交换信息等，我们常说的内存主要是指RAM。

计算机的三个层次内容
计算机的三个层次内容通常指的是计算机系统的三层结构，包括硬件、软件和用户。

1. 硬件层次：硬件是计算机系统的物理基础，包括计算机的各种物理设备，如中央处理器（CPU）、内存、硬盘、输入设备（如键盘、鼠标）和输出设备（如显示器、打印机）等。

硬件负责执行计算机的基本操作和指令，提供了计算机运行所需的物理资源。

2. 软件层次：软件是运行在计算机硬件之上的程序和数据的集合，它包括系统软件和应用软件。

系统软件负责管理和控制计算机的硬件资源，提供基本的操作系统功能，如文件管理、任务调度、内存管理等。

应用软件则是用于完成特定任务的程序，如办公软件、游戏、图像处理软件等。

3. 用户层次：用户是与计算机系统进行交互的最终使用者。

用户通过输入设备与计算机进行互动，使用操作系统和应用软件来完成各种任务。

用户可以是个人、组织或企业等不同的实体，他们使用计算机来满足自己的需求和目标。

这三个层次相互依赖、相互协作，共同构成了一个完整的计算机系统。

硬件提供了计算能力和物理资源，软件则使硬件能够高效地工作，并为用户提供各种功能和服务。

用户通过与计算机系统的交互来实现自己的目标，而计算机则通过执行软件程序来满足用户的需求。

osi分层结构优点OSI（Open Systems Interconnection）是一种网络协议参考模型，它将计算机网络按照功能划分为七个层次，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。

每个层次负责不同的功能，同时也与上下层进行数据交互。

OSI分层结构的优点主要体现在以下几个方面：1. 独立性和互操作性：OSI分层结构将整个网络功能划分为多个独立的层次，每个层次都具有独立的功能和接口。

这种独立性使得在某一层次的变化不会对其他层次产生影响，从而实现了系统的可维护性和扩展性。

此外，每个层次之间都有明确定义的接口，使得不同厂商或者不同实现能够互相配合工作，实现了跨平台和跨厂商的互操作性。

2. 简化和灵活性：OSI分层结构通过将网络功能划分为不同的层次，使得整个网络设计变得更加简化和灵活。

每个层次都专注于特定的功能，提供明确定义的接口和协议。

这种简化和灵活性使得网络中的某一层次可以根据需求进行升级或替换，而不会对整个网络产生影响。

3. 故障隔离和故障排查：OSI分层结构提供了故障隔离的能力。

由于每个层次都相对独立，当某一层次发生故障时，可以快速定位并修复问题，而不会对其他层次的正常运行产生影响。

这种故障隔离的能力大大提高了系统的可靠性，并且简化了故障排查的过程。

4. 跨平台和跨网络的兼容性：OSI分层结构定义了每个层次的功能和接口，使得不同的操作系统和网络设备可以通过实现相同的协议来进行通信。

这种跨平台和跨网络的兼容性使得不同厂商的设备可以自由地组合和搭配，实现互联互通的网络环境。

5. 优化的性能：OSI分层结构将网络功能划分为多个层次，通过将复杂的任务划分为简单的子任务进行处理，从而提高了网络的性能和效率。

不同层次之间的信息传递通过明确定义的接口和协议进行，避免了冗余和重复的数据传输，减少了网络拥塞和传输延迟。

总结：OSI分层结构的优点包括独立性和互操作性、简化和灵活性、故障隔离和故障排查、跨平台和跨网络的兼容性以及优化的性能。

计算机⽹络分层模型-7层和4层计算机⽹络中会把⽹络结构分层⽬前主要有2种7层（osi国际标准组织定制）4层（tcp/ip标准，美国军⽅制定）虽然osi是国际认证，但是⽬前⼤部分⽤的都是tcp/ip标准7层：物链⽹输会⽰⽤应⽤层：⽤户交互协议：FTP（⽂件传输协议），SMTP（电⼦邮件传输协议），HTTP（超⽂本传输协议）表⽰层：数据处理（加密，格式转换，压缩和恢复），⼈类语⾔变成机器语⾔协议：ASCII码会话层：建⽴连接，添加校验点，在链接失效时重新连接同步数据（⼤⽂件传输）协议：ADSP，ASP传输层：端到端通讯，两个主机的进程之间的数据传输和通讯（可靠传输，不可靠传输）协议：TCP（可靠传输,3次握⼿保证建⽴连接，双⼯通讯（双⽅同时发送和接受数据），利⽤缓存保证数据完整有序，添加了序号和确认号验证数据完整性（⽐如3次握⼿演⽰中中经常出现的的seq和ack），电⼦邮件⼀类的⼀般使⽤这个，保证可靠性，不⽤太在意即时性）,UDP（不可靠传输，⼀直发送，没有流量控制（有多少发多少），不纠错，⼀般视频会议⼀类的使⽤这个，保证数据速度和即时性，偶尔掉帧什么的⽆所谓）⽹络层：选择最佳路径，控制发送端流量，纠错（保证传输层数据正确），阻塞控制（控制整体流量）协议：IP数据链路层：数据组装成帧（把⼀个⼤数据分成⼀个⼀个的数据帧101010101010011.。

⽅便物理层传输）物理层：物理媒体上数据⽐特流的透明传输（把 0 1 数据帧变成⾼低电压信号传输出去）协议：IEEE802.4，Rj244层：接⽹输⽤应⽤层： 7层中的应⽤层，表⽰层，会话层协议：FTP（⽂件传输协议），SMTP（电⼦邮件传输协议），HTTP（超⽂本传输协议）传输层： 7层中的传输层协议：TCP,UDP⽹际层： 7层中的⽹络层协议：IP⽹络接⼝层： 7层中的数据链路层和物理层协议：Ethernet（以太⽹（现在⼤部分局域⽹都是这种，⽆连接（没有三次握⼿），不可靠（没有数据帧号，丢了不知道））），ATM（异步传输模式（信元传输））， Frame Relay（帧中继（数据帧传输，已经过时了））主要记住：每个层的名字，每个层的作⽤，每个层的协议。