计算机控制系统基础PPT课件

1、2.1计算机控制系统的采样及信号特点 计算机控制系统的信号形式 连续模拟信号：如传感器输出信号、D/A变换后保持器的输出信号等。 离散模拟信号：采样器的输出信号及D/A输出信号等。 连续数字信号：计算机存储和正在处理的数据等。 离散数字信号：A/D输出信号、计算机总线上的输出信号等。采样器Ty*(t)A/Dy(kT)r(kT)e(kT)控制器D(z)u(kT)D/Au*(t)保持器Hu(t)对象G(s)连续信号离散模拟信号数字信号数字信号离散模拟信号整量化连续信号y(t)ty(t)ty*(t)tu(kT)00000001001000110100010101100111tu(t)(a)连续信号(

2、b)离散模拟信号(c)数字信号(d)整量化连续信号第1页/共91页2.1计算机控制系统的采样及信号特点 离散模拟信号离散数字信号（量化） 量化单位： 量化误差： 例：满量程信号幅值M=10V，A/D位数分别为8位、12位。 则：ty(t)ty*(t)tu(kT)00000001001000110100010101100111tu(t)(a)连续信号(b)离散模拟信号(c)数字信号(d)整量化连续信号nMq22qemVVMqn1 .390391. 02102811mVVMqn44. 200244. 021021222mVqe6 .19211mVqe22. 1222第2页/共91页2.1计算机控制

3、系统的采样及信号特点 信号的采样、采样周期和采样定理（连续模拟信号离散模拟信号）Ty(t)y*(t)第3页/共91页2.1计算机控制系统的采样及信号特点3 信号的采样、采样周期和采样定理（连续模拟信号离散模拟信号） 采样开关、理想采样开关和理想采样脉冲 采样开关：、T 理想采样开关：0 理想采样脉冲：y(t)y*(t)0T2T3TtTTy(t)y*(t)KTtKTtKTt01y(t)tt10(t-kT)y*(t)t第4页/共91页2.1计算机控制系统的采样及信号特点 信号的采样、采样周期和采样定理（连续模拟信号离散模拟信号） 采样信号： 采样周期：过大信号产生失真，过小增加计算机数据处理和存储

4、的负担。 采样定理（香农定理）：若或 则采样信号y* (t )能无失真地恢复到原信号y (t )。实际应用时，常取*( )(0) ( )( ) ()() ()ytyty TtTy kTtkT0( )()ky ttkT0() ()ky kTtkTmax2smax/T max(5 10)s第5页/共91页tT01u(t-T)u(t-T)2.1计算机控制系统的采样及信号特点 信号的保持（离散模拟信号连续模拟信号） 零阶保持器：kT 时刻的y (kT ) 延续一个周期，即保持到kTT 时刻 。yh (kT t ) = y (kT)0 t TtT01u(t)1(t)0111( )TsTseHsesss1

5、(t-T)1(t-T)h 0 (t) 1 (t ) 1 (tT)1 1h0(t)0TtH0(s)h0(t)(t)原信号y(t)恢复信号y(t)采样信号y(t)ty第6页/共91页2.1计算机控制系统的采样及信号特点 信号的保持（离散模拟信号连续模拟信号） 注意：D/A转换器通常带有零阶保持器的功能。无需另设。 一阶保持器和高阶保持器：一阶保持器，斜直线，近似程度好，相位滞后更甚，一般不用。第7页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 Z变换 Z变换的定义连续系统采样差分方程Z变换Z传递函数分析离散系统特性离散系统0*( )() ()kyty kTtkT00 *( )*( )() ()edst

6、kL ytYsy kTtkTt00()()edstky kTtkTt0()ekTsky kT建模第8页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 Z变换为了运算和书写方便，引入一个新变量z 或Tsze1lnszT注意： 只能用于将Y *(s)转变为Y (z)，而不能将Y(S)直接进行转变(只有采样函数才有Z变换)。y（kT）决定了采样函数的幅值，z的幂次表示采样脉冲出现的时刻。一个函数的Z变换只有在采样时刻才有意义，两个不同的连续函数的采样信号可以有相同的Z变换。1230( )()(0)( )(2 )(3 )kkY zy kT zyy T zyT zy T z1lnszT 0ln1kkzTszk

7、TySYtyZzY第9页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 Z变换 Z变换的基本定理序序性质和定理性质和定理时时 域域Z 变换变换说明说明1线性定理线性定理2滞后滞后(右移右移)定理定理3超前超前(左移左移)定理定理 4复数平移复数平移5初值定理初值定理6终值定理终值定理(0)y( )y lim ( )zY z1lim(1) ( )zzY z(t-kT)形式的差分方程 Z变换比较简单运算有用，超前环节实际不存在 tyatya2211 zYazYa2211KTty zYzKKTty 10KjjKKzjTyzYzaTzeY tyeat zYzz111lim第10页/共91页2.2计算机控制系

8、统的数学模型 Z变换 Z变换的计算 无穷级数求和法：按定义展开，等比数列求和。 部分分式法：Y(s)y(t) Y(z) 查表法：由y(kT)或Y(s)求Y(z) 留数计算法：由Y(s)求Y(z)，常见一阶极点和二阶极点情况。 nipssTrirriiiiiezzsYpsdsdrtyZzY111! 11pi(i=1,2n)：极点n：全部不相等极点的数目ri：s=pi时的重数 ipssTiiezzsYpszY ipssTiiezzsYpsdsdzY2单极点：二重极点：第11页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 Z变换 Z变换的计算 例：单位脉冲函数(t ) 单位阶跃函数0()kkkT z01

9、 z 1*( )()1 ,0utu kTk( ) ()U zZ u kT01kkz121zz 111z kTZtZ1zz第12页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 Z变换 例： 单位速度函数 指数函数( ),()f ttf kTkT11 2( )()(1)TzF zZ kTz( ),()atakTf tef kTe11( )()1akTaTaTzF zZ eezze21zTz第13页/共91页例：已知连续函数 y(t) 的拉氏变换 ，求Y(z)解：单极点 p1 =2 ，二重极点p2 =4将 Y(s)展开成部分分式形式 求待定系数A1 、A2 、A3 21( )(2)(4)Y sss312

10、221( )(2)(4)2(4)4AAAY ssssss11122211() ( )(2) ( )(4)36s pssAsp Y ssY ss22232244dd11()( )(4)( )dd(2)36s pssAspY ssY ssss222224411()( )(4)( )26s pssAspY ssY ss2212311161( )(2)(4)362(4)41( )( )( )36Y ssssssY sY sY s3-4T( )zY zze12T( ),zY zze221(1)TzZsz4224266( )(4)(1)TTTe zY zZse z由复位移定理： 查表：1234424241

11、( )( )( )( )361636(1)1TTTTTY zY zY zY zzTeezee ze z得： zeFtfeasFaatT第14页/共91页例：已知连续函数 y(t) 的拉氏变换 ，求Y(z)解：单极点 p1 =2 ，二重极点p2 =4用留数法： 21( )(2)(4)Y sss TTsTsezzezzsezzsYszY2222221361412 244442444422442221611361613612121214214zezTezezeezzTeezzezTesezzsezzsdsdezzsssdsdzYTTTTTTTssTsTsTssTssT 116136161136136

12、1442442244442zeezeTeezzzezTezezeezzzYTTTTTTTTTT第15页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 Z变换 Z反变换 长除法： 可得y (kT)的时间序列值，难以得到解析式 部分分式法：展开成部分分式，再查表写出和式，一般先把Y(z)除以z再展开，使得展开后的分子上都有z。 查表法：可查出常见的y (t) 或 y (kT) 留数计算法：确定极点和阶数后，用公式求出y (kT)0kkzkTy第16页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 Z变换 Z反变换 留数计算法：设设y(Z)有有n个极点个极点P1 P2 Pi Pn则则= nipzkMriMMir

13、iiiizzYpzdzdMzYZkTy11111! 11pri (i=1,2n)：极点n：全部不相等极点的数目Mi：s=pri时的重数 ripzkriizzYpzkTy1 ripzkziizzYpzdzdkTy12单极点：二重极点：第17页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 Z变换 Z反变换 例用长除法：20.50.5( )(1)(0.5)1.50.5zzY zzzzz,875. 0 ,75. 0 , 5 . 0 , 05 . 05 . 1375. 0875. 075. 05 . 05 . 05 . 125. 075. 05 . 05 . 15 . 05 . 05 . 15 . 0222

14、11122121zzzzzzZzzzzzzZzzzZkTy第18页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 Z变换 Z反变换 例20.50.5( )(1)(0.5)1.50.5zzY zzzzz12( )10.5AAY zzzz110.5(1)1(1)(0.5)zAzzz20.50.5(0.5)1(1)(0.5)zAzzz ( )10.5zzY zzz1()1(0.5)10.5kzzy kTZzz 部分分式展开法：部分分式展开法：第19页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 Z变换 Z反变换 例4 . 04 . 16 . 02zzzlim1z124 . 04 . 16 . 01)-(zkz

15、zzzlim4 .0z124 . 04 . 16 . 00.4)-(zkzzzzlim1z)4 . 0)(1(6 . 01)-(zzzzklim4 .0z)4 . 0)(1(6 . 00.4)-(zzzzkk) 4 . 0 (用留数计算法求用留数计算法求Y(z)= 的的Z反变换反变换+ = + =1 - 解：n=2,P1=1, P2=0.4y(kT)= +第20页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型4 计算机控制系统的数学模型 差分方程 脉冲（Z）传递函数 脉冲传递函数定义： 在零初始条件下，系统的输出采样函数的Z变换和输入采样函数的Z变换之比。 kxbkxbmkxbmkxbkyakyan

16、kyankyammnn1111110110nnnnmmmmazazazabzbzbzbzXzYzG11101110)()()( zXzGZzYZty11)(第21页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 计算机控制系统的数学模型 脉冲（Z）传递函数 脉冲传递函数代数运算法则 串联 并联 反馈回路运算第22页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 计算机控制系统的数学模型 串联 离散环节串联 连续环节串联（中间有采样开关） 连续环节串联（中间无采样开关）R(z)Y(z)G(z)G2(z)G1(z)12( )( )( )( )( )Y zG zG z G zR zY(s)Y(z)R(z)G2(

17、z)G1(s)r(kT)R(s)r(t)U(z)G2(s)u(kT)U(s)u(t)y(kT)y(t)G1(z)G(z)Y(s)Y(z)R(z)G1(s)r(kT)G2(s)U(s)u(t)y(kT)y(t)G(z)1212( )( ) ( )( )( )( )( )Y zG zZ G sZ G s G sGG zR z分离不出G1(z)和G2(z)121212( )( )( )( )( )Z G s G sGG zG z G z12( )( )( )( )( )Y zG zG z G zR z第23页/共91页带有零阶保持器的开环 Z传递函数01 e( )TsH ss( )( )(1 e)T

18、sG sHG zZs( )( )eTsG sG sZZss推广的滞后定理1( )(1) G szZs线性性质H0(s)Y(s)Y(z)HG(z)G(s)u(kT)0( )( ) ( )( )(1 e)TsG sH s G sHG ss第24页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 计算机控制系统的数学模型 并联 离散环节并联 连续环节并联 连续环节并联（有采样开关）1212( )( )( )( )( )G zZ G sG sG zG z12( )( )( )G zG zG zY(z)R(z)G1(z)G2(z)G(z)Y(z)R(s)G1(s)G2(s)G(z)Y(z)R(s)G1(s)G2

19、(s)G(z)第25页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 计算机控制系统的数学模型 反馈回路 前向通路影响分子，回路影响分母，采样开关的位置同时影响分子和分母。 没有统一的计算公式，只能根据系统的实际结构来求解。第26页/共91页( )E z(1) 反馈取样Y (s)( )G s( )F s( )R s( )Y s( )Y z(A)(B)以E(z)处为推导Gc(z)的基准点(A) ：前向通道上，从R到基准处传递的信号(B) ：闭环回路上，从基准点循环到基准点的信号( )E z (A) (B) ( )( )1( )( )R zE zD z GF z( ) ( )( )( ) ( ) ( )

20、( )1( )( )D z G zY zE z D z G zR zD z GF z( )( ) ( )( )( )1( )( )cY zD z G zG zR zD z GF zG(s) 与 F(s)之间无采样开关反馈通道取的信号是Y(s)( )D z zGFzDzEzR第27页/共91页( )E z(2) 反馈取样Y (z)( )D z( )G s( )F s( )R s( )Y z(A)(B)G(s) 与 F(s)之间有采样开关反馈通道取的信号是Y(z)以Y (z)处为推导Gc(z)的基准点(A) ：前向通道上，从R 到基准处传递的信号(B) ：闭环回路上，从基准点循环到基准点的信号(

21、)Y z (A) (B) ( ) ( )( )( ) ( ) ( )( )R z D z G zY z F z D z G z( )( )( )( )1( ) ( )( )D z G zY zR zF z D z G z( )( )( )( )( )1( ) ( )( )cY zD z G zG zR zF z D z G z第28页/共91页(3) 无法分离R(z)的情况1( )( )R sG s和之间无采样开关2222( )( )( )( )( )Y zE zZ G sE z G z21221( ) ( )( )( ) ( ) ( )( )E zZ R s G sE z Z G s F s

22、 G s1212( )( )( )RG zE z GG F z21121( )( )1( )E zRG zGG F z2112( )( )( )1( )G zY zRG zGG F z以E2(z)处为推导Gc(z)的基准点反馈通道取的信号是Y(s)有11 ( )( )( )Z R s G sRG z 但分离不出1( )( )R zG z和 分离不出1( )( ),R zG z和所以得不到闭环Z传递函数Gc(z)，但可以求出系统输出的( )Y zG1(s)R(s)E1(s)Y(z)G2(s)F(s)E2(z)Y(s)第29页/共91页R(s)E(z)D(z)H0(s)V(s)Yf(s)F(s)Y

23、(s)G(s)(4) 单位反馈闭环 Z传递函数实际的计算机控制系统框图执行机构测量变送装置Y f (s) 与R (s)同量纲将执行机构和反馈环节并入控制对象， 即把乘积V (s) G (s) F (s)作为 新的G (s)此时的系统输出就是反馈到比较器的输出Yf (s)f( )( )Y zZ Y sf( ) ( )( )( )( )E zZ R sY sR zY z框图可等效化R(s)E(z)D(z)H0(s)Yf(s)G(s)第30页/共91页单位反馈等效框图先求出带零阶保持器的连续对象Z传递函数HG (z)( )( ) ( )( )( ) ( )( )Y zR z D z HG zY z

24、D z HG z再以Y (z)处为基准点，推出传递函数( )( )( )( )1( )( )D z HG zY zR zD z HG z( )( )( )( )( )1( )( )cY zD z HG zG zR zD z HG zR(z)E(z)D(z)H0(s)Y (z)G(s)第31页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 离散控制系统的稳定性 离散控制系统的性能类同于连续系统。系统特性稳快准系统稳定，抗干扰过渡时间短，响应快输出等于或接近期望值12T4T14T12T10T8T6T16T1.41.20.80.60.40.2y(t)tptrtsess第32页/共91页2.2计算机控制系统

25、的数学模型 离散控制系统的稳定性 离散控制系统的性能类同于连续系统。 离散控制系统的稳定性 从s域到z域的映射ee eTsTj Tzsj0S平面上的虚轴j| | 1z Z平面上单位圆(以原点为圆心)0S平面的左半平面| | 1z Z平面上单位圆内部S平面的右半平面Z平面上单位圆外部01 zsz的映射是唯一的zs的映射不是唯一的第33页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 离散控制系统的稳定性 离散控制系统的性能类同于连续系统。 线性离散控制系统的稳定性 系统稳定的条件 稳定性判断方法：通过复数双线性变换后，采用与连续线性系统同样的方法进行判断。线性连续系统稳定条件：闭环的极点在 S 平面的

26、左半平面( )cG s线性离散系统稳定条件：闭环的极点均在 Z 平面的单位圆内( )cG z第34页/共91页2.2计算机控制系统的数学模型 离散控制系统的稳定性 复数双线性变换11wwz11zzww平面上的虚轴j| | 1z Z平面上单位圆(以原点为圆心)w平面的左半平面| | 1z Z平面上单位圆内部w平面的右半平面Z平面上单位圆外部1 z第35页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 要求 可靠性高。平均无故障工作时间(MTBF)达到几万小时，同时尽量缩短（几分钟）故障修复时间(MTTR) 实时性好。 环境适应性强。温度、湿度变化范围；防尘、防腐蚀、防振动冲击

27、；电磁兼容性和抗干扰能力及共模抑制的能力。 过程输入和输出配套较好。多种功能的输入和输出配套模板，多种类型的信号调理功能 系统扩充性好。 系统开放性。 控制软件包功能强。 系统通信功能强 后备措施齐全。供电后备、存储器信息保护、手动自动操作切换、紧急事故处理装置等 具有冗余性第36页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 IPC DCS工控机即“现场工作站” PLC 智能调节器 嵌入式工控机 PC/104总线工控机 ARM嵌入式单片机 单片机第37页/共91页工控机的实物2.3计算机控制系统的总线技术第38页/共91页 工控机(IPC)是以PC总线(ISA、VESA

28、、PCI总线)为基础构成的工业计算机。其总线结构便于维护、扩充和模块化。第39页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 DCS工控机即“现场工作站”第40页/共91页现场工作站的机械结构1、主控制板2、I/O模板3、机箱P20NS电源插件 4、机箱P40NS电源插件5、风机单元F016、I/O端子板7、P30NS端子板电源箱8、系统电源开关9、机柜第41页/共91页现场工作站的机箱（机笼）第42页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术6 工业控制计算机的体系结构 PLC 开关量逻辑控制 运动控制 闭环过程控制 数据处理 通讯联网第43页/共91页2.3计算机控制系

29、统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 PLC中央处理单元中央处理单元CPU 存储器存储器 I/O接口接口 智能模块智能模块 接口和扩展接口模块接口和扩展接口模块 电源模块电源模块 编程工具编程工具 第44页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 PLC分类按地域范围按地域范围 GE、 Modicon、 ABOMRON、三菱、日立、松下按按I/O点数点数 按结构按结构 一体化一体化模块化模块化总线连接器电源模块CPU模块通信模块I/O模块DIN导轨模块DIN导轨第45页/共91页第46页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 PLC第47

30、页/共91页S7-300 PLC的硬件构成的硬件构成 ：总线连接总线连接器器电源模块电源模块CPU模块模块通信模块通信模块I/O模块模块DIN导轨导轨模块模块DIN导轨导轨第48页/共91页松下FP0系列PLC产品介绍第49页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 智能调节器第50页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 嵌入式工控机 PC/104总线工控机 这种工控机是基于PC/104总线的微型计算机， PC/104总线是采用自堆（叠）式的总线结构，取消了底板和插槽，从而构成小体积、低功耗、高性能的计算机。 PC/104总线工控机有各种

31、接口模块：CPU模块、显示模块、网络模块、CRT接口模块、 A/D转换模块、I/O输入/输出模块，串口、并口、IDE、软驱接口、EL/LCD、多功能口接口模块、SSD固态盘扩展模块等。第51页/共91页PC/104总线工控机的实物第52页/共91页第53页/共91页PC/104总线工控机的主控板A组32个引脚B组32个引脚C组20个引脚D组20个引脚386SX-40 CPU 板载4MB EDO RAM ALi M6117芯片组 HM86508显示集成芯片2个RS-232串行口 并行口 IDE通道 FDD接口 第54页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 嵌入式工控

32、机 ARM（Advanced RISC Machines）嵌入式单片机 低功耗、低成本、高性能 采用RISC（Reduced Instruction Set Computer）指令集 使用大量的寄存器 三/五级流水线 采用RISC架构的ARM处理器第55页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 嵌入式工控机 ARM（Advanced RISC Machines）嵌入式单片机 ARM微处理器系列 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Intel的Xscale第56页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机

33、的体系结构 单片机： 51系列8位机、96系列16位机、960系列32位机等。 DSP系列（数字信号处理器）第57页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的体系结构 单片机：第58页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 工业控制计算机的结构体系 总线技术 总线的概念和类型 总线的体系结构 内部总线第59页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 规定了各引线的信号、时序、电气和机械特性 为计算机系统内部各部件、各模块之间或计算机各系统之间提供了标准的公共信息通路(起到桥梁作用) 任何系统的研制和外围模块的开发都必须符合某种总线的标准 实际上是计算机系统真正的核心 通道控制

34、功能、使用方法、仲裁方法和传输方式等 随着VLSI(超大规模集成电路)技术的迅速发展, 微处理器的性能迅速提高, 计算机总线得到进一步发展, 其能力越来越强, 速度也越来越快。第60页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术总线1 #总线接口2 #3 #4 #5 #6 #总线与总线接总线与总线接口一起便称之口一起便称之为总线结构为总线结构第61页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 总线结构的优点： 使结构由面向CPU变为面向总线, 简化了系统结构； 可做到硬件、软件的模块化设计与生产： 按功能划分计算机的各个部件，并按总线标准设计成由总线连接的模板结构：CPU主板、RAM/ROM存储板、

35、A/D、D/A、DI、DO等 增加计算机系统的通用性、灵活性、开放性、扩展性和可靠性 系统结构清晰明了, 便于灵活组态、扩充、改进与升级； 为系统的维修提供了方便 符合同一总线标准的产品兼容性强： 用户可以根据自己的需要将不同生产厂家生产的各种型号的模块或模板方便地用标准总线连接起来第62页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 总线的分类 根据总线的功能和应用场合 内部总线（Internal Bus)：又称系统总线或模板级总线 用于计算机内部模块（板）之间通信 数据总线D：用于传递数据信息 地址总线A：用于传递地址信息 控制总线C：包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种控制信息 电源总线

36、P：向总线提供电源 常用的有PCI、STD、VME、MULTIBUS等 外部总线（External Bus)：又称通讯总线 用于计算机之间或计算机与设备之间通信如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等 根据总线的结构 并行总线：每个信号都有自己的信号线 串行总线：所有信号复用一对信号线第63页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术第64页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术CPU总线母板RAMROMA/DD/A外部总线接口数据总线数据总线D地址总线地址总线A控制总线控制总线C电源总线电源总线P 内部总线结构示意图第65页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 总线性能 总线

37、时钟频率(即总线工作频率，单位MHz)； 总线宽度即数据总线的位数，单位为bit； 总线传输速率即总线带宽，在总线上每秒钟传输的最大字节数MB/s，每秒处理多少兆字节。 它们之间的相关计算公式： 传输速率=总线时钟频率*总线宽度/8第66页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 体系结构 指由总线本身定义地址空间、数据长度、操作定时信号以及传输协议等，以保证CPU的性能得到充分发挥而与CPU无关。 主控模块（Master,主模块) 可以控制总线并启动数据传送的任何模块 受控模块（Slave,从模块) 能够响应总线主模块发出命令的任何模块第67页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 单总线

38、体系结构(Single Bus Architecture) 微机中所有模块都连到单一总线上。在整个系统中只有一个数据通路, 故名单总线。这类总线适合于慢速的CPU。目前一些简单的单片机和单板机中仍采用这类总线。CPU协处理器Modem显示器硬 驱打印机打印机存储器第68页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 并发总线体系结构(Concurrent Bus Architecture) 将存储器和I/O 的数据通路分开，以解决CPU与存储器、 I/O之间数据传输的速度不一的矛盾。 这种总线结构中, CPU对存储器的访问和对I/O的控制同时进行, 即“并发”, 故称之为并发总线。 并发体系结构中

39、, 关键技术是总线控制器(Bus Controller), 它使CPU脱离了对I/O的直接控制, 使CPU能以较快的速度、较宽的数据通路与存储器进行信息交换, 提高了系统的性能, 总线控制器(Bus Controller)则负责处理各种I/O请求, 以832位的数据宽度与I/O设备进行数据交换, 保证系统的兼容性, 成功地解决了瓶颈问题。第69页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术并发总线体系结构(Concurrent Bus Architecture)CPU协处理器Modem显示器硬 驱打印机打印机存储器总线控制器第70页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 带cache的并发总线体

40、系结构(Concurrent Bus Architecture With cache) 类似于并发总线体系结构, 只是在CPU和存储器的数据通路上多了一个高速缓冲存储器cache及高速缓冲存储器cache控制器。Cache控制器协处理器Modem显示器硬 驱打印机打印机主存储器总线控制器光盘驱动器其它I/O卡Cache存储器CPU第71页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 总线的控制方式 由于多个模块连接到共用总线上, 必须对每个发送的信息规定其信息类型和接收信息的部件, 协调信息的传送。 当多个模块同时申请总线时, 必须通过选择判优, 决定把总线交给哪个模块；对信息的传送需要控制, 防

41、止信息的丢失, 这就需要设置总线控制线路。 通常, 总线上信息的传输由主模块启动。总线上可以挂接有多个具有主模块功能的设备, 但在同一时刻只能有一个主模块控制总线的传输操作。 总线控制线路包括总线判优或仲裁逻辑、总线控制驱动器和中断逻辑等。第72页/共91页2.3计算机控制系统的总线技术 用硬件进行总线裁决（控制）的方式 串行链接式总线裁决 定时查询方式 独立请求式总线裁决第73页/共91页 串行链接式总线裁决总线可用总线可用部件0总线控制器 部件1部件N-1总线请求总线请求总线总线总线忙总线忙图中，请求图中，请求线是公共的，线是公共的，图中部件图中部件0 0的的优先级最高。优先级最高。2.3

42、计算机控制系统的总线技术第74页/共91页 定时查询方式这种方式中，这种方式中，优先级可以优先级可以用程序控制，用程序控制，灵活性较强。灵活性较强。计数值有计数值有2种种方式。方式。总线忙总线忙部件0总线控制器部件1部件N-1总线请求总线请求总线总线计数值计数值2.3计算机控制系统的总线技术第75页/共91页 独立请求式总线裁决这种方式中，这种方式中，总线控制器总线控制器根据某种算根据某种算法对同时来法对同时来的请求进行的请求进行裁决裁决。部件0总线控制器 部件1部件N-1总线总线BR0BG0BR1BG1BRN-1BGN-1总线忙信号总线忙信号SACK2.3计算机控制系统的总线技术第76页/共

43、91页 总线裁决采用的主要算法 静态优先级算法（又称作菊花链算法） 固定时间算法 动态优先级算法 先来先服务算法2.3计算机控制系统的总线技术第77页/共91页 总线的通信方式 (1)同步式通信(Synchronous Transfer) 数据的传输在一个共同的时钟信号控制下进行 优点是模块间的配合简单一致, 缺点是对所有模块都强求一致的同一时限, 设计缺乏灵活性 (2)异步式传输(Asynchronous Transfer) 利用数据发送部件和接收部件之间的“握手(Handshaking)”信号线来实现总线数据传送 可以实现不同速度的设备之间的数据传送2.3计算机控制系统的总线技术第78页/

44、共91页 PC系列总线 IBM公司 1981年推出基于8位机的PC/XT总线，PC总线 1984年推出基于16位机的PC/AT总线，AT总线 但从未公开过AT总线的技术规格 Intel公司、IEEE和EISA集团联合推出 与IBM/AT原装机总线意义相近的ISA(Industry Standard Architecture)总线，即8/16位的“工业标准结构”：数据传输率最高8MB/s, 寻址空间为224=16MB 由Intel公司于1992年发表 外围部件互连总线PCI (Peripheral Component Interconnect)2.3计算机控制系统的总线技术第79页/共91页 总线的元老 特点：CPU为唯一主模块，插卡数量亦有限 缺少中枢寄存器，不能动态分配资源 已接近淘汰 但因许多老设备如声卡、Modem等仍离不开它，故许多主板芯片给依然提供对其的支持(如下页的主板示意图等)2.3计算机控制系统