机电一体化第4章 控制系统及接口设计(43-45工业控制计算机)

1、5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机 第三节第三节 工业控制计算机工业控制计算机n计算机概述计算机概述n工业控制计算机的系统组成工业控制计算机的系统组成n工业控制计算机系统的基本要求工业控制计算机系统的基本要求n工业控制计算机分类及特点工业控制计算机分类及特点5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机电子管计算机电子管计算机(19461956) 晶体管计算机晶体管计算机(19571964)集成电路计算机集成电路计算机(19651970)超大规模集成超大规模集成电路计算机电路计算机(1971至今至今)l 用机器语言、汇编语言编写程用机器语

2、言、汇编语言编写程l 用于军事和国防尖端技术用于军事和国防尖端技术l 开始使用高级语言开始使用高级语言l 开始用于工程技术、数据处理和开始用于工程技术、数据处理和 其它科学领域其它科学领域l 采用微程序、流水线等技术，采用微程序、流水线等技术， 提高运行速度提高运行速度l 出现操作系统、诊断程序等软件出现操作系统、诊断程序等软件l 采用半导体存储器采用半导体存储器l 采用图形界面操作系统采用图形界面操作系统l 器件速度更快器件速度更快, 软件、外设更加丰富软件、外设更加丰富 主主要要特特点点一、计算机概述一、计算机概述5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机 1 1

3、、PCPC机的发展简史机的发展简史名称名称推出年代推出年代采用采用CPU特点特点IBM PC19818088 准准16位微机位微机 内存寻址内存寻址1MB DOS 操作系统操作系统IBM PC/XT19838088 比比IBM PC多一个多一个10MB硬盘硬盘IBM PC/AT198480286 内存寻址增至内存寻址增至16MB 具有虚拟存储器功能具有虚拟存储器功能 Windows操作系统操作系统386机机486机机PentiumPentium IIPentium III198619901993199719998038680486PentiumPentium IIPentiumIII 内存容量

4、更大内存容量更大32MB、64MB 支持虚拟支持虚拟8086模式模式 可执行多任务可执行多任务 支持多媒体、网络技术支持多媒体、网络技术5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机按性能可分为：巨型机，大型机，按性能可分为：巨型机，大型机， 中型机，小型机，微机中型机，小型机，微机 现代计算机的结构基础：现代计算机的结构基础：存储程序控制结构存储程序控制结构1945年，美籍匈牙利数学家年，美籍匈牙利数学家John Von Neumann提出提出, 诺依曼计算机诺依曼计算机ENIAC (1946)掌上电脑掌上电脑(2000)5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制

5、计算机工业控制计算机l 研制高速度、强功能的巨型机和大型机适应军事和尖研制高速度、强功能的巨型机和大型机适应军事和尖端科学的需要。端科学的需要。l 研制价格低廉的超小型机和微型机开拓应用领域和占研制价格低廉的超小型机和微型机开拓应用领域和占领更广大的市场。领更广大的市场。2、计算机的两个方向发展、计算机的两个方向发展天河一号千亿次巨型机天河一号千亿次巨型机 掌上电脑掌上电脑5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机l 速度相对低速度相对低l 功能相对低功能相对低 在字长位数，内存容量，寻址方式，指令条数，在字长位数，内存容量，寻址方式，指令条数，中断级别，及内部寄存器

6、数量等方面都不如大型机。中断级别，及内部寄存器数量等方面都不如大型机。 微型计算机是第四代计算机的典型代表微型计算机是第四代计算机的典型代表, ,与相应时期与相应时期的大型机比较。的大型机比较。5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机系统软件：系统软件：DOS、Windows 95/98/2000/xp应用软件：应用软件：WPS 、 Word、Photoshop微微 处处 理理 器器 CPU 存储器存储器(RAM,ROM) I/O接口接口总线总线 硬硬 件件软软 件件微微 型型计算机计算机系系 统统微微 型型计算机计算机(主机主机)外外 设设ALU寄存器寄存器控制部

7、件控制部件键盘、鼠标键盘、鼠标显示器显示器软驱、硬盘、光驱软驱、硬盘、光驱 打印机、扫描仪打印机、扫描仪3 3、微处理器、微型计算机和微机系统、微处理器、微型计算机和微机系统5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机诺依曼计算机的工作原理可概述为：诺依曼计算机的工作原理可概述为：“存储程序存储程序” ” + “+ “程序控制程序控制”要点：要点：1 1以二进制表示数据和指令以二进制表示数据和指令( (程序程序) ) 2. 2. 先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行输输入入设设备备控制器控制器输输出出设设备备 CP

8、U 存储器存储器运算器运算器ALU4、微型机工作原理、微型机工作原理5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机5、微处理器、微处理器(CPU)(CPU)功能：功能：q 算术与逻辑运算算术与逻辑运算q 保存少量数据保存少量数据q 对指令译码及执行相对指令译码及执行相应操作应操作q 能与存储器、外设交能与存储器、外设交换数据换数据q 提供系统定时及控制提供系统定时及控制q 响应中断请求响应中断请求构成：构成：q算术逻辑部件算术逻辑部件q累加器和通用寄存器累加器和通用寄存器q程序计数器、指令寄存器、程序计数器、指令寄存器、译码器译码器q时序控制部件时序控制部件5 控制系统及

9、接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU微机的硬件由微机的硬件由CPU、存储器存储器、输入输入/输出设备输出设备构成；构成；输入输入/输出设备通过输出设备通过输入输入/输出接口输出接口与系统相连；与系统相连； ( 输入输入/输出接口简称输出接口简称I/O接口接口 )各部件通过各部件通过总线总线连接。连接。构构成成部部件件6 6、微机构成部件、微机构成部件5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机(1)总线总线l

10、总线是连接多个功能部件的一组公共信号线，总线是连接多个功能部件的一组公共信号线， 微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输总线总线 BUS存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口输输出出设设备备CPU5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机l 按信号的作用，总线分为三类：按信号的作用，总线分为三类： 地址总线、数据总线、控制总线地址总线、数据总线、控制总线 存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU5 控制系统

11、及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机地址总线地址总线 AB AB (Address Bus) (Address Bus) ：单向单向 用来传送用来传送CPUCPU输出的地址信号，输出的地址信号， 确定被访问的存储单元、确定被访问的存储单元、I/OI/O端口。端口。 地址总线的条数决定地址总线的条数决定CPUCPU的寻址能力。的寻址能力。数据总线数据总线 DB DB (Data Bus)(Data Bus)：双向双向 用来在用来在CPUCPU与存储器、与存储器、I/OI/O接口之间进行数据传送。接口之间进行数据传送。 数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。数据总线的条数

12、决定一次可最多传送数据的宽度。控制总线控制总线CB CB (Control Bus) (Control Bus) ： 用于传送各种控制信号。用于传送各种控制信号。 有的是有的是CPUCPU发出，如读控制信号、写控制信号；发出，如读控制信号、写控制信号； 有的是发向有的是发向CPUCPU，如外设向，如外设向CPUCPU发出的中断申请信号。发出的中断申请信号。5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机(2) 中央处理器中央处理器CPUl 计算机的核心部件计算机的核心部件 用来实现指令的自动装入和自动执行，用来实现指令的自动装入和自动执行， 实现计算机本身的自动化。实现计算

13、机本身的自动化。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机CPUCPU结构示意图结构示意图地址信号地址信号标标 志志寄存器寄存器指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IP数据信号数据信号控制信号控制信号ALUALU控制器控制器5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机D

14、SESSSCSIP数据暂存器数据暂存器执执 行行 部部 件件控控 制制 电电 路路指令译码器指令译码器总线总线接口接口控制控制电路电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组寄存器组BIUABDBCB地地址址加加法法器器指指令令队队列列PSW标志寄存器标志寄存器EU运运算算器器DSESSSCSIP数据暂存器数据暂存器执执 行行 部部 件件控控 制制 电电 路路指令译码器指令译码器总线总线接口接口控制控制电路电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组寄存器组ABDBCB地地址址加加法法器器指指令令队队列列PSW标志寄存器标志寄存器

15、运运算算器器8088 编程结构编程结构5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机(3) 内存内存 储程序和数据的部件，由地址译码器、内存单元等构成。储程序和数据的部件，由地址译码器、内存单元等构成。n根根CPU地址线地址线AB数据线数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111内存结构示意图内存结构示意图5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机(4) 外设

16、和输入外设和输入/输出接口（输出接口（I/O接口）接口） 外设的电信号、运行速度与外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不匹配， 不能与不能与CPU直接相连，必须通过直接相连，必须通过I/O接口与接口与CPU相连。相连。 存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机键键 盘盘 键盘接口键盘接口 显显 示示 器器 显示卡显示卡鼠鼠 标标 串行接口串行接口 网网 络络 网卡网卡 打印机打印机 并行接口并行接口 音箱、麦可风音箱、麦可

17、风 声卡声卡IDE2Pentium III北桥北桥440BX南桥南桥PIIX4ECMOS & RTCUSB超级超级I/OIDE1COM1COM2LPT1L1CacheL2CachePCI 插槽插槽ISA 插槽插槽内存条内存条ROM BIOS显显示示器器硬盘硬盘光驱光驱软驱软驱键盘鼠标键盘鼠标打印机打印机MODEM显卡显卡5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机I/O接口结构示意图接口结构示意图CPU通过对通过对I/O端口进行读端口进行读/写操作，实现对外设的控制。写操作，实现对外设的控制。I/O端口端口1I/O端口端口2I/O端口端口3地址地址译码译码数据数

18、据缓冲缓冲控制控制电路电路外外设设ABDBCBCPU5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机7 7、微机的工作过程、微机的工作过程计算机的工作原理是：计算机的工作原理是：“存储程序存储程序” + “程序控制程序控制”CPU 总线总线 内存内存标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R

19、1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IP5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机微机的工作过程分两阶段：微机的工作过程分两阶段：取指令取指令 执行指令执行指令 取指令取指令 执行指令执行指令 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机l取指令阶段取指令阶段（ CPU读内存操作）：读内存操作）： 地址经地址寄存器地址经地址寄存器 地址总线地址总线 地址译码器地址译码器, 选中选中指令所在的内存单元指令所在的内存单元 CPU发出内存读控制信号发出内存读控制信号 指令从内存指令从内存 数据总线数据总线 数据暂存器数据暂存器 指令寄存器指令寄

20、存器 指令译码器对指令进行译码指令译码器对指令进行译码 由由IP给出指令在内存的地址给出指令在内存的地址5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机不同的指令，不同的指令，CPU的具体执行过程不同。的具体执行过程不同。CPU 可执行的操作通常有数据传送、算术逻辑运算等等。可执行的操作通常有数据传送、算术逻辑运算等等。当一条指令需要从内存或当一条指令需要从内存或I/O端口取得或存放数据时，端口取得或存放数据时，CPU在执行阶段，需对指令指定的内存单元或在执行阶段，需对指令指定的内存单元或I/O端口端口进行读进行读/写操作。写操作。l执行指令阶段：执行指令阶段： 经译码后的

21、指令，由控制电路发出控制信号去执行。经译码后的指令，由控制电路发出控制信号去执行。 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机微型机特点：微型机特点：体积小，重量轻，耗电小，可靠性高，体积小，重量轻，耗电小，可靠性高，结构灵活结构灵活 ，价格低，研制周期短，产品系列化，便于，价格低，研制周期短，产品系列化，便于选选 购购应用面广：应用面广：科学计算科学计算,数据处理数据处理,事务管理事务管理,教学培训教学培训,家家庭娱乐庭娱乐,计算辅助设计和制造计算辅助设计和制造,网络通信网络通信,过程控制过程控制,仪器、仪器、仪表控制仪表控制,家电和民用产品控制家电和民用产品控制选

22、用要点选用要点: : 四位机用于小系统、八位机用于中等系统、四位机用于小系统、八位机用于中等系统、十六位机以上用于大系统十六位机以上用于大系统8、微型机特点和应用、微型机特点和应用5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机 按构成分类按构成分类 按按CPUCPU的字长分类的字长分类 按主机装置分类按主机装置分类 按用途分类按用途分类9 9、微型计算机的分类、微型计算机的分类5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机1)1) 按构成分类按构成分类单片机、单板机、微型计算机单片机、单板机、微型计算机 单片机单片机l 将将CPU、内存、内存、I/O

23、接口电路全部集成一块芯片上，接口电路全部集成一块芯片上， 构成具备基本功能的计算机，称单片机。构成具备基本功能的计算机，称单片机。l 特点：超小型、高可靠性、价廉特点：超小型、高可靠性、价廉l 应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等应用：智能仪表、工业实时控制、家用电器等l 产品：产品：Intel 的的8051、8096/8098系列系列 Motorola 的的6801、6805系列系列 Hitachi (日立日立) 的的 H8S、SH系列系列5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机 单板机单板机l将将CPU、内存、内存、I/O接口及其它辅接口及其它辅 助电路助电

24、路 全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。全部装在一块印刷电路板上，组成单板机。l 特点：结构简单、价廉特点：结构简单、价廉l 应用：过程控制、数据处理应用：过程控制、数据处理l 产品：产品：TP-801 以以Z80CPU为核心的单板机为核心的单板机 80年代各院校年代各院校“微机原理微机原理”的实验机的实验机5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机 微型计算机微型计算机l 把把CPU、内存、内存、I/O接口芯片装在多块电路板上，接口芯片装在多块电路板上， 各印各印刷板插在主机板的总线插槽上，刷板插在主机板的总线插槽上， 通过系统总线连接起来，通过系统总线连接起来，

25、构成多板机。构成多板机。l 特点：见前面微型计算机的特点特点：见前面微型计算机的特点l 产品：产品：IBM PC/XT、486机、机、Pentium机等机等 90年代以来年代以来各院校各院校“微机原理微机原理”和计算机硬件的实验机和计算机硬件的实验机5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机2) 2) 按按CPUCPU的字长分类的字长分类CPU的性能可以用两个主要参数来描述：的性能可以用两个主要参数来描述：速度：速度：用用CPU的工作频率表示，单位的工作频率表示，单位MHzCPU内部寄存器宽度：寄存器的位数内部寄存器宽度：寄存器的位数宽度：宽度： 外部数据总线宽度：数

26、据线的根数外部数据总线宽度：数据线的根数地址总线宽度：地址线的根数地址总线宽度：地址线的根数l 按按CPU 的字长，微机可分为：的字长，微机可分为： 4位机位机、8位机位机、16位机位机、32位机位机CPU内部的寄存器宽度可用内部的寄存器宽度可用字长字长描述描述5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机以以Intel公司生产的公司生产的80 x86为例为例：推推出出年年代代CPU芯芯片片寄寄存存器器位位 数数数数据据线线宽宽 度度地地址址线线宽宽 度度最最大大主主频频MHz1971.114004440.11972.41974.480088080888814160.22

27、1978.61979.61982.2808680888028616161616816202024108161985.101989.4803868048632323232323233661993.31995.111997.51999.2PentiumPentium ProPentium IIPentium III32323232646464643232363610020045010005 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机3) 3) 按主机装置分类按主机装置分类 桌上型：台式电脑桌上型：台式电脑便携型：笔记本、掌上电脑等便携型：笔记本、掌上电脑等4) 4) 按用途分类按用途分类 控制用和数据处理用微型计算机控制用和数据处理用微型计算机5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机 表4-1 常用工业控制计算机的性能比较 5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机第4节 微机软件与程序设计语言n程序设计语言 机器语言、汇编语言、高级语言n操作系统 计算机系统的管理程序库n程序库 可用程序和子程序的集合5 控制系统及接口设计控制系统及接口设计工业控制计算机工业控制计算机 软件软件是指计