哈工程计算机控制系统PPT

1、第第2 2章章 计算机输入输出技术计算机输入输出技术2.1 常用计算机控制系统主机模式常用计算机控制系统主机模式n2.1.1 工业控制计算机工业控制计算机 n2.1.2 单片机与嵌入式控制器单片机与嵌入式控制器 n2.1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） n2.1.4 ARM处理器处理器 工控机（Industrial Personal Computer，IPC）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。 工控机工控机是专门为工业控制设计的计算机，用于对生产过程中使用的机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制。工控机经常会在环境

2、比较恶劣的条件下运行，对数据的安全性要求也更高，所以工控机通常会进行加固、防尘、防潮、防腐蚀、防辐射等特殊设计。工控机对于扩展性的要求也非常高，接口的设计需要满足特定的外部设备，因此大多数情况下工控机需要单独定制才能满足需求。 工控机的主要类别有：IPC（PC总线工业电脑）、PLC（可编程控制系统）、DCS（分散型控制系统）、FCS（现场总线系统）及CNC（数控系统）五种。 2.1.1 工业控制计算机工业控制计算机 IPC即基于PC总线的工业电脑。据2000年统计，IPC机已占到通用计算机的95%以上，因其价格低、质量高、产量大、软/硬件资源丰富，已被广大的技术人员所熟悉和认可，这正是工业电脑

3、热的基础。其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及EMC（electromagnetic compatibility）技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰尘、高/低温等问题。 IPC有以下特点：有以下特点： 可靠性：工业PC具有在粉尘、烟雾、高/低温、潮湿、震动、腐蚀等方面的防护功能，还具有快速诊断功能和可维护性，其MTTR（Mean Time to Repair）一般为5min，MTTF10万小时以上，而普通PC的MTTF仅为1000015000小时。 实时性，工业PC对工业生产过程进行实时在

4、线检测与控制，对工作状况的变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节（看门狗功能这是普通PC所不具有的），遇险自复位，保证系统的正常运行。 扩充性，工业PC由于采用底板+CPU卡结构，因而具有很强的输入输出功能，最多可扩充20个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡如与视频监控系统、车辆检测仪等相连，以完成各种任务。 兼容性，能同时利用ISA与PCI及PICMG资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。1 IPC PLC 英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控 制器。定义是：一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采

5、用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。 基本结构：基本结构：一、电源 可编程逻辑控制器的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此，可编程逻辑控制器的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上。2 PLC二、中央处理单元二、中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收

6、并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，对大型可编程逻辑控制器还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某

7、个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。2 PLC三、存储器三、存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。四、输入输出接口电路四、输入输出接口电路 1现场输入接口电路包括光耦合电路和微机的输入接口电路。作用：可编程逻辑控制器与现场控制的接口界面的输入通道。 2现场输出接口电路包括输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路。作用：可编程逻辑控制器通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。五、功能模块五、功能模块 如计数、定位等 功能模块。六、通信模块六、通信模块2 PLC功能特点：功能特点：1.使用方便，编程简单采用简明的梯形图、逻辑图或

8、语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。2.功能强，性能价格比高一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。它与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直

9、接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。2 PLC功能特点：功能特点：4.可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。5.维修工作量小，维修方便 PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和

10、显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。2 PLC功能特点：功能特点：5.系统的设计、安装、调试工作量少 PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。 PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过PLC上的发光二

11、极管可观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。2 PLCPLC分类分类 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些单元组合成一个不可拆分的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。20世纪末期，可编程序控制器的发展特点是更加适合现代工业的需要。从控制规模上看，这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上看，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速

12、、位移等各种控制场合;从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程序控制器的工业控制设备的配套更加容易。 目前，可编程序控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 2 PLC英文名称为Numerical Control System，早期是与计算机并行发展演化的，用于控制自动化加工设备的，由电子管和继电器等硬件构成具有计算能力的专用控制器的称为硬件数控（Hard NC）。20世纪70年代以后，分离的硬件电子元件逐步由集成度更高的计算机处理器代替，称为计算机数控系统。计算机数控（Computerized numerical cont

13、rol，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置，用于控制自动化加工设备的专用计算机系统。CNC系统由数控程序存储装置（从早期的纸带到磁环，到磁带、磁盘到计算机通用的硬盘）、计算机控制主机（从专用计算机进化到PC体系结构的计算机）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。由于逐步使用通用计算机，数控系统日趋具有了软件为主的色彩，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数

14、控功能，使用、维护也方便，并具有与网络连接及进行远程通信的功能。3 数控系统数控系统CNC基本构成基本构成硬件结构硬件结构 从硬件结构上的角度，数控系统到目前为止可分为两个阶段共六代，第一阶段为数值逻辑控制阶段，其特征是不具有CPU，依靠数值逻辑实现数控所需的数值计算和逻辑控制，包括第一代是电子管数控系统，第二代是晶体管数控系统，第三代是集成电路数控系统；第二个阶段为计算机控制阶段，其特征是直接引入计算机控制，依靠软件计算完成数控的主要功能，包括第四代是小型计算机数控系统，第五代是微型计算机数控系统，第六代是PC数控系统。由于上世纪90年代开始，PC结构的计算机应用的普及推广，PC构架下计算机

15、CPU及外围存储、显示、通讯技术的高速进步，制造成本的大幅降低，导致PC构架数控系统日趋成为主流的数控系统结构体系。PC数控系统的发展，形成了“NC+PC”过渡型结构，既保留传统NC硬件结构，仅将PC作为HMI。代表性的产品包括FANUC的160i，180i,310i,840D等。还有一类即将数控功能集中以运动控制卡的形式实现，通过增扩NC控制板卡（如基于DSP的运动控制卡等）来发展PC数控系统。典型代表有美国DELTA TAU公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC系统。另一种更加革命性的结构是全部采用PC平台的软硬件资源,仅增加与伺服驱动及I/O设备通信所必需的现场总线接口，从而实

16、现非常简洁硬件体系结构。3 数控系统数控系统CNC3 数控系统数控系统CNC基本构成基本构成软件结构软件结构 （1）输入数据处理程序它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。（2）插补计算程序CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点、既定速度等进行中间输出点的插值密化运算。上述密化计算不仅要严格遵循给定轨迹要求还要符合机械系统平稳运动加减速的要求。根据运算结果，分别向各坐标轴发出形成进给运动的位置指令

17、。这个过程称为插补运算。计算得到进给运动的位置指令通过CNC内或伺服系统内的位置闭环、速度环、电流环控制调节，输出电流驱动电机带动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。CNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式。基本构成基本构成软件结构软件结构 （3）管理程序管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。在PC化的硬件结构下，管理程序通常在实时操作系统的支持下实现。（4）诊断程序诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前

18、或故障发生后，检查系统各主要部件（CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。3 数控系统数控系统CNC基本分类基本分类运动轨迹运动轨迹 （1）点位控制数控系统控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置,而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制，且移动过程中不作任何加工。这一类系统的设备有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。（2）直线控制数控系统不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的工具移动轨迹是一条直线，且在移动中工具能以给定的进给速度进行加工，其辅助功能要求也比点位控制数控系统多，如它可能被要求具有主轴转数控制、进给速度控制和刀具自

19、动交换等功能。此类控制方式的设备主要有简易数控车床、数控镗铣床等。（3）轮廓控制数控系统这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，同时还控制每个坐标的运动速度。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地协调起来连续进行加工，以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有数控车床、铣床、加工中心、电加工机床和特种加工机床等。3 数控系统数控系统CNC基本分类基本分类加工工艺加工工艺 车削、铣削类数控系统针对数控车床控制的数控系统和针对加工中心控制数控系统。这一类数控系统属于最常见的数控系统。FANUC用T，M来区别这两大类型号。西门子则是在

20、统一的数控内核上配置不同的编程工具：Shopmill,shopturn来区别。两者最大的区别在于：车削系统要求能够随时反映刀尖点相对于车床轴线的距离，以表达当前加工工件的半径，或乘以2表达为直径；车削系统有各种车削螺纹的固定循环；车削系统支持主轴与C轴的切换，支持端面直角坐标系或回转体圆柱面坐标系编程，而数控系统要变换为极坐标进行控制；而对于铣削数控系统更多地要求复杂曲线、曲面的编程加工能力，包括五轴和斜面的加工等。随着车铣复合化工艺的日益普及，要求数控系统兼具车削、铣削功能，例如大连光洋公司的GNC60/61系列数控系统。磨削数控系统针对磨床控制的专用数控系统。FANUC用G代号区别，西门子

21、须配置功能。与其他数控系统的区别主要在于要支持工件在线量仪的接入，量仪主要监测尺寸是否到位，并通知数控系统退出磨削循环。磨削数控系统还要支持砂轮修整，并将修正后的砂轮数据作为刀具数据计入数控系统。此外，磨削数控系统的PLC还要具有较强的温度监测和控制回路，还要求具有与振动监测、超声砂轮切入监测仪器接入，协同工作的能力。对于非圆磨削，数控系统及伺服驱动在进给轴上需要更高的动态性能。有些非圆加工（例如凸轮）由于被加工表面高精度和高光洁度要求，数控系统对曲线平滑技术方面也要有特殊处理。3 数控系统数控系统CNC基本分类基本分类加工工艺加工工艺面向特种加工数控系统这类系统为了适应特种加工往往需要有特殊

22、的运动控制处理和加工作动器控制。例如，并联机床控制需要在常规数控运动控制算法加入相应并联结构解耦算法；线切割加工中需要支持沿路径回退；冲裁切割类机床控制需要C轴保持冲裁头处于运动轨迹切线姿态；齿轮加工则要求数控系统能够实现符合齿轮范成规律的电子齿轮速比关系或表达式关系；激光加工则要保证激光头与板材距离恒定；电加工则要数控系统控制放电电源；激光加工则需要数控系统控制激光能量。3 数控系统数控系统CNC基本分类基本分类伺服系统伺服系统 按照伺服系统的控制方式，可以把数控系统分为以下几类：开环控制数控系统这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件。CNC装置输出的进给指令（多为脉

23、冲接口）经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构（齿轮箱，丝杠等）带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，从70年代开始，被广泛应用于经济型数控机床中。半闭环控制数控系统位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置（直线位移），由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如全闭环控制数控系统，但其调试方便，成本适中，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。全闭环控制数

24、控系统位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行调节控制。这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些连接环节放在闭环内，导致整个系统连接刚度变差，因此调试时，其系统较难达到高增益，即容易产生振荡。3 数控系统数控系统CNC基本分类基本分类功能水平功能水平 经济型数控系统又称简易数控系统，通常采用步进电机或脉冲串接口的伺服驱动，不具有位置反馈或位置反馈不参与位置控制；仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单板机或单

25、片机系统；通常不具有用户可编程的PLC功能。通常装备的机床定位精度在0.02mm以上。普及型数控系统介于简式型数控系统和高性能型数控系统之间的数控系统，其特点联动轴数4轴以下（含4轴），闭环控制（伺服电机反馈信息参与控制），具有螺距误差补偿和刀具管理功能，支持用户开发PLC功能。高档型数控系统一般是指具有多通道（两个及以上）数控设备控制能力，具有双驱控制、5轴及以上的插补联动功能、斜面加工、样条插补、双向螺距误差补偿、直线度和垂直度误差补偿、刀具管理及刀具长度和半径补偿功能、高静态精度（分辨率0.001m即最小分辨率为1nm）和高动态精度（随动误差0.01mm以内）、高速度及完备的PLC控制功

26、能数控系统。3 数控系统数控系统CNC CNC系统的技术范围覆盖很多领域：系统的技术范围覆盖很多领域： 1）机械制造技术； 2）信息处理、加工、传输技术； 3）自动控制技术； 4）伺服驱动技术； 5）传感器技术； 6）软件技术等。3 数控系统数控系统CNC2.1.2 单片机与嵌入式控制器单片机与嵌入式控制器1.单片机 2.嵌入式系统的基本概念 3.嵌入式处理器的特点 4.嵌入式微控制器 单片机（Single chip microcomputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器

27、/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。 单片机（Single chip microcomputer）微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit）， 单片机芯片常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微

28、型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。 单片机（Single chip microcomputer）诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端

29、地位，并且进入主流市场。 1.单片机 2. 嵌入式系统的基本概念 嵌入式系统（Embedded system），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统” 。根据英国电气工程师协会（ U.K. Institution of Electrical Engineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。 国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与

30、通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为“固件”。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件（由于多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，在这里我们对其不加区分，这也是嵌入式系统和一般的PC操作系统的最大区别） 几乎生活中的所有电器设备都包含了嵌入式系统。如掌上PDA、移动计算设备、电视机机顶盒、手机、数字电视机、汽车、微波炉、数字相机、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费类电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。3. 嵌入式处理器的特点嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理

31、器一般具备四个特点: （1）对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部代码和实时操作系统的执行时间减少到最低。 （2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉，需要设计强大的存储区保护功能。同时，存储区强大的保护功能也有利于软件诊断。 （3）可扩展的处理器结构。能迅速地扩展出满足应用的高性能嵌入式微处理器。 （4）嵌入式微处理器的功耗很低。低功耗是有些应用系统必须的，尤其是用于便携式的无线及移动控制和通信设备中的靠电池供电的嵌入式系统，功耗只有几毫瓦甚至几微瓦。 据不完全统计，目前全世界嵌入

32、式处理器的品种总量已经超过1000种，流行的体系结构有30多个系列，生产嵌入式处理器的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips公司就生产近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64 KB到16 MB，处理速度为0.112000 MIPS，常用封装为8144个引脚。4. 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，简称MCU）一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、

33、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能硬件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的微控制器具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可以使微控制器最大限度地与应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。 由于嵌入式微型控制器具有上述的丰富功能，目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的。已成为嵌入式系统应用的主流。比较有 代 表

34、 性 的 通 用 系 列 包 括 AT 8 9 系 列 、 P 5 1 X A 、 C 1 6 6 / 1 6 7 、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通用系列，如:支持USB接口的微控制器8XC930/931、C540、C541。目前MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。2.1.3 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）n数字信号处理（数字信号处理（Digital Signal ProcessingDigital Signal Processing） 以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处

35、理。强、压缩、识别等处理。n数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）芯片）芯片 是一种专用于（通常为实时的）是一种专用于（通常为实时的）数字信号处理数字信号处理的的微处微处理器理器。其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。算法。 n在通用的计算机（如在通用的计算机（如PCPC机）上用软件（如机）上用软件（如FortranFortran、C C语言）实现语言）实现 ；速度慢；速度慢n在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；应用受限制现；应用受限制n用通用的单片机（如用通用的单片机（如MCS-51M

36、CS-51、9696系列等）实现系列等）实现 ；仅限于简单算法仅限于简单算法n用通用的可编程用通用的可编程DSPDSP芯片实现芯片实现 ；广泛应用；广泛应用n用专用的用专用的DSPDSP芯片实现芯片实现 ；应用受限制；应用受限制n在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法n程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据 n片内具有快速片内具有快速 RAMRAM，通常可通过独立的数据总线在，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问两块中同时访问n具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持

37、 n快速的中断处理和硬件快速的中断处理和硬件I/OI/O支持支持n具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器n可以并行执行多个操作可以并行执行多个操作 n支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重支持流水线操作，使取指、译码和执行操作可以重叠执行叠执行 n优点：优点：大规模集成性、大规模集成性、 稳定性好稳定性好 精度高精度高 可编程性可编程性 高速性能高速性能 可嵌入性可嵌入性 接口和集成方便接口和集成方便n缺点：缺点：成本较高成本较高 高频时钟的高频干扰高频时钟的高频干扰 功率消耗较大等功率消耗较大等 DSPDSP技术更新速度快，开发和调试工具不尽完善技

38、术更新速度快，开发和调试工具不尽完善 4 4、DSPDSP分类分类通用通用专用专用定点（定点（FixedFixed）浮点（浮点（FloatingFloating）n运算速度运算速度nDSPDSP芯片的价格芯片的价格 nDSPDSP芯片的硬件资源芯片的硬件资源nDSPDSP芯片的运算精度芯片的运算精度 nDSPDSP芯片的开发工具芯片的开发工具 nDSPDSP芯片的功耗芯片的功耗 n其它：其它： nDSPDSP芯片的基本结构芯片的基本结构 q哈佛结构哈佛结构 q流水线操作流水线操作 q专用的硬件乘法器专用的硬件乘法器 q特殊的特殊的DSPDSP指令指令q快速的指令周期快速的指令周期 冯冯诺曼（诺

39、曼（Van Neuman）n在通用的微处理器中，乘法指令是由一在通用的微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故需许多个指令周系列加法来实现的，故需许多个指令周期来完成期来完成 nDSPDSP具有专用的硬件乘法器，乘法可在具有专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成一个指令周期内完成 2.1.4 ARM处理器处理器 ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 ARM处理器是一个32位元精简指令集(RISC)处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。 微软在2012年10月26日发布的

40、Windows 8操作系统也支持ARM系列处理器。 在同一天发布的ARM架构版本微软Surface（搭载Windows RT操作系统）中，微软已经采用了ARM处理器。 ARM特点： 1、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件； 3、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6、指令长度固定。ARM的体系结构： 1 CISC（ComplexInstructionSetComputer，复杂指令集计算机）在CISC指令集的各种指令中，大约有20%的指令

41、会被反复使用，占整个程序代码的80%。而余下的80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。 2 RISC（ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机）RISC结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻地方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等ARM系列 ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10E系列 SecurCore系列 Intel的Xscale Intel的StrongARM ARM11系列 其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能

42、来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。寄存器结构 ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK），这些寄存器包括： (1) 31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器。 (2) 6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，只使用了其中的一部分。指令结构 ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可节省30%40%以上的存储空间，

43、同时具备32位代码的所有优点。2.2 总线技术总线技术2.2.1 总线基本概念总线基本概念2.2.2 总线的分类总线的分类2.2.3 常用内部总线常用内部总线2.2.4 常用外部总线常用外部总线 微处理器技术的飞速发展，使得计算机的应用领域不断扩大，与之相应的总线技术也得到更新，总线的种类也日益增加，先后出现了ISA、MCA、EISA、VESA、PCI、AGP、IEEE-488、USB等总线技术，应用于芯片内部的总线技术也在不断发展 总线是一组信号线的集合。这些线是计算机系统的各插件间（或插件内部芯片间）、各系统之间传送规定信息的公共通道，有时也称数据公路，通过它们可以把各种数据和命令传送到各

44、自要去的地方。 为了使计算机系统插件与插件间、系统与系统间能够正确连接，就必须对各插件或各系统的连接制定出严格的规约，即总线标准，为各厂商设计和生产插件模块的标准提供统一的依据。 2.2.1 总线基本概念总线基本概念 总线的分类方法比较多，按照不同的分类方法，总线有不同的名称。 1. 根据总线不同的结构和用途分类根据总线不同的结构和用途分类 （1）专用总线。只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线，可同时完成收发。 （2）非专用总线。可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线，可分时复用。2.2.2 总线分类总线分类（1）局部总线。又称为芯片总线。它是微处理器总线的延伸，是微处理器

45、与外部硬件接口的通路，它是构成中央处理机或子系统所用的总线。局部总线通常包括数据总线DB、地址总线AB、控制总线CB和电源总线PB四部分。 （2）系统总线。由于微处理器芯片总线驱动能力有限，所以大量的接口芯片不能直接挂在微处理器芯片上。同样，如果存储器芯片、I/O接口芯片很多，在一个印刷线路板上往往安排不下，通常采用模块化设计。 系统总线又称内总线和板级总线，即微型计算机总线，用于各微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多机系统，如STD总线、ISA总线、PCI总线等。 （3）外部总线 外部总线又称为通信总线，用于微处理机与其他智能仪器仪表间的通信。外总线通常通过总线控制器挂接在系统总

46、线上。 常用的外总线有:连接智能仪器仪表的IEEE-488通用接口总线、RS-232C、RS-422、 RS-485、USB串行通信总线等。 2. 根据总线的用途和应用环境分类根据总线的用途和应用环境分类图2-1 局部总线的结构图2-2 一般计算机总线结构示意图3. 根据总线传送信号的形式分类根据总线传送信号的形式分类 n(1) 并行总线。如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线的特点是能以简单的硬件来进行高速的数据传输和处理。其优点是信号线各自独立，信号传输快，接口简单。上面提到的系统总线和局部总线均属于并行总线范畴，IEEE-488总线为并行总线。 n(2) 串行总线。串

47、行总线是按照信息逐位地顺序传送信号。其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。其优点是电缆线数少，便于远距离传送;缺点是信号传输慢，接口复杂。RS-232C总线为串行总线。 2.2.3 常用内部总线常用内部总线n内部总线是计算机内部各功能模板之间进行通信的通道，是构成完整的计算机系统的内部信息枢纽。由于历史原因，目前存在有多种总线标准，国际上已正式公布或推荐的总线标准有STD总线、PC总线、VME总线、MULTIBUS总线、UNIBUS总线等。这些总线标准都是在一定的历史背景和应用范围内产生的。限于篇幅，本节只对部分总线做简要介绍。n1 STD总线总线 n2 PC

48、系列总线系列总线 1 STD总线总线 STD总线是美国PRO-LOG公司于1978年推出的一种工业标准微型计算机总线， STD是STANDARD的缩写。该总线结构简单，总共56根引脚都有确切的定义。STD总线定义了一个8位微处理器总线标准，其中有8根数据线、16根地址线、控制线和电源线等，可以兼容各种通用的8位微处理器，如8080、8085、6800、Z80、NSCS00等。通过采用周期窃取和总线复用技术，定义了16根数据线、24根地址线，使STD总线升级为8 位/16位微处理器兼容总线，可以容纳16位微处理器，如8086、68000、80286等。 n 1987年，STD总线被国际标准化会议

49、定名为IEEE-961。随着32位微处理器的出现，通过附加系统总线与局部总线的转换技术，1989年美国的EAITECH公司又开发出对32位微处理器兼容的STD32总线，2 PC系列总线系列总线n PC总线是IBM PC总线的简称，PC总线因IBM及其兼容机的广泛普及而成为全世界用户承认的一种事实上的标准。PC系列总线是在以8088/8086为CPU的IBM/XT及其兼容机的总线基础上发展起来的，从最初的XT总线发展到PCI局部总线。由于PC 系列总线包括XT总线、ISA总线、MCA总线、EISA总线、PCI总线等多种总线结构。在此仅能对PC系列总线的发展和特点进行简要介绍。 (1) ISA总线

50、总线 nIBM PC问世初始，就为系统的扩展留下了余地，设置了I/O扩展槽。该I/O扩展槽是在系统板上安装的系统扩展总线与外设接口的连接器。通过I/O扩展槽，用I/O接口控制卡实现主机板与外设的连接。当时XT机的数据位宽度只有8位，地址总线的宽度为20根。在80286阶段，以80286为CPU的AT机一方面与XT机的总线完全兼容，另一方面将数据总线扩展到16位，地址总线扩展到24根。IBM推出的这种新型总线成为8位和16位数据传输的工业标准，被命名为ISA（Industry Standard Architecture）。 nISA总线的数据传输速率为8 MB/s，最大传输速率为16 MB/s，

51、寻址空间为16 MB。它是在早期的62线PC总线的基础上再扩展一个36线插槽形成的，分成62线和36线两段，共计98线:其62线插槽的引脚排列及定义与PC机兼容。ISA总线98根总线分成5类:地址线、数据线、控制线、时钟线和电源线。 (2) MCA总线总线n在CPU性能不断提高的情况下，由于ISA标准的限制，使系统总的性能没有根本改变。系统总线上的I/O和存储器的访问速度没有很大的提高，因而在强大的CPU处理能力与低性能的系统总线之间形成了一个瓶颈。为了打破这一瓶颈，IBM公司推出第一台386微机时，便突破了ISA标准，创造了一个全新的与ISA标准完全不同的系统总线标准MCA（Micro Ch

52、annel Architecture）标准，即微通道结构。该标准定义系统总线上的数据宽度为32位，并支持猝发（burst mode）方式，使数据的传输速率提高到ISA的4倍，达到了33 Mbit/s，地址总线的宽度扩展为32位，支持4 GB的寻址能力，满足了386和486处理器的处理能力。 MCA在一定条件下提高了I/O的性能，但它不论在电气上还是在物理上均与ISA不兼容，导致用户在扩展总线为MCA的微机上不能使用已有的I/O扩展卡。另一个问题是为了垄断市场，IBM没有将这一标准公之于世，因而MCA没有成为公认的标准。 (3) EISA总线总线n随着486微处理器的推出，I/O瓶颈问题越来越成

53、为制约计算机性能的关键问题。为冲破IBM公司对MCA标准的垄断，以Compaq公司为首的9家兼容机制造商联合起来，在已有的ISA基础上，于1989年推出了EISA（Extension Industry Standard Architecture）扩展标准。 nEISA具有MCA的全部功能，并与传统的ISA完全兼容，因而得到了迅速的推广。(4) PCI局部总线局部总线n微处理器的飞速发展使得增强的总线标准如EISA和MCA也显得落后。这种发展的不同步，造成硬件、视频卡和其他一些高速外设只能通过一个慢速而且狭窄的路径传输数据，使得CPU的高性能受到很大影响。而局部总线打破了这一瓶颈。从结构上看，局

54、部总线好像是在ISA总线和CPU之间又插入一级，将一些高速外设如图形卡、网络适配器和硬盘控制器等从ISA总线上卸下，直接通过局部总线连接到CPU总线上，使之与高 速CPU总线相匹配。PCI总线（Peripheral Component Interconnect，外围设备互连总线）是1992年以Intel公司为首设计的一种先进的高性能局部总线。它支持64位数据传送、多总线主控模块和线性猝发读写和并发工作方式。用PCI总线构建的计算机系统结构框图如图2-3所示。图2-3 用PCI总线构建的计算机系统表2-1 几种微型计算机总线的性能参数 名称ISA（PC-AT）EISASTDMCAPCI适用机型8

55、0286、386、486系列机386、486、586IBM系列机Z80、IBMPC系列机IBM个人机与工作站P5个人机、Power PCAlpha工作站最大传输速率16 MB/s33 MB/s2 MB/s2 MB/s3.3 MB/s总线宽度8/16位32位8/16位32位32位总线频率8 MHz8.33 MHz2 MHz10 MHz2033 MHz同步方式半同步同步异步异步同步地址宽度2432243232/64负载能力86无限制无限制3信号线数981435610912064位扩展 不可无规定不可可可多路复用非非非是2.2.4 常用外部总线常用外部总线 外部总线又称为通信总线，用于计算机之间、计

56、算机与远程终端、计算机与外部设备以及计算机与测量仪器仪表之间的通信。该类总线不是计算机系统已有的总线，而是利用电子工业或其他领域已有的总线标准。外部总线又分为并行总线和串行总线，并行总线主要有IEEE-488总线，串行总线主要有RS-232C、RS-485/422以及USB总线等。 1 IEEE-488总线 n2 RS-232C总线 n3 RS-485和RS-422总线 n4 串行总线协议转换器 n5 通用串行总线（USB） 1 IEEE-488总线总线 nIEEE-488总线是一种并行外部总线，专门用于计算机与测量仪器、输入输出设备，以及这些仪器设备之间的并行通信。当用IEEE-488总线标

57、准建立一个由计算机控制的测试系统时，不用再加一大堆复杂的控制电路，IEEE-488总线以机架层叠式智能仪器为主要器件，构成开放式的积木测试系统。因此IEEE-488总线是当前工业上应用最广泛的通信总线之一。 IEEE-488总线的使用约定总线的使用约定 n（1）数据传输速率10 Mbit/s。 n（2）连接在总线上的设备（包括作为主控制器的微型机）15个。 n（3）设备间的最大距离2 m。 n（4）整个系统的电缆总长度20 m，若电缆总长度超过20 m，则会因延时而改变定时 关系，从而造成可靠性变差。这种情况应增加调制解调器加以解决。 n（5）所有数据交换都必须是数字化的。 n（6）总线规定使

58、用24线的组合插头座，并采用负逻辑，即用小于+0.8 V的电平表示逻辑“1”，用大于2 V的电平表示逻辑“0”。 IEEE-488总线设备的工作方式总线设备的工作方式nIEEE-488总线上所连接的设备可按控者、讲者和听者三种方式工作，这三种设备之间是用一条24线的无源电缆互连起来的。如图2-4所示。 图2-4 IEEE-488总线的连接示例n（1）“听者”方式是一种接收器。它从数据总线上接收数据，一个系统在同一时刻，可以有两个以上的“听者”在工作。可以充当“听者”功能的设备有:微型计算机、打印机、绘图仪等。 n（2）“讲者”方式是一种发送器。它向数据总线发送数据，一个系统可以有两个以上的 “

59、讲者”，但任一时刻只能有一个讲者在工作。具有“讲者”功能的设备有:微型计算机、磁带机、数字电压表、频谱分析仪等。 n（3）“控制者”方式是一种向其他设备发布命令的设备。例如对其他设备寻址，或允许 “讲者”使用总线。控制者通常由微型机担任。一个系统可以有不止一个控制者，但每一时刻只能有一个控制者在工作。 n一般应用中，例如，微型机控制的数据测量系统，通过IEEE-488将微型机和各种测试仪器连接起来，这时，只有微型机具备控制、发、收3种功能，而总线上的其他设备都没有控制功能，但仍有收、发功能。当总线工作时，由控制者发布命令，规定哪个设备为发送器、哪个为接收器，而后发送器可以利用总线发送数据，接收

60、器从总线上接收数据。 IEEE-488总线的引脚定义总线的引脚定义n为了实现系统中各仪器设备之间的互相通信，IEEE-488总线对系统的基本特性、接口功能、异步通信联络的方式、接口消息的编码等都做了规定，见表2-2。按照这些规定，不同厂家生产的仪器设备就可以简便地用一条24线的无源电缆互连起来，组成一个自动测试和数据处理系统。 引脚符号说明引脚符号说明1D1低4位数据输入/输出13D5高4位数据输入/输出2D214D63D315D74D416D85EOI结束或识别17REN远程控制6DAV数据有效18GND地7NRFD未准备好接收数据19GND8NDAC数据未接收完毕20GND9IFC接口清零