计算机联锁硬件.docx
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计算机联锁硬件
第一章计算机系统简介
第一节计算机的软硬件概念
一、计算机发展简介
计算机是一种自动、高速、精确地进行信息处理的现代化电子设备。
1946年第一台计算机诞生以来，计算机已经由电子管时代，晶体管时代，中小规模集成电路时代，发展到大规模、超大规模集成电路时代，现正在向第五代计算机发展。
70年代初由大规模集成电路组成的微型计算机问世，它将运算器、控制器集成在一片芯片上，称为微处理器（CPU）。
30年来，微型计算机发展迅速，微处理器已经推出了4位、8位，16位、32位和64位等产品，存储芯片的容量也从几K发展到64M以上，采用了指令流水技术，增加了更加复杂的高速缓冲存储器Cache、片内Cache和分级Cache，主频也由几MHz发展到1GHz以上。
在计算机硬件发展的同时，软件系统也得到了迅速的发展。
现在一台高性能的微型计算机已经超过了70年代中型计算机的水平。
计算机的应用范围已从科学计算、数据处理等传统领域扩展到工业控制、仪器仪表、办公自动化、人工智能等各个方面。
二、计算机的软硬件概念
计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。
所谓“硬件”即指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件、各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等等。
所谓“软件”，它是看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成。
通常把这些信息，诸如各类程序寄寓于各类媒体中，如RAM、ROM、磁带、磁盘、光盘、甚至纸带等。
它们通常被作为计算机的主存或者辅存的内容。
由于“软件”的发展，它不仅可以充分发挥计算机的“硬件”功能，提高计算机的工作效率，而且已经发展到能局部模拟人类的思维活动，因此在整个计算机系统内，“软件”的地位和作用已经成为评价计算机系统性能好坏的重要标志。
当然，“软件”的发挥，必须依托“硬件”的支撑。
因此，概括而言，计算机性能的好坏，取决于“软”、“硬”件功能的总合。
计算机系统的硬件由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成，其结构如图1—1所示，图中实线为数据线，虚线为控制线和反馈线。
整个系统在控制器的统一指挥下，实现有条不紊地自动工作。
由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，这两大部件往往制作在同一芯片上，因此，通常将它们合起来统称为中央处理器（CentralProcessingUnit），简称CPU。
把输入设备与输出设备简称为I/O设备（Input/Outputequipment）。
这样，现代计算机可认为由三大部分组成：
CPU、I/O设备及主存储器M.M（MainMemory）,如图１—.2所示。
CPU与M.M和起来又可称为主机，I/O设备可叫作外部设备。
CPU中的运算器用于对信息进行处理和运算，控制器根据程序的要求发出各种控制命令，协调各部件之间的工作，存储器的作用是存储程序、数据和运算的结果，输入和输出设备用于计算机与外部交换信息。
计算机的软件通常又可以分为两大类：
系统软件和应用软件。
系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保高效运行。
它包括：
标准程序库、语言处理程序（如将汇编语言翻译成机器语言的汇编程序）、操作系统（如批处理系统、分时系统、实时系统）、服务性程序（如诊断程序、调试程序、连接程序等）、数据库管理系统、网络软件等等。
应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务需要所编制的各种程序。
如科学计算程序，数据处理程序，过程控制程序，事物管理程序等等。
实际上早期的计算机只有机器语言（即用０、１代码表示的语言），用户必须用二进制0、1代码来编写程序（即机器语言程序）。
这就要求程序员对他们所使用的计算机硬件及指令系统十分熟悉，编写程序难度很大，操作过程也极容易出错。
但用户编写的机器语言程序，可以直接在机器上执行。
20世纪60年代开始出现了各种面向问题的高级语言，这类高级语言对问题的描述十分接近人们的习惯，且具有较强的通用性。
程序员完全可以不必了解掌握实际机器的机型、内部的具体组成及其自身的指令系统，只要掌握这类高级语言本身所赋予的语法和语义，便可直接用这种高级语言来编程（一般称作源程序），然后将它和数据一起送入计算机内，再由计算机将其翻译成机器能识别的机器语言程序（称作目标程序），机器自动运行该机器语言程序，并将计算机结果输出。
其过程如图１—3所示。
第二节总线技术
一、总线的基本概念
计算机系统的硬件由五大部件组成，它们之间的互连方式有两种，一种是各部件之间通过单独的连线，叫做分散连接；另一种是将各部件连到一组公共信息传输线上，叫做总线连接。
早期的计算机大多数用分散连接方式，其内部连线十分复杂，不仅影响CPU的工作效率，也无法解决I/O设备与主机之间连接的灵活性，随着计算机应用领域的不断扩大，I/O设备的种类和数量也越来越多，人们希望能随时增添或减撤设备，用分散连接方式简直是一愁莫展，由此出现了总线连接方式。
总线是一种在多于两个模块（设备和子系统）之间传送信息的公共通路。
为在各模块（设备和子系统）之间实现信息共享和交换，总线由传输信息的物理介质以及一套管理信息传输的通用规则（协议）所构成。
一个计算机系统的硬件可以含有几块、几十块插件和外设，这些插件和外设连接起来，即可构成系统。
许多计算机制造厂（特别是微机制造厂）大量地以插件方式向各种用户提供OEM（OriginalEquipmentManufacturer原始设备制造厂）产品。
由用户根据自己的需要构成一个计算机系统或计算机应用系统。
这些OEM产品包括CPU、RAM、ROM、A/D、D/A、通用接口和专用接口电路，以及各种各样的单板微机等。
为了有效、可靠地利用总线进行彼此之间的信息交换，有必要对总线信号及其传送规则、传送信号的物理介质以及在机械结构方面作一系列的规定，这些规定称之为总线规约。
总线规约当得到某一标准化组织的批准或推荐后，即成为某种总线标准。
随着微机工业的发展，确立并发展了各种各样的微机总线标准，微机制造厂根据各种总线标准以机箱方式向用户提供连接好的系统，可以用于各种场合。
微机系统采用总线具有很多优越性：
①便于采用现在广泛流行着的模块化结构设计方法，使系统设计得以简化。
②能够得到众多的ＯＥＭ生产厂家的支持，而得到广泛支持的总线规范，其相关产品得以发展，内容得以丰富，性能得以提高。
③便于组织生产。
总线式模块化结构的产品，各种模板之间具有一定的独立性，且模板的功能比较单一，从而便于组织大规模生产，降低产品造价。
④便于产品的更新换代，延长产品的技术生命。
⑤可维护性好，经济性好。
二、微机的三类总线
按照总线的规模、用途及应用场合的不同，微机总线可分为三类：
1、片总线
又称“元件级总线”、“芯片总线”，是微处理器芯片内部引出的总线，它是用微处理器构成一个部件（如CPU插件）或是一个很小的系统时，信息传输的通路。
片总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线通常是单向总线，由CPU输出。
16位微处理器有20条或24条地址总线，32位微处理器一般有32条地址总线。
地址总线用于指令操作时，选择要操作的存储器单元或I/O设备。
数据总线是双向总线，16位微处理器有16条数据总线，32位微处理器通常有32条数据总线，数据总线用来传输各种数据，由于数据总线的作用是把信息送入CPU或从CPU送出，所以要求严格的时序控制电路和转接电路（例如锁存器、三态器件和各种门电路）加以配合和协调。
通过数据总线可以传送的数据类型为：
数值数据、指令码、地址信息、设备码、控制字和状态字等。
控制总线用来传送保证计算机同步和协调的定时信号和控制信号，从而保证正确地通过数据总线传送各项信息的操作。
不同型号的微处理器有不同数目的控制总线，且其方向和用途也不一样，但几乎所有的控制总线都与系统的同步功能有关，下面这些控制线是一般微处理器所共有的。
1读出线和写入线；
2中断请求线和中断响应线；
3同步（选通或时钟）信号线；
4保持、等待就绪（准备好）线
2、内总线（I-BUS）
又称“系统总线”或“板级总线”，是测控系统用计算机和通用微型计算机所特有的总线，也是最重要的一种总线。
测控系统用的计算机是由各种模板插件构成的，而这些模板插件之间要依靠系统总线进行信息传送，系统总线是各种模板进行信息传送的通路。
例如STD总线、ISA/PCI总线、VME总线等均是系统总线。
3、外总线（E-BUS）
又称“通信总线”，它是微机系统之间或是微机系统与其他系统（仪器、仪表、控制
装置）之间信息传输的通路，往往借用电子工业其他领域已有的总线标准。
通信总线一般分为并行通信总线和串行通信总线两类。
①并行通信总线：
在通信传送过程中，每次同时传送一个数据字节，所以传输速度高，适用于短距离（数十米）的快速传输。
IEE488总线就是并行通信总线。
②串行通信总线：
在通信传送过程中，每次传送一个比特（1bit）的信息，所以传输速度低。
但是使用的导线或电缆数量少，甚至仅用一对双绞线就可以传送，成本低，适用于较远距离的传输。
EIARS-232C标准等就是串行通信总线标准。
系统间通道接口除了上述两种结构形式以外，也可以是局部网络，系统中的所有微机通过各自的网络接口板直接挂到局域网上。
网络接口板一般插在计算机的扩展槽内，其主要功能是将并行数据转换成串行数据流，送往发送端，而对接收端又将串行数据流转为并行数据，继而进入计算机的内部总线。
同时，还有设置起始位、结束位以及校验传输错误等。
例如CAN就是属于控制器局部网范围。
图1—4画出了三类总线的关系。
三、系统总线特性
从物理角度来看，系统总线就是一组电导线，许多导线直接印制在电路板上延伸到各个部件。
图1—5形象地表示了各个部件与总线之间的物理摆放位置。
CPU、MM、I/O都是部件插板，它们通过插头与水平方向总线插槽（按总线标准用印刷电路板或一束电缆连接而成的多头插座）连接。
为了保证机械上的可靠连接，必须规定其机械特性；为了确保电气上正确连接，必须规定其电气特性；为保证正确地连接不同部件，还需规定其功能特性和时间特性。
（1）机械特性
机械特性是指总线在机械连接方式上的一些性能，如插头与插座使用的标准，它们的几何尺寸、形状、引脚的个数以及排列的顺序等。
（2）电气特性
电气特性是指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。
通常规定由CPU发出的信号叫输出信号，送入CPU的信号叫输入信号。
如地址总线属于单向输出线，数据总线属于双向传输线，它们都定义为高电平有效。
（3）功能特性
功能特性是指总线中每根传输线的功能，如地址总线用来指出地址号；数据总线传递数据；控制总线发出控制信号，即由CPU发出的，如存储器读/写、I/O读/写；也有I/O向CPU发来的，如中断请求、DMA请求等。
（4）时间特性
时间特性是指总线中的任一根线在什么时间内有效。
每条总线上的各种信号，互相存在着一种有效时序的关系，因此，时间特性一般可用信号时序图来描述。
四、总线性能指标
总线性能指标包括：
（1）总线宽度：
它是指数据总线的根数，用（位）表示，如8位、16位、32位、64位（也即8根、16根、32根、64根）。
（2）标准传输率：
即在总线上每秒能传输的最大字节量，用MB/s（每秒多少兆字节）表示。
如总线工作频率为33MHz，总线宽度为32位，则它最大的传输率为132MB/s。
（3）时钟同步/异步：
总线上的数据与时钟同步工作的总线称同步总线，与时钟不同步工作的总线称异步总线。
（4）总线复用：
通常地址总线与数据总线在物理上是分开的两种总线地址总线传输地址码，数据总线传输数据信息。
为了提高总线的利用率，优化设计，特将地址总线和数据总线共用一组物理线路，只是某一时刻该总线传输地址信号，另一时刻传输数据信号或命令信号。
这叫做总线的多路复用。
（5）信号线数：
即地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和。
（6）总线控制方式：
包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。
（7）其他指标：
如负载能力问题。
由于不同的电路对总线的负载是不同的，即使同一电路板在不同的工作频率下，总线的负载也是不同的，因此，总线负载能力的指标不是太严格的。
通常可用连接扩增电路板数来反映总线的负载能力。
此外，还有如电源电压是5V还是3.3V、总线能否扩展64位宽度等等。
五、总线标准
总线是在计算机系统模块化的发展过程中产生的，所谓总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。
这个界面对它两端的模块都是透明的，即界面的任一方只需根据总线标准的要求完成自身一面接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。
因此按总线标准设计的接口可视为通用接口。
目前流行的总线标准有：
1、STD总线标准
STD总线（STanDardbus）是美国Pro‐Log公司于1978年公布的，IEE于1981年
将其定为IEEP961标准，又与1987年定为IEE961标准。
STD总线是一个面向工业控制的8位微型计算机总线，它定义了8位微处理器总线
准，可以容纳各种8位通用微处理器（如i8085，M6800，Z80等）。
为了适应16位微处理器（如i8086，M68000，i80286等），采用周期窃取和总线复用技术来扩充数据线和地址线使STD总线成为8/16位兼容的总线。
近年来又定义了STD32总线标准，能够与32位微处理器（如i80386，i80486，M68030等）兼容，并与原来8位总线的I/O模板兼容。
2、ISA/PCI总线标准
计算机联锁控制系统的人机会话计算机往往采用ISA/PCI总线标准的IPC，有些系统的联锁计算机也采用与ISA总线标准兼容的、具有栈接式总线连接器的嵌入式PC，另外，在计算机监测系统中，也采用着ISA/PCI总线标准的IPC，所以有必要对ISA/PCI总线标准以及采用ISA/PCI总线标准的IPC等做简要的解说。
①ISA总线标准
IBMPC/XT总线是一种数据宽度为8位、具有开放式结构的计算机总线。
起初，IBM
PC/XT总线产品的应用是面向办公室自动化，后来很快扩大到实验室和工业生产环境下的数据采集与控制。
IBMPC/AT总线是IBMPC/XT总线的高档产品，它是在IBMPC/XT总线的基础上
又增加了一个总线插座，使之数据宽度扩展为16位，以适应16位和更高性能的处理器。
IBMPC/AT计算机的结构，是在分布着PC/AT总线的大底板上分别设置了数个PC扩展槽，这种结构被称作IBM公司的工业标准体系结构ISA（IndustryStandardArchitecture），所以IBMPC/AT总线也被称作ISA总线。
ISA总线具有16位数据总线宽度、24位地址总线宽度、16级中断和8通道DMA，是为i80286设计的，主板与接口卡的数据传输速度为8MHz。
②PCI总线标准
当i80386问世后，CPU的速度已经高达33MHz甚至40MHz，如果继续采用ISA总线，则每当对接口卡传输数据（如显示接口或硬盘驱动器接口）时，则必须降速1/4~1/5，从而使得整体效果不佳。
VESAbus（简称VLbus）能够发挥i80386和i80486的功能，它是在ISA总线主板的基础上增加两个或数个咖啡色的VESA扩展槽。
在VESAbus的扩展槽上插入VESAbus的接口卡，如VESAbus的ET-4000VGA卡，并运行支持VESA功能的相应软件，则数据的传输速度会有比较明显的改变。
在较前些时候设计安装的计算机联锁系统，其中的人机会话计算机有的就是采用VESAbus的IPC。
由美国Intel公司发起的PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线接口标准，能够充分发挥Pentium系列64位处理器的优点。
PCI总线的主板往往是在ISA总线的基础上增设4个左右的PCI总线扩展槽，同时对相关的接口（如并行通信接口、IDE接口等）在标准方面作了扩充，在数量方面作了增加，从而使主板的功能和性能均有大幅度的提高。
PCILocal的数据传输速率,在突发模式中，PCI可达132MB/s，在连续模式中，PCI可达80MB/s，该速率与ISAbus相比快了10倍。
3、VME总线标准
VME总线起源于美国M公司的V总线，V总线结构原来是为其各种模块之间的接口和充分发挥16/32位的微处理器MC68000的功能而设计的。
后来，M公司将总线的模板改为欧洲式模板的尺寸，称之为VME（V），并很快在欧洲形成标准。
1981年，M公司等联合宣布VME总线作为通用标准，从而使得VME总线成为一种性能极高、开放式的总线。
VME总线于1985年成为IEC851标准，于1987年成为IEEP1014标准。
（1）VME总线的主要性能与特点
VME总线的主要性能如下：
①地址总线宽度：
16位/24位/32位。
②数据总线宽度：
16位/32位。
③总线带宽：
10/16/20MH（取决于微处理器）
④总线底板上信号线长度：
小于500（1968英寸）
VME总线是一种先进的微型计算机总线，它具有以下的特点：
①寻址空间大，数据传输速度高，满足了高性能微型计算机的要求。
②在多处理器系统中，其中断机构能够保证各个处理器之间的相互通信，提高了多处理器系统的性能。
③VME总线的规约严格，内容全面，易于组成开放式系统。
（2）VME总线的组成
VME总线的功能模块和总线框图绘于图1—6中。
VME总线的功能模块由总线底板接口逻辑、四组总线信号线和一组功能模板（块）组成。
四组总线信号线是数据传输总线、中断优先级总线、仲裁总线和公用总线。
六、嵌入式PC及其栈接式总线标准
近几年来，个人计算机PC技术越来越快地向嵌入式应用领域渗透，嵌入式PC的发展将为工业控制计算机的发展开辟出道路。
计算机联锁系统的联锁计算机需要采用可靠性很高的工业测控用计算机，往往采用嵌入是PC作为联锁计算机的核心机。
1、嵌入是PC与PC/104
嵌入式PC机，就是PC机的CPU和标准的PC机芯片组组装在一个面积很小的印刷电路板上，制作成嵌入式PC机的模块。
工业测控计算机系统的设计者们只需要通过选择适当的模块并把它们组装起来，就能够完成工业测控计算机系统的设计。
现在，提供PC机CPU和标准PC机芯片组的厂家已经推出了面向嵌入式PC机的节省电能的CPU芯片和相关芯片组系列，使得一些嵌入式PC机只需自然通风散热而不需要风扇强制散热。
这样就使得嵌入式PC机可以放置在空间比较狭小的工业自动测控系统内。
嵌入式PC机技术得到迅速发展的原因，是它具有下述的三项优点。
⑴硬件成本低，经济效果好。
嵌入式PC机系统能够共享PC机规模经济市场中大量的CPU芯片、接口芯片、外设IC和存储器芯片。
⑵可以利用现成的套装软件。
设计者或者用户可以为自己的应用场合购买到成套软件，从操作系统W和DOS的软件库到编程语言所需的可调用的库函数集，从数据库管理、电子数据表格到数据采集和数学分析的软件。
⑶可以获得廉价的开发平台。
嵌入式PC机PC机技术，工程技术人员熟悉嵌入式PC机的各项技术，如操作环境编程语言、基本输入输出系统BIOS等。
另外，现在的实验室或工程中心均备有PC机。
可见PC机技术转换到工业测控计算机系统技术的途径已有两条，即IPC的途径和嵌入式PC机的途径，它们分别适合于不同的环境和条件下采用。
另外，现在有些厂家或组织倡导直接把ISA/PCI总线映射到欧洲式连接器DIN416上，制作出欧洲模板式的ISA/PCI总线标准的工业测控计算机系统模板。
图1—7绘出了PC机技术转向工业测控计算机技术的三种途径图。
2、PC/104的双栈接式总线标准
当前国际上应用比较广泛的小型化嵌入式PC机为PC/104，它的标准号为IEEE996.1
PC/104的尺寸仅为3.6in*3.8in，即90mm*96mm。
没有总线母板，不用插座滑道，模块采用层叠式封装结构，模块之间采用栈接式连接方式。
8位机采用栈接式即ST（ST）方式，16位机及其以上的采用双栈接方式即DST方式。
PC/104的双栈接式总线规范与ISA总线规范完全兼容，PC/104的104根信号线只是比ISA总线的98根信号线增加了6条电源线。
第三节系统间串行通信技术
计算机联锁系统在硬件构成上一般采用多微机系统，在信息资源上各个微机系统应共享，因而在各个微机系统之间应建立起传送信息的通道。
一、系统间通道接口的结构形式
在计算机联锁系统中，计算机配置不同，则系统间通道接口的具体形式也有所不同，图1—8是双机系统的系统间通道接口的两种典型结构。
串行接口方式中，串行通道经常使用串行通信接口芯片（如8251A等）。
当两个CPU构成双机并行总线系统时，其系统间通道应有总线缓冲电路和握手线，由握手线确定总线的控制权，在某一时刻，控制权只能属于一个系统，这个系统可以对缓冲区进行读、写操作。
这种并行总线双机系统接口通道比较复杂，不能实现远距离通信，一般都是构成一个紧密的双机系统，常常共享一些硬件资源，如RAM存储器共享系统等，其优点是通信速度快。
二、系统间串行通信技术
1、串行通信基础
（1）异步通信和同步通信
异步通信将字符数据的传送格式规定为每个数据以相同的帧格式传送。
每一帧由起始位、数据位、校验位和停止位构成，如图1—9所示。
通常，起始位为1位，低电平有效。
数据位为7位，第8位是奇偶校验位，校验方法是加上这一位使数据中为“1”的位为奇数或偶数，停止位可以是一位，一位半或两位。
字符数据按上述格式一个接一个传送，在传送间隙，通信线路总处于高电平状态，每个字符数据的传送均以低电平开始。
同步通信是省掉每个数据的起始位和停止位，把数据顺序连接起来，组成一个数据块，在数据块的开始处用同步字符来指示，在数据块的末尾加有一定的差错校验字符。
其数据传送格式示于图1—10中。
同步通信的特点：
①以同步字符作为传送的开始；
②每位占用的时间相等；
③字符数据间不允许有空缺，当线路空闲无字符可发时，发送同步字符。
在实际应用中，异步通信常用于传输信息量不太大、传输速度比较低的场合，而同步通信用于传输信息量大，传输速度高的场合。
计算机联锁系统双机之间的信息传输多是采用同步通信方式。
（2）通信方式
①单工方式
单工方式是通信线的一端接发送器，另一端连接收器，数据只能按照一个固定的方向传送。
当数据只在一个方向传送时，可采用这种方式。
②半双工方式
半双工方式是通信线的两端各自接有发送器和接收器，数据可以双向传送，但由于传送线只有一根，因而在同一时刻，只能向一个方向传送数据，其工作方式示于图1—11中。
一般地讲，当两个互连设备需要交替地交换数据时，常使用这种方式。
计算机联锁机间通信大多是采用这一方式。
③全双工方式
如将数据传送线改为两根，每一根负责一个方向传送数据，这样在同一时刻既可发送数据，又可接收数据，构成了全双工方式。
其工作方式示于图1—12中。
（3）信号调制与解调
数字信号的传输可以分为基带传输和宽带传输。
基带传输是指不对信号进行调制解调的通信过程，一般适用于近距离传输。
为了利用现有的信道进行远距离通信，必须对数字信号进行变换。
在发送时，采用调制器（Modulator）把数字信号转换为模拟信号，送到信息通道上去；在接收时，利用解调器（Demodulator）再把收到的模拟信号转换成数字信号。
在大多数情况下，通信是双向的，调制器和解调器合在一个装置中，这就是调制解调器（MODEM）。
调制解调器的类型比较多，有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。
常用的频移键控（FSK）调制方式的基本原理是，把“0”和“1”的两种数字信号分别调制成不同频率的两个音频信号，其原理如图1—13所示。
两个不同频率的模拟信号，分别由电
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