《機電一體化技術(shù) 》課件-第5章

5.1概述5.2工業(yè)控制計算機5.3計算機接口技術(shù)5.4計算機接口設(shè)計5.5D/A轉(zhuǎn)換器5.6A/D轉(zhuǎn)換器思考題機電一體化系統(tǒng)中的計算機軟、硬件占有相當(dāng)重要的地位，它代表著系統(tǒng)的先進(jìn)性和智能特性。計算機以其運算速度快、可靠性高、價格便宜等優(yōu)勢，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及日常生活的各個領(lǐng)域。計算機用于機電一體化系統(tǒng)或工業(yè)控制領(lǐng)域是近年來發(fā)展非常迅速的技術(shù)。例如，衛(wèi)星跟蹤天線的控制，電氣傳動裝置的控制，數(shù)控機床，工業(yè)機器人的運動、力控系統(tǒng)，飛機、大型油輪的自動駕駛儀等等。現(xiàn)在，當(dāng)你走進(jìn)一個自動化生產(chǎn)車間時，將會看到許多常規(guī)的控制儀表和調(diào)節(jié)器已經(jīng)被計算機所取代，計算機正在不斷監(jiān)視整個生產(chǎn)過程，對生產(chǎn)中的各種參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、轉(zhuǎn)速和成分等進(jìn)行采樣，迅速進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，打印和顯示生產(chǎn)工藝過程的統(tǒng)計數(shù)字和參數(shù)，并發(fā)出各種控制命令。5.1.1計算機控制系統(tǒng)的組成

將模擬式自動控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了一個典型的計算機控制系統(tǒng)，如圖5-1所示。因此，簡單地說，計算機控制系統(tǒng)就是采用計算機來實現(xiàn)的

工業(yè)自動控制系統(tǒng)。5.1概述圖5-1計算機控制系統(tǒng)的基本框圖在控制系統(tǒng)中引入計算機，可以充分利用計算機的運算、邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)。在系統(tǒng)中，由于計算機只能處理數(shù)字信號，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計算機。當(dāng)計算機接收了給定量和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律進(jìn)行運算(如PID運算)，計算結(jié)果(數(shù)字信號)再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬控制信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)，便完成了對系統(tǒng)的控制作用。

典型的機電一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可用圖5-2來示意，它可分為硬件和軟件兩大部分。硬件是指計算機本身及其外圍設(shè)備，一般包括中央處理器,內(nèi)存儲器,磁盤驅(qū)動器,各種接口電路，以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換為核心的模擬量I/O通道、數(shù)字量I/O通道，以及各種顯示、記錄設(shè)備,運行操作臺等。圖5-2典型計算機控制系統(tǒng)的組成框圖

(1)由中央處理器、時鐘電路、內(nèi)存儲器構(gòu)成的計算機主機是組成計算機控制系統(tǒng)的核心部件，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計算、越限報警等功能，并

通過接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮全系統(tǒng)有條不紊地協(xié)調(diào)工作。

(2)操作臺是人—機對話的聯(lián)系紐帶。操作人員可通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出各種操作命令；計算機可向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀況，發(fā)出報警信號。操作臺一般包括各種控制開關(guān)、數(shù)字鍵、功能鍵、指示燈、聲訊器、數(shù)字顯示器或CRT顯示器等。

(3)通用外圍設(shè)備主要是為了擴大計算機主機的功能而配置的。它們用來顯示、存儲、打印、記錄各種數(shù)據(jù)。常用的有打印機、記錄儀、圖形顯示器(CRT)、軟盤、硬盤及外存儲器等。

(4)I/O接口與I/O通道是計算機主機與外部連接的橋梁。常用的I/O接口有并行接口和串行接口，I/O通道有模擬量I/O通道和數(shù)字量I/O通道。其中，模擬量I/O通道的作用是：一方面將經(jīng)由傳感器得到的工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)變換成二進(jìn)制代碼傳送給計算機；另一方面將計算機輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機構(gòu)的模擬信號，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。數(shù)字量通道的作用是，除完成編碼數(shù)字輸入/輸出外，還可將各種繼電器、限位開關(guān)等的狀態(tài)通過輸入接口傳送給計算機，或?qū)⒂嬎銠C發(fā)出的開關(guān)動作邏輯信號經(jīng)由輸出接口傳送給生產(chǎn)機械中的各個電子開關(guān)或電磁開關(guān)。

(5)傳感器的主要功能是將被檢測的非電學(xué)量參數(shù)轉(zhuǎn)變成電學(xué)量，如熱電偶把溫度變成電壓信號，壓力傳感器把壓力變成電信號等等。變送器的作用是將傳感器得到的電信號

轉(zhuǎn)變成適用于計算機接口使用的標(biāo)準(zhǔn)的電信號(如0~10mADC)。

此外，為了控制生產(chǎn)過程，還需有執(zhí)行機構(gòu)。常用的執(zhí)行機構(gòu)有各種電動、液動、氣動開關(guān)，電液伺服閥，交、直流電動機，步進(jìn)電動機等等。

軟件是指計算機控制系統(tǒng)中具有各種功能的計算機程序的總和，如完成操作、監(jiān)控、管理、控制、計算和自診斷等功能的程序。整個系統(tǒng)在軟件指揮下協(xié)調(diào)工作。以功能區(qū)分，軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

系統(tǒng)軟件是由計算機的制造廠商提供的，用來管理計算機本身的資源和方便用戶使用計算機的軟件。常用的有操作系統(tǒng)、開發(fā)系統(tǒng)等，它們一般不需用戶自行設(shè)計編程，只需

掌握使用方法或根據(jù)實際需要加以適當(dāng)改造即可。

應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序，比如各種數(shù)據(jù)采集、濾波程序，控制量計算程序，生產(chǎn)過程監(jiān)控程序等。

在計算機控制系統(tǒng)中，軟件和硬件不是獨立存在的，在設(shè)計時必須注意兩者相互間的有機配合和協(xié)調(diào)，只有這樣才能研制出滿足生產(chǎn)要求的高質(zhì)量的控制系統(tǒng)。5.1.2計算機在控制中的應(yīng)用方式

根據(jù)計算機在控制中的應(yīng)用方式，可以把計算機控制系統(tǒng)劃分為四類，它們是：操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)和分級計算機控制系統(tǒng)。

1.操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)

如圖5-3所示，在操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)中，計算機的輸出不直接用來控制生產(chǎn)對象。計算機只是對生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行采集，然后根據(jù)一定的控制算法計算出供操作人員參考、選擇的操作方案和最佳設(shè)定值等，操作人員根據(jù)計算機的輸出信息去改變調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，或者根據(jù)計算機輸出的控制量執(zhí)行相應(yīng)的操作。操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活安全，特別適用于未摸清控制規(guī)律的系統(tǒng)，常常被用于計算機控制系統(tǒng)研制的初級階段，或用于試驗新的數(shù)學(xué)模型和調(diào)試新的控制程序等。由于最終需人工操作，故它不適用于快速過程的控制。圖5-3計算機操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)示意圖

2.直接數(shù)字控制系統(tǒng)

直接數(shù)字控制DDC(DirectDigitalControl)系統(tǒng)是計算機用于工業(yè)過程控制最普遍的一種方式，其結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。計算機通過輸入通道對一個或多個物理量進(jìn)行巡回檢測，并根據(jù)規(guī)定的控制規(guī)律進(jìn)行運算，然后發(fā)出控制信號，通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)。圖5-4直接數(shù)字控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在DDC系統(tǒng)中的計算機參加閉環(huán)控制過程，它不僅能完全取代模擬調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)多回路的PID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié)，而且不需改變硬件，只需通過改變程序就能實現(xiàn)多種較復(fù)雜的控制規(guī)律，如串級控制、前饋控制、非線性控制、自適應(yīng)控制及最優(yōu)控制等。

3.監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)

在監(jiān)督計算機控制SCC(SupervisoryComputerControl)系統(tǒng)中，計算機根據(jù)工藝參數(shù)和過程參量檢測值，并按照所設(shè)計的控制算法進(jìn)行計算，計算出最佳設(shè)定值后直接傳送給常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器或者DDC計算機，最后由模擬調(diào)節(jié)器或DDC計算機控制生產(chǎn)過程。SCC系統(tǒng)有兩種類型，一種是SCC+模擬調(diào)節(jié)器，另一種是SCC+DDC控制系統(tǒng)。監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖5-5所示。圖5-5監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖

(a)SCC＋模擬調(diào)節(jié)器系統(tǒng)；(b)SCC＋DDC系統(tǒng)

(1)SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)。

在這種類型的系統(tǒng)中，計算機對各過程參量進(jìn)行巡回檢測，并按一定的數(shù)學(xué)模型對生產(chǎn)工況進(jìn)行分析、計算后得出被控對象各參數(shù)的最優(yōu)設(shè)定值送給調(diào)節(jié)器，使工況保持在最優(yōu)狀態(tài)。

當(dāng)SCC計算機發(fā)生故障時，可由模擬調(diào)節(jié)器獨立執(zhí)行控制任務(wù)。

(2)SCC+DDC的控制系統(tǒng)。

這是一種二級控制系統(tǒng)，SCC可采用較高檔的計算機，它與DDC之間通過接口進(jìn)行信息交換。SCC計算機完成工段、車間等高一級的最優(yōu)化分析和計算，然后給出最優(yōu)設(shè)定值，

送給DDC計算機執(zhí)行控制。通常在SCC系統(tǒng)中，選用具有較強計算能力的計算機，其主要任務(wù)是輸入采樣和計算設(shè)定值。由于它不參與頻繁的輸出控制，可以有時間進(jìn)行具有復(fù)雜規(guī)律的控制算式的計算，因此，SCC能進(jìn)行最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等，并能完成某些管理工作。SCC系統(tǒng)的優(yōu)點是不僅可進(jìn)行具有復(fù)雜控制規(guī)律的控制，而且其工作可靠性較高；當(dāng)SCC出現(xiàn)故障時，下級仍可繼續(xù)執(zhí)行控制任務(wù)。

4.分級計算機控制系統(tǒng)

生產(chǎn)過程中既存在控制問題，也存在大量的管理問題。同時，設(shè)備一般分布在不同的區(qū)域，其中各工序、各設(shè)備同時并行地工作，基本上是相互獨立的，故全系統(tǒng)是比較復(fù)雜的。這種系統(tǒng)的特點是功能分散，用多臺計算機分別執(zhí)行不同的控制功能，既能進(jìn)行控制又能實現(xiàn)管理。

圖5-6是一個四級計算機控制系統(tǒng)。其中，過程控制級為最底層，對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行直接數(shù)字控制；車間管理級負(fù)責(zé)本車間各設(shè)備間的協(xié)調(diào)管理；工廠管理級負(fù)責(zé)全廠各車間的生產(chǎn)協(xié)調(diào)，包括安排生產(chǎn)計劃、備品備件等；企業(yè)(公司)管理級負(fù)責(zé)總的協(xié)調(diào)，安排總生產(chǎn)計劃，進(jìn)行企業(yè)(公司)經(jīng)營方向的決策等。

圖5-6計算機分級控制系統(tǒng)5.1.3典型的機電一體化控制系統(tǒng)

1.計算機過程控制系統(tǒng)

用計算機對溫度、壓力、流量、液面、速度等過程參數(shù)進(jìn)行測量與控制的系統(tǒng)稱為計算機過程控制系統(tǒng)。圖5-7介紹了工業(yè)爐計算機控制的典型情況，其燃料為燃料油或者煤氣，為了保證燃料在爐膛內(nèi)正常燃燒，必須保持燃料和空氣的比值恒定。圖中描述了燃料和空氣的比值控制過程，它可以防止空氣太多時，過?？諝鈳ё叽罅繜崃浚灰部煞乐巩?dāng)空氣太少時，由于燃料燃燒不完全而產(chǎn)生過多的一氧化碳或碳黑。為了保持所需的爐溫，將測得的爐溫送入計算機計算，進(jìn)而控制燃料和空氣閥門的開度。為了保持爐膛壓力恒定，避免在壓力過低時從爐墻的縫隙處吸入大量過?？諝?，或在壓力過高時大量燃料通過縫隙逸出爐外，同時還采用了壓力控制回路。測得的爐膛壓力送入計算機，進(jìn)而控制煙道出口擋板的開度。此外，為了提高爐子的熱效率，還需對爐子排出的廢氣進(jìn)行分析，一般是用氧化鋯傳感器測量煙氣中的微量氧，通過計算而得出其熱效率，用以指導(dǎo)燃燒調(diào)節(jié)。圖5-7工業(yè)爐的計算機控制

2.微型計算機控制的電動機調(diào)速系統(tǒng)

由于微型計算機具有極好的快速運算、信息存儲、邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理能力，因此電動機調(diào)速系統(tǒng)中的許多控制要求很容易在計算機中實現(xiàn)。例如，變流裝置的非線性補償，啟動和調(diào)速時選用不同的控制方式或不同的控制參數(shù)，四象限運行時的邏輯切換，在PWM型逆變器、交—交變頻或某些生產(chǎn)機械傳動控制中要求的電壓、電流基準(zhǔn)曲線等，經(jīng)采用了計算機控制后，大大提高了系統(tǒng)的性能。

圖5-8是計算機控制的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。其中，晶閘管觸發(fā)器、速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均由計算機實現(xiàn)。圖5-8計算機控制的雙閉環(huán)系統(tǒng)

3.計算機數(shù)字程序控制系統(tǒng)

采用計算機來實現(xiàn)順序控制和數(shù)字程序控制是計算機在自動控制領(lǐng)域中應(yīng)用的一個重要方面。它廣泛地應(yīng)用于機床控制、生產(chǎn)自動線控制、運輸機械控制等許多工業(yè)自動控制系統(tǒng)中。

所謂順序控制系統(tǒng),是指使生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程按預(yù)先規(guī)定的時序(或現(xiàn)場輸入條件等)順序動作的自動控制系統(tǒng)。目前這類系統(tǒng)中多采用微處理器構(gòu)成的可編程序控制器(PC或PLC)。可編程序控制器使用方便，可靠性高，應(yīng)用廣泛。所謂數(shù)字程序控制系統(tǒng),是指能根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機械按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律自動完成工作的自動控制系統(tǒng)。數(shù)字程序控制系統(tǒng)(通常簡稱數(shù)控)一般用于機床控制系統(tǒng)中，這類機床被稱為數(shù)控機床。

目前數(shù)控系統(tǒng)多采用16位或32位工業(yè)控制微機系統(tǒng)或多微處理機系統(tǒng)控制。它按運動軌跡可以分為點位控制系統(tǒng)和輪廓(軌跡)控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)中，被控機構(gòu)(如刀具

)在移動中不進(jìn)行加工，對運動軌跡沒有具體要求，只要能準(zhǔn)確定位即可，它適用于數(shù)控鉆床、沖床等類機床的控制。輪廓控制系統(tǒng)中，被控機構(gòu)按加工件的設(shè)計輪廓曲線連續(xù)地移

動，并在移動中進(jìn)行加工，最終將加工件加工成所需的形狀，它適用于數(shù)控銑床、車床、線切割機、繡花機等機床和生產(chǎn)機械的控制。在圖5-9中表示出一個在線、開環(huán)、實時的簡單機床數(shù)字程序控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖。

根據(jù)所使用的軟件，該系統(tǒng)既可以設(shè)計成平面點位控制系統(tǒng)，又可設(shè)計成平面輪廓控制系統(tǒng)。圖中的微型計算機是系統(tǒng)的核心部件，它完成程序和數(shù)據(jù)的輸入、存儲、加工軌跡計算和步進(jìn)電動機控制程序、顯示程序、故障診斷程序等控制程序的執(zhí)行等。圖5-9簡單機床數(shù)字程序控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖圖5-10智能機器人的一般結(jié)構(gòu)

4.工業(yè)機器人

工業(yè)機器人是一種應(yīng)用計算機進(jìn)行控制的可替代人進(jìn)行工作的高度自動化系統(tǒng)，它主要由控制器、驅(qū)動器、夾持器、手臂和各種傳感器組成。工業(yè)機器人計算機系統(tǒng)能夠?qū)ατX

、觸覺、視覺等外部反饋信息進(jìn)行感知、理解、決策，并及時按要求驅(qū)動運動裝置和語音系統(tǒng)完成相應(yīng)的任務(wù)。圖5-10給出了智能機器人的一般結(jié)構(gòu)，它是一個多級的計算機控制

系統(tǒng)?？梢赃@樣說：沒有計算機，就沒有現(xiàn)代的工業(yè)機器人。工業(yè)控制計算機是用于工業(yè)控制現(xiàn)場的計算機，它是處理來自檢測傳感器的輸入信息，并把處理結(jié)果輸出到執(zhí)行機構(gòu)去控制生產(chǎn)過程，同時可對生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)督、管理的計算機系統(tǒng)。

應(yīng)用于工業(yè)控制的計算機主要有單片微型計算機、可編程序控制器(PLC)、總線工控機等類型。

根據(jù)機電一體化系統(tǒng)的大小和控制參數(shù)的復(fù)雜程度，我們可以采用不同的微型計算機。對于小系統(tǒng)，一般監(jiān)視控制量為開關(guān)量和少量數(shù)據(jù)信息的模擬量，這類系統(tǒng)采用單片機或可編程序控制器就能滿足控制要求。5.2工業(yè)控制計算機對于數(shù)據(jù)處理量大的系統(tǒng)，則往往采用基于各類總線結(jié)構(gòu)的工控機，如STD總線工控機、IBM-PC總線工控機、Multibus工控機等。對于多層次、復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，則要采用分級分步式控制系統(tǒng)，在這種控制系統(tǒng)中，根據(jù)各級及控制對象的特點，可分別采用單片機、可編程序控制器、總線工控機和微型機來分別完成不同的功能。5.2.1工業(yè)控制計算機的特點及要求

由于工業(yè)控制計算機的應(yīng)用對象及使用環(huán)境的特殊性，決定了工業(yè)控制機主要有以下一些特點和要求。

1.實時性

實時性是指計算機控制系統(tǒng)能在限定的時間內(nèi)對外來事件作出反應(yīng)的能力。為滿足實時控制要求，通常既要求從信息采集到生產(chǎn)設(shè)備受到控制作用的時間盡可能短，又要求系統(tǒng)能實時地監(jiān)視現(xiàn)場的各種工藝參數(shù)，并進(jìn)行在線修正，對緊急事故能及時處理。因此，工業(yè)控制計算機應(yīng)具有較完善的中斷處理系統(tǒng)以及快速信號通道。

2.高可靠性

工業(yè)控制計算機通常控制著工業(yè)過程的運行，如果其質(zhì)量不高，運行時發(fā)生故障，又沒有相應(yīng)的冗余措施，則輕者使生產(chǎn)停頓，重者可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。很多生產(chǎn)過程是日夜不停地連續(xù)運轉(zhuǎn)，因此要求與這些過程相連的工業(yè)控制機也必須無故障地連續(xù)運行，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的正確控制。另外，許多工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，震動、沖擊、噪聲、高

頻輻射及電磁波干擾往往十分嚴(yán)重，以上這一切都要求工業(yè)控制計算機具有高質(zhì)量和很強的抗干擾能力，并且具有較長的平均無故障間隔時間。

3.硬件配置的可裝配可擴充性

工業(yè)控制計算機的使用場合千差萬別，系統(tǒng)性能、容量要求、處理速度等都不一樣，特別是與現(xiàn)場相連接的外圍設(shè)備的接口種類、數(shù)量等差別更大，因此宜采用模塊化設(shè)計方法。

4.可維護(hù)性

工業(yè)控制計算機應(yīng)有很好的可維護(hù)性，這要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，便于維修，系統(tǒng)使用的板級產(chǎn)品一致性好，更換模板后，系統(tǒng)的運行狀態(tài)和精度不受影響；軟件和硬件的診斷功能強，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能快速準(zhǔn)確地定位。另外，模塊化模板上的信號應(yīng)加上隔離措施，保證發(fā)生故障時故障不會擴散，這也可使故障定位變得容易。

作為計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計者，應(yīng)根據(jù)機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)中的信息處理量、應(yīng)用環(huán)境、市場狀況及操作者的特點，經(jīng)濟(jì)合理地優(yōu)選工業(yè)控制機產(chǎn)品。

5.2.2單片微型計算機

單片微型計算機簡稱為單片機，它是將CPU、RAM、ROM和I/O接口集成在一塊芯片上，同時還具有定時/計數(shù)、通信和中斷等功能的微型計算機。自1976年Intel公司首片單片機問世以來，隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，單片機的CPU依次出現(xiàn)了8位和16位機型，并使運行速度、存儲器容量和集成度不斷提高。現(xiàn)在比較常用的單片機一般具有數(shù)十KB的閃存、16位的A/D及看門狗等功能，而各種滿足專門需要的單片機也可由生產(chǎn)廠家定做。單片機以其體積小、功能齊全、價格低等優(yōu)點，越來越被廣泛地應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中。特別是在數(shù)字通信產(chǎn)品、智能化家用電器和智能儀器領(lǐng)域，單片機以其幾元到幾十元人民幣的價格優(yōu)勢獨霸天下。由于單片機的數(shù)據(jù)處理能力和接口限制，在大型工業(yè)控制系統(tǒng)中，它一般只能輔助中央計算機系統(tǒng)測試一些信號的數(shù)據(jù)信息和完成單一量控制。單片機的生產(chǎn)廠家和種類很多，如美國Intel公司的MCS系列、Zilog公司的SUPER系列、Motorola公司的6801和6805系列，日本National公司的MN6800系列、HITACHI公司的HD63

01系列等。其中，Intel公司的MCS單片機產(chǎn)品在國際市場上占有最大的份額，在我國也獲得最廣泛的應(yīng)用。下面以MCS系列單片機為例，來介紹單片機的結(jié)構(gòu)、性能及使用上的特點。

1.MCS-48單片機系列

MCS-48系列是8位的單片機，根據(jù)存儲器的配置不同，該系列包括有8048、8049、8021、8035等多種機型，由于價格低廉，目前仍有簡單的控制場合在使用。其主要特點是：

(1)8位CPU，工作頻率為1~6MHz。

(2)64BRAM數(shù)據(jù)存儲器，1KB程序存儲器。

(3)5V電源，40引腳雙列直插式封裝。

(4)6MHz工作頻率時機器周期為2.5μs，所有指令的執(zhí)行為1~2個機器周期。

(5)有96條指令，其中大部分為單字節(jié)指令。

(6)8字節(jié)堆棧，單級中斷，兩個中斷源。

(7)兩個工作寄存器區(qū)。

(8)一個8位定時/計數(shù)器。

2.MCS-51單片機系列

MCS-51系列比48系列要先進(jìn)得多，也是市場上應(yīng)用最普遍的機型。它具有更大的存儲器擴展能力、更豐富的指令系統(tǒng)和更多的實用功能。MCS-51單片機也是8位的單片機，

該系列包括有8031、8051、8751、2051、89C51等多種機型。其主要特點是：

(1)8位CPU，工作頻率為1~12MHz。

(2)128BRAM數(shù)據(jù)存儲器，4KBROM程序存儲器。

(3)5V電源，40引腳雙列直插式封裝。

(4)12MHz工作頻率時機器周期為1μs，所有指令的執(zhí)行為1~4個機器周期。

(5)外部可分別擴展64KB數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。

(6)2級中斷，5個中斷源。

(7)21個專用寄存器，有位尋址功能。

(8)兩個16位定時/計數(shù)器，1個全雙工串行通信口。

(9)4組8位I/O口。

3.MCS-96單片機系列

MCS-96系列是16位單片機，適用于高速的控制和復(fù)雜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，其在硬件和指令系統(tǒng)的設(shè)計上較8位機有很多不同之處。MCS-96單片機系列主要有8096、8094、8396、8394、8796等多種機型。其主要特點是：

(1)16位CPU，工作頻率為6~12MHz。

(2)232BRAM數(shù)據(jù)存儲器，8KBROM程序存儲器。

(3)有48和68兩種引腳，多種封裝形式。

(4)高速I/O接口，能測量和產(chǎn)生高分辨率的脈沖(12MHz時是2μs)，6條專用I/O，兩條可編程I/O。

(5)外部可分別擴展64KB數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。

(6)可編程8級優(yōu)先中斷，21個中斷源。

(7)脈寬調(diào)制輸出，提供一組能改變脈寬的可編程脈寬信號。

(8)兩個16位定時/計數(shù)器，4個16位軟件定時器。

(9)5組8位I/O口。

(10)10位A/D轉(zhuǎn)換器，可接收4路或8路的模擬量輸入。

(11)6.25μs的16位乘16位和32位除16位指令。

(12)運行時可對EPROM編程，ROM/EPROM的內(nèi)容可加密。

(13)全雙工串行通信口及專門的波特率發(fā)生器。

另外一種16位的單片機是8098單片機，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能與8096完全一樣，但其外部數(shù)據(jù)總線卻只有8位，因此是準(zhǔn)16位單片機。由于8098減少了I/O線，其外形結(jié)構(gòu)簡化，芯片的制造成本降低，因此應(yīng)用非常廣泛。MCS-98單片機系列主要有8398、8798等幾種機型。5.2.3可編程序控制器(PC)

在制造業(yè)的自動化生產(chǎn)線上，各道工序都是按預(yù)定的時間和條件順序執(zhí)行的，對這種自動化生產(chǎn)線進(jìn)行控制的裝置稱為順序控制器。以往順序控制器主要是由繼電器組成的，改變生產(chǎn)線的工序、執(zhí)行次序或條件時需改變硬件連線。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器在順序控制器中的應(yīng)用，順序控制器開始采用類似微型計算機的通用結(jié)構(gòu)，把程序存儲于存儲器中，用軟件實現(xiàn)開關(guān)量的邏輯運算、延時等過去用繼電器完成的功能，形成了可編程序邏輯控制器PLC(ProgramableLogicController)?，F(xiàn)在它已經(jīng)發(fā)展成除了具有順序控制功能外，還具有數(shù)據(jù)處理、故障自診斷、PID運算、聯(lián)網(wǎng)等能力的多功能控制器。因此，現(xiàn)已把它們統(tǒng)稱為可編程序控制器PC(ProgramableController)。圖5-11PLC的邏輯控制電路圖5-11是PLC應(yīng)用于邏輯控制的簡單事例。輸入信號是由按鈕開關(guān)、限位開關(guān)、繼電器觸點等提供的各種開關(guān)信號，通過接口進(jìn)入PC，經(jīng)PC處理后產(chǎn)生控制信號，通過輸出接口送給線圈、繼電器、指示燈、電動機等輸出裝置。

目前，世界上生產(chǎn)PC的工廠有上百家，總產(chǎn)量已達(dá)千萬臺的數(shù)量級，其中以通用電氣、德克薩斯儀器、Honeywell、西門子、三菱、富士、東芝等公司的產(chǎn)品最為著名，這些公

司為開拓市場，競爭十分激烈，競相發(fā)展新的機型系列。而我國的PC技術(shù)，不論是PC的制造水平，還是使用PC的廣度與深度，與發(fā)達(dá)國家相比差距仍比較大。

1.PC的組成原理

PC實際上是一個專用計算機，它的結(jié)構(gòu)和組成與通用微機的基本相同，主要包括CPU、存儲器、接口模塊、外部設(shè)備、編程器等。下面介紹PC的各主要部分。

(1)CPU。與通用微機的CPU一樣，PC的CPU按PC的系統(tǒng)程序的要求，接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；用掃描的方式接收現(xiàn)場輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入輸入狀態(tài)表或數(shù)據(jù)寄存器中；診斷電源、內(nèi)部電路的故障和編程過程中的語法錯誤等。

PC進(jìn)入運行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀入用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制輸出，去啟動有關(guān)的控制門電路，分時、分渠道地執(zhí)行數(shù)據(jù)的存取、傳送、組合、比較和變換等工作；完成用戶程序規(guī)定的邏輯和算術(shù)運算等任務(wù)；根據(jù)運算結(jié)果更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，再由輸出狀態(tài)表的位狀態(tài)和數(shù)據(jù)寄存器的有關(guān)內(nèi)容，實現(xiàn)輸出控制、制表打印和數(shù)據(jù)通信等功能。

PC的運行方式采取掃描工作機制，這是和微處理器的本質(zhì)區(qū)別。掃描工作機制就是按照定義和設(shè)計的要求連續(xù)和重復(fù)地檢測系統(tǒng)輸入，求解目前的控制邏輯，并修正系統(tǒng)輸出。

在PC的典型掃描機制中，I/O服務(wù)處于掃描周期的末尾，并且為掃描計時的組成部分。圖5-12PC的掃描工作機制典型的掃描稱為同步掃描。掃描循環(huán)一周所花費的時間為掃描周期。PC的掃描周期一般為10~100ms。在多數(shù)PC中，都設(shè)有一個“看門狗”計時器，測量每一次掃描循環(huán)的長度，如果掃描時間超過預(yù)設(shè)的長度(例如150~200ms)，系統(tǒng)將激發(fā)臨界警報。圖5-12中，在同步掃描周期內(nèi)，除I/O掃描之外，還有服務(wù)程序、通信窗口、內(nèi)部執(zhí)行程序等。

(2)存儲器。存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。

系統(tǒng)程序存儲器的作用是存放監(jiān)控程序、命令解釋、功能子程序、調(diào)用管理程序和各種系統(tǒng)參數(shù)等。系統(tǒng)程序是由PC生產(chǎn)廠家提供的，固化在存儲器中。

用戶存儲器的作用是存儲用戶編寫的梯形邏輯圖等程序。用戶程序是使用者根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序。PC產(chǎn)品說明中提供的存儲器型號和容量一般指的是用戶程序存儲器。

(3)接口模塊。它是CPU與現(xiàn)場I/O裝置和其他外部設(shè)備之間的連接部件。PC是通過接口模塊來實現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備或生產(chǎn)過程的檢測、控制和聯(lián)網(wǎng)通信的。各個生產(chǎn)廠家都有各自的模塊系列供用戶選用。PLC模塊包括如下幾種類型：

①數(shù)字量I/O模塊。數(shù)字量I/O模塊完成數(shù)字量信號的輸入/輸出，一般可替代繼電器邏輯控制。數(shù)字量輸入模塊的技術(shù)指標(biāo)有：輸入點數(shù)、公共端極性、隔離方式、電源電壓、輸入電壓和輸出電流等。數(shù)字量輸出模塊的技術(shù)指標(biāo)有：輸出形式、輸出點數(shù)、公共端極性、隔離方式、電源電壓、輸出電流、響應(yīng)時間和開路端電流等。②模擬量I/O模塊。控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要對電流、電壓、溫度、壓力、流量、位移和速度等模擬量進(jìn)行信號采集并輸入給CPU進(jìn)行判斷和控制，模擬量輸入模塊就是用來將這些模擬量輸入信號轉(zhuǎn)換成PC能夠識別的數(shù)字量信號的模塊。模擬量輸入模塊的技術(shù)指標(biāo)包括：輸入點數(shù)、隔離方式、轉(zhuǎn)換方式、轉(zhuǎn)換時間、輸入范圍、輸入阻抗和分辨率等。模擬量輸出模塊就是將CPU輸出的數(shù)字信息變換成電壓或電流以對電磁閥、電磁鐵和其他模擬量執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制的模塊。它的技術(shù)指標(biāo)包括：輸出點數(shù)、隔離方式、轉(zhuǎn)換時間、輸出范圍、負(fù)載電阻和分辨率等③專用和智能接口模塊。上述的接口模塊都是在PC的掃描方式下工作的，能滿足一般的繼電器邏輯控制和回路調(diào)節(jié)控制，然而對于同上位機通信、控制CRT和其他顯示器、連接各種傳感器和其他驅(qū)動裝置等工作，則需要專門的接口模塊完成。專用和智能接口模塊主要有：擴展接口模塊、通信模塊、CRT/LCD控制模塊、PID控制模塊、高速計算模塊、快速響應(yīng)模塊和定位模塊等。④編程器。編程器是為用戶提供程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)控的專用工具，還可以通過其鍵盤去調(diào)用和顯示PC的一些內(nèi)部狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)。它通過通信端口與CPU聯(lián)系，完成人機對話功能。各個廠家為自己的PC提供專用的編程器，不同品牌的PC的編程器一般不能互換使用。

⑤外部設(shè)備。一般PC都可以配置打印機、EPROM寫入器、高分辨率大屏幕顯示器等外圍設(shè)備。

2.PC的性能特點

(1)存儲器：可以是帶有電源保護(hù)的RAM、EPROM或EEPROM。

(2)數(shù)字量輸入/輸出端子：具有繼電邏輯控制中的輸入/輸出繼電器功能，端子點數(shù)的多少是決定PC的控制規(guī)模的主要參數(shù)。

(3)計數(shù)器和定時器：在PC的邏輯順序控制中，可替代繼電器邏輯控制中的時間繼電器和計數(shù)繼電器。

(4)標(biāo)志(軟繼電器)：在PC的邏輯順序控制中用作中間繼電器，其中部分標(biāo)志具有保持作用。

(5)平均掃描時間：指掃描用戶程序的時間，決定了PC的控制響應(yīng)速度。

(6)診斷：由通電檢查和故障指示的軟件完成。

(7)通信接口：一般采用RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，可以連接打印機和上位機等設(shè)備。

(8)編程語言：一般采用繼電器控制方式的梯形圖語言和語句表，并在此基礎(chǔ)上建立控制系統(tǒng)流程圖和順序功能圖等語言。除上述一般特性外，高性能的PC還具有下列特性：

(1)數(shù)據(jù)傳送和矩陣處理功能：可以滿足工廠管理的需要。

(2)PID調(diào)節(jié)功能：備有模擬量的輸入/輸出模塊和PID調(diào)節(jié)控制軟件包，以滿足閉環(huán)控制的要求。

(3)遠(yuǎn)程I/O功能：使輸入/輸出通道可分散安裝在被控設(shè)備的附近，以減少現(xiàn)場電纜布線和系統(tǒng)成本。

(4)圖形顯示功能：借助圖形顯示軟件包(組態(tài)軟件等)，可顯示被控設(shè)備的運行狀態(tài)。方便操作者監(jiān)控系統(tǒng)的運行。

(5)冗余控制：控制系統(tǒng)設(shè)計中備有一臺同樣的PC系統(tǒng)，并處于待機狀態(tài)，當(dāng)原系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動切換，使待機的PC投入運行，從而提高控制的可靠性。

(6)網(wǎng)絡(luò)功能：通過數(shù)據(jù)通道與其他數(shù)臺PC連接或與管理計算機連接，以構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

3.PC的結(jié)構(gòu)特點

PC的結(jié)構(gòu)分成單元式和模塊式兩種。

(1)單元式。特點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低、安裝方便。它將所有的電路都裝在一個機箱內(nèi)，構(gòu)成一個整體。為了實現(xiàn)輸入/輸出點數(shù)的靈活配置和易于擴展，通常都有不

同點數(shù)的基本單元和擴展單元，其中某些單元為全輸入和全輸出型。

(2)模塊。在機架上按需要插上CPU、電源、I/O模塊及各種特殊功能模塊，構(gòu)成一個綜合控制系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的特點是CPU與各種接口模塊都是獨立的模塊，因此配置很靈活，可以根據(jù)不同的系統(tǒng)規(guī)模選用不同檔次的CPU及各種模塊。由于不同檔次模塊的結(jié)構(gòu)尺寸和連接方式相同，因此對I/O點數(shù)很多的系統(tǒng)的選型、安裝、調(diào)試、擴展、維護(hù)都非

常方便。目前大的PC控制系統(tǒng)均采用該種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的PC除了各種模塊外，還需要用主基板、擴展基板及基板間連接電纜將各模塊連成整體。5.2.4總線工控機

總線工控機是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相當(dāng)廣泛的工業(yè)控制計算機，它具有豐富的過程輸入/輸出接口功能、迅速響應(yīng)的實時功能和環(huán)境適應(yīng)能力?？偩€工控機的可靠性較高，如STD總線工控機的使用壽命達(dá)到數(shù)十年，平均故障間隔時間(MTBF)超過上萬小時，且故障修復(fù)時間(MTTR)較短。總線工控機的標(biāo)準(zhǔn)化、模板式設(shè)計大大簡化了設(shè)計和維修難度，且系統(tǒng)配置的豐富的應(yīng)用軟件多以結(jié)構(gòu)化和組態(tài)軟件形式提供給用戶，使用戶能夠在較短的時間內(nèi)掌握并熟練應(yīng)用。

1.STD總線工業(yè)控制機

STD總線最早是由美國的Prolog公司在1978年推出的，是目前國際上工業(yè)控制領(lǐng)域最流行的標(biāo)準(zhǔn)總線之一，也是我國優(yōu)先重點發(fā)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微機總線之一，它的正式標(biāo)準(zhǔn)為IEEE-961標(biāo)準(zhǔn)。按STD總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造的模塊式計算機系統(tǒng)，稱為STD總線工業(yè)控制機。

開發(fā)STD總線的最初目的是為了推廣一個面向工業(yè)控制的8位機總線系統(tǒng)。STD標(biāo)準(zhǔn)可以支持幾乎所有的8位處理機，如Intel的8080、Motorola的6800、Zilog公司的Z80、National公司的NSC800等。在16位機大量生產(chǎn)之后，改進(jìn)型的STD總線可支持16位處理機，如8086，68000、80286等。為了進(jìn)一步提高STD總線系統(tǒng)的性能，新近已推出了STD32位總線。

STD總線工業(yè)控制機采用了開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模塊化是STD總線工業(yè)控制機設(shè)計思想中最突出的特點，其系統(tǒng)組成沒有固定的模式和標(biāo)準(zhǔn)機型，而是提供了大量的功能模板，用戶根據(jù)需要，通過對模板的品種和數(shù)量的選擇與組合，即可配置成適用于不同工業(yè)對象、不同生產(chǎn)規(guī)模的生產(chǎn)過程的工業(yè)控制機?，F(xiàn)在，STD工業(yè)控制機已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制、工業(yè)機器人、數(shù)控機床、鋼鐵冶金、石油化工等各個領(lǐng)域，成為我國中小型企業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)改造方面主要的機型之一。圖5-13用STD總線工業(yè)控制機組成的計算機控制系統(tǒng)典型的STD總線工控機系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5-13所示，其突出特點是：模塊化設(shè)計，系統(tǒng)組成、修改和擴展方便；各模塊間相對獨立，使檢測、調(diào)試、故障查找簡便迅速；有多種功能模板可供選用，大大減少了硬件設(shè)計工作量；系統(tǒng)中可運行多種操作系統(tǒng)及系統(tǒng)開發(fā)的支持軟件，使控制軟件開發(fā)的難度大幅降低。因此，在用STD總線進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計的主要硬件設(shè)計工作是選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)化功能模板，并將這些模板通過STD總線連接成所需的控制裝置。下面分別介紹各種模板的特點。

(1)數(shù)字量I/O模板。數(shù)字量I/O模板用于處理開關(guān)信號的輸入和輸出，其主要功能是濾波、電平轉(zhuǎn)換、電氣隔離和功率驅(qū)動等。工業(yè)上常用的開關(guān)信號有BCD碼、計數(shù)和定時信

號、各種開關(guān)的狀態(tài)、指示燈的亮和滅、晶閘管的導(dǎo)通和截止、電動機的啟動和停止等等。這些開關(guān)信號可通過數(shù)字量I/O模板經(jīng)總線與CPU模板相連。針對不同的開關(guān)信號，有各種各樣的數(shù)字量I/O模板可供選用。圖5-14是一種典型的數(shù)字量I/O模板的電路原理框圖。

圖5-14數(shù)字量I/O模板的原理框圖

(2)模擬量I/O模板。模擬量I/O模板用于處理模擬信號的輸入和輸出，其主要功能是對微處理機和被控對象之間的模擬信號進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換。STD總線工控機也有多種多樣的模擬量I/O模板可供選用。圖5-15所示是一種光電隔離型A/D模板的結(jié)構(gòu)示意圖，D/A模板的結(jié)構(gòu)與之類似。在模板選用時主要需考慮系統(tǒng)中信號的最高頻率、電平范圍、信號數(shù)量等參數(shù)及系統(tǒng)對信號的轉(zhuǎn)換速度、精度及分辨率等要求，以既滿足控制系統(tǒng)需要又不造成過大的浪費為原則。圖5-15光電隔離型A/D模板的結(jié)構(gòu)示意圖

(3)信號調(diào)理模板。信號調(diào)理模板用于在傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器之間、D/A轉(zhuǎn)換器與執(zhí)行元件之間對信號進(jìn)行調(diào)理，其主要功能有非電量轉(zhuǎn)換、信號形式變換、信號放大、濾波、

線性化、共模抑制及隔離等。典型的信號調(diào)理模板產(chǎn)品有熱電偶、熱電阻、I/U(電流/電壓)轉(zhuǎn)換、前置放大板、隔離放大板等。圖5-16是信號調(diào)理模板的應(yīng)用實例。信號調(diào)理模板應(yīng)根據(jù)傳感器與執(zhí)行機構(gòu)的要求來匹配，并應(yīng)充分考慮信號的信噪比、放大增益的可調(diào)范圍、零點的調(diào)整方法、濾波的通帶增益和阻帶衰減率等參數(shù)。圖5-16信號調(diào)理模板的應(yīng)用實例

(4)CPU模板。STD總線所支持的微處理器有Z80、8080、8086、80286、80386、80486以及MCS-51/96系列單片機等。選用時應(yīng)根據(jù)所設(shè)計的控制方法的復(fù)雜程度、計算工作量

、采樣周期等情況來選擇合適字長和執(zhí)行速度的CPU模板，或選擇帶有專門算法或DMA(直接存儲器存取)通道的CPU模板。

(5)存儲器模板。CPU板上一般都有一定容量的工作存儲器，但有些控制系統(tǒng)往往還需要選用專用的存儲器擴展插件，如有電池支持的RAM插件、EPROM插件、EEPROM插件等。存儲器的擴展應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的程序量、需存儲的數(shù)據(jù)量以及程序和數(shù)據(jù)的存儲、運行方式來合理選擇。

(6)其他特殊功能模板。STD總線工控機還可提供多種具有特殊功能的模板，如步進(jìn)電機和伺服電機控制模板、機內(nèi)儀表和遠(yuǎn)程儀表接口模板等。當(dāng)系統(tǒng)中有該類控制時，應(yīng)優(yōu)先選用特殊功能模板，以減少硬件設(shè)計工作量和獲得較高的性價比。

STD總線工控機系統(tǒng)的設(shè)計除簡單的硬件設(shè)計外，主要是軟件設(shè)計。STD總線工控機上可以運行多種豐富的支持軟件，如STD-DOS(一種與MS-DOS兼容，專用于STD總線工控機的操作系統(tǒng))、ROM-DOS(一種與MS-DOS兼容，并把DOSAA代碼固化在EPROM中運行的操作系統(tǒng))、VRTX嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)等，并提供豐富的標(biāo)準(zhǔn)算法程序庫，因此其軟件的開發(fā)也是相對比較容易的，通常只需開發(fā)適用于所設(shè)計的控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件即可。應(yīng)用軟件開發(fā)的主要工作是：借助于支持軟件提供的各種開發(fā)工具，利用程序庫中所提供的各種標(biāo)準(zhǔn)計算和控制算法程序，針對所設(shè)計系統(tǒng)的特點和要求，開發(fā)專用的接口軟件，將選用的各種標(biāo)準(zhǔn)模塊和算法程序連接和拼裝成所需的控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件。

2.PC總線工業(yè)控制機

IBM公司的PC總線微機最初是為個人或辦公室使用而設(shè)計的，早期主要用于文字處理或一些簡單的辦公室事務(wù)處理。早期產(chǎn)品是基于一塊大底板結(jié)構(gòu)，加上幾個I/O擴充槽。

大底板上具有8088處理器和一些存儲器及控制邏輯電路等。加入I/O擴充槽的目的是為了外接打印機、顯示器、內(nèi)存擴充和軟盤驅(qū)動器接口卡等。隨著微處理器的更新?lián)Q代，為了充分利用16位機(如Intel80286等)的性能，通過在原PC總線的基礎(chǔ)上增加一個36引腳的擴展插座，形成了AT總線。這種結(jié)構(gòu)也稱為ISA(IndustryStandardArchitecture)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。

PC/AT總線的IBM兼容計算機由于價格低廉、使用靈活、軟件資源非常豐富，因而用戶眾多，在國內(nèi)更是主要流行機種之一。一些公司研制了與PC/AT總線兼容的諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)字量、模擬量I/O等模板，在實驗室或一些過程閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用。但是未經(jīng)改進(jìn)的PC/AT總線微機，其設(shè)計組裝形式不適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下長期運行。比如，C/AT總線模板的尺寸不統(tǒng)一，沒有嚴(yán)格規(guī)定的模板導(dǎo)軌和其他固定措施，抗振動能力差；大底板結(jié)構(gòu)功耗大，沒有強有力的散熱措施，不利于長期連續(xù)運行；I/O擴充槽少(5～8個)，不能滿足許多工業(yè)現(xiàn)場的需要。為克服上述缺點，使PC/AT總線微機適用于工業(yè)現(xiàn)場控制，近幾年來許多公司推出了PC/AT總線工業(yè)控制機，一般對原有微機作了以下幾方面的改進(jìn)：

(1)機械結(jié)構(gòu)加固，使微機的抗震性好。

(2)采用標(biāo)準(zhǔn)模板結(jié)構(gòu)。改進(jìn)整機結(jié)構(gòu)，用CPU模板取代原有的大底板，使硬件構(gòu)成積木化，便于維修更換，也便于用戶組織硬件系統(tǒng)。

(3)加上帶過濾器的強力通風(fēng)系統(tǒng)，加強散熱，增加系統(tǒng)抵抗粉塵的能力。

(4)采用電子軟盤取代普通的軟磁盤，使之能適于在惡劣的工業(yè)環(huán)境下工作。

(5)根據(jù)工業(yè)控制的特點，常采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。采用PC總線工業(yè)控制機有許多優(yōu)點，尤其是它的支持軟件特別豐富，各種軟件包不計其數(shù)，這可大大減少軟件開發(fā)的工作量，而且PC機聯(lián)網(wǎng)方便，容易構(gòu)成多微機控制與管理一體化的綜合系統(tǒng)、分級計算機控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)。表5-1給出了三種常用的工業(yè)控制計算機的性能比較關(guān)系。表5-1三種常用工業(yè)控制計算機的性能比較除主機外，計算機控制系統(tǒng)的硬件通常還包括兩類外圍設(shè)備:一類是常規(guī)外圍設(shè)備，如鍵盤、CRT顯示器、打印機、磁盤機等；另一類是被控設(shè)備和檢測儀表、顯示裝置、操作臺等。由于計算機存儲器的功能單一(保存信息)、品種有限(ROM、RAM)、存取速度與CPU的工作速度基本匹配，因此，存儲器可以直接連接到CPU總線上。5.3計算機接口技術(shù)而外圍設(shè)備種類繁多，有機械式、機電式和電子式；有的可作為輸入設(shè)備，有的可作為輸出設(shè)備；工作速度不一，通常比CPU的速度低得多，且不同外圍設(shè)備的工作速度往往又差別很大；信息類型和傳送方式不同，有的使用數(shù)字量，有的使用模擬量，有的要求并行傳送信息，有的要求串行傳送信息。因此，僅靠CPU及其總線是無法承擔(dān)上述工作的，必須增加I/O接口電路和I/O通道才能完成外圍設(shè)備與CPU的總線相連。I/O接口是計算機控制系統(tǒng)不可缺少的組成部分。5.3.1接口、通道及其功能

1.I/O接口電路

I/O接口電路簡稱接口電路，它是主機和外圍設(shè)備之間交換信息的連接部件(電路)。它在主機和外圍設(shè)備之間的信息交換中起著橋梁和紐帶作用。接口電路的主要作用如下：

(1)解決主機CPU和外圍設(shè)備之間的時序配合和通信聯(lián)絡(luò)問題。

主機的CPU是高速處理器件，比如8086-1的主頻為10MHz，1個時鐘周期僅為100ns，一個最基本的總線周期為400ns。而外圍設(shè)備的工作速度比CPU的速度慢得多。如常規(guī)外圍設(shè)備中的電傳打字機傳送信息的速度是毫秒級；工業(yè)控制設(shè)備中的爐溫控制采樣周期是秒級。為保證CPU的工作效率并適應(yīng)各種外圍設(shè)備的速度配合要求，應(yīng)在CPU和外圍設(shè)備間增設(shè)一個I/O接口電路，以滿足兩個不同速度系統(tǒng)的異步通信聯(lián)絡(luò)。

I/O接口電路為完成時序配合和通信聯(lián)絡(luò)功能，通常都設(shè)有數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器、狀態(tài)寄存器以及中斷控制電路等。通過接口電路，CPU通常采用查詢或中斷控制方式為慢速外

圍設(shè)備提供服務(wù)，就可保證CPU和外圍設(shè)備間異步而協(xié)調(diào)地工作，既滿足了外圍設(shè)備的要求，又提高了CPU的利用率。

(2)解決CPU和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和匹配問題。

CPU是按并行處理設(shè)計的高速處理器件，即CPU只能讀入和輸出并行數(shù)據(jù)。但是，實際上要求其發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式卻不僅僅是并行的，在許多情況下是串行的。例如，為了節(jié)省傳輸導(dǎo)線，降低成本，提高可靠性，機間距離較長的通信都采用串行通信。又如，由光電脈沖編碼器輸出的反饋信號是串行的脈沖列，步進(jìn)電動機要求提供串行脈沖等等。這就要求將外部送往計算機的串行格式的信息轉(zhuǎn)換成CPU所能接收的并行格式，也要將CPU送往外部的并行格式的信息轉(zhuǎn)換成與外圍設(shè)備相容的串行格式，并且要以雙方相匹配的速率和電平實現(xiàn)信息的傳送。這些功能在CPU控制下主要由相應(yīng)的接口芯片來完成。

(3)解決CPU的負(fù)載能力和外圍設(shè)備端口的選擇問題

即使是CPU和某些外圍設(shè)備之間僅僅進(jìn)行并行格式的信息交換，一般也不能將各種外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)線、地址線直接掛到CPU的數(shù)據(jù)總線和地址總線上。這里主要存在兩個問題，一是CPU總線的負(fù)載能力的問題，二是外圍設(shè)備端口的選擇問題。因為過多的信號線直接接到CPU總線上，必將超過CPU總線的負(fù)載能力。采用接口電路可以分擔(dān)CPU總線的負(fù)載，使CPU總線不致于超負(fù)荷運行，造成工作不可靠。

CPU和所有外圍設(shè)備交換信息時都是通過雙向數(shù)據(jù)總線進(jìn)行的，如果所有外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)線都直接接到CPU的數(shù)據(jù)總線上，數(shù)據(jù)總線上的信號將是混亂的，無法區(qū)分是送往哪一個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)還是來自哪一個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)。只有

通過接口電路中具有三態(tài)門的輸出鎖存器或輸入緩沖器，再將外圍設(shè)備數(shù)據(jù)線接到CPU數(shù)據(jù)總線上，通過控制三態(tài)門的使能(選通)信號，才能使CPU的數(shù)據(jù)總線在某一時刻只接到被選通的那一個外圍設(shè)備的數(shù)據(jù)線上，這就是外圍設(shè)備端口的選址問題。使用可編程并行接口電路或鎖存器、緩沖器，就能方便地解決上述問題。此外，接口電路可實現(xiàn)端口的可編程功能以及錯誤檢測功能。一個端口通過軟件設(shè)置既可作為輸入口又可作為輸出口，或者作為位控口，使用非常靈活方便。同時，多數(shù)用于

串行通信的可編程接口芯片都具有傳輸錯誤檢測功能，如可進(jìn)行奇/偶校驗、冗余校驗等。

2.I/O通道

I/O通道也稱為過程通道。它是計算機和控制對象之間信息傳送和變換的連接通道。計算機要實現(xiàn)對生產(chǎn)機械、生產(chǎn)過程的控制，就必須采集現(xiàn)場控制對象的各種參量，這些參量分兩類：一類是模擬量，即時間上和數(shù)值上都連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、速度、位移等；另一類是數(shù)字量(或開關(guān)量)，即時間上和數(shù)值上都不連續(xù)的量,如表示開關(guān)閉合或斷開兩個狀態(tài)的開關(guān)量和按一定編碼的數(shù)字量和串行脈沖列等。同樣，被控對象也要求得到模擬量(如電壓、電流)或數(shù)字量兩類控制量。但是如前所述，計算機只能接收和發(fā)

送并行的數(shù)字量，因此，為使計算機和被控對象之間能夠連通起來，除了需要I/O接口電路外，還需要I/O通道，由它將從被控對象采集的參量變換成計算機所要求的數(shù)字量(或開關(guān)量)的形式，送入計算機。計算機按某一數(shù)學(xué)公式計算后，又將其結(jié)果以數(shù)字量形式或轉(zhuǎn)換成模擬量形式輸出至被控制對象，這就是I/O通道所要完成的功能。應(yīng)當(dāng)指出，I/O接口和I/O通道都是為實現(xiàn)主機和外圍設(shè)備(包括被控對象)之間信息交換而設(shè)的器件，其功能都是保證主機和外圍設(shè)備之間能方便、可靠、高效率地交換信息。因此，接口和通道緊密相連，在電路上往往結(jié)合在一起了。例如，目前大多數(shù)大規(guī)模集成A/D轉(zhuǎn)換器芯片，除了完成A/D轉(zhuǎn)換，起模擬量輸入通道的作用外，其轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量可保存在片內(nèi)具有三態(tài)輸出的輸出鎖存器中；同時，具有通信聯(lián)絡(luò)及I/O控制的有關(guān)信號端，可以直接掛到主機的數(shù)據(jù)總線及控制總線上去，這樣，A/D轉(zhuǎn)換器也就同時起到了輸入接口的作用。有的書中把A/D轉(zhuǎn)換器統(tǒng)稱為接口電路。大多數(shù)集成D/A轉(zhuǎn)換器也一樣，都可以直接掛到系統(tǒng)總線上，同時起到輸出接口和D/A轉(zhuǎn)換的作用。但是在概念上應(yīng)當(dāng)注意到兩者之間的聯(lián)系和區(qū)別。

5.3.2I/O信號的種類

在微機控制系統(tǒng)或微機系統(tǒng)中，主機和外圍設(shè)備間所交換的信息通常分為數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息和控制信息三類。

1.數(shù)據(jù)信息

數(shù)據(jù)信息是主機和外圍設(shè)備交換的基本信息，通常是8位或16位的數(shù)據(jù)，它可以用并行格式傳送，也可以用串行格式傳送。數(shù)據(jù)信息又可以分為數(shù)字量、模擬量、開關(guān)量和脈沖量。

(1)數(shù)字量。數(shù)字量是指由鍵盤、磁盤機、撥碼開關(guān)、編碼器等輸入的信息，或者是主機送給打印機、磁盤機、顯示器、被控對象等的輸出信息。它們是二進(jìn)制碼的數(shù)據(jù)或是以ASCII碼表示的數(shù)據(jù)或字符(通常為8位的)。

(2)模擬量。來自現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、速度、位移等物理量也是一類數(shù)據(jù)信息。一般通過傳感器將這些物理量轉(zhuǎn)換成電壓或電流，電壓和電流仍然是連續(xù)變化的模擬量，要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，最后送入計算機。反之，從計算機送出的數(shù)字量要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，變成模擬量，最后控制執(zhí)行機構(gòu)。所以模擬量代表的數(shù)據(jù)信息都必須經(jīng)過變換才能實現(xiàn)交換。

(3)開關(guān)量。開關(guān)量表示兩個狀態(tài)，如開關(guān)的閉合和斷開、電動機的啟動和停止、閥門的打開和關(guān)閉等。這樣的量只要用一位二進(jìn)制數(shù)就可以表示。

(4)脈沖量。它是一個一個傳送的脈沖列。脈沖的頻率和脈沖的個數(shù)可以表示某種物理量。如通過檢測裝在電機軸上的脈沖信號發(fā)生器發(fā)出的脈沖，可以獲得電機的轉(zhuǎn)速和角位移等數(shù)據(jù)信息。

2.狀態(tài)信息

狀態(tài)信息是外圍設(shè)備通過接口向CPU提供的反映外圍設(shè)備所處的工作狀態(tài)的信息，可作為兩者交換信息的聯(lián)絡(luò)信號。輸入時，CPU讀取準(zhǔn)備好(READY)狀態(tài)信息，檢查待輸入的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒，若準(zhǔn)備就緒，則讀入數(shù)據(jù)，未準(zhǔn)備就緒就等待。輸出時，CPU讀取忙(BUSY)信號狀態(tài)信息，檢查輸出設(shè)備是否已處于空閑狀態(tài)，若為空閑狀態(tài)，則可向外圍設(shè)備發(fā)送新的數(shù)據(jù)，否則等待。

3.控制信息

控制信息是CPU通過接口傳送給外圍設(shè)備的信息?？刂菩畔㈦S外圍設(shè)備的不同而不同，有的控制外圍設(shè)備的啟動和停止，有的控制數(shù)據(jù)流向，是輸入還是輸出，有的作為端口尋址信號。5.3.3計算機和外部的通信方式

計算機和外部交換信息又稱為通信(communication),按數(shù)據(jù)傳送方式可分為并行通信和串行通信兩種基本方式。

1.并行通信

并行通信就是把傳送數(shù)據(jù)的n位數(shù)用n條傳輸線同時傳送。其優(yōu)點是傳送速度快、信息率高，并且通常只需提供兩條控制和狀態(tài)線，就能完成CPU和接口及設(shè)備之間的協(xié)調(diào)和應(yīng)答，實現(xiàn)異步傳輸。它是計算機系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的通信方式。但是并行通信所需的傳輸線(通常為電纜線)多，增加了成本，接線也較麻煩，因此在長距離、多數(shù)位數(shù)據(jù)的傳送中較少采用。

為適應(yīng)并行通信的需要，目前已設(shè)計出許多種并行接口電路芯片。如Z80系列的PIO、M6800系列的PIA、Intel系列的8255A等，都是可編程的并行I/O接口芯片，其中的各個端口既可以設(shè)定為輸入口，又可以設(shè)定為輸出口，且具有必要的聯(lián)絡(luò)、控制信號端。因此在微機控制系統(tǒng)中選用這些接口芯片構(gòu)成并行通信通路十分方便。

2.串行通信

串行通信是指數(shù)據(jù)按位進(jìn)行傳送。在傳輸過程中，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度，一位一位地串行傳送和接收。串行通信又分為全雙工方式和半雙工方式、同步方式和異步方式。

(1)全雙工方式。CPU通過串行接口和外圍設(shè)備相接，串行接口和外圍設(shè)備間除公共地線外，還有兩根數(shù)據(jù)傳輸線，串行接口可以同時輸入和輸出數(shù)據(jù)，計算機可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這種串行傳送方式就稱為全雙工方式，其信息傳輸效率較高。

(2)半雙工方式。CPU也通過串行接口和外圍設(shè)備相接，但是串行接口和外圍設(shè)備間除公共地線外，只有一根數(shù)據(jù)傳輸線，某一時刻數(shù)據(jù)只能在一個方向傳送，這稱為半雙工方式。該方式信息傳輸效率低些，但是對于像打印機這樣的單方向傳輸?shù)耐鈬O(shè)備，只用此半雙工方式就能滿１３２足要求了，可省一根傳輸線。

(3)同步通信。采用同步通信時，將許多字符組成一個信息組，通常稱為信息幀。在每幀信息的開始加上同步字符，接著字符一個接一個地傳輸(在沒有信息要傳輸時，要填上空字符，同步傳輸不允許有間隙)。接收端在接收到規(guī)定的同步字符后，按約定的傳輸速率，接收對方發(fā)來的一串信息。相對于異步通信來說，同步通信的傳輸速度略高些。

(4)異步通信。標(biāo)準(zhǔn)的異步通信格式如圖5-17所示。由圖可見，每個字符在傳輸時，由一個“1”跳變到“0”的起始位開始，其后是5~8個信息位(也稱字符位)，信息位由低到高排列，即第一位為字符的最低位，最后一位為字符的最高位，其后是可選擇的奇偶校驗位，最后為“1”的停止位。停止位可以為1位、1位半或2位。如果傳輸完一個字符后立即傳輸下一個字符，那么后一個字符的起始位就緊挨著前一個字符的停止位了。字符傳輸前，輸出線為“1”狀態(tài)，稱為標(biāo)識態(tài)，傳輸一開始，輸出線狀態(tài)由“1”變?yōu)椤?”狀態(tài)，作為起始位。

傳輸完一個字符之后的間隔時間輸出線又進(jìn)入標(biāo)識態(tài)。圖5-17標(biāo)準(zhǔn)的異步通信數(shù)據(jù)格式為適應(yīng)串行通信的需要，已設(shè)計出許多種串行通信接口芯片，如Z80系列的SIO、M6800系列的ACIA和Intel系列的8251A等，都是可編程的，既可以接成全雙工方式又可接成半雙工方式，既可實現(xiàn)同步通信又可實現(xiàn)異步通信。5.3.4I/O控制方式

我們知道，外圍設(shè)備種類繁多，它們的功能不同，工作速度不一，與主機配合的要求也不相同，CPU采用分時控制，每個外圍設(shè)備只在規(guī)定的時間片內(nèi)得到服務(wù)。為了使各個外圍設(shè)備在CPU控制下成為一個有機的整體，協(xié)調(diào)、高效率、可靠地工作，就要規(guī)定一個CPU控制(或稱調(diào)度)各個外圍設(shè)備的控制策略，或者叫控制方式。通常采用的有三種I/O控制方式：程序控制方式、中斷控制方式和直接存儲器存取方式。

在進(jìn)行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，可按不同要求來選擇各外圍設(shè)備的控制方式。

1.程序控制方式

程序控制I/O方式是指CPU和外圍設(shè)備之間的信息傳送是在程序控制下進(jìn)行的。它又可分為無條件I/O方式和查詢式I/O方式。

(1)無條件I/O方式。所謂無條件I/O方式，是指不必查詢外圍設(shè)備的狀態(tài)即可進(jìn)行信息傳送的I/O方式。在此種方式下，外圍設(shè)備總是處于就緒狀態(tài)，如開關(guān)、LED顯示器等。

一般它僅適用于一些簡單外圍設(shè)備的操作。

無條件傳送方式的工作原理如圖5-18所示。CPU和外圍設(shè)備之間的接口電路通常采用輸入緩沖器和輸出鎖存器，由地址總線和M/信號端經(jīng)端口譯碼器譯出所選中的I/O端口，用、信號決定數(shù)據(jù)的流向。

圖5-18無條件傳送方式I/O接口的電路原理圖外圍設(shè)備提供的數(shù)據(jù)自輸入緩沖器接入。當(dāng)CPU執(zhí)行輸入指令時，讀信號有效，選擇信號M／處于低電平，因而按端口地址譯碼器所選中的三態(tài)輸入緩沖器被選通，使已準(zhǔn)備好的輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)總線讀入CPU。CPU向外設(shè)輸出數(shù)據(jù)時，由于外設(shè)的速度通常比CPU的速度慢得多，因此輸出端口需要加鎖存器。CPU可快速地將數(shù)據(jù)送入鎖存器鎖存，即去處理別的任務(wù)，在鎖存器鎖存的數(shù)據(jù)可供較慢速的外圍設(shè)備使用，這樣既提高了CPU的工作效率，又能與較慢速外圍設(shè)備動作相適應(yīng)。CPU執(zhí)行輸出指令時，M/和

信號有效，CPU輸出的數(shù)據(jù)送入按端口譯碼器所選中的輸出鎖存器中保存，直到該數(shù)據(jù)被外圍設(shè)備取去，CPU又可送入新的一組數(shù)據(jù)。顯然第二次存入數(shù)據(jù)時，需確定該輸出鎖存器是空的。

(2)查詢式I/O方式。

查詢式I/O方式也稱為條件傳送方式。按查詢式I/O方式傳送信息時，CPU和外圍設(shè)備的I/O接口除需設(shè)置數(shù)據(jù)端口外，還要有狀態(tài)端口。查詢式I/O接口電路的原理框圖如圖5-19所示。圖5-19查詢式I/O方式接口電路的原理框圖狀態(tài)端口的指定位表明外圍設(shè)備的狀態(tài)，通常只是“0”或“1”兩個狀態(tài)開關(guān)量。交換信息時，CPU通過執(zhí)行程序不斷讀取并測試外圍設(shè)備的狀態(tài)，如果外圍設(shè)備處于準(zhǔn)備好的狀態(tài)(輸入時)或者空閑狀態(tài)(輸出時)，則CPU執(zhí)行輸入指令或輸出指令，與外圍設(shè)備交換信息；否則，CPU要等待。當(dāng)一個微機系統(tǒng)中有多個外圍設(shè)備采用查詢式I/O方式交換信息時，CPU應(yīng)采用分時控制方式，逐一查詢，逐一服務(wù)。其工作原理如下：每個外圍設(shè)備提供一個或多個狀態(tài)信息，CPU逐次讀入并測試各個外圍設(shè)備的狀態(tài)信息，若該外圍設(shè)備請求服務(wù)(請求交換信息)，則為之服務(wù)，然后清除該狀態(tài)信息；否則，跳過，查詢下一個外圍設(shè)備的狀態(tài)。各外圍設(shè)備查詢完一遍后，再返回從頭查詢起，直到發(fā)出停止命令為止。查詢式I/O方式是微機控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的方式。假設(shè)某微機控制系統(tǒng)中采用查詢式對1＃、2＃、3＃三個外圍設(shè)備進(jìn)行I/O管理，其查詢和I/O處理的簡化程序流程圖如圖5－20所示。圖5-20查詢式I/O處理簡化程序流程圖從原理上看，查詢式比無條件傳送方式可靠，接口電路簡單，不占用中斷輸入線，而且查詢程序也簡單，易于設(shè)計調(diào)試。由于查詢式I/O方式是通過CPU執(zhí)行程序來完成的，因

此各外設(shè)的工作與程序的執(zhí)行保持同步關(guān)系，特別適用于對多個按一定規(guī)律順序工作的生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程的控制，如組合機床、自動線、溫度巡檢，定時采集數(shù)據(jù)等。

但是在查詢式I/O方式下，CPU要不斷地讀取狀態(tài)字和檢測狀態(tài)字，不管那個外圍設(shè)備是否有服務(wù)請求，都必須一一查詢，許多次的重復(fù)查詢可能都是用的，而又占去了CPU的

時間，效率較低。比如，用查詢式管理鍵盤輸入，若程序員在終端按每秒打入10個字符的速度計算，那么計算機平均用100ms的時間完成一個字符的輸入過程，而實際上真正用來從終端讀入一個字符并送去顯示的時間只需約50μs。如果CPU同時管理30臺終端，那么用于測試狀態(tài)和等待的時間為：100000μs-50×30μs＝98500μs?？梢?，98.5％的時間都在查詢等待中浪費了。

I/O方式的選擇必須符合實時控制的要求。對于查詢式I/O方式，滿足實時控制要求的使用條件是：“所有外圍設(shè)備的服務(wù)時間的總和必須小于或等于任一外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時間”。

這里所說的服務(wù)時間，是指某臺外圍設(shè)備服務(wù)子程序的執(zhí)行時間。最短響應(yīng)時間是指某臺設(shè)備相鄰兩次請求服務(wù)的最短間隔時間。某臺設(shè)備提出服務(wù)請求后，CPU必須在其最短響應(yīng)時間內(nèi)響應(yīng)它的請求，給予服務(wù)，否則就要丟失信息，甚至造成控制失誤。最極端的情況是，在一個循環(huán)查詢周期內(nèi)，所有外圍設(shè)備(指一個CPU管理的)都提出了服務(wù)請求，都得分別給予服務(wù)，因此，就提出了上述必須滿足的使用條件。這種方式一般適用于各外圍設(shè)備服務(wù)時間不太長、最短響應(yīng)時間差別不大的情況。若各外圍設(shè)備的最短響應(yīng)時間差別大且某些外圍設(shè)備服務(wù)時間長，則采用這種方式就不能滿足實時控制的要求了，這時需要采用中斷控制方式。

2.中斷控制I/O方式

為了提高CPU的效率和使系統(tǒng)具有良好的實時性，可以采用中斷控制I/O方式。采用中斷方式，CPU就不必花費大量時間去查詢各外圍設(shè)備的狀態(tài)了,而是當(dāng)外圍設(shè)備需要請求服務(wù)時，它向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)外圍設(shè)備中斷，停止執(zhí)行當(dāng)前程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行一個外圍設(shè)備服務(wù)的程序，此服務(wù)程序稱為中斷服務(wù)處理程序，或稱中斷服務(wù)子程序。中斷處理完畢，CPU又返回來執(zhí)行原來的程序。在中斷傳送時的接口電路如圖5-21所示。當(dāng)輸入裝置輸入一數(shù)據(jù)，發(fā)出選通信號，把數(shù)據(jù)存入鎖存器，又使D觸發(fā)器置“1”后,發(fā)出中斷請求。若中斷是開放的，則CPU接受了中斷請求信號并在現(xiàn)行指令執(zhí)行完后，暫停正在執(zhí)行的程序，發(fā)出中斷響應(yīng)信號INTA，于是外設(shè)把一個中斷矢量放到數(shù)據(jù)總線上，CPU就轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，讀入或輸出數(shù)據(jù)，同時清除中斷請求標(biāo)志。當(dāng)中斷處理完后，CPU返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。

圖5-21中斷傳送方式的接口電路微機控制系統(tǒng)中，可能設(shè)計有多個中斷源，且多個中斷源可能同時提出中斷請求。多重中斷處理必須注意如下四個問題：

(1)保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場。為了不致造成計算和控制的混亂和失誤，進(jìn)入中斷服務(wù)程序前首先要保存通用寄存器的內(nèi)容，中斷返回前又要恢復(fù)通用寄存器的內(nèi)容。

(2)正確判斷中斷源。CPU要能正確判斷出是哪一個外圍設(shè)備提出中斷請求的，并轉(zhuǎn)去為該外圍設(shè)備服務(wù)，即能正確地找到申請中斷的外圍設(shè)備的中斷服務(wù)程序入口地址，并跳轉(zhuǎn)到該入口。

(3)實時響應(yīng)。就是要保證每個外圍設(shè)備的每次中斷請求CPU都能接受，并在其最短響應(yīng)時間之內(nèi)給予服務(wù)。

(4)按優(yōu)先權(quán)順序處理。多個外圍設(shè)備同時或相繼提出中斷請求時，應(yīng)能按設(shè)定的優(yōu)先級順序，即按輕重緩急逐個處理。必要時應(yīng)能實現(xiàn)優(yōu)先級高的中斷源可中斷比它的優(yōu)先級低的中斷處理，從而實現(xiàn)中斷嵌套處理。

3.直接存儲器存取(DMA)方式

利用中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，可以大大提高CPU的利用率。但在中斷方式下，仍必須通過CPU執(zhí)行程序來完成數(shù)據(jù)的傳送。每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)傳送，就要執(zhí)行一次中斷過程，其中保護(hù)和恢復(fù)斷點、保護(hù)和恢復(fù)寄存器內(nèi)容的操作與數(shù)據(jù)傳送沒有直接關(guān)系，但會花費掉CPU的不少時間。例如對磁盤來說，數(shù)據(jù)傳輸率由磁頭的讀寫速度來決定，而磁頭的讀寫速度通常超過2×105B/s，這樣磁盤和內(nèi)存之間傳輸一個字節(jié)的時間不能超過5μs，采用中斷方式就很難達(dá)到這么高的處理速度。圖5-22DMA的工作流程圖因此，希望用硬件在外設(shè)與內(nèi)存間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換(DMA)而不通過CPU，這樣數(shù)據(jù)傳送的速度上限就取決于存儲器的工作速度。但是，通常系統(tǒng)的地址和數(shù)據(jù)總線以及一些控制信號線都是由CPU管理的。在DMA方式時，就希望CPU把這些總線讓出來(即CPU連到這些總線上的線處于第三態(tài)——高阻狀態(tài))，而由DMA控制器接管，控制傳送的字節(jié)數(shù)，判斷DMA是否結(jié)束，以及發(fā)出DMA結(jié)束等信號。通常，DMA的工作流程如圖5-22所示。能實現(xiàn)上述操作的DMA控制器的硬件框圖如圖5-23所示。當(dāng)外設(shè)把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后，發(fā)出一個選通脈沖使DMA請求觸發(fā)器置1，它一方面向控制/狀態(tài)端口發(fā)出準(zhǔn)備就緒信號，另一方面向DMA控制器發(fā)出DMA請求。于是DMA控制器向CPU發(fā)出HOLD信號，當(dāng)CPU在現(xiàn)行的機器周期結(jié)束后發(fā)出HLDA響應(yīng)信號時，DMA控制器就接管總線，向地址總線發(fā)出地址信號，在數(shù)據(jù)總線上給出數(shù)據(jù)，并給出存儲器寫的命令，就可把由外設(shè)輸入的數(shù)據(jù)寫入存儲器。然后修改地址指針，修改計數(shù)器，檢查傳送是否結(jié)束，若未結(jié)束，則循環(huán)，直至整個數(shù)據(jù)傳送完畢。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，DMA傳送已不局限于存儲器與外設(shè)間的信息交換，而可以

擴展為在存儲器的兩個區(qū)域之間，或兩種高速的外設(shè)之間進(jìn)行DMA傳送。

圖5-23DMA控制器框圖圖5-248237A的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)和外部連接在8086系統(tǒng)中，通常采用的是Intel系列高性能可編程DMA控制器8237A。它允許DMA傳輸速度高達(dá)1.6MB/s。8237A內(nèi)部包含4個獨立的通道，每個通道包含16位的地址寄存器和16位的字節(jié)計數(shù)器，還包含一個8位的模式寄存器等。4個通道公用控制寄存器和狀態(tài)寄存器。

圖5-24是8237A的內(nèi)部編程結(jié)構(gòu)和外部連接。例如在IBMPC/XT系統(tǒng)中就使用了8237A，其中，8237A通道0用來對動態(tài)RAM進(jìn)行刷新，通道2和通道3分別用來進(jìn)行軟盤、硬盤驅(qū)動器和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。通道1用來提供其他傳輸功能，如網(wǎng)絡(luò)通信功能。系統(tǒng)中采用固定優(yōu)先級，動態(tài)RAM進(jìn)行刷新操作時的優(yōu)先級最高，硬盤和內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸對應(yīng)的優(yōu)先級最低。4個DMA請求信號中，DREQ0和系統(tǒng)板相連，其他三個請求信號DREQ1、DREQ2、DREQ3都接到總線擴展槽的引腳上，由對應(yīng)的軟盤接口板、硬盤接口板和網(wǎng)絡(luò)接口板提供。同樣，DMA應(yīng)答信號DACK0送到系統(tǒng)板，而DACK1～DACK3送到擴展槽。5.3.5I/O接口的編址方式

在計算機控制系統(tǒng)中，存儲器和I/O接口都接到CPU的同一數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)CPU與存儲器和I/O接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，就涉及到CPU與哪一個I/O接口芯片的哪一個端口聯(lián)系或是與存儲器的哪一個單元聯(lián)系的地址選擇問題，即尋址問題，這涉及I/O接口的編址方式。通常有兩種編址方式，一種是I/O接口與存儲器統(tǒng)一編址，另一種是I/O接口獨立編址。

1.I/O接口獨立編址方式

這種編址方式是將存儲器地址空間和I/O接口地址空間分開設(shè)置，互不影響，并設(shè)有專門的輸入指令(IN)和輸出指令(OUT)來完成I/