計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)課件

第二章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣及信號(hào)特點(diǎn)2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣及信號(hào)特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)形式信號(hào)的采樣、采樣周期和采樣定理信號(hào)的保持2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣及信號(hào)特點(diǎn)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)形式連續(xù)模擬信號(hào)：如傳感器輸出信號(hào)、D/A變換后保持器的輸出信號(hào)等。離散模擬信號(hào)：采樣器的輸出信號(hào)及D/A輸出信號(hào)等。連續(xù)數(shù)字信號(hào)：計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和正在處理的數(shù)據(jù)等。離散數(shù)字信號(hào)：A/D輸出信號(hào)、計(jì)算機(jī)總線上的輸出信號(hào)等。2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣及信號(hào)特點(diǎn)離散模擬信號(hào)→離散數(shù)字信號(hào)（量化）量化單位：量化誤差：例：滿量程信號(hào)幅值M=10V，A/D位數(shù)分別為8位、12位。則：2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣及信號(hào)特點(diǎn)信號(hào)的采樣、采樣周期和采樣定理（連續(xù)模擬信號(hào)→離散模擬信號(hào)）2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣及信號(hào)特點(diǎn)3信號(hào)的采樣、采樣周期和采樣定理（連續(xù)模擬信號(hào)→離散模擬信號(hào)）采樣開(kāi)關(guān)、理想采樣開(kāi)關(guān)和理想采樣脈沖采樣開(kāi)關(guān)：τ、T理想采樣開(kāi)關(guān)：τ→0理想采樣脈沖：2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣及信號(hào)特點(diǎn)信號(hào)的采樣、采樣周期和采樣定理（連續(xù)模擬信號(hào)→離散模擬信號(hào)）采樣信號(hào)：采樣周期：過(guò)大信號(hào)產(chǎn)生失真，過(guò)小增加計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的負(fù)擔(dān)。采樣定理（香農(nóng)定理）：若 或 則采樣信號(hào)y*(t)能無(wú)失真地恢復(fù)到原信號(hào)y(t)。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常取2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣及信號(hào)特點(diǎn)信號(hào)的保持（離散模擬信號(hào)→連續(xù)模擬信號(hào)）零階保持器：kT時(shí)刻的y(kT)延續(xù)一個(gè)周期，即保持到kT＋T時(shí)刻。yh(kT＋t)=y(kT)0≤t≤T1(t)1(t-T)1(t-T)h

0

(t)

＝1(t)－1(t－T)1h0(t)0TtH0(s)h0(t)δ(t)原信號(hào)y(t)恢復(fù)信號(hào)y(t)采樣信號(hào)y(t)ty2.1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的采樣及信號(hào)特點(diǎn)信號(hào)的保持（離散模擬信號(hào)→連續(xù)模擬信號(hào)）注意：D/A轉(zhuǎn)換器通常帶有零階保持器的功能。無(wú)需另設(shè)。一階保持器和高階保持器：一階保持器，斜直線，近似程度好，相位滯后更甚，一般不用。2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換Z變換的定義連續(xù)系統(tǒng)采樣差分方程Z變換Z傳遞函數(shù)分析離散系統(tǒng)特性離散系統(tǒng)建模2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換為了運(yùn)算和書寫方便，引入一個(gè)新變量z

或注意：只能用于將Y*(s)轉(zhuǎn)變?yōu)閅(z)，而不能將Y(S)直接進(jìn)行轉(zhuǎn)變(只有采樣函數(shù)才有Z變換)。y（kT）決定了采樣函數(shù)的幅值，z的冪次表示采樣脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻。一個(gè)函數(shù)的Z變換只有在采樣時(shí)刻才有意義，兩個(gè)不同的連續(xù)函數(shù)的采樣信號(hào)可以有相同的Z變換。2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換Z變換的基本定理序性質(zhì)和定理時(shí)域Z變換說(shuō)明1線性定理2滯后(右移)定理3超前(左移)定理

4復(fù)數(shù)平移5初值定理6終值定理(t-kT)形式的差分方程Z變換比較簡(jiǎn)單運(yùn)算有用，超前環(huán)節(jié)實(shí)際不存在2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換Z變換的計(jì)算無(wú)窮級(jí)數(shù)求和法：按定義展開(kāi)，等比數(shù)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)留數(shù)計(jì)算法：由Y(s)求Y(z)，常見(jiàn)一階極點(diǎn)和二階極點(diǎn)情況。pi(i=1,2…n)：極點(diǎn)n：全部不相等極點(diǎn)的數(shù)目ri：s=pi時(shí)的重?cái)?shù)單極點(diǎn)：二重極點(diǎn)：2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換Z變換的計(jì)算例：?jiǎn)挝幻}沖函數(shù)δ(t)單位階躍函數(shù)2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換例：?jiǎn)挝凰俣群瘮?shù)指數(shù)函數(shù)例：已知連續(xù)函數(shù)y(t)的拉氏變換，求Y(z)解：?jiǎn)螛O點(diǎn)p1=2，二重極點(diǎn)p2=－4將Y(s)展開(kāi)成部分分式形式求待定系數(shù)A1

、A2

、A3

由復(fù)位移定理：查表：得：例：已知連續(xù)函數(shù)y(t)的拉氏變換，求Y(z)解：?jiǎn)螛O點(diǎn)p1=2，二重極點(diǎn)p2=－4用留數(shù)法：2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換Z反變換長(zhǎng)除法：可得y(kT)的時(shí)間序列值，難以得到解析式部分分式法：展開(kāi)成部分分式，再查表寫出和式，一般先把Y(z)除以z再展開(kāi)，使得展開(kāi)后的分子上都有z。查表法：可查出常見(jiàn)的y(t)或y(kT)留數(shù)計(jì)算法：確定極點(diǎn)和階數(shù)后，用公式求出y(kT)2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換Z反變換留數(shù)計(jì)算法：設(shè)y(Z)有n個(gè)極點(diǎn)P1P2

…Pi

…Pn則=pri(i=1,2…n)：極點(diǎn)n：全部不相等極點(diǎn)的數(shù)目Mi：s=pri時(shí)的重?cái)?shù)單極點(diǎn)：二重極點(diǎn)：2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換Z反變換例用長(zhǎng)除法：2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換Z反變換例部分分式展開(kāi)法：2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Z變換Z反變換例用留數(shù)計(jì)算法求Y(z)=

的Z反變換+

=

+

=1-解：n=2,P1=1,P2=0.4y(kT)=+2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型差分方程脈沖（Z）傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù)定義：在零初始條件下，系統(tǒng)的輸出采樣函數(shù)的Z變換和輸入采樣函數(shù)的Z變換之比。

2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型脈沖（Z）傳遞函數(shù)脈沖傳遞函數(shù)代數(shù)運(yùn)算法則串聯(lián)并聯(lián)反饋回路運(yùn)算2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型串聯(lián)離散環(huán)節(jié)串聯(lián)連續(xù)環(huán)節(jié)串聯(lián)（中間有采樣開(kāi)關(guān)）連續(xù)環(huán)節(jié)串聯(lián)（中間無(wú)采樣開(kāi)關(guān)）分離不出G1(z)和G2(z)帶有零階保持器的開(kāi)環(huán)Z傳遞函數(shù)推廣的滯后定理線性性質(zhì)2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并聯(lián)離散環(huán)節(jié)并聯(lián)連續(xù)環(huán)節(jié)并聯(lián)連續(xù)環(huán)節(jié)并聯(lián)（有采樣開(kāi)關(guān)）2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型反饋回路前向通路影響分子，回路影響分母，采樣開(kāi)關(guān)的位置同時(shí)影響分子和分母。沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算公式，只能根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)來(lái)求解。(1)反饋取樣Y(s)(A)(B)以E(z)處為推導(dǎo)Gc(z)的基準(zhǔn)點(diǎn)(A)：前向通道上，從R到基準(zhǔn)處傳遞的信號(hào)(B)：閉環(huán)回路上，從基準(zhǔn)點(diǎn)循環(huán)到基準(zhǔn)點(diǎn)的信號(hào)(A)

－

(B)G(s)與F(s)之間無(wú)采樣開(kāi)關(guān)反饋通道取的信號(hào)是Y(s)(2)反饋取樣Y(z)(A)(B)G(s)與F(s)之間有采樣開(kāi)關(guān)反饋通道取的信號(hào)是Y(z)以Y

(z)處為推導(dǎo)Gc(z)的基準(zhǔn)點(diǎn)(A)：前向通道上，從R

到基準(zhǔn)處傳遞的信號(hào)(B)：閉環(huán)回路上，從基準(zhǔn)點(diǎn)循環(huán)到基準(zhǔn)點(diǎn)的信號(hào)(A)

－

(B)(3)無(wú)法分離R(z)的情況之間無(wú)采樣開(kāi)關(guān)以E2(z)處為推導(dǎo)Gc(z)的基準(zhǔn)點(diǎn)反饋通道取的信號(hào)是Y(s)有

但分離不出

分離不出所以得不到閉環(huán)Z傳遞函數(shù)Gc(z)，但可以求出系統(tǒng)輸出的(4)單位反饋閉環(huán)

Z傳遞函數(shù)實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)測(cè)量變送裝置Y

f(s)與R

(s)同量綱將執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋環(huán)節(jié)并入控制對(duì)象，即把乘積V

(s)G

(s)F

(s)作為新的G

(s)此時(shí)的系統(tǒng)輸出就是反饋到比較器的輸出Yf(s)框圖可等效化單位反饋等效框圖先求出帶零階保持器的連續(xù)對(duì)象Z傳遞函數(shù)HG

(z)再以Y

(z)處為基準(zhǔn)點(diǎn)，推出傳遞函數(shù)2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性離散控制系統(tǒng)的性能類同于連續(xù)系統(tǒng)。系統(tǒng)特性穩(wěn)快準(zhǔn)系統(tǒng)穩(wěn)定，抗干擾過(guò)渡時(shí)間短，響應(yīng)快輸出等于或接近期望值σptrtsess2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性離散控制系統(tǒng)的性能類同于連續(xù)系統(tǒng)。離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性從s域到z域的映射S平面上的虛軸Z平面上單位圓(以原點(diǎn)為圓心)S平面的左半平面Z平面上單位圓內(nèi)部S平面的右半平面Z平面上單位圓外部s→z的映射是唯一的z→s的映射不是唯一的2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性離散控制系統(tǒng)的性能類同于連續(xù)系統(tǒng)。線性離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)穩(wěn)定的條件穩(wěn)定性判斷方法：通過(guò)復(fù)數(shù)雙線性變換后，采用與連續(xù)線性系統(tǒng)同樣的方法進(jìn)行判斷。線性連續(xù)系統(tǒng)穩(wěn)定條件：閉環(huán)的極點(diǎn)在

S平面的左半平面線性離散系統(tǒng)穩(wěn)定條件：閉環(huán)的極點(diǎn)均在Z

平面的單位圓內(nèi)2.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型離散控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性復(fù)數(shù)雙線性變換w平面上的虛軸Z平面上單位圓(以原點(diǎn)為圓心)w平面的左半平面Z平面上單位圓內(nèi)部w平面的右半平面Z平面上單位圓外部2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)要求可靠性高。平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí)，同時(shí)盡量縮短（幾分鐘）故障修復(fù)時(shí)間(MTTR)實(shí)時(shí)性好。環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度、濕度變化范圍；防塵、防腐蝕、防振動(dòng)沖擊；電磁兼容性和抗干擾能力及共模抑制的能力。過(guò)程輸入和輸出配套較好。多種功能的輸入和輸出配套模板，多種類型的信號(hào)調(diào)理功能系統(tǒng)擴(kuò)充性好。系統(tǒng)開(kāi)放性?？刂栖浖δ軓?qiáng)。系統(tǒng)通信功能強(qiáng)后備措施齊全。供電后備、存儲(chǔ)器信息保護(hù)、手動(dòng)／自動(dòng)操作切換、緊急事故處理裝置等具有冗余性2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)IPCDCS工控機(jī)——即“現(xiàn)場(chǎng)工作站”PLC智能調(diào)節(jié)器嵌入式工控機(jī)PC/104總線工控機(jī)ARM嵌入式單片機(jī)單片機(jī)工控機(jī)的實(shí)物2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)

工控機(jī)(IPC)是以PC總線(ISA、VESA、PCI總線)為基礎(chǔ)構(gòu)成的工業(yè)計(jì)算機(jī)。其總線結(jié)構(gòu)便于維護(hù)、擴(kuò)充和模塊化。2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)DCS工控機(jī)——即“現(xiàn)場(chǎng)工作站”現(xiàn)場(chǎng)工作站的機(jī)械結(jié)構(gòu)1、主控制板2、I/O模板3、機(jī)箱P20NS電源插件4、機(jī)箱P40NS電源插件5、風(fēng)機(jī)單元F016、I/O端子板7、P30NS端子板電源箱8、系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)9、機(jī)柜現(xiàn)場(chǎng)工作站的機(jī)箱（機(jī)籠）2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)6工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)PLC開(kāi)關(guān)量邏輯控制運(yùn)動(dòng)控制閉環(huán)過(guò)程控制數(shù)據(jù)處理通訊聯(lián)網(wǎng)2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)PLC中央處理單元CPU

存儲(chǔ)器I/O接口模擬量輸入模塊模擬量輸出模塊開(kāi)關(guān)量輸入模塊開(kāi)關(guān)量輸出模塊智能模塊接口和擴(kuò)展接口模塊電源模塊編程工具專用編程器專用編程軟件2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)PLC分類

按地域范圍美國(guó)流派：GE、Modicon、AB歐洲流派：SIEMENS、日本流派：OMRON、三菱、日立、松下按I/O點(diǎn)數(shù)超小型<64小型65-128中型128-512大型>512按結(jié)構(gòu)一體化模塊化總線連接器電源模塊CPU模塊通信模塊I/O模塊DIN導(dǎo)軌模塊DIN導(dǎo)軌電源輸入接地輸入端6個(gè)輸入指示狀態(tài)指示4個(gè)輸出指示輸出端24VDC電源輸出（AC型PLC）外設(shè)端口2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)PLC

擴(kuò)展IO連接電纜擴(kuò)展連接器S7-300PLC簡(jiǎn)介S7-300PLC的硬件構(gòu)成： CPU模塊 接口模塊（IM）

I/O模塊（SM） 功能模塊（FM） 電源模塊（PS） 導(dǎo)軌（RACK）等總線連接器電源模塊CPU模塊通信模塊I/O模塊DIN導(dǎo)軌模塊DIN導(dǎo)軌松下FP0系列PLC產(chǎn)品介紹2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)智能調(diào)節(jié)器2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式工控機(jī)PC/104總線工控機(jī)這種工控機(jī)是基于PC/104總線的微型計(jì)算機(jī)，PC/104總線是采用自堆（疊）式的總線結(jié)構(gòu)，取消了底板和插槽，從而構(gòu)成小體積、低功耗、高性能的計(jì)算機(jī)。PC/104總線工控機(jī)有各種接口模塊：CPU模塊、顯示模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、CRT接口模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、I/O輸入/輸出模塊，串口、并口、IDE、軟驅(qū)接口、EL/LCD、多功能口接口模塊、SSD固態(tài)盤擴(kuò)展模塊等。PC/104總線工控機(jī)的實(shí)物PC/I04PC/104總線工控機(jī)的主控板A組32個(gè)引腳B組32個(gè)引腳C組20個(gè)引腳D組20個(gè)引腳386SX-40CPU

板載4MBEDORAMALiM6117芯片組

HM86508顯示集成芯片2個(gè)RS-232串行口

并行口

IDE通道

FDD接口

2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式工控機(jī)ARM（AdvancedRISCMachines）嵌入式單片機(jī)低功耗、低成本、高性能采用RISC（ReducedInstructionSetComputer）指令集使用大量的寄存器三/五級(jí)流水線采用RISC架構(gòu)的ARM處理器2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式工控機(jī)ARM（AdvancedRISCMachines）嵌入式單片機(jī)ARM微處理器系列ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列Intel的Xscale2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)單片機(jī)：51系列8位機(jī)、96系列16位機(jī)、960系列32位機(jī)等。DSP系列（數(shù)字信號(hào)處理器）2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)單片機(jī)：2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)體系總線技術(shù)總線的概念和類型總線的體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部總線2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)總線的定義：一組公用線的集合規(guī)定了各引線的信號(hào)、時(shí)序、電氣和機(jī)械特性為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各部件、各模塊之間或計(jì)算機(jī)各系統(tǒng)之間提供了標(biāo)準(zhǔn)的公共信息通路(起到橋梁作用)任何系統(tǒng)的研制和外圍模塊的開(kāi)發(fā)都必須符合某種總線的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)真正的核心總線技術(shù)通道控制功能、使用方法、仲裁方法和傳輸方式等總線的標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)不同，性能差異很大隨著VLSI(超大規(guī)模集成電路)技術(shù)的迅速發(fā)展,微處理器的性能迅速提高,計(jì)算機(jī)總線得到進(jìn)一步發(fā)展,其能力越來(lái)越強(qiáng),速度也越來(lái)越快。2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)總線的概念總線1#總線接口2#3#4#5#6#總線與總線接口一起便稱之為總線結(jié)構(gòu)2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：使結(jié)構(gòu)由面向CPU變?yōu)槊嫦蚩偩€,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；可做到硬件、軟件的模塊化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)：按功能劃分計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件，并按總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成由總線連接的模板結(jié)構(gòu)：CPU主板、RAM/ROM存儲(chǔ)板、A/D、D/A、DI、DO等增加計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通用性、靈活性、開(kāi)放性、擴(kuò)展性和可靠性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰明了,便于靈活組態(tài)、擴(kuò)充、改進(jìn)與升級(jí)；為系統(tǒng)的維修提供了方便符合同一總線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品兼容性強(qiáng)：用戶可以根據(jù)自己的需要將不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的各種型號(hào)的模塊或模板方便地用標(biāo)準(zhǔn)總線連接起來(lái)2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)總線的分類根據(jù)總線的功能和應(yīng)用場(chǎng)合內(nèi)部總線（InternalBus)：又稱系統(tǒng)總線或模板級(jí)總線用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部模塊（板）之間通信數(shù)據(jù)總線D：用于傳遞數(shù)據(jù)信息地址總線A：用于傳遞地址信息控制總線C：包括控制、時(shí)序和中斷信號(hào)線，用于傳遞各種控制信息電源總線P：向總線提供電源常用的有PCI、STD、VME、MULTIBUS等外部總線（ExternalBus)：又稱通訊總線用于計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與設(shè)備之間通信如：IEEE-488、RS-232C、RS-485等根據(jù)總線的結(jié)構(gòu)并行總線：每個(gè)信號(hào)都有自己的信號(hào)線串行總線：所有信號(hào)復(fù)用一對(duì)信號(hào)線2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)……CPU總線母板RAMROMA/DD/A外部總線接口數(shù)據(jù)總線D地址總線A控制總線C電源總線P內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)示意圖2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)總線性能總線時(shí)鐘頻率(即總線工作頻率，單位MHz)；總線寬度即數(shù)據(jù)總線的位數(shù)，單位為bit；總線傳輸速率即總線帶寬，在總線上每秒鐘傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)MB/s，每秒處理多少兆字節(jié)。它們之間的相關(guān)計(jì)算公式：傳輸速率=總線時(shí)鐘頻率*總線寬度/82.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)體系結(jié)構(gòu)指由總線本身定義地址空間、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、操作定時(shí)信號(hào)以及傳輸協(xié)議等，以保證CPU的性能得到充分發(fā)揮而與CPU無(wú)關(guān)。主控模塊（Master,主模塊)可以控制總線并啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送的任何模塊受控模塊（Slave,從模塊)能夠響應(yīng)總線主模塊發(fā)出命令的任何模塊2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)單總線體系結(jié)構(gòu)(SingleBusArchitecture)微機(jī)中所有模塊都連到單一總線上。在整個(gè)系統(tǒng)中只有一個(gè)數(shù)據(jù)通路,故名單總線。這類總線適合于慢速的CPU。目前一些簡(jiǎn)單的單片機(jī)和單板機(jī)中仍采用這類總線。CPU協(xié)處理器Modem顯示器硬驅(qū)打印機(jī)打印機(jī)存儲(chǔ)器2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)并發(fā)總線體系結(jié)構(gòu)(ConcurrentBusArchitecture)將存儲(chǔ)器和I/O的數(shù)據(jù)通路分開(kāi)，以解決CPU與存儲(chǔ)器、I/O之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣炔灰坏拿堋＿@種總線結(jié)構(gòu)中,CPU對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)和對(duì)I/O的控制同時(shí)進(jìn)行,即“并發(fā)”,故稱之為并發(fā)總線。并發(fā)體系結(jié)構(gòu)中,關(guān)鍵技術(shù)是總線控制器(BusController),它使CPU脫離了對(duì)I/O的直接控制,使CPU能以較快的速度、較寬的數(shù)據(jù)通路與存儲(chǔ)器進(jìn)行信息交換,提高了系統(tǒng)的性能,總線控制器(BusController)則負(fù)責(zé)處理各種I/O請(qǐng)求,以8～32位的數(shù)據(jù)寬度與I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,保證系統(tǒng)的兼容性,成功地解決了瓶頸問(wèn)題。2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)并發(fā)總線體系結(jié)構(gòu)(ConcurrentBusArchitecture)CPU協(xié)處理器Modem顯示器硬驅(qū)打印機(jī)打印機(jī)存儲(chǔ)器總線控制器2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)帶cache的并發(fā)總線體系結(jié)構(gòu)(ConcurrentBusArchitectureWithcache)類似于并發(fā)總線體系結(jié)構(gòu),只是在CPU和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通路上多了一個(gè)高速緩沖存儲(chǔ)器cache及高速緩沖存儲(chǔ)器cache控制器。Cache控制器協(xié)處理器Modem顯示器硬驅(qū)打印機(jī)打印機(jī)主存儲(chǔ)器總線控制器光盤驅(qū)動(dòng)器其它I/O卡Cache存儲(chǔ)器CPU2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)總線的控制方式由于多個(gè)模塊連接到共用總線上,必須對(duì)每個(gè)發(fā)送的信息規(guī)定其信息類型和接收信息的部件,協(xié)調(diào)信息的傳送。當(dāng)多個(gè)模塊同時(shí)申請(qǐng)總線時(shí),必須通過(guò)選擇判優(yōu),決定把總線交給哪個(gè)模塊；對(duì)信息的傳送需要控制,防止信息的丟失,這就需要設(shè)置總線控制線路。通常,總線上信息的傳輸由主模塊啟動(dòng)。總線上可以掛接有多個(gè)具有主模塊功能的設(shè)備,但在同一時(shí)刻只能有一個(gè)主模塊控制總線的傳輸操作?？偩€控制線路包括總線判優(yōu)或仲裁邏輯、總線控制驅(qū)動(dòng)器和中斷邏輯等。2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)用硬件進(jìn)行總線裁決（控制）的方式串行鏈接式總線裁決定時(shí)查詢方式獨(dú)立請(qǐng)求式總線裁決串行鏈接式總線裁決總線可用部件0總線控制器

部件1部件N-1總線請(qǐng)求總線總線忙圖中，請(qǐng)求線是公共的，圖中部件0的優(yōu)先級(jí)最高。2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)定時(shí)查詢方式這種方式中，優(yōu)先級(jí)可以用程序控制，靈活性較強(qiáng)。計(jì)數(shù)值有2種方式?？偩€忙部件0總線控制器部件1部件N-1總線請(qǐng)求總線計(jì)數(shù)值2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)獨(dú)立請(qǐng)求式總線裁決這種方式中，總線控制器根據(jù)某種算法對(duì)同時(shí)來(lái)的請(qǐng)求進(jìn)行裁決。部件0總線控制器

部件1部件N-1總線BR0BG0BR1BG1BRN-1BGN-1總線忙信號(hào)SACK2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)總線裁決采用的主要算法靜態(tài)優(yōu)先級(jí)算法（又稱作菊花鏈算法）固定時(shí)間算法動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法先來(lái)先服務(wù)算法2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)總線的通信方式(1)同步式通信(SynchronousTransfer)數(shù)據(jù)的傳輸在一個(gè)共同的時(shí)鐘信號(hào)控制下進(jìn)行優(yōu)點(diǎn)是模塊間的配合簡(jiǎn)單一致,缺點(diǎn)是對(duì)所有模塊都強(qiáng)求一致的同一時(shí)限,設(shè)計(jì)缺乏靈活性(2)異步式傳輸(AsynchronousTransfer)利用數(shù)據(jù)發(fā)送部件和接收部件之間的“握手(Handshaking)”信號(hào)線來(lái)實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳送可以實(shí)現(xiàn)不同速度的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)內(nèi)部總線PC系列總線IBM公司1981年推出基于8位機(jī)的PC/XT總線，PC總線1984年推出基于16位機(jī)的PC/AT總線，AT總線

但從未公開(kāi)過(guò)AT總線的技術(shù)規(guī)格Intel公司、IEEE和EISA集團(tuán)聯(lián)合推出與IBM/AT原裝機(jī)總線意義相近的ISA(IndustryStandardArchitecture)總線，即8/16位的“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)”：數(shù)據(jù)傳輸率最高8MB/s,尋址空間為224=16MB由Intel公司于1992年發(fā)表外圍部件互連總線PCI(PeripheralComponentInterconnect)2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)ISA總線總線的元老特點(diǎn)：CPU為唯一主模塊，插卡數(shù)量亦有限缺少中樞寄存器，不能動(dòng)態(tài)分配資源已接近淘汰但因許多老設(shè)備如聲卡、Modem等仍離不開(kāi)它，故許多主板芯片給依然提供對(duì)其的支持(如下頁(yè)的主板示意圖等)2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)用到ISA總線的聲卡示意圖外圍部件互連總線PCI

(PeripheralComponentInterconnect)（局部總線）現(xiàn)在是主板上最常見(jiàn)的插槽不依附于某個(gè)具體的處理器結(jié)構(gòu)上是帶cache的并發(fā)總線體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線32/64位，最大傳輸速率達(dá)132MB/s可同時(shí)支持多組外圍設(shè)備2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)ISA總線插槽PCI總線插槽采用PCI的顯卡2.3計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的總線技術(shù)PCI總線(PeripheralComponentInterconnect)：PCI局部總線采用的數(shù)據(jù)線為32位，可支持多組外圍部件及附加卡。傳送數(shù)據(jù)的最高速度為132MB/S。支持64位地址/數(shù)據(jù)多路復(fù)用，其64位設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)傳輸速率為264MB/S。PCI插槽能同時(shí)接插32位和64位插卡，所以，32位與6