自动化专业英语教程第2版王宏文主编翻译.doc

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1、PART 3 Computer Control TechnologyUNIT 1A 计算机的结构与功能这一节介绍计算机的内部体系结构，描述了指令如何存储和译码，并解释了指令执行周期怎样分解成不同的部分。从最基本的水平来讲，计算机简单执行存储在存储器中的二进制编码指令。这些指令按照二进制编码数据来产生二进制编码结果。对于通用可编程计算机，四个必要部件是存储器、中央处理单元（CPU，或简称处理器），外部处理器总线，输入/输出系统，正如图 3-1A-1所示。 图 3-1A-1 计算机的基本元件存储器储存指令和数据。CPU读取和解释指令，读每条指令所需的数据，执行指令所需的操作，将结果存回存储器。CP

2、U所需的操作之一是从外部设备读取或写入数据。这利用输入/输出系统来实现。外部处理器总线是一套能在其他计算机部件之间传送数据、地址和控制信息的电导线。 存储器计算机的存储器是由一套连续编号的单元所组成。每个存储单元是一个能存二进制信息的寄存器。单元的编号称为地址。初始地址为0。制造商定义处理器的一个字长为单元的整数长。在每个字中，各位表示数据或指令。对于英特尔8086/87和摩托罗拉MC68000微处理器来说，一个字是16位长，但每个存储单元仅为8位，因此两个8位单元来存取获得一个数据字长。为了使用存储器中的内容，处理器必须取来右边的内容。为了完成这一次读取，处理器把所需单元的二进制编码地址放到

3、外部处理器地址总线的地址线上，然后，存储器允许处理器读取所寻址的存储单元的内容。读取存储单元的内容的这一过程并不改变该单元的内容。 存储器中的指令 存储器中的指令由CPU取来。除非发生程序转移，它们按在存储器中出现的顺序来执行。用二进制形式所写的指令叫做机器语言指令。一种得到（指令）有效形式的方法是将（这些）位分成段，如图3-1A-2所示。每一段都包含一个不同类型信息的代码。在简单的计算机中，每条指令可分为四段，每段有四位。每条指令包括操作代码（或操作码，每条指令有唯一的操作码）、操作数地址、立即数、转换地址。在一个实际的指令集中，有很多指令。也有大量的存储单元来存储指令和数据。为了增加存储单

4、元的数目，如果我们使用同样的方法，地址段的指令一定长于16位。除了增加指令长度外，还有很多增加微处理器寻址范围的方法：可变指令段、多字指令、多寻址模式，可变指令长度。我们不将详细讨论它们。 存储数据 数据是存储器中代表代码的信息。为了有效利用存储空间和处理时间，大多数计算机提供了不同长度和表示方法的处理数据能力。能被处理器识别的各种不同表示称作数据类型。常用的数据类型有：位、二进制码、十进制数字（4位字节，BCD）、字节（8位）、字（2个字节）、双字（4个字节）。 有一些处理器提供了可处理其他数据类型。例如单精度浮点数据类（32位）和双精度浮点数据（64位）等的指令。还有另一类的数据特征数据。

5、通常也表示为8位。在标准键盘上，每个计算机终端键和键的组合（例如shift和control功能键）有定为美国信息交换标准码的7位码。 存储器类型 在数字控制系统的应用中，我们也关注不同存储技术的特征。对主存储器来说，我们需用它临时存储信息，并逐次地从不同单元写入或获得信息。这种类型的存储器称作随机访问存储器（RAM）。在某些情况下，我们不想让存储器中的信息丢失。因此我们愿使用特殊技术写入存储器。如果写入只在物理改变连接时才能实现，那么这种存储器称为只读存储器（ROM）。如果相互连接的模式可由程序设定，那存储器叫做可编程只读存储器（PROM）。如果需要实现改写的情况，我们有可擦的可编程只读存储器

6、（EPROM）。电可擦除的PROM缩写为EEPROM。中央处理单元CPUCPU的工作是从存储器中取回指令并执行。CPU的结构如图3-1A-3。它有四个主要部件：算术逻辑单元，一系列存储器，一个内部处理器总线和控制器。 图3-1A-3 中央处理单元(CPU) CPU的这些及其其他部件和它们在指令周期的分享将在后面的章节中说明。 算术逻辑单元（ALU） ALU提供很广泛的算术操作，包括加、减、乘、除。它也完成布尔逻辑操作，例如：与、或、二进制算术求补。其他操作，例如字比较也可达到。计算机任务的主要部分包括ALU，但为了利用ALU指令，需要大量的数据移动。 寄存器 CPU内的一系列寄存器是用于存储信

7、息的。指令寄存器 当一条指令取回来，它被复制到指令寄存器内，并被译码。译码意味着检查操作代码并用于确定执行顺序的各步CPU的编程器模型 可由编程器检查或修改的寄存器集称为CPU的编程器模型。由指令集操作或明显受硬件输入或数据操作的结果影响的一类寄存器是模型中表示的寄存器。标志寄存器 执行顺序不仅由指令而且也由前面指令的结果来确定。例如，如果在ALU中进行加法运算，加法的结果（不论结果是正、负或0）存储在称为标志寄存器、状态寄存器或条件寄存器中。如果下一指令是一个条件转移指令，标志字需要检验以确定是否需要转移。程序计数器（指令指针） 下一指令的地址位于称作程序计数器的寄存器中。数据寄存器 当一指

8、令用寄存器存储数据，指令中的寄存器参考被称作寄存器寻址。利用内部寄存器存数据的原因在于它们能使指令更短，执行速度更快。地址寄存器 内部寄存器也可用于储存存储器数据的地址。这种情况下，指令字包含寄存器数（例如一个寄存器地址）。寄存器中包含用于指令中的存储器数据的地址。这种寻址方式叫做寄存器直接寻址。寄存器的内容指向存储器中的数据。内部处理器总线 内部处理器总线使数据在内部存储器间移动。总线是一套分组的电导线，它能在CPU的功能块间传送数据、地址和控制信息。当两个寄存器连到总线上时，源寄存器中的数据可传到目的寄存器中。 控制器 控制器提供了程序周期内取自寄存器每条指令的控制信号的适宜顺序。一个总程

9、序周期是由许多指令周期组成，每个指令周期可分为它部件的机器周期，每个机器周期由许多时钟周期组成。例如图3-1A-4，为了取回一条指令，程序计数器中的地址放到在时钟周期C1上升沿的外部总线的地址线上。同时，利用控制线上的一个代码，CPU通知所有连接到总线上的设备，即CPU正执行一个“操作码取回”的机器周期。存储器允许存储器寻址去选择包含指令的存储器单元。在C2段，控制器将“读”命令放到控制总线上，允许存储器数据放到数据线上。然后在C3段，控制器将数据选通到指令寄存器中，并从控制总线再移动读命令。在C4段，控制器在地址总线上再移地址并开始译指令的操作代码部分，来看一看执行需要说明步骤。译码操作或许

10、会在“操作码取回”机器周期的末端花费几个更多的时钟周期。 图3-1A-4 “操作代码读取”的时序图外部提示请求 停止正常的指令处理顺序往往是必要的。一种外部提示请求是复位请求。在不可恢复故障的情况下，计算机系统可要求自身复位。这带来的影响是初始化系统中所有重要寄存器，并从标志存储单元通常是0单元开始执行指令。在正常事件过程中更通常的启动服务是中断请求。来自外部设备的一个中断请求信号可使CPU立即执行实施必要动作的服务子程序。当完成服务子程序后，处理器将从最初被中断的地方继续执行。第三种类型的输入是总线请求，或直接存储器寻址请求。有一个终端接口来存储正文的所有特征，直到接到一个“回车”。然后，接

11、口请求使用系统总线，此时，数据以尽可快的速度被传递给存储器。这种方式下，处理器仅变为停止，直到传递完成。总线 总线是计算机系统最重要的通信系统。在CPU控制下，一个数据源设备和一个数据目的设备被允许在短时传输下连接到总线上。 外部处理器总线 内部处理器总线通过位于微处理器集成电路上的一组总线缓冲区连接到外部处理器总线上。系统总线 微计算机板能够通过一个连接器与外部系统总线相联而能与其他板进行通信。计算机输入和输出CPU外部的一组寄存器是与输入/输出系统有关的。I/O系统在接口处利用控制、地址、数据线通过I/O寄存器来与外部处理器总线连接。有两种方法用于寻址I/O寄存器。第一种方法，称为I/O映

12、射的输入/输出，操作码本身有专门的I/O指令，寻址在接口中称为I/O口的标号寄存器。第二种寻址I/O寄存器的方法给出了位于CPU寻址寄存器范围内的I/O口地址。这叫做存储器映射的I/O。当然，没有任何存储器单元在同一寻址下作I/O单元。存储器映射方法的益处之一是存储器寻址方式的全部范围可用于I/O寄存器寻址。B 计算机与网络基础计算机系统的组成在说明了什么是计算机之后，让我们在来看一下计算机的定义：计算机是一种能接收、存储和处理数据，并能产生输出结果的快速、精确的符号加工系统，这一系统是在存储指令程序控制下工作的。本文说明为什么计算机是一个系统以及计算机是如何组成的。系统的主要部件包括输入设备

13、、处理机和输出设备。现在详细介绍每一部件。输入设备 计算机系统使用多种输入设备。其中有些输入设备直接进行人机通信，另一些则首先要求把数据记录在诸如磁性材料那样的输入介质上。常用的是读取以磁化方式记录在专门涂敷的塑料带或软盘上的数据的输入设备。直接输入设备有与计算机的工作站直接连接或在线连接的键盘，以及鼠标器、输入器、触摸式屏幕和话筒等。不论使用哪种设备，所有这些都是人与计算机系统之间的解释和通信的部件。中央处理机 中央处理机（CPU）是计算机系统的核心。一台典型计算机的CPU由三部分组成：主存储器部分、算术逻辑部分和控制部分。不仅个人计算机如此，各种规模的计算机的CPU都有这三部分。 输出设备

14、 与输入设备类似，输出设备也是人与计算机系统之间的解释和通信的设备。输出设备从CPU中取出机器代码形式的结果，然后将其转换成（a）人们可读的形式（例如打印或显示报告）或（b）另一处理周期的机器输入。在个人计算机系统中，常用的输出设备是显示屏和台式打印机。比较大型的计算机系统通常要配备更大、更快的打印机，多台在线工作站和磁带机。有时也将输入/输出设备和辅助存储器称为外围设备，这是因为这些设备不属于CPU，但又位于CPU附近。操作系统操作系统朝着两个主要目标已发展了三十多年。第一，为程序的开发和执行提供了一个方便的环境。第二，操作系统试图通过对计算任务的调度以确保计算系统的良好性能。操作系统必须确

15、保计算机系统的正确操作。为避免用户程序影响系统的正常操作，对硬件进行修改以建立两种方式：用户方式和监控方式。各种指令（如I/O指令，HALT指令）被赋予特权，只能在监控方式中执行。监控程序存放在内存，同样业应避免用户对其修改。另外采用一个时钟避免无限循环。这样，一旦基本的计算机系统发生了变动（两种方式，特权指令，存储器保护，时钟中断），仍有可能写出正确的操作系统。正如我们前面所说，操作系统对于生产它们的厂家及其运行的硬件环境通常是唯一的。一般，安装一台新计算机的同时购买了与该硬件相应的操作系统。用户需要有效地支持其处理任务的可靠操作软件。尽管各厂家的操作软件各不相同，但都具有类似的性能。现代硬

16、件系统，由于其复杂性，需要有操作系统来满足某些特定的标准。例如，考虑到该领域的现状，操作系统应支持某种形式的联机处理。通常，与操作软件相关的功能有： （1）作业管理； （2）资源管理； （3）I/O操作控制； （4）错误恢复； （5）存储器管理。计算机网络分布式计算机系统间需要进行通信有许多原因，例如在一个国家内，处于各地的计算机使用公共通信设施交换电子信息（邮件），从一个计算机向另一个计算机传送文件。同样，在一个局部区域内，例如在一个大楼或机关内，分布式的计算机工作站间使用局部通信网络访问昂贵的共享资源，例如打印机、复印机、磁盘和磁带等，这些设备也由计算机管理。很明显，随着基于计算机的产品和

17、相应的公共和局部通信网络的激增，计算机计算机通信也将得到迅速的发展，最终将在分布式系统中占统治地位。虽然相互通信的计算机间的实际距离因应用类型不同有很大变化，但一般来讲，任何一个计算机通信网络的核心数据通信设备，这些设备可以是PSTN，专用LAN或很多这种网络的互联系统。但是如果不考虑数据通信设备的类型，那么为处理相应的与网络有关的协议，需在联网的计算机上配备很多硬件和软件。一般来讲这些都与跨网通信信道的建立，与通过该信道的信息流控制有关。提供这种设备仅是网络要求的一部分，但是在很多应用中，通信的计算机类型可以不同。这表面它们可以使用不同的编程语言，而更重要的是可以使用不同的操作系统，因而用户

18、应用程序（通常叫做应用处理程序或AP）与基本通信服务程序之间的接口也不同。例如，一台计算机可能是小型单用户机，而另一台可能是大型多用户系统。UNIT 2A 外部信号与设备的接口概述系统总线上的信号以非常有序的顺序发生。每个信号以事件的特定顺序来启动并在一固定时间后或被另外时间的顺序而终止。在仅有存储器和微处理器的系统中，由微处理器直接启动总线事件。独立的外部设备和无总线兼容的信号以及与系统总线信号无时态关系的信号都不能直接连到系统总线上。系统总线通信是通过输入/输出接口来完成的。输入/输出接口的主要作用是协调处理器与外部设备之间的数据传输，以及转换为处理器可识别形式的数据。接口的其他作用可提供

19、电隔离、噪声抑制、临时数据存储或数据格式转换。有几种类型的接口，例如并行输入/输出、数字模拟转换、模拟数字转换、实时时钟、直接存储器访问，都是常用的。这里，我们仅限于讨论并行I/O和A/D及D/A。并行输入接口术语“输入”和“输出”通常指CPU和CPU的输出。如图3-2A-1所示的一个简单接口的标准图。输入接口仅受处理器控制。无论何时处理器寻址输入口，外部数据总线上的数据被允许放到处理器数据总线上，并且当CPU把数据放到总线上时，这一数据是可用的。在这种接口中，有一个三态缓冲器，它能迫使处理器总线与外部数据线有相同的二进制值。当在不允许状态时，缓冲器输出进入高阻“第三态”，它能从总线上有效地移

20、开数据线，允许其他数据利用系统总线。图3-2A-1 简单的并行输入接口 图 3-2A-2 带有寄存器的并行输入接口 在某些情况下，同步交换信号的使用是必要的，如图3-2A-2。当数据可用时，外设使可用数据线求反，且数据存在接口内。同时，在状态寄存器中设定“准备好”标志以指示给CPU数据可使用。为了了解这一点，CPU必须连续查询接口（读状态寄存器），最终锁存数据。 输入任务也可由DMA（直接存储器寻址）I/O来实现。并行输出接口 输入与输出接口的一个区别是输出接口必须有个数据寄存器，因为在CPU数据总线上，处理器数据仅在很短的时间内是一个常数。图3-2A-3所示为一简单接口形式，无论何时CPU发

21、布接口数据寄存器的正确地址并完成一个“写”操作，便可接收数据。锁存后，数据可用于外部世界。数模转换接口图3-2A-4所示的数字模拟转换器是用于产生一个模拟电压和电流，在给定的“满标度”范围内，与二进制数字成比例。图3-2A-4 数模转换器 模拟电压的数字表示 直接二进制表示，任何一个数字值的输出电压可从下式得到：Vout = VFS(b72-1 + +b02-8)对于偏移二进制，例如在-1和+1V电压之间可获得一个双极型输出。 双补码 表示极性输出的另一种方法是用双补码数。如果最高有效位表示一个符号，那么最高正数为01111111，最高负数为10000000。其他可能的表示是二进制码十进制和加

22、号大小。也有几种可生产的可选跨接模拟电压范围。最常用的电压为5/10，5/12或10/24V。根据数字表示和可用的满标度电压，D/A转换器的说明书应至少给出它的1.分辨率；2.转换速率；3.稳定时间；4.线性化；5.增益和偏移的温度系数。 模拟数字转换接口图3-2A-5为一个模拟信号采集系统。它的作用是在特定的瞬时时间，即采样时间对N个模拟输入信道其中之一的电压产生一个数字表示。象在D/A转换器中，希望的数字表示是一个设计参数，其可能根据不同的A/D接口而有所不同（二进制、偏移二进制、双补码）。图3-2A-5 模拟信号采集系统 A/D转换器可分为模拟边和数字边。在数字边，设计者必须考虑：1集成

23、电路技术；2逻辑电平和三态能力；3分辨率；4转换速度；5CPU信息交换；6外部控制。在接口的模拟处，设计者必须关注：1.输入电压范围（产生最大、最小数字值的的模拟电压的差值）；2.各种不同的误差源；3.在A/D模拟部分产生的等效输入噪声。就如同D/A转换器，有一个可能出现的增益和偏移误差及线性误差。这些误差的温度系数也很重要，它们对于总误差的作用应在温度范围内计算出来。逐次逼近型A/D 应用在A/D转换器结构上有很广泛的技术。最普通的是逐次逼近型转换器。它具有适度速度和适度分辨率的优点。它的作用：第一次将输入电压与设为满量程A/D参考电压一半的测试电压相比较。利用标准的D/A转换器来得到测试电

24、压。如果第一次比较后，输入电压大于满量程的一半，那么设定最高有效输出位。如果输入电压小于满量程的一半，那么从测试电压中删掉满量程电压的一半，否则电压保持同一值。下一次，四分之一的满量程参考电压加到测试电压上，将输入电压与测试电压再一次比较，如果输入电压超过测试电压，那么下一个最高有效位被设定，测试电压，第二位设为0，四分之一满量程参考电压被删除。这一过程逐次以更小的加权二进制电压重复，直到测试完最低有效位。双积分A/D 双积分A/D转换器适于性能频谱的高精度端。这种转换器，在一确定的时间T内，一个未知正输入电压Ui作用在电子集成块上，从0伏开始，产生一个斜比为UiT的正向增长输出电压。然后去掉

25、Ui ，让一个已知的页常数参考电压U积分以产生一个下降的斜坡。从参考电压作用时间的UiT /U秒后，第二个斜坡通过零点，时间由高速计数器测量；由于T和U是常数，因此计数器保持的值正比于输入电压。例如，如果输入电压等于参考电压U，两个积分时间相等，计数器将设为达到最大值。这种类型的转换器通常为线性的，转换器可达到20位，但转换时间相对长一些。 快速转换器 在性能频谱的高速端，并行（快速）转换器可提供大于100MHz的转换率。这由将模拟电压分为2N-1份，通过对每一份来提供内部电压参考来完成。由一串其输出产生二进制输出量的高速比较器将模拟信号立刻与所有参考电压相比较。由于这种A/D所要求的部件的数

26、目和质量的原因，设备更常为8位或小于8位的。快速转换器常常是很贵的。采样保持电路 模拟转换系统中A/D转换器前面常有一个采样保持电路。在逐次逼近转换器中特别需要一个恒定输入，因为在转换过程中，输入量要与参考量比较几次。 多路器 图3-2A-5所示的多路器概念上更象旋转开关，它能在处理器控制下旋转“寻址”任何一个输入通道。对有N个通道的多路器，每个通道都有效。机械开关和固态设备都能构成多路器。多路转换可用不同方法，例如“单端的”和“差分”连接来实现。当是参考地的信号，单端连接很有用。当你对两电压例如应变仪两桥臂电压的差值感兴趣时，差分多路器会很有用的。B 计算机的应用在发达国家，计算机的使用几乎

27、遍及备行各业。这里列举计算机应用的一些例子：科学计算。最早的计算机就是为作科学计算而创造出来的，计算涉及复杂的高难的数学或消耗时间的、令人厌烦的、重复性的数值计算。例如，计算炮弹的轨迹要求在几秒钟内解一组微分方程，设计一座大坝涉及解包含数百个变量的联立代数方程组可能要耗费数学家几年的时间，但计算机程序可以在几小时内完成此计算。数据处理。计算机已被广泛地用于数据处理，例如，会计，统计，人口调查。涉及的计算非常简单加，减，乘和除，但数据量极大，超出人类的能力和耐心的限度。数据库产品如Lotus-1，2，3给使用者提供正式的数据结构，用来对数据作分类，归类，贮存，选取，检索。安装了数据库软件，计算机

28、就能处理数据，令使用者满意。 自动控制。以前，只有那些有专门技能和知识的人才可以做的事，例如，控制生产过程，操纵机器，检验产品质量，管理生产计划，管理库存，等等，现在都可由计算机来接管，全都实现自动化，效率和精度都高。NC(数字控制)系统，PID控制系统，伺服控制系统，群控控制系统，最优控制和自适应控制系统中，计算机作为中央控制单元把自动控制过程涉及的一切计算都接管过去，而且为系统中的所有的其他工作单元规定时刻表。CIMS(计算机集成制造系统)不仅包含生产控制系统，还有生产计划和管理系统，旨在把工厂自动化(FA)与办公室自动化(OA)结合起来，构成全家公司的计算机网络。HIMS(人类一体化制造

29、系统)是高水平计算机控制的一种形式。通过使用高性能的计算机和特定的软件，虚拟现实技术被用来为人类操作员创造虚拟的空间。 计算机仿真。计算机仿真是广泛地用于科研和工程设计的强有力的分析工具，表现出无与伦比的优点。有了计算机仿真，科学家和工程师们在观察未知现象，分析复杂过程，设计机器或建筑物时就不需建造真实的硬件模型了。当被研究对象很昂贵，或者不可能把它建造成模型时，那么，计算机仿真就特别重要了。事实上，计算机仿真是建立在反映被研究或被考察对象的实质的数学模型的基础之上的。数学模型包含一系列用数学的思维和方法描述该对象的内在过程的方程式。每一计算机仿真程序都包括从这些方程式推导出来的算法。已开发出

30、许多计算机仿真系统，已证明它们在成本-效果上是合算的。因为采用了计算机仿真程序，工程师们每次输入不同的方案和参数到他们的计算机模型中即可完成重复性的设计过程而不必建造许多的、不同的真实模型。机器人学。在机器人中的控制器大多数是计算机-从微型计算机到小型计算机。NC(数值控制)和SC(伺服控制)用得很广泛。它们可重复编程以产生机器人根据该程序将要采取的运动和行动所需的指令序列。举例来说，控制器把一系列脉冲发送到机器人臂的一个关节内的步进电机，正如那程序所要求的那样使它旋转一角度。当所有的关节都以这种方式驱动时，机器人臂将伸到预期的位置，具有预期的姿态，装在臂端的终端执行机构就按照控制器的指示做它

31、的工作。运动的精度决定于控制器本身。 CAD和CAM。CAD(计算机辅助设计)是一种软件，能帮助工程师们设计新产品、建筑物、印刷电路板、土木工程如桥梁、机场，把他们从令人厌烦的、劳累的和消耗时间的工作中解放出来，如画图(草图和工程图)。当工程师们从事设计时，他们常常参阅各种手册，其中列出了有关结构、零件、材料和辅助材料的细节，供设计者为他们的设计而选择。CAD产品把所有这些手册的内容归入到软件产品的库中，为工程师们提供信息，如产品名称、尺寸、功能、性能、规格、形状、颜色、制造厂家、机器、零伴、组件、工具、材料等等和价格，都是工程设计所必需的。CAM(计算机辅助制造)是帮助工程师们分析一种产品或

32、一项工程并对制造或建造它提出建议的软件。要按照软件的要求输入表示它的形状、大小、结构、装配、制造它所用的原材料等的数据、图、表等。然后，该软件就会给出有关它的制造的建议，例如，机器加工过程，要使用的机床和设备，技术参数如完成限期，精度以及特殊的处理等。 管理。管理是一切银行、公司、商店、大学、研究机关在竞争中成功还是失败的决定性因素之一。管理是综合性技术，涉及该单位的每一方面任务(产品、发明、创造、专利)、人员(管理人员、职员、技术人员、服务人员)，财政、不动产、设备，等等。计算机化的管理是指在任何专业中提供管理手段的软件，例如，对各种人员，会计，销售，仓库，税收，工资等的管理。每一种软件都体

33、现了该软件所涉及的专业的最新理论和方法，而且相当容易就能学会。越来越多的管理软件出现了，取代了人的管理。 计算机化的通讯。在这一领域的进步始于60年代初，那时的问题是把偏僻地区的计算机终端联入中央计算机。这一问题的解决办法是以异步的、低速的线为基础，或者按星形拓朴结构组织用专线联络每一台终端机，或者以树形拓朴结构用多端线，联结多台终端机。到了60年代末，由于出现分布式资源共享网络，这一领域向前迈进一大步。目的是把地理上分布各处的计算机和用户互联起来，使联结到网络中的全部用户都可共享在这些地点开发出来的硬件和软件资源。这类网络的最显著的一个例子就是ARPANET，它是在1969年开始实施的一个网

34、络。一个以无线电为基础的终端访同网络称为ALOHA，是在1970年在夏威夷大学建造的。INTERNET上的卫星转发器装备了一具复盖全球的天线，能利用地面站传输数据，因而达到在地面站间的全联接。用光纤缆把偏远地区的用户终端联接到中央计算机设施，可传输数据、图形、电视和音频信号，比现存的任何网络都更好。先进的应用。人工智能是计算机科学的一个分支。它的目的是开发用于创造“智能，计算机程序的理论和方法;它们的工作方式象人，而不是要把使用计算机的人类屈从计算机支配的、死板的工作方式。在类比的意义上，人类的智能被加到计算机程序上，它们就显示出更聪明的行为和更广泛的能力，例如，思维和推理，获取知识并把知识用

35、于解决今天的计算机不能解决的、更复杂和更困难的问题。专家系统是人工智能最成功的例子。面向一种专业的专家系统就象该专业领域的人类专家那样工作，对用户提出的问题提供建议。(从人类专家)抽取来的专业知识被组织在它的知识库中，准备好让使用者检索。现在，许多专家系统已可从市场购得，更多的专家系统正在开发中。知识工程是人工智能的另一课题。知识工程是为了研究怎样用程序模仿人类的的头脑，特别是，模拟人脑获取知识和应用知识的能力。换句话说，知识工程是要创造出能够学习，也就是靠它自己能扩大其知识贮存量的计算机。计算机视觉是人工智能的另一种应用。计算机视觉就是使用计算机去分析和评价视觉信息;换句话说，计算机能够看见

36、东西。计算机视觉系统能从，譬如说，照片、图画、影物等等的视觉信息中辨认或分辨那些在计算机程序中已确定地分类的物体，这种系统可以比人类的眼睛更有效地工作。例如，检查空中摄影图片以辨认特定的物体，例如，导弹、轰炸机、战舰，可以帮助战场上的总司令作出决定。教育可能是人工智能的另一种应用。与传统的CBT(计算机辅助训练)不同，人工智能的CBT能根据学生的知识、经验、强点与弱点调整教学。结果，人工智能的CBT比常规的CBT有效得多。UNIT 3A PLC概述许多不同的过程控制系统的自动化，如控制生产机械或工厂生产线，由被称为可编程逻辑控制器（PLC）的小型计算机完成。1968年，通用汽车公司首创PLC并

37、应用于汽车工业，并开发第一个PLC工程，用电子控制器替代硬接线的继电器系统。随着PLC的出现，工厂过程控制的集中化，尤其在汽车工业中，得到了大幅提高。 PLC 的架构 PLC是一个无盘的紧凑计算机，包含所有过程控制必需的软硬件。他们通常用于自动化控制应用（如闭环控制），可以独立存在，也可以连到分布I/O，其他PLC或者监控计算机。这些连接通过现场总线建立，如WorldFIP, PROFIBUS 或者 Ethernet. 典型的PLC包含： 电源； 程序运行的CPU ； 输入输出模块 ； 可选通信模块；可用IO模块支持很多电气接口： 模拟模块 (+/- 10V, +/- 1V, 4-20ma,

38、电阻,等.) ； 温度测量 (pt100, Ni 100, 等.)； 数字模块 (+/- 24V, 220V, 等.)； TTL 模块 (Beckhoff I/O 模块, 等.)； RS 232 模块 ； 其他 。图 3-3A-1 一个典型的PLC系统 这些模块可以连接到PLC的内部总线上，也可以通过总线连接器和现场总线单元（如PROFIBUS, WorldFIP or CAN）连接，并于其他PLC共享总线。用户的硬件很难和PLC内部总线直接连接。解决的方案是使用特定接口卡（如HMS的AnyBus卡）作为标准现场总线接口（如PROFIBUS, CAN, and WorldFIP）集成用户硬件。

39、现在，PLC提供基于以太网的通信。尽管基于TCP/IP 和 IEEE 802.2，每个厂商的PLC协议都不同。因此，默认情况下，不同厂商的PLC不能通过以太网交换数据。但是，施耐德的的PLC拥有接口库，可以用西门子PLC实现RFC1000，也可以使用OPC DX服务器，SCADA应用，或者特定通信接口卡，如APPLICOM one，作为网关。基于PLC的方案可以很好用于两层控制体系架构中，前端层独立于监控层。过程控制（输入输出，读出，闭环控制等）既不依赖于网络，也不依赖于远程电脑，它更为安全。PLC具有长期可用性，并得到支持：通常情况下，老的软硬件可以得到各自制造商的至少10年的支持。PLC

40、操作PLC使用制造商提供的特定操作系统。操作系统处理： CPU状态 (开始，停止，初始化, 等)； 用户程序的调用； 中断 ； 内存 ； 和编程设备和其他通信设备通信。PLC采用轮询的方式执行精确的循环。循环包括连续执行的三部分（如图3-3A-2所示）： 读输入状态，PLC内核读取所有输入模块，并把数值复制到内部输入内存区域； 执行用户程序状态，PLC内核访问所有PLC内存区域，执行用户程序。并把执行结果存贮在内部输出内存中； 写输出状态，PLC内核复制内部输出内存内容到输出模块。图 3-3A-2 西门子PLC扫描周期 除了循环，操作系统还管理中断（硬件中断、用户程序错误等）。用户程序（控制程

41、序）由供应商特定的开发环境生成，然后下载到目标CPU中。 它会保存在CPU的ROM中，即使掉电也不会丢失。通常，所有的PLC都有两种运行状态：运行和停止，由钥匙或者软件控制。上电时，PLC会根据事先设定进入运行或者停止状态。PLC 编程PLC程序的开发包括两个方面。定义硬件组态和生成用户程序源代码。硬件组态描述了模块（IO和通信）及其在PLC中安装顺序，IO的寻址也将根据这个顺序自动生成。源代码由供应商特定的集成开发环境生成。通常他们由一系列工具组成： 设置管理应用 ； 设置分配硬件参数； 设置总线和连接设备； 设置通信链路； 为PLC创建用户程序 ； 下载程序并测试。 用户程序可以用国际电工

42、委员会的IEC 1131-3推荐的五种语言中任何一种完成。IEC 1131-3是一个试图在一个国际标准之下涵盖PLC编程语言的世界标准。它通过对编程接口的标准化，协调人们看待工业控制的方式。包括用来构建程序内部组织的顺序功能图定义和其他四种内部操作语言：梯形图、功能框图、结构文本和指令表。前三种语言是图形化的，后两种是文本的。每个生产商都有自己的专用语言。通过模块化和变量的定义，每个程序都得以结构化和简化，增强了可用性。此外，IEC 1131-3定义了控制系统的组态方式。但是，在语言方面有些不同。源代码并非100%兼容。主要问题在于硬件寻址和PLC 内核（操作方式，如何处理中断，如何调用用户程

43、序等）。 大多数PLC 供应商属于PLCopen 组织，它是一个独立于生产商和产品的世界协会，致力于通过寻求IEC 1131-3开放软件开发标准，为PLC用户带来更多的价值。今天的 PLC随着PLC 技术的发展，编程语言，通信能力和其他很多性能都进一步提高。现在的PLC 提供了更快的扫描时间，更高效的利用内存空间，高密度的I/O系统和非传统设备直接连接到PLC的特殊接口。它们不但可以和其他控制系统进行通信，还具有执行报告功能，诊断自身、机器或过程的故障。通常用大小来对现在的PLC进行分类，它标志着适用的具体应用的特点和类型。小型化的，非模块化的PLC，也被称为固定IO的PLC，通常内存更小，适

44、合I/O数量不多的固定场合中。模块化PLC拥有背板或导轨，可以用来安装多个I/O模块，适用于更复杂的应用中。PLC具有如此多的优点，显而易见，它们已经成为一个工业标准，并将在未来继续它们的辉煌。B PAC新一代工业控制系统, 可编程自动化控制的未来随着许多厂商已生产出能结合PC功能和PLC可靠性的可编程自动化控制器（PAC），目前控制系统已逐渐开始采用PAC。本白皮书介绍PAC的起源以及它与PLC和PC的区别，并指出了使用PAC的工业控制未来发展方向。PAC将成为未来的工业控制方式和基于PC控制系统相比，有关PLC（可编程逻辑控制器）优势和劣势的激烈争论已经持续了十年。由于PC和PLC在技术上

45、的差别越来越小，并且随着PLC采用了商业化（COTS）硬件以及PC能采用实时操作系统，从而出现了一种新类型的控制器PAC。PAC的概念是由自动化研究机构 (ARC) 提出的，它表示可编程自动化控制器，用于描述结合了PLC和PC功能的新一代工业控制器。传统的PLC厂商使用PAC的概念来描述他们的高端系统，而PC控制厂商则用来描述他们的工业化控制平台。？在PLC被开发出来的三十年里，它经过不断地发展，已经能结合模拟I/O，网络通信以及采用新的编程标准如IEC 61131-3。然而，工程师们只需利用数字I/O和少量的模拟I/O数以及简单的编程技巧就可开发出80%的工业应用 。来自ARC、联合开发公司

46、（VDC）以及网上PLC培训资源PLC.net的专家估计： 77%的PLC被用于小型应用（低于128 I/O）； 72%的PLC I/O是数字的； 80%的PLC应用可利用20条的梯形逻辑指令集来解决。由于采用传统的工具可以解决80%的工业应用，这样就强烈地需要有低成本简单的PLC；从而促进了低成本微型PLC的增长，它带有用梯形逻辑编程的数字I/O。然而，这也在控制技术上造成了不连续性，一方面80%的应用需要使用简单的低成本控制器，而另一方面其它的20%应用则超出了传统控制系统所能提供的功能。工程师在开发这些20%的应用需要有更高的循环速率，高级控制算法，更多模拟功能以及能更好地和企业网络集成

47、。在八十和九十年代，那些要开发“20%应用”的工程师们已考虑在工业控制中使用PC。PC所提供的软件功能可以执行高级任务，提供丰富的图形化编程和用户环境，并且PC的COTS部件使控制工程师能把不断发展的技术用于其它应用。这些技术包括浮点处理器；高速I/O总线，如PCI和以太网；固定数据存储器；图形化软件开发工具。而且PC还能提供无比的灵活性，高效的软件以及高级的低成本硬件。然而，PC还不是非常适合用于控制应用。尽管许多工程师在集成高级功能时使用PC，这些功能包括模拟控制和仿真、连接数据库、网络功能以及和第三方设备通信，但是PLC仍然在控制领域中处于统治地位。基于PC控制的主要问题是标准PC并不是

48、为严格的工业环境而设计的。PC主要面临三大问题： 1.稳定性：通常PC的通用操作系统不能提供用于控制足够的稳定性。安装基于PC控制的设备会迫使处理系统崩溃和未预料到的重启。 2.可靠性：由于PC带有旋转的磁性硬盘和非工业性牢固的部件，如电源，这使得它更容易出现故障。 3.不熟悉的编程环境：工厂操作人员需要具备在维护和排除故障时恢复系统的能力。使用梯形逻辑，他们可以手动迫使线圈恢复到理想状态，并能快速修补受影响的代码以快速恢复系统。然而，PC系统需要操作人员学习新的更高级的工具。尽管某些工程师采用具有坚固硬件和专门操作系统的专用工业计算机，但是由于PC可靠性方面的问题绝大多数工程师还是避免在控制

49、中使用PC。此外，在PC中的用于各种自动化任务的设备，如I/O、通信、或运动可能需要不同的开发环境。因此那些要开发“20%应用”的工程师们要么使用一个PLC无法轻松实现系统所需的功能，要么采用既包含PLC又包含PC的混合系统，他们利用PLC来执行代码的控制部分，用PC来实现更高级的功能。因而现在许多工厂车间使用PLC和PC相结合的系统，利用系统中的PC进行数据记录，连接条码扫描仪，在数据库中插入信息以及把数据发布到网上。采用这种方式建立系统的主要问题是该系统常常难以构建，排除故障和维护。系统工程师常常被要结合来自多个厂商软硬件的工作所困扰，这是因为这些设备并不是为了能协同工作而设计的。构建更好

50、的控制器由于没有适合的PC或PLC解决方案，那些需要开发复杂应用的工程师就和控制厂商密切合作开发新的产品。他们需要新产品能结合PC的高级软件功能和PLC的可靠性。这些重要用户为PLC和基于PC控制的公司提供了产品开发指导。实现软件的功能不仅需要有高级的软件，而且控制器的硬件功能也需要有所提高。由于世界范围内对PC部件的需求在下降，所以许多半导体厂商开始为工业应用重新设计他们的产品。目前控制领域的厂商已开始在工业控制产品中使用工业化浮点处理器、DRAM、固态存储器如CompactFlash以及快速Ethernet芯片。这使得厂商能利用基于PC控制系统的灵活性和可用性来开发更为强大的软件，而且该P

51、C控制系统还可运行实时操作系统以保证可靠性。这种新的控制器是为解决“20%”的应用问题而设计的，它结合了PLC和PC两者的优点。ARC的工业分析家把这种设备称为可编程自动化控制器，即PAC。在ARC的“可编程逻辑控制器世界概览”研究中，他们给出了PAC的五个主要特性。这些控制器特性是通过定义软件的能力来实现其功能的。 “多功能性，在一个平台上有逻辑、运动、PID控制、驱动和处理中的至少两种以上功能。”除了为了实现特殊的协议如SERCOS要对I/O做一些改进；而且软件还能提供逻辑、运动、处理和PID的功能。例如，运动控制作为软件控制循环，它能从正交编码器上读取数字输入，执行模拟控制循环并输出控制

52、设备的模拟信号。 “单一的多规程开发平台 使用通用标签和单一的数据库来访问所有的参数和功能。”由于PAC是为更为高级的应用如多功能而设计的，他们需要更为高级的软件。为了能高效地设计系统，软件必须是单一的集成化软件包，而不是多种分离的软件工具，这些软件工具在工程上不能无缝地协同工作。 “通过结合IEC61131-3，用户向导和数据管理，软件工具能设计出在跨越多个机器和处理单元的处理流程。”简化系统设计的另一方面是具有高级的图形化开发工具，利用该工具可以使工程师很轻松地把处理的概念转变为能实际控制机器的代码。 “开放的模块化构架 能解决的工业应用可从控制分布于工厂机器到加工车间的操作单元。”由于所

53、有的工业应用都需要有高度的定制特性，所以硬件必须是模块化的以便工程师们可以选择合适的部件。而且，软件也必须能让工程师增加和拆除模块以设计出所需的系统。 “采用已有的网络接口标准，语言等，如TCP/IP，OPC&XML和SQL查询语言。”能和企业的网络通信对于现代化控制系统是非常关键的。尽管PAC包含有以太网接口，但是为了要把设备和工厂其它系统无问题地集成在一起，通信软件是至关重要的。两种不同的软件解决方案一方面软件是PAC和PLC主要的区别，而另一方面厂商在提供高级软件的方式上也有所不同。通常他们以目前已有的控制软件作为起点，不断增加PAC编程所需的功能、可靠性和易用性。一般说来，有两种提供P

54、AC软件的方式：基于PLC控制的软件和基于PC控制的软件。 基于PLC概念的软件方案 传统的PLC软件厂商以可靠且易用的扫描式架构软件为起点，并逐渐增加新的功能。PLC软件根据通用模型而建立：输入扫描，控制代码运行，输入更新，以及常规功能执行。由于输入循环，输出循环和常规循环都是隐藏的，所以控制工程师只需关注控制代码的设计。由于厂商已完成了大部分工作，这种严格的控制架构使得建立控制系统更为容易和快速。这些系统的严格性也能让控制工程师在开发可靠的程序时无需深入了解PLC的底层操作。然而，作为PLC主要优势的这种严格的扫描式构架也导致其灵活性的欠缺。绝大多数PLC厂商通过在已有的扫描式架构中增加新

55、的功能来建立PAC软件，这些新功能包括以太网通信，运动控制和高级算法。然而，通常他们会保留PLC熟悉的编程方式以及其在逻辑和控制方面固有的特点。因此这种PAC软件通常是为了适合特殊类型应用而设计的，如逻辑，运动和PID，但是对于定制的应用则缺乏灵活性，如通信、数据记录或定制的控制算法。基于PC概念的软件方案 传统PC软件厂商以非常灵活的通用编程语言为起点，能提供对硬件的深层次访问。该种软件也具有可靠性、确定性以及预设的控制架构。尽管工程师能为PLC编程人员建立起扫描式构架，但是它并不是基于PC的软件所固有的。这些使得PC软件极为灵活，非常适合那些需要高级的架构、编程技巧或者系统级控制的复杂应用

56、，但却使本应简单的应用复杂化。 这些厂商首先要能提供通用操作系统如Windows所不具备的可靠性和确定性。它们可以通过采用实时操作系统（RTOS）如来自Ardence的Phar Lap或Wind River的VxWorks来实现。这些RTOS能控制系统的各个层面，从I/O读写速率到控制器上各个线程的优先级。然后为了使工程师能更为容易地开发出可靠的控制程序，厂商增加了抽象层和I/O读写架构。因而这种灵活软件非常适合于定制控制，数据记录和通信，但舍弃PLC编程架构的代价是使程序的开发难度增加。UNIT 4A 单片机基础单片机是本世纪两大引起争论的重大发明创新即数字计算机与集成电路发展的顶点。单片机

57、有这样两种结构类型。一些使用了哈佛结构的分离的程序/数据存储器，如图3-4A-1。另一些被通用计算机和微处理器广泛采用的是普林斯顿结构，遵循在程序存储器与数据存储器之间没有逻辑区别的原理，如图3-4A-2。概括地讲，单片机的特征是将计算机的所有部件都合并到一个单一的装置上，如图3-4A-3。图3-4A-1 哈佛类 图3-4A-2 传统的普林斯顿计算机 图 3-4A-3 微计算机的主要特征 只读存储器（ROM） ROM通常用于永久的、不易变的应用程序的存储。许多微计算机和微控制器要有大量应用场合，因此这些设备的生产要求在制造过程中，程序存储器中的内容要保证长久不变。显然，由于在生产后不能产生变化

58、，因此这意味着要有一个ROM代码开发的严格的方法。这一开发过程不仅包括利用其硬件仿真能力的复杂开发系统的仿真，还包括强大的软件工具的应用。一些生产商提供了包括带用户可编程存储器范围内设备的附加ROM可选项。其中最简单的设备是在微处理器模式下运算，把一些输入/输出线用作地址和数据总线来访问外部存储器。虽然带有限定I/O和改进的外部电路，但这种类型的设备能够像单片机派生的功能那样工作。这些无ROM设备的应用在生产电路中通常是偶数，其容量不能调整、定制的单片ROM的开发成本；但与传统的基于电路的微处理器相比，在I/O和其他芯片上仍有很大的节省。ROM设备的更精确的替代可通过不同形式的带有背页式EPR

59、OM（可擦写编程ROM）插座或由EPROM取代ROM的设备而获得。这些设备本质上比相等的ROM设备要昂贵，但确实提供了完全等效的电路。带EPROM的设备时少量的应用场合具很大诱惑，它们可提供单片设备的优点，单片I/O，等等，以及灵活的用户编程的方便性。 读/写存储器（RAM） RAM是用于程序执行过程中对对工作变量和数据的存储。存储器的大小随设备的类型而变，但它与处理器有相同的特征宽度（4，8，16位等）。特殊功能寄存器，例如栈指针或定时寄存器通常合并到RAM区。在哈佛类型的微计算机中，RAM和寄存器常常没有实际分离，因此在一个微处理器系统情况下，没有必要把RAM和处理器寄存器区分开。 中央处

60、理单元（CPU） CPU更象任何一种微处理器。微计算机和微控制器的许多应用包括BCD码的处理（例如，数据显示），因此，普遍发现CPU能很好地处理这一类型的数据。由于许多控制器的应用包括开或关单个输出线或读取单个线，因此对测试、设定和复位存储器或I/O的独立的位，它们通常也是很好的设备。这些线很容易与双套设备来接口，例如：开关，恒温器，固态继电器，阀，电动机，等等。并行输入/输出 ？串行输入/输出 具有终端设备的串行通信通用的方法是用少量的线进行连接。这种通信业可开发用于连接特殊功能的芯片或将几个微计算机连在一起。公用异步和同步通信系统要求协议能提供成帧（开始和停止）信息。这可由硬件设施或U(S

61、)ART（通用（同步）异步接收/发送器）来使处理器从低电平、占时、细目中解脱出来。仅需选择一个波特率和其他可能的选项（停止位的数目，奇偶检验，等等）以及装载（或读取）串行发送器（或接收器）的缓冲区。相应格式的串行化再由硬件电路来完成。 定时器/计数器设备单片机的许多应用技术要求有精确估计所经过的时间。这可经仔细评定程序每一分支的执行时间来确定，但这很快会变为全部无效，除了最简单的程序。较合人意的方法是，用定时电路来精确独立计算精确的时间增量，经过一段预定时间后，产生一个中断。这种类型的定时器通常被安排去预载所要求的计数值。然后，定时器减小这一数值，当计数器减小为0时，产生一中断或设置一个标志。

62、较好的定时器有自动再加载初始计数值的能力。这使程序员从再加载计数器和存取定时器再启动前所经过的时间的责任中解脱出来。如果需要连续精确的定时中断，否则，这是必要的（例如，在一个时钟内）。有时与定时器相关的是事件计数器。这一设备通常有一特殊输入针，它可直接驱动计数器。 定时元件大多数微计算机的时钟电路只需要简单的定时元件。若要达到最大性能，必须用一个晶体来保证达到最大时钟频率，而不是超过。许多时钟电路也把电阻和电容用作低成本定时元件或由外部源来驱动。如果微计算机的外部需要同步的话，这后一种方案是很有用的。B 了解数字信号处理器和它的用途数字信号处理器（名词）数字信号处理器是一种超高速单片计算机,它

63、已被优化以用于一些现实信号如语音、视 频、音乐等等的实时检测、处理和产生。它通常在一块单芯片或一块集成电路的一部分中实现,大小大约是0.5-4cm2 ,价格在3-300美元之间,在每台移动电话、MP3播放器和大多数汽车上都有它。 与之比较,微处理器(我们可能都比较熟悉的术语)是一个传统意义上能力很差的计算机,它在后台执行任务,常常控制其他设备一例如键盘入口、中央供热、洗衣机的旋转等等。说到这里,一块奔腾3芯片与其说是一个DSP 不如将其归类到微处理器系列去,然而它以超过1GHz 的速度运行,这不能说能力很差。当前,微处理器和数字信号处理器两者的任务界限已经变得模糊了-也许协同工作会更好.现在很多所谓的数字信号处理器有微处理器的功能,而许多所谓的微处理器在工作时又有数字信号处理器的功能。要按应用来分辨DSP与微处理器可能不是最好的方法。实际上,它们两者主要的不同存在于它们的内部芯片结构。DSP 器件对高速、高精确度的乘法进行了特殊的优化。 数字信号处理（动词）