计算机控制系统软件

1、第7章 计算机控制系统软件l 本章的教学目的与要求了解计算机软件的基础知识，操作系统，掌握数据结构和数据库的概念及应用。l 授课主要内容l 计算机控制软件概述l 操作系统l 数据结构l 计算机控制系统中的数据库l 主要外语词汇Data Structure:数据结构，Operating System(OS):操作系统，Embedded Operating System(EOS):嵌入式操作系统，Structured Query Language(SQL):结构化查询语言l 重点、难点及对学生的要求说明：带“*”表示要掌握的重点内容，带“*”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“”表

2、示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容l 计算机控制软件的分类和功能*l 操作系统的分类及特点*l 数据结构的概念及特点*l 计算机控制系统中数据库*l 辅助教学情况多媒体教学课件（POWERPOINT）l 复习思考题l 计算机控制软件的分类和功能l 操作系统的分类及特点l 数据结构的概念及特点l 计算机控制系统中数据库l 参考资料刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义与其他计算机应用系统一样，计算机控制系统也分为硬件和软件两部分组成。只有计算机硬件的计算机叫裸机，它不能执行任何功能，只是计算机控制系统的设备基础；软件则是计算机控制系统的核心，计算机只有在配备了所需的各种软件后，

3、才能展现出令人眩目的多功能的光彩，也只有通过软件和硬件的相互配合，才能将各种控制策略、控制算法和控制目标得以实现，才能充分发挥计算机的优势，使计算机控制系统具有更高的性价比。7.1 计算机控制软件概述软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，数据及其相关文档的完整集合；程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是使程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发，维护和使用有关的图文材料。计算机控制软件是计算机控制系统中非常重要的部分。7.1.1 计算机软件基础计算机软件根据功能可以分为系统软件、支撑软件和应用软件三类。7.1.2 计算机控制系统软件功能在软件功能上，控

4、制软件一般具有以下功能： 实时数据采集：采集现场控制设备的数据，过程控制参数；控制策略：为控制系统提供可供选择的控制策略方案；闭环输出：在软件支持下进行闭环控制输出，以达到优化控制的目的；报警监视：处理数据报警及系统报警；画面显示：使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来；报表输出：各类报表的生成和打印输出；数据存储：存储历史数据并支持历史数据的查询；系统保护：自诊断、掉电处理、备用通道切换和为提高系统可靠性和维护性所采取的措施；通信功能：各控制单元间、操作站间、子系统间的数据通信功能；数据共享：具有与第三方程序的接口，方便数据共享；根据上述性能，衡量一个过程控制系统软件性能优劣的主

5、要指标是：系统功能是否完善，能否提供足够多的控制算法（包括若干种高级控制算法）。系统内各种功能能否完善地协调运行，如进行实时采样和控制输出的同时，又能同时显示画面，打印管理报表和进行数据通信操作。人机接口是否良好，要有丰富的画面和报表形式，较多的操作指导信息。另外操作要方便、灵活。系统的可扩展性能如何，即是否能不断地满足用户的新要求和一些特殊的需求。7.2 操作系统操作系统(OS：Operating System)是建立在计算机硬件之上的一层软件，如图7.1所示。它行使着两种基本的职能：提供计算机与用户的借口，管理计算机系统的资源。虽然操作系统已存在几十年了，但至今尚未有一个被普遍接受的精确定

6、义。通常的定义是：操作系统是以控制和管理计算机系统资源、方便用户使用计算机的程序的集合。在进行计算机控制系统设计时应根据用户、网络、现场等情况选择使用恰当的操作系统。图 7.1 计算机软件组成示意图7.2.1 操作系统的分类按机型分：大型机、中、小型机和微型机操作系统。按用户的数目分：单用户和多用户。按功能特征分：批处理操作系统、实时操作系统、分时操作系统。按照应用模式分：嵌入式操作系统和通用操作系统，我们通常提到的操作系统一般是指通用操作系统。7.2.2 操作系统的功能操作系统主要具有以下五大管理功能1进程管理2处理机管理（CPU管理）3存储管理 4设备管理 5文件管理 7.2.3 常见操作

7、系统下面按照操作系统开发商对常见操作系统作以简单介绍：1Windows类2NetWare类3UNIX系统4Linux5Palm OS7.3 数据结构7.3.1 什么是数据结构数据元素（Data Element）是数据的基本单位。数据结构（Data Structure）指的是数据之间的相互关系，即数据的组织形式。虽然至今没有一个关于数据结构的标准定义，但它一般包括以下三方面的内容：l 数据元素之间的逻辑关系，也称为数据的逻辑结构（Logical Structure）l 数据元素及其关系在计算机存储器内的表示，也称为数据的存储结构（Storage Structure）l 数据的运算，即对数据施加的

8、操作。数据的逻辑结构是从逻辑关系上描述数据，它与数据的存储无关，是独立于计算机的，因此，数据的逻辑结构可以看作是从具体问题抽象出来的数学模型。数据的存储结构是逻辑结构在存储器里的实现（亦称为映像），它是依赖于计算机的。按照以上描述，我们可以将数据结构定义为：按某种逻辑关系组织起来的一批数据，按一定的存储表示方式把它们存储在计算机的存储器中，并在这些数据上定义了一个运算的集合，就叫做一个数据结构。7.3.2 数据结构分类一般情况下，我们常常将数据的逻辑结构简称为数据结构，数据的逻辑结构有两大类：l 线形结构l 非线形结构数据的存储结构有以下四种基本的方法：l 顺序存储方法l 链接存储方法l 索引

9、存储方法该方法通常是在存储结点信息的同时，还建立附加的索引表。索引表中的每一项称为索引项，索引项的一般形式是：（关键字，地址），关键字是能唯一标识一个结点的那些数据项。l 数列存储方法7.3.3 算法描述因为数据的运算是通过算法描述的，所以讨论算法是数据结构的重要内容之一。算法是由若干条指令组成的有穷序列，它必须满足下述准则：输入：具有0个或多个输入的外界量，它们是算法开始前对算法最初给出的量。输出：至少产生一个输出，它们是同输入有某种关系的量。有穷性：每一条指令的执行次数必须是有限的。确定性：每条指令的含义都必须明确，无二义性。可行性：每条指令的执行时间都是有限的。7.3.4 线性表的定义和

10、运算线性表抽象地描述为：图7.2 栈的存取示意图a1a2.an栈顶栈底进栈退栈线性表（Linear List）是n（n0）个数据元素（结点）a1，a2，an 组成的有限序列。其中数据元素的个数n定义为表的长度。当n = 0时称为空表，常常将非空的线性表（n0）记作（a1，a2，an），这里的数据元素ai（1in）只是一个抽象的符号，其具体含义在不同的情况下可以不同。线性表最常见的运算有如下几种：(1) 置空表(2) 求长度(3) 取（或确定）表中的第i个结点(4) 按值查找(5) 插入(6) 删除7.3.5 栈的定义和运算栈是一种特殊的线性表，它的逻辑结构和线性表相同，只是运算规则较线性表有更

11、多的限制，故又称它为运算受限的线性表。栈是限制仅在表的一端进行插入和删除运算的线性表。通常称插入、删除的这一端为栈顶（Top），另一端称为栈底（Bottom）。当表中没有元素时称为空栈。栈的基本运算有五种：(1) 置空栈(2) 判栈空(3) 进栈(4) 退栈(5) 取栈顶7.3.6 队列的定义和运算队列也是一种运算受限的线性表。它只允许在表的一端进行，而在另一端进行删除。允许删除的一端称为队头，允许插入的一端称为队尾。队列同现实生活中购物排队相仿，新来的成员总是加入队尾（即不允许“加塞”），每次离开的成员总是队列头上的（不允许中途离队），即当前“最老的”成员。换言之，先进入队列的成员总是先离开

12、队列，因此队列亦称作先进先出（First In First Out）的线性表，简称为FIFO表。 图7.3 队列的存取示意图 队列的基本运算有以下五种：(1) 置空队(2) 判队空(3) 取队头元素(4) 入队(5) 出队7.4 计算机控制系统中的数据库在计算机控制系统中，系统采集了许多数据，系统需要对数据进行计算、分析、保存和查询等处理，这些功能的实现需要由数据库管理系统来完成。7.4.1 数据库系统的定义一个数据库系统要包括四个主要部分：数据、硬件、软件和用户。7.4.2 数据库系统的主要特征1. 数据结构化2. 较少的数据冗余度3. 避免不相容性4. 数据共享5. 保持数据完整性6. 数

13、据独立性7.4.3 数据库体系结构的三级模式依照美国国家标准学会（ANSI）所属标准计划和标准化报告（ANSI/SPARC报告），可把数据库分为三级，它们分别是：外模式、概念模式和内模式。7.4.4 数据模型1. 数据模型的定义目前的数据模型大致可分为两类：一类是独立于任何计算机实现的，如实体-联系模型（E R 模型），语义网络模型等等，这类模型完全不涉及信息在计算机系统中的表示问题，只用来描述某个特定的信息结构，因此常又称作是信息模型或概念模型。此类模型在数据库设计中较为常用。另一类是直接面向数据库中数据的逻辑结构，又称为基本数据模型或结构数据模型。目前使用最为广泛的基本模型有网状模型、层次

14、模型和关系模型三种。数据模型的功能主要有以下功能：l 数据内容的描述l 实体间联系的描述l 数据语义的描述2. 关系模型关系数据模型是一种表格数据模型，在关系数据模型中仅有的数据结构就是关系。这里，关系的定义与数学中关系的定义相同，其差别是数据库关系是随时间变化的，也即元素将被插入、删除和修改。关系数据库的定义是由一组关系组成的，关系用关系模式联系。每个关系模式由关系名和它对应的域名组成。在给定的关系中，有这样一个或一组属性，它在不同元组中的值是不同的，利用这个值可以把关系中的一个元组和其他元组区分开来，具有这样性质的属性称为关键字属性。关系中，可以唯一标识元组值的属性可能不止一个，这些具有唯

15、一性的属性统称为侯选关键字，被选做键的属性称为主关键字。一个关系数据库中的关系，应具备如下性质：(1) 行序无关(2) 列序无关(3) 规范化(4) 实体完整性规划(5) 引用完整性规划3. E R 模型设计为把复杂的现实世界中的问题抽象到简单规整的机器世界中，人们使用数据模型这种强有力的抽象工具，E R 模型是众多数据模型中的一种，它是由美国加州大学Peter Chen 教授于1976年提出的，被普遍认为是用于数据库设计的较好模型。在E R 模型中，现实世界中的每个事物都被看作是一个实体（Entity）。实体可以是具体的人和物，也可以是抽象的表格单据。同类实体的集合被看作是实体型（Entit

16、y Type）。实体由其所具有的特征，或称为属性（Attribute）描述。同一实体型中的实体具有相同的一组特征。实体并不是孤立地存在于现实世界中的，实体与实体之间存在着一定的联系。这种联系可以分为三种：第一种是1：1的联系，它描述一个实体仅与另一个实体相关。第二种是1：n的联系，它描述一个实体与多个实体间的相关性。第三种是n：m的联系，它描述两个实体型之间多个实体间的相互关系。E R 模型可以用E R 图的方式描述对现实世界抽象的模拟结果。E R 图由矩形、菱形和椭圆以及他们之间的连线构成。在E R 图中，矩形表示实体型，对应的实体型名称写在矩形框中；菱形表示实体型之间的联系，其联系名写在菱

17、形框内，并且用连线将相关的实体连接起来，在连线的旁边还要注明联系的类型；椭圆表示属性，其属性名写在椭圆中，与相关的实体型或联系型间用连线相连。(1) 使用E R 模型设计数据库的步骤是：(2) 首先确定要求解的应用的实体型；(3) 确定实体型之间的联系及其联系类型；(4) 确定实体型和联系型的属性；(5) 画出局部应用的E R图；(6) 将局部E R图综合为全局E R图；(7) 优化全局E R图；(8) 设计逻辑数据库；(9) 编码，调试。7.4.5 逻辑数据库设计在进行数据库设计时，存在规范化化理论用来指导数据库设计，即数据库范式（NF），存在五个范式：1NF：表中的每个字段只能包含一种数据

18、类，每个数据只在一个地方保存。1NF也称原子数据要求，即每个字段是不可分割的，象原子一样。1NF告诉我们一个字段中不要放多个数据。破坏1NF的情况：l 一个字段中堆放相关数据。如供应商字段既放供应商名又放供应商地址。应分解为多个字段。l 重复字段。如订单表中有这些字段商品编号1，数量1，商品编号2，数量2，商品编号3，数量3，等等。 2NF：在1NF的基础上，包含一个且只有一个实体的数据。不能有嵌套实体。或者说每个非键列都依赖于全键列，没有不完全相关，要完全相关。 3NF：在2NF的基础上，所有非键列应直接依赖于主键列，而不是其他非键列如计算字段。或者说每个表只包含一件事的信息，不要包含多个事实的信息。 4NF：一组相关实体之间存在相关性时，要将这种关系确切表示出来，而不要隐含与一个表中。如一个表中隐含有某种关系，应将这种关系用一个表明确表示出来。 5NF：分解为两个表会丢失信息，但可以分解为多个表而不会丢失信息。如果不符合前面几个范式时，都是将一个表分解为两个表。7.4.6 结构化查询语言结构化查询语言，Structured Query Language, 简称SQL。1. SQL语言性质(1) SQL语言是一种关系数据库语言，提供数据的定义、查询、更新和控制等功能。(2) SQL语言不是一个应用