第三章思考题与习题

1、第三章 思考题与习题3.1 工业控制计算机有什么主要特点？有哪几种主要类型？答：工业控制计算机简称工控机，是为满足工业生产过程的数据采集、监测与控制等要求而设计的一类计算机的总称，它通常采用开放式总线结构，将各种过程通道做成相应的模板或模块，以便与工业现场的各种传感器及执行机构直接连接，并配有功能齐全的控制软件。目前，工业控制计算机不但用于工业生产的过程控制，而且也直接参与生产调度管理，从而使工业自动化在就地控制、集中控制的基础上，向综合自动化方向发展。它与通用计算机相比有许多不同点，其主要特点有：（1）可靠性高 工业生产过程大部分是连续不间断的，在运行期间不允许停机检修，一旦发生故障将导致质

2、量事故甚至是生产事故。因此，它要求故障率低、维修时间短，可靠性高。（2）实时性好 工业控制计算机主要用于实时控制与检测，它必须满足实时性。（3）环境适应能力强 工业现场环境恶劣、电磁干扰严重等，这要求它具备抗电磁干扰、防振、防潮、耐高温等性能，可实现各种恶劣环境下控制系统的可靠运行。（4）输入和输出模板配套好 工业控制计算机应具有良好的过程通道，以满足生产控制要求。（5）系统通信功能强 工业控制计算机应具有较好的串行通信和网络功能，以构成较大的计算机控制下图，如现场总线控制系统、DCS分布控制系统、CIMS综合自动化系统等等。（6）系统开放性和扩充性好 要求系统在软件和硬件上具有开放性，以便于

3、系统扩充、异种机连接、软件升级、移植和互换等。（7）控制软件包功能强 以适应生产过程控制的各种要求。（8）后备措施齐全和具有冗余性 应具备系统冗余或双机工作等方式，以满足生产实际要求。其主要类型有：3.2 何为总线？何为总线标准？答：总线是连接一个或多个部件的一组电缆的总称，通常包括地址总线、数据总线和控制总线。总线的特点在于公用性和兼容性，它能同时挂连多个功能部件，且可互换使用。 如果是两个部件之间的专用信号连接线，就不能称为总线。总线标准是指芯片之间、模板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时，应遵守的一些协议与规范。总线标准包括硬件和软件两个方面，如总线工作时钟频率、总线信号线定义

4、、总线系统结构、总线仲裁机构与配置机构、电气规范、机械规范和实施总线协议的驱动与管理程序。通常说的总线，实际上指的是总线标准。 3.3 何为接口？何为接口标准？总线标准与接口标准有何特点?答：3.4 总线有哪几种形式？答：1根据总线不同的结构和用途分类 （1）专用总线。只实现一对物理部件间连接的总线称为专用总线，可同时完成收发。 （2）非专用总线。非专用总线可以被多种功能或多个部件所共享，所以也称之为共享总线，可分时复用。 2根据总线的用途和应用环境分类 （1）局部总线。又称为芯片总线。它是微处理器总线的延伸，是微处理器与外部硬件接口的通路。它是构成中央处理机或子系统内所用的总线。局部总线通常

5、包括地址总线（用于传递地址信息）、数据总线（用于传递数据信息）和控制总线（包括控制、时序和中断信号线，用于传递各种控制信息，决定了总线的性能好坏）三类。 （2）系统总线（内部总线（Internal Bus)用于计算机内部模块（板）之间通信） 。由于微处理器芯片总线驱动能力有限，所以大量的接口芯片不能直接挂在微处理器芯片上。系统总线又称内总线和板级总线，即微型计算机总线，用于各微处理机之间、模块之间的通信，可用于构成分布式多机系统，如STD总线、PC总线等。 （3）外总线。又称为通信总线，用于计算机之间或计算机与其它智能仪器仪表间的通信。外总线通常通过总线控制器挂接在系统总线上，外总线如图3所示

6、。常用的外总线有：连接智能仪器仪表的IEEE-488通用接口总线、RS-232C、RS-422、RS-485、USB串行通信总线等。3根据总线传送信号的形式分类 （1）并行总线。如果用若干根信号线同时传递信号，就构成了并行总线。并行总线的特点是能以简单的硬件来运行高速的数据传输和处理。 （2）串行总线。串行总线是按照信息逐位的顺序传送信号。其特点是可以用几根信号线在远距离范围内传递数据或信息，主要用于数据通信。 上面提到的系统总线和局部总线均属于并行总线范畴。而现场总线(Fieldbus)则是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络。3.5 STD是什么总线？有

7、何特点？答：STD总线是内部总线（板机总线），是在计算机系统内连接各插件板的总线。由Matt Biewer研制，1978年由美国Pro-Log公司和Mostek公司首先作为工业标准而制定的8位工业I/O总线，以及随后发展的16位总线，统称为STD80。1987年正式成为IEEE961标准。STD总线采用同步方式进行数据传输。STD总线的特点：56根并行总线，采用小模板结构, 尺寸为165114mm模块化的总体设计布局开放式的系统结构拥有丰富的I/O功能模板的小尺寸设计, 减少冲击和震动的影响特别适合用来组建小型自动控制系统STD总线的信号分配56根并行总线都有明确的定义，按功能可分为五大类(1

8、)逻辑电源线6根(引线16) (2)数据总线8根(引线714)(3)地址总线16根(引线1530)(4)控制总线22根(引线3152)(5)辅助电源线4根(引线5356)在制定STD总线标准时以多种微处理器作为背景，许多类型的CPU引脚信号不必经过多少逻辑变换就可以于STD总线连接，所以其总线接口简单可靠，且对地址和数据线采用复用技术既可用于8位系统也可用于16位系统，系统地址空间可达16MB，同时，设置有多种等级的电源，如5V、12V，以及多条地线，给多种类型的模板提供电源，特别适合于高精度模拟量输入输出电路综上所述，STD总线具有良好的抗干扰、防振动、抑操声的性能，接口简单，适应性强，简单

9、易学，容易普及并支持多微处理机系统。3.6 PC系列总线包括哪几种？答：PC系列总线 是以8088/8086为CPU的IBM/XT及其兼容机的XT62总线基础发展起来的，从最初的XT总线到PCI局部总线、以及最新的PCI Express总线。包括：（1）ISA总线即AT总线,是在XT总线基础上扩充设计的16位总线其寻址空间最大16MB，操作速度为8MHz，数据传输速率为16MB/s。（2）EISA总线（Extend ISA）是32为总线，支持总线主控，其数据传输速率可达32MB/s。（3）VL总线也称VESA Lacal总线，它是局部总线（local Bus）标准，是ISA总线的简单扩展，可以

10、与ISA或EISA总线同时使用。由通过ISA总线进行的数据交换改为CPU总线直接进行，传送速度与CPU一致，局部总线设备可直接连接到处理器总线，并以处理器的时钟速率运行。（4）PCI（外部设备连接接口）总线， PCI(Peripheral Component Interconnect)是美国SIG(Special Interest Group of Association for Computer Machinery)集团推出的64位总线。该总线的最高总线频率为33MHz，数据传输率为80Mby/s(峰值传输率为133Mby/s)（5）PCI Express总线是在PCI基础上发展起来的第3代

11、内部总线，解决了PCI总线的带宽问题目前工业PC机大多采用ISA总线（AT总线）或PCI总线3.7 PCI总线有何特点？答：PCI总线的特点及系统结构它是一种兼容性很强、功能齐全的计算机总线。可同时支持多组外围设备，且不受制于处理器，为CPU及外围设备高性能、高吞吐量、低延迟的数据通道。PCI支持5V及3.3V的通信环境，其主要特点有：传输速率高。数据宽度是32位（64位），总线时钟33MHz（66MHz），最大传输速率为132MB/s（264MB/s）采用总线主控和同步操作。主控可让智能外围设备暂时接管总线，以加速执行高吞吐量、高优先级的任务。同步操作功能可保证微处理器与执行主控者的同时操作

12、，无需等待后者完成任务再操作。PCI执行与CPU异步工作。PCI总线的工作频率固定为33MHz（66MHz），与CPU的工作频率无关，因此，PCI总线不受微处理器控制。 低成本、高效益。PCI的芯片将系统功能高度集成，节省了逻辑电路，占用较小的电路板空间。PCI部件采用地址/数据线复用，使PCI部件用以连接其他部件的引脚数较少。软件兼容性好。由于PCI的设计是辅助现有的扩展总线标准，因此它与ISA、EISA及MCA总线在软件上完全兼容，使用户的先前投资得到保证。PCI总线是一种高性能32/64位地址数据复用总线。在高度集成的外围控制器件、外围插件板和处理器/存储器之间作为互连机构应用。在一个P

13、CI系统中，可做到高速和低速外围设备共存，PCI总线与ISA/EISA总线共存。3.8 PCI总线信号分哪两类？答：在PCI应用系统中，取得总线控制权的设备称为“主设备”，而被主设备选中进行通信的设备称为“从设备”或“目标设备”。相应的接口信号线通常分为必备的和可选的两大类。若只作为目标设备，至少需47条接口信号线，若作为主设备，则需要49条。利用这些信号线可处理数据、地址，实现接口控制、仲裁以及系统功能。3.9 PCI总线定义了哪3种物理地址空间？其中配置空间有何作用？答：PCI总线定义了3种物理地址空间：内存地址空间、I/O地址空间和配置空间。前两者为通常意义的地址空间。PCI总线配置空间

14、的目的是提供一个合适的配置设备集合，使其满足当前和未来系统配置特性的需要。配置空间是一个容量为256B并具有特定纪录结构的地址空间，该空间分为头标区和设备相关区两部分。软件必须使用I/O，通过内存的存取来访问设备配置空间。其结构如图3.10 简要介绍PCI总线数据传输的基本操作规则（协议）。答：PCI总线的基本操作规定（协议）：基本的总线传输机制：一次突发传输包括一个地址期和一个或若干个数据期。除RST#、INTA#INTD#之外的所有信号都是在时钟的上升沿被采样。PCI总线上数据传输基本上都由FRAME#，IRDY#，TRDY#三条信号线控制。 当FRAME#和IRDY#都无效时，接口处于空

15、闲状态。FRAME#信号建立后的第一个时钟前沿是地址期，在这个时钟前沿上传送地址和总线命令。下一个时钟前沿开始一个或若干个数据期，IRDY#，TRDY#同时有效时，所有时钟前沿进行一次数据传输。 无论是主设备还是目标设备，一旦承诺了数据传输，就要进行到本次传输完成。FRAME#撤销而IRDY#建立，表示主设备准备好了最后一次数据传输，等到目标设备发出TRDY#信号，就标志着最后一次传输完成。 3.11 Compact PCI总线与PCI总线有何共同点与不同点？答：3.12 RS-232C和RS-485是什么总线？试对两者进行对比。答：RS-232C和RS-485是外部总线。主要用于计算机系统与

16、系统之间或计算机系统与外部设备之间的通信。 RS-232C串行总线是国际电子工业学会正式公布的串行总线标准，也是在计算机系统中最常用的串行接口标准，用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的同步或异步通信。采用RS-232C作为串行通信时，通信距离可达12m，传输数据的速率可任意调整，最大可达20kbps。 现在的计算机一般至少有两个RS232串行口COM1和COM2，通常COM1使用的是9针D形连接器，而COM2使用的是老式的DB25针连接器RS-232C的电气线路连接方式如图。接口为非平衡型，每个信号用一根导线，所有信号回路公用一根地线。信号速率限于20Kbit/s内，电缆长度限于15

17、m之内。由于是单线，线间干扰较大。其电性能用12V。注意：RS-232C采用负逻辑 在数据线TXD和RXD上：逻辑高电平为-3V-15V，逻辑低电平为+3V+15V；在控制线和状态线RTS、CTS、DSR、DTR和DCD上：信号有效电平为3V15V，信号无效电平为-3V-15V。 RS232C逻辑状态定义的正负电压范围与TTL高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够使计算机接口与终端的TTL器件连接，必须在RS232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系变换。RS-232C既是协议标准又是电气标准，它描述了在终端和通信设备之间信息交换的方式和功能。然而，RS-232C有一系列不足： (1)

18、数据传输速率局限于20kbps； (2)传输距离较短； (3)该标准没有规定连接器，因而设计方案不尽相同，这些方案有时互不兼容； (4)每个信号只有一根导线，两个传输方向共用一个信号地线； (5)接口使用不平衡的发送器和接收器，可能在各信号成分间产生干扰。针对RS-232C串口标准的局限性，又提出了RS-485、RS-422接口标准。RS-485/422采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号，通过两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以有极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，

19、可以检测200mV电压。RS-485接口采用二线差分平衡传输。差分电路的最大优点是抑制噪声。由于在它的两根信号线上传递着大小相同、方向相反的电流，而噪声电压往往在两根导线上同时出现，一根导线上出现的噪声电压会被另一根导线上出现的噪声电压抵消，因而可以极大地削弱噪声对信号的影响。RS-485/422最大的通信距离约为1219m，最大传输速率为10Mbps，传输速率与传输距离成反比，在100kbps的传输速率下，才可以达到最大的通信距离， RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485总线网络一般采用终端匹配的总线型结构，即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。RS-485网络互联。利用RS-485接口可以使一个或多个信号发送器与接收器互联，在多台计算机或带微处理器的设备之间实现远程数据通信，形成分布式测控系统。大多数应用中，RS-485的端口连接采用半双工通信方式，多个驱动器和接收器共享一条信号通路。两个120的电阻为总线终端电阻，当终端电阻等于电缆的特征阻抗时，可以削弱甚至消除信号的反射。RS-485的驱动器能驱动32个单位负载。在半双工连接时，在同