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165×114mm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

8、为五大类(1)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

9、操声的性能，接口简单，适应性强，简单易学，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

10、）标准，是ISA总线的简单扩展，可以与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

11、总线是在PCI基础上发展起来的第3代内部总线，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

12、可保证微处理器与执行主控者的同时操作，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/

13、存储器之间作为互连机构应用。在一个PCI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

14、常意义的地址空间。PCI总线配置空间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FRAM

15、E#和IRDY#都无效时，接口处于空闲状态。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-4

16、85是外部总线。主要用于计算机系统与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

17、20Kbit/s内，电缆长度限于15m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

18、功能。然而，RS-232C有一系列不足： (1)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

19、有极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，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，