第01章 微型计算机系统概述(1.1-1.5)

微型计算机原理及接口技术

1.1

计算机的发展历史第1章计算机基础知识

1.2

计算机的基本结构和工作原理1.3

微型计算机的基本概念1.5计算机中数据的表示和编码1.4

微型计算机系统的组成1.1计算机的发展历史1．第一台电子计算机

1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台数字式电子计算机：“埃尼阿克”（ENIAC，即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，电子数字积分计算机）。重量30吨，占地170平方米，每小时耗电150千瓦，价值约40万美元。采用18000只电子管，70000个电阻，10000支电容，研制时间近三年，运算速度为每秒5000次加减法运算。

ENIAC的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差。2．冯·诺依曼结构计算机

1946年6月，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼（JohnVonNeumann）提出了“存储程序”的计算机设计方案。其特点是：采用二进制数形式表示数据和计算机指令。指令和数据存储在计算机内部存储器中，能自动依次执行指令。由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备5大部分组成计算机硬件。工作原理的核心是“存储程序”和“程序控制”。按照这一原理设计的计算机称为冯·诺依曼型计算机。冯·诺依曼提出的体系结构奠定了现代计算机结构理论的基础，被誉为计算机发展史上的里程碑。

中国推出的超级计算机“星云”(Nebulae)高居亚军宝座。,计算速度为每秒钟1.27千万亿次(PFlops)浮点运算天河-1A即每秒可进行2.5千万亿次运算3．按逻辑部件化分的计算机发展阶段按电子部件的演变经历了四代：（1）第一代（1946年~1958年）：电子管计算机特点：体积大、耗电多、运算速度慢，存储容量小。（2）第二代（1959年~1964年）：晶体管计算机

特点：体积减小，重量轻、省电、寿命长、可靠性提高，运算速度可达每秒百万次。（3）第三代（1965年~1970年）：中小规模集成电路计算机特点：存储容量1~4兆字节。运算速度每秒几百万至千万次，可靠性有较大提高，体积进一步缩小，成本进一步降低，出现了向大型化和小型化发展的趋势。

（4）第四代（1971年-）：大规模和超大规模集成电路计算机大规模集成电路使计算机发生了巨大的变化，半导体存储器的集成度越来越高。Intel公司推出了微处理器，诞生了微型计算机，使计算机的存储容量、运算速度、可靠性、性能价格比等方面都比上一代计算机有较大突破。4．计算机分类（1）计算机按体积、性能和价格分类巨型机、大型机、中型机、小型机和微型计算机（2）按照CPU的字长来分类有4位、8位、16位、32位、64位微型计算机等。（3）按照微型计算机的分布形态来分类可分成位片式、单片式、多片式。（4）按照微处理器的制造工艺来分类可分成MOS型、双极型。（5）按照微型计算机的利用形态来分类有单片机、单板机、多板机。5.微型计算机的特点

通常，微型计算机具备以下特点：体积小、重量轻、耗电省可靠性高价格低结构灵活、适应性强应用面广研制周期短、见效快维护方便6.微型计算机的应用

（1）办公自动化：（2）生产自动化：（3）数据库应用：（4）网络应用：（5）人工智能：（6）计算机仿真：（7）远程教育：专家系统和机器人。

1.2运算基础1.2.1进位计数制1.常用进位计数制2.书写规则3.数制之间的转化转化成十进制--------按“权”展开十进制转化二进制-------除（乘）2取余（整）法二-十进制转化------1.2运算基础1.2.2二进制编码1.BCD码2.字母与字符的编码----ASCII3.汉字的编码---国标码/区位码/GB18030-20001.2运算基础1.2.3带符号数表示原码、反码、补码1.2.4数的定点和浮点表示（1）办公自动化：简称为OA（OfficeAutomation）。它是计算机、通信与自动化技术相结合的产物，也是当前最为广泛的一类应用。（2）生产自动化：包括计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机集成制造系统等，它们是计算机在现代生产领域特别是制造业中的典型应用，不仅提高了自动化水平，而且使传统的生产技术发生了革命性的变化。

（3）数据库应用：数据库是在计算机存储设备中按照某种关联方式存放的一批数据。借助数据库管理系统DBMS，可对其中的数据实施控制、管理和使用。（4）网络应用：计算机网络就是利用通信设备和线路等与不同的计算机系统互连起来，并在网络软件支持下实现资源共享和传递信息。通常有局域网（LAN）、广域网（WAN）、城市网（CAN）和因特网（Internet）。（5）人工智能：人工智能研究方向中最具有代表性的两个领域是专家系统和机器人。（6）计算机仿真：计算机仿真是使用仿真软件在计算机上进行必要的模拟试验，从而大大减少投资、避免风险。（7）远程教育：远程教育是建立在互联网上的一种教学环境。它以现代化的信息技术为手段，以适合远程传输和交互式学习的教学资源为教材构成开放式教育网络。1.3计算机的基本结构和工作原理

1.3.1计算机的基本结构各部分的主要功能：（1）输入设备：用于输入原始信息和处理信息的程序。如键盘、鼠标器和扫描仪等。（2）输出设备：用来输出计算机的处理结果及程序清单。如显示器和打印机。（3）存储器：用来存放程序和数据。在控制器的控制下，可与输入设备、输出设备、运算器、控制器交换信息，是计算机中各种信息存储和交流的中心。（4）运算器：用来对信息及数据进行处理和计算。也称为算术逻辑部件ALU（ArithmeticandLogicUnit）。（5）控制器：是整个计算机的指挥中心，用来指挥计算机各部件的操作，使其协调一致地工作。计算机中的两类信息：一类是采用双线表示的数据信息流，它包括原始数据、中间结果、计算结果和程序中的指令；另一类是采用单线表示的控制信息流，它是控制器发出的各种操作命令。各部分的主要功能：（1）输入设备：用于输入原始信息和处理信息的程序。如键盘、鼠标器和扫描仪等。（2）输出设备：用来输出计算机的处理结果及程序清单。如显示器和打印机。（3）存储器：用来存放程序和数据。在控制器的控制下，可与输入设备、输出设备、运算器、控制器交换信息，是计算机中各种信息存储和交流的中心。（4）运算器：用来对信息及数据进行处理和计算。也称为算术逻辑部件ALU（ArithmeticandLogicUnit）。（5）控制器：是整个计算机的指挥中心，用来指挥计算机各部件的操作，使其协调一致地工作。计算机中的两类信息：一类是采用双线表示的数据信息流，它包括原始数据、中间结果、计算结果和程序中的指令；另一类是采用单线表示的控制信息流，它是控制器发出的各种操作命令。1.3.2计算机的工作原理

1．存储程序原理

把事先编制好的由计算机指令组成的程序存放到存储器内，计算机在运算时依次取出指令，根据指令的功能进行相应的运算，这就是存储程序原理。2．程序的自动执行

程序在执行前先装入内存储器，CPU负责从内存中逐条取出指令，分析识别指令，最后执行指令，从而完成一条指令的执行周期。程序的执行流程：取指令—分析指令—执行指令。

1.4微型计算机的基本概念

1.3.1微处理器、微型计算机和微型计算机系统的概念微处理器（Microprocessor）一个大规模集成电路芯片内含控制器、运算器和寄存器等微机中的核心芯片微型计算机（Microcomputer）

以大规模、超大规模构成的微处理器作为核心，配以存储器、输入/输出接口电路及系统总路线所制造出的计算机。通常指微型计算机的硬件系统还有一般的说法：微机、电脑、微型机微型计算机系统（Microcomputersystem）指由硬件和软件共同组成的完整的计算机系统区别3个概念运算器

控制器寄存器组

内存储器总线输入输出接口电路外部设备软件微处理器微型计算机微型计算机系统1.4.2微型计算机的性能指标介绍

位：这是计算机中所表示的最基本、最小的数据单元。字长：是计算机在交换、加工和存放信息时的最基本的长度。字节（Byte）：是计算机中通用的基本单元，由8个二进制位组成。字：是计算机内部进行数据处理的基本单位。主频：也称时钟频率，是指计算机中时钟脉冲发生器所产生的频率。存储容量（访存空间）：是该微处理器构成的系统所能访问的存储单元数。存储容量的表达比特b（二进制1位）字节B（二进制8位）1KB＝210B＝1024B1MB＝220B、1GB＝230B指令数：构成微型计算机的操作命令数。基本指令执行时间：计算机执行程序所花的时间。可靠性：指计算机在规定时间和条件下正常工作不发生故障的概率。兼容性：指计算机硬件设备和软件程序可用于其他多种系统的性能。性能价格比：是衡量计算机产品优劣的综合性指标。

1.5微型计算机系统的组成

1.4.1微型计算机系统的一般结构

微型计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成：

硬件微计算机外围设备微处理器内存储器I/O接口电路系统总线外部设备过程I/O通道软件系统软件程序设计语言应用软件：软件包，数据库机器语言汇编语言高级语言监控程序操作系统编辑程序解释程序编译程序诊断程序硬件系统是由电子部件和机电装置所组成的计算机物理实体。硬件的基本功能是接受计算机程序，并在程序的控制下完成数据输入、数据处理和输出结果等任务。软件系统是指为计算机运行工作服务的全部技术资料和各种程序。软件系统基本功能保证计算机硬件的功能得以充分发挥，并为用户提供一个宽松的工作环境。计算机的硬件和软件二者缺一不可，否则不能正常工作。微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线1.5.2微型计算机系统的硬件结构

微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线各组成模块及其功能：1．中央处理单元2．主存储器3．系统总线4．输入输出接口电路5．外存储器6．输入/输入设备7．主机板7．主机板

主机板也称为系统主板或简称主板。主机板上有CPU芯片、内存槽、扩展槽、各种跳线和一些辅助电路。

1.5.3微型计算机的软件系统

计算机软件是指支持计算机运行的各种程序，以及开发、使用和维护这些程序的各种技术资料的总称。系统软件的主要功能是简化计算机操作，充分发挥硬件功能，支持应用软件的运行并提供服务。应用软件处于软件系统的最外层，直接面向用户，为用户服务。应用软件是为了解决各类应用问题而编写的程序，包括用户编写的特定程序，以及商品化的应用软件和套装软件。程序设计语言，是人机交流信息的一种特定语言。在编写程序时用指定的符号来表达语义。

世界上第一台计算机ENIACIntel4004和采用4004的计算器Apple微型计算机Apple-IApple-IIIBMPC系列机8088CPUIBMPC机IBMPC/AT机IBMPC/XT机英特尔微处理器芯片80386PentiumPentium4微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线1．中央处理单元

中央处理单元CPU（ControlProcessingUnit）是微型计算机的核心部件，是包含有运算器、控制器、寄存器组以及总线接口等部件的一块大规模集成电路芯片，俗称微处理器。微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线2．主存储器

主存储器是微型计算机中存储程序、原始数据、中间结果和最终结果等各种信息的部件。按其功能和性能，可以分为：随机存储器RAM（RandomAccessMemory）只读存储器ROM（ReadOnlyMemory）

微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线3．系统总线

系统总线是CPU与其他部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。根据传送内容可分成以下3种：数据总线DB（DataBus）：用于CPU与主存储器、CPU与I/O接口之间传送数据。地址总线AB（AddressBus）：用于CPU访问主存储器和外部设备时，传送相关的地址。控制总线CB（ControlBus）：用于传送CPU对主存储器和外部设备的控制信号。4．输入输出接口电路

输入/输出接口电路也称为I/O（Input/Output）电路，即通常所说的适配器、适配卡或接口卡。它是微型计算机外部设备交换信息的桥梁。

I/O接口：连接外设备和系统总线，完成信号转换、数据缓冲、与CPU进行信号联络等工作。作用相当于一个转换器。显示器卡：完成显示器与总线的连接。声卡：完成声音的输入/输出。网卡：完成网络数据的转换。键盘接口、打印机接口等。232接口：串行数据接口。USB接口：通用串行接口。微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线5．外存储器

分为软磁盘、硬磁盘、光盘存储器。磁盘存储器由磁盘、磁盘驱动器和驱动器接口电路组成，统称为磁盘机。光盘存储器是由光盘、光盘驱动器和接口电路组成。微处理器CPU存储器RAM接口电路时钟外存I/O设备接口电路存储器ROM数据总线（双向）地址总线（单向）控制总线6．输入/输入设备

计算机最常用的输入设备是键盘、鼠标、扫描仪、数码相机。计算机最常用的输出设备是显示器和打印机。1.1计算机的发展历史1．第一台电子计算机

1946年2月，美国宾夕法尼亚大学诞生了世界上第一台数字式电子计算机：“埃尼阿克”（ENIAC，即ElectronicNumericalIntegratorandCalculator，电子数字积分计算机）。重量30吨，占地170平方米，每小时耗电150千瓦，价值约40万美元。采用18000只电子管，70000个电阻，10000支电容，研制时间近三年，运算速度为每秒5000次加减法运算。

ENIAC的不足：运算速度慢、存储容量小、全部指令没有存放在存储器中、机器操作复杂、稳定性差。采购部服务器生产部企划部其它部门数据库服务器防火墙internet财务部水泥厂生料微机配料子系统图中可见生料制备子系统中有4个子系统(未包括料位检测系统)。破碎及预均化，生料库底配料系统，生料磨机，化验室。

1．破碎及原料预均化①采用I-7000系列数据智能模块，该模块的特点：高可靠工业级标准产品，威达工控提供；可根据现场设备控制要求灵活选用；带485通讯接口，255个模块可联接在一根通讯电缆上，适合中小企业设备布置较为分散的场合；价格低，使全厂过程控制的造价大幅度下降。②I一7000智能模块采集了当前破碎及相关设备状态和相关参数，中控室可根据采集的状态和数据决策启、停设备，并可根据破碎，预均化系绕的工艺过程编制相应的逻辑决策，使实现设备互锁、联锁、延时、启停控制，并监控各台设备电流等参数实现报警及优化控制。③原料均化库(大直径落地圆库)，库顶控制旋转布料皮带机，库下有几十个出料点，中控计算机按预设计的出料数学模型指挥相应的智能模块，控制各台出料皮带机最优搭配出料，达到提高原料均化系数的目的。

2．生料库底配料控制系统悬挂式皮带失重秤或高精度改进型仿申克调速秤(大流量时)，配置TC-1高可靠工业测控系统。该系统主要特点如下：①由TC-1系统提供的IFP前端智能处理器，采用了美国最新推出的模数混合采集集成块，该技术无需外接分件，并自带温度传感器，不仅提高了抗干扰能力，且排除了环境温度变化对计量的影响。②由TC-1系统提供的OFP输出智能处理器，把传统的多路模拟可控硅触及器，改进为多路数字隔离相位触发方式，简化了硬件触发电路，提高了可靠性。③TC—l高可靠工业测控系统采用了模块化结构，使该系统实现了零维修，消除了用户的后顾之忧。④TC-1系统软件功能强，它可以在同一个配料系统中，混用16种不同类型的秤体，用户只需键入该台秤体类型，便可执行相应秤体的控制软件，实现不同类型的秤体同时、同步工作。⑤TC一1系统通过485通讯接口及相应通讯软件模块，直接与中控室联接，中央机(工业PC)根据化验室传送过来的信息，发送到TC一1配料系统，实现3个率值成分闭环控制，悬挂式皮带失重秤出磨合格率可达到80％以上。

3．生料磨系统生料磨系统的自动控制也采用1-7000智能数据模块，该系统包括对磨机电机电流、油压、温度、负荷、风压、风量等参数的测定及设备启、停逻辑控制。在中控室对磨机各种参数的监控使磨机能在最佳状态下运行。磨机电耳检测信号由1-7000系列模块送入中控室，中控室根据磨机负荷信息及时改变配料系统台时产量(即改变入磨流量)，消除饱磨和空磨现象，确保磨机稳产、高产。

4．化验室

中小水泥企业大多使用钙铁分析仪，这种设备价格便宜，但只能分析CaO、Fe2O3，不能满足快速分析其他化学成分，无法构成有效的3个率值成分控制。因此，建议采用多元素成分分析仪，小型x光管为激发源的X荧光分析仪，适合立窑水泥厂。氧氮热量测定仪可及时地测定生料粉的发热量，调整煤的配比。通过工业PC对有关仪器检测参数进行分析，优化计算后把结果送中控室完成成分闭环控制。开放式DCS系统采用485通讯方式，只需一条通讯电缆，即可联接各个子系统，这种方式通讯速率高、分辨率高、光电隔离系统可靠性高，软件开发比较容易。更重要的是可大大简化系统联接，提高了可靠性，降低了成本。采用厂级集散控制系统后，可减少很多工作岗位，生产工人数量可大幅度下降。主机设备在计算机监控及管理下能自动根据参数变化进行优化计算和调节控制，使整个系统工作在最优状态。

SIWAREX称重在山西新大钢40吨转炉炼钢自动化系统的应用一、系统概述

转炉自控系统为西门子可编程序控制器（PLC）和上位工业计算机构成的两级微机控制系统。同时在需要调速的转炉倾动和氧枪系统驱动部分采用交流变频器以取代直流调速系统。控制方式上采用安全可靠的三地控制，即操作台、上位机、机旁操作箱，任一方出现故障时，不影响系统正常工作。PLC与计算机采用通讯模式，上位工业控制机装WINCC人机接口软件。通过各种参数曲线的描述及设备运行状态的显示和可操作性能，使系统更具备先进自动化水准。同时在屏蔽隔离、滤波和纠错技术的前提下，保证系统运行的最高可靠性能。

在转炉倾动，氧枪精确定位及控制系统中采用我公司为转炉生产专门研制的专利产品DIS-V型转炉倾动角度显示仪和ZNLK智能主令控制器和YSX-Ⅲ型智能语音报警器。大大提高了转炉自动化水准和可靠性。

此自控系统将完整地实现炉体倾动，氧枪升降与横移，烟罩和挡火板的控制，散装料、合金料装配料控制，钢包车及稀油站控制的炼钢过程自动化。同时车间采用五路摄像监视系统，实现对车间的重要岗位进行不间断的监视。

转炉的仪表系统全部由传感器进入PLC自控系统中，使在计算机上对车间的所有仪表参数一览无疑。经我们精心设计同时综合了多年从事转炉自动化控制的经验我们相信这个设计是一个简洁、可靠、性能价格比高的转炉生产自动化控制系统。

系统结构框图：二、控制系统软、硬件组成

控制系统核心部分是西门子PLCS7-300系统，称重采用集成的称重模块，上位机用研华工业控制机，倾动和氧枪采用交流变频器，操作界面采用非常流行的WINCC人机接口软件。

转炉炼钢控制系统硬件框图：1、PLC系统

此炼钢的主控制系统采用西门子S7系列的S7-300PLC。目前控制系统中称量部分，我们采用了西门子称重模块，它集成在S7-300PLC系统中。电信号由现场3个传感器（每个电子称3个压式荷重传感器并联，安装在平面三角形的三个角）传给称重模块，再经称重模块计算后变为重量值，通过PLC总线直接传送到CPU，然后在上位机上显示出来。这种模式为目前工业称重最先进的系统，以传感器的毫伏信号直接进入PLC，免去了变送器和仪表等中间环节从而增强了系统抗干扰能力。校秤使用西门子提供的称重组态软件，通过计算机串行接口进行校秤，过程简单、快捷，生产过程中如需校秤，可用控制系统程序由上位机下达指令，通过S7-300PLC直接进行。

此称重系统是我公司在多个冶金自动化工程中应用的实例，均得到了十分满意的效果。

2、上位机系统

上位机采用研华IP610工业控制机，这是一种工业上简捷可靠的通讯方式。这种工业控制计算机是适应于工业控制场合的专用计算机，可以24小时连续工作，抗干扰、抗灰尘、散热、运行速度等各方面优于一般计算机。

由于此炼钢工艺需要的画面较多，因而我们采用两台工控机进行实时显示，从而加快了数据传输速度，一台显示控制转炉工作过程，一台显示仪表数据。两台计算机可以实现数据共享，同时达到了故障分散的目的，增加了系统运行的可靠性。

3、系统驱动部分

炉体倾动驱动及氧枪提升驱动，采用交流变频器。交流变频器取代直流调速设备在90年代末已广泛采用。它在满足生产工艺性能要求的前提下使系统造价大大降低，同时也带来系统的简捷，维护方便，容易掌握，操作方便等诸多的优点。所以，采用交流变频取代直流驱动是一个最优的方案。

4、操作界面

上位机操作界面采用西门子专用人机接口软件WINCC，因其功能强大、易于掌握、使用方便、可靠性好、操作简单而受到欢迎。所有操作皆可由鼠标完成，可进行参数显示、修改、设定，可以方便制作出动态工艺画面，操作画面，历史曲线、实时曲线等功能完善的画面。

对所有的工艺参数如：压力、流量、温度、重量等值在上位机上用实时曲线、历史曲线、直方图、参数表等方式显示，并进行报警、统计、打印报表等处理。同时在上位机可随时设定温度、流量等报警值。

所有设备的启动与停止均可在上位机上完成，同时也可根据实际情况，在操作台上或在机旁操作箱上完成。但每次只能一方操作不能同时进行。

每台设备的运行状态，可在工艺流程图中动态显示，并可在状态表中显示其运行、停止、故障、手动、自动等状态。可以用鼠标在计算机上手动操作（根据工艺要求）每台设备，使其运行、停止。

实时的动画与实时曲线显示生产过程，实时显示钢温，水温，水流量，液位等生产工艺参数。

5、智能语音报警器

智能语音报警器是我公司自主开发的一种高科技产品，除有灯光外还有语音输出，不同报警有不同的语音内容输出，可随时根据需要录制、修改、报警内容，声音清晰、宏亮。

系统中的智能语音报警器，加强了系统报警能力，出现故障时，可用语音直接指出故障

四、主要完成的功能

主要完成散装料、氧枪、转炉倾动及仪表三大部分的自动控制及称量自动补偿。

1、散装料部分：

①在上位机上可随时根据炼钢的要求设定各称量斗的重量值，显示其每次的称量值、误差值、班累积、总累积，自动计算下次设定值，并作历史曲线，交班时可对班累积清零，随时打印报表。

②称量过程，由于程序中有提前量设定，且有自动误差补偿功能，系统将会根据每次需振料的重量与上次的误差与提前量等各参数自动算出下次所需振料的重量，从而准确的停止振料机。实现对石灰、矿石、合金的自动精确称量，每批料间都进行