计算机联锁硬件

第一章计算机系统简介

第一节计算机的软硬件概念

一、计算机发展简介

计算机是一种自动、高速、精确地进行信息处理的现代化电子设备。1946年第一台

计算机诞生以来，计算机已经由电子管时代，晶体管时代，中小规模集成电路时代，发

展到大规模、超大规模集成电路时代，现正在向第五代计算机发展。70年代初由大规模

集成电路组成的微型计算机问世，它将运算器、控制器集成在一片芯片上，称为微处理

器(CPU)。30年来，微型计算机发展迅速，微处理器已经推出了4位、8位，16位、32

位和64位等产品，存储芯片的容量也从几K发展到64M以上，采用了指令流水技术，

增加了更加复杂的高速缓冲存储器Cache、片内Cache和分级Cache,主频也由几MHz

发展到1GHz以上。在计算机硬件发展的同时，软件系统也得到了迅速的发展。现在一

台高性能的微型计算机已经超过了70年代中型计算机的水平。计算机的应用范围已从科

学计算、数据处理等传统领域扩展到工业控制、仪器仪表、办公自动化、人工智能等各

个方面。

二、计算机的软硬件概念

计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。

所谓“硬件”即指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件、各类

光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等等。

所谓“软件”，它是看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组

成。通常把这些信息，诸如各类程序寄寓于各类媒体中，如RAM、ROM、磁带、磁盘、

光盘、甚至纸带等。它们通常被作为计算机的主存或者辅存的内容。由于“软件”的发

展，它不仅可以充分发挥计算机的“硬件”功能，提高计算机的工作效率，而且已经发

展到能局部模拟人类的思维活动，因此在整个计算机系统内，“软件”的地位和作用已经

成为评价计算机系统性能好坏的重要标志.当然，“软件”的发挥，必须依托“硬件”的

支撑。因此，概括而言，计算机性能的好坏，取决于“软”、“硬”件功能的总合。

计算机系统的硬件由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成,

其结构如图1—1所示，图中实线为数据线，虚线为控制线和反馈线。整个系统在控制器

的统一指挥下，实现有条不紊地自动工作。由于运算器和控制器在逻辑关系和电路结构

上联系十分紧密，尤其在大规模集成电路制作工艺出现后，这两大部件往往制作在同一

芯片上，因此，通常将它们合起来统称为中央处理器(CentralProcessingUnit),简称CPU。

把输入设备与输出设备简称为I/O设备(Input/Outputequipment)«这样，现代计算机可

认为由三大部分组成：CPU、I/O设备及主存储器M.M(MainMemory)，如图1—.2所

示。CPU与M.M和起来又可称为主机，I/O设备可叫作外部设备。CPU中的运算器用于

对信息进行处理和运算，控制器根据程序的要求发出各种捽制命令，协调各部件之间的

工作，存储器的作用是存储程序、数据和运算的结果，输入和输出设备用于计算机与外

部交换信息。

计算机的软件通常又可以分为两大类：系统软件和应用软件。

系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源

得到合理调度，确保高效运行。它包括：标准程序库、语言处理程序（如将汇编语言翻

译成机器语言的汇编程序）、操作系统（如批处理系统、分时系统、实时系统）、服务性

程序（如诊断程序、调试程序、连接程序等）、数据库管理系统、网络软件等等。

应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务需要所编制的各种程序。如科学计算

程序，数据处理程序，过程控制程序，事物管理程序等等。

实际上早期的计算机只有机器语言（即用0、1代码表示的语言），用户必须用二进

制0、1代码来编写程序（即机器语言程序）。这就要求程序员对他们所使用的计算机硬

件及指令系统十分熟悉，编写程序难度很大，操作过程也极容易出错。但用户编写的机

器语言程序，可以直接在机器上执行。20世纪60年代开始出现了各种面向问题的高级语

言，这类高级语言对问题的描述十分接近人们的习惯，且具有较强的通用性。程序员完

全可以不必了解掌握实际机器的机型、内部的具体组成及其自身的指令系统，只要掌握

这类高级语言本身所赋予的语法和语义，便可直接用这种高级语言来编程（一般称作源

程序），然后将它和数据一起送入计算机内，再由计算机将其翻译成机器能识别的机器语

言程序（称作目标程序），机器自动运行该机器语言程序，并将计算机结果输出。其过程

如图1—3所示。

第二节总线技术

一、总线的基本概念

计算机系统的硬件由五大部件组成，它们之间的互连方式有两种，一种是各部件之

间通过单独的连线，叫做分散连接；另一种是将各部件连到一组公共信息传输线上，叫

做总线连接。

早期的计算机大多数用分散连接方式，其内部连线十分复杂，不仅影响CPU的工作

效率，也无法解决I/O设备与主机之间连接的灵活性，随着计算机应用领域的不断扩大,

I/O设备的种类和数量也越来越多，人们希望能随时增添或减撤设备，用分散连接方式简

直是一愁莫展，由此出现了总线连接方式。

总线是一种在多于两个模块（设备和子系统）之间传送信息的公共通路。为在各模

块（设备和子系统）之间实现信息共享和交换，总线由传输信息的物理介质以及一套管

理信息传输的通用规则（协议）所构成。一个计算机系统的硬件可以含有几块、几十块

插件和外设，这些插件和外设连接起来，即可构成系统。许多计算机制造厂（特别是微

机制造厂）大量地以插件方式向各种用户提供OEM（OriginalEquipmentManufacturer原

始设备制造厂）产品。由用户根据自己的需要构成一个计算机系统或计算机应用系统。

这些OEM产品包括CPU、RAM、ROM、A/D、D/A、通用接口和专用接口电路，以及

各种各样的单板微机等。为了有效、可靠地利用总线进行彼此之间的信息交换，有必要

对总线信号及其传送规则、传送信号的物理介质以及在机械结构方面作一系列的规定，

这些规定称之为总线规约。总线规约当得到某一标准化组织的批准或推荐后，即成为某

种总线标准。随着微机工业的发展，确立并发展了各种各样的微机总线标准，微机制造

厂根据各种总线标准以机箱方式向用户提供连接好的系统，可以用于各种场合。

微机系统采用总线具有很多优越性：

①便于采用现在广泛流行着的模块化结构设计方法，使系统设计得以简化。

②能够得到众多的oEM生产厂家的支持，而得到广泛支持的总线规范，其相关产

品得以发展，内容得以丰富，性能得以提高。

③便于组织生产。总线式模块化结构的产品，各种模板之间具有一定的独立性，且

模板的功能比较单一，从而便于组织大规模生产，降低产品造价。

④便于产品的更新换代，延长产品的技术生命。

⑤可维护性好，经济性好。

二、微机的三类总线

按照总线的规模、用途及应用场合的不同，微机总线可分为三类：

1、片总线

又称“元件级总线”、“芯片总线”，是微处理器芯片内部引出的总线，它是用微处理

器构成一个部件（如CPU插件）或是一个很小的系统时，信息传输的通路。

片总线通常包括地址总线、数据总线和控制总线。地址总线通常是单向总线，由CPU

输出。16位微处理器有20条或24条地址总线，32位微处理器一般有32条地址总线。

地址总线用于指令操作时，选择要操作的存储器单元或I/O设备。数据总线是双向总线,

16位微处理器有16条数据总线，32位微处理器通常有32条数据总线，数据总线用来传

输各种数据，由于数据总线的作用是把信息送入CPU或从CPU送出，所以要求严格的

时序控制电路和转接电路（例如锁存器、三态器件和各种门电路）加以配合和协调。通

过数据总线可以传送的数据类型为：数值数据、指令码、地址信息、设备码、控制字和

状态字等。控制总线用来传送保证计算机同步和协调的定时信号和控制信号，从而保证

正确地通过数据总线传送各项信息的操作。不同型号的微处理器有不同数目的控制总线,

且其方向和用途也不一样，但几乎所有的控制总线都与系统的同步功能有关，下面这些

控制线是一般微处理器所共有的。

①读出线和写入线；

②中断请求线和中断响应线；

③同步（选通或时钟）信号线；

④保持、等待就绪（准备好）线

2,内总线（I-BUS）

又称“系统总线”或“板级总线”，是测控系统用计算机和通用微型计算机所特有的

总线，也是最重要的•种总线。测控系统用的计算机是由各种模板插件构成的，而这些

模板插件之间要依靠系统总线进行信息传送，系统总线是各种模板进行信息传送的通路。

例如STD总线、ISA/PCI总线、VME总线等均是系统总线。

3、外总线（E-BUS）

又称“通信总线”，它是微机系统之间或是微机系统与其他系统（仪器、仪表、控制

装置）之间信息传输的通路，往往借用电子工业其他领域已有的总线标准。

通信总线,般分为并行通信总线和串行通信总线两类。

①并行通信总线：在通信传送过程中，每次同时传送一个数据字节，所以传输速度

高，适用于短距离(数十米)的快速传输。IEE488总线就是并行通信总线。

②串行通信总线：在通信传送过程中，每次传送一个比特(Ibit)的信息，所以传

输速度低。但是使用的导线或电缆数量少，甚至仅用一对双绞线就可以传送，成本低，

适用于较远距离的传输。EIARS-232c标准等就是串行通信总线标准。

系统间通道接口除了上述两种结构形式以外，也可以是局部网络，系统中的所有微

机通过各自的网络接口板直接挂到局域网上。网络接口板一般插在计算机的扩展槽内，

其主要功能是将并行数据转换成串行数据流，送往发送端，而对接收端又将串行数据流

转为并行数据，继而进入计算机的内部总线。同时.，还有设置起始位、结束位以及校验

传输错误等。例如CAN就是属于控制器局部网范围。

图1—4画出了三类总线的关系。

三、系统总线特性

从物理角度来看，系统总线就是一组电导线，许多导线直接印制在电路板上延伸到

各个部件。图1-5形象地表示了各个部件与总线之间的物理摆放位置。CPU、MM、I/O

都是部件插板，它们通过插头与水平方向总线插槽(按总线标准用印刷电路板或一束电

缆连接而成的多头插座)连接。为了保证机械上的可靠连接，必须规定其机械特性；为

了确保电气上正确连接，必须规定其电气特性；为保证正确地连接不同部件，还需规定

其功能特性和时间特性。

(1)机械特性

机械特性是指总线在机械连接方式上的一些性能，如插头与插座使用的标准，它们

的几何尺寸、形状、引脚的个数以及排列的顺序等。

(2)电气特性

电气特性是指总线的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围。通常规定

由CPU发出的信号叫输出信号，送入CPU的信号叫输入信号。如地址总线属于单向输出

线，数据总线属于双向传输线，它们都定义为高电平有效。

(3)功能特性

功能特性是指总线中每根传输线的功能，如地址总线用来指出地址号；数据总线传

递数据；控制总线发出控制信号，即由CPU发出的，如存储器读/写、I/O读/写；也有

I/O向CPU发来的,如中断请求、DMA请求等。

(4)时间特性

时间特性是指总线中的任一根线在什么时间内有效。每条总线上的各种信号，互相

存在着一种有效时序的关系，因此，时间特性一般可用信号时序图来描述。

四、总线性能指标

总线性能指标包括：

(1)总线宽度：它是指数据总线的根数，用(位)表示，如8位、16位、32位、

64位(也即8根、16根、32根、64根。

(2)标准传输率：即在总线上每秒能传输的最大字节量，用MB/s(每秒多少兆字节)

表示。如总线工作频率为33MHz，总线宽度为32位，则它最大的传输率为132MB/S。

(3)时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步工作的总线称同步总线，与时钟不

同步工作的总线称异步总线。

(4)总线复用：通常地址总线与数据总线在物理上是分开的两种总线地址总线传输

地址码，数据总线传输数据信息。为了提高总线的利用率，优化设计，特将地址总线和

数据总线共用一组物理线路，只是某一时刻该总线传输地址信号，另一时刻传输数据信

号或命令信号。这叫做总线的多路复用。

(5)信号线数：即地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和。

(6)总线控制方式：包括并发工作、自动配置、仲裁方式、逻辑方式、计数方式等。

(7)其他指标：如负载能力问题。由于不同的电路对总线的负载是不同的，即使同

一电路板在不同的工作频率下，总线的负载也是不同的，因此，总线负载能力的指标不

是太严格的。通常可用连接扩增电路板数来反映总线的负载能力。此外，还有如电源电

压是5V还是3.3V、总线能否扩展64位宽度等等。

五、总线标准

总线是在计算机系统模块化的发展过程中产生的，所谓总线标准，可视为系统与各

模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。这个界面对它两端的模块都是透明的，

即界面的任一方只需根据总线标准的要求完成自身一面接口的功能要求，而无需了解对

方接口与总线的连接要求。因此按总线标准设计的接口可视为通用接口。目前流行的总

线标准有：

1、STD总线标准

STD总线(STanDardbus)是美国Pro-Log公司于1978年公布的，IEE于1981年

将其定为IEEP961标准，又与1987年定为IEE961标准。

STD总线是一个面向工业控制的8位微型计算机总线，它定义了8位微处理器总线

准，可以容纳各种8位通用微处理器(如i8085,M6800,Z80等)。为了适应16位微处

理器(如i8086,M68000,i80286等)，采用周期窃取和总线复用技术来扩充数据线和地

址线使STD总线成为8/16位兼容的总线。近年来又定义了STD32总线标准，能够与32

位微处理器(如i80386,i80486,M68030等)兼容，并与原来8位总线的I/O模板兼

容。

2、ISA/PCI总线标准

计算机联锁控制系统的人机会话计算机往往采用ISA/PCI总线标准的IPC,有些系统

的联锁计算机也采用与ISA总线标准兼容的、具有栈接式总线连接器的嵌入式PC,另外，

在计算机监测系统中，也采用着ISA/PCI总线标准的IPC,所以有必要对ISA/PCI总线标

准以及采用ISA/PCI总线标准的IPC等做简要的解说。

①ISA总线标准

IBMPC/XT总线是一种数据宽度为8位、具有开放式结构的计算机总线。起初，IBM

PC/XT总线产品的应用是面向办公室自动化，后来很快扩大到实验室和工业生产环境下

的数据采集与控制。

IBMPC/AT总线是IBMPC/XT总线的高档产品，它是在IBMPC/XT总线的基础k

又增加了个总线插座，使之数据宽度扩展为16位，以适应16位和更高性能的处理器。

IBMPC/AT计算机的结构，是在分布着PC/AT总线的大底板上分别设置了数个PC扩展

槽，这种结构被称作IBM公司的工业标准体系结构ISA（IndustryStandardArchitecture）.

所以IBMPC/AT总线也被称作ISA总线。ISA总线具有16位数据总线宽度、24位地址

总线宽度、16级中断和8通道DMA,是为i80286设计的，主板与接口卡的数据传输速

度为8MHz。

②PCI总线标准

当i80386问世后，CPU的速度已经高达33MHz甚至40MHz,如果继续采用ISA总

线，则每当对接口卡传输数据（如显示接口或硬盘驱动器接口）时，则必须降速1/4-1/5,

从而使得整体效果不佳。VESAbus（简称VLbus）能够发挥i80386和i80486的功能，

它是在ISA总线主板的基础上增加两个或数个咖啡色的VESA扩展槽。在VESAbus的

扩展槽上插入VESAbus的接口卡，如VESAbus的ET-4000VGAk,并运行支持VESA

功能的相应软件，则数据的传输速度会有比较明显的改变。在较前些时候设计安装的计

算机联锁系统，其中的人机会话计算机有的就是采用VESAbus的IPC»

由美国Intel公司发起的PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线接口标准,能够

充分发挥Pentium系列64位处理器的优点。PC1总线的主板往往是在ISA总线的基础上

增设4个左右的PCI总线扩展槽，同时对相关的接口（如并行通信接口、IDE接口等）

在标准方面作了扩充，在数量方面作了增加，从而使主板的功能和性能均有大幅度的提

IWJo

PCILocal的数据传输速率，在突发模式中，PCI可达132MB/S,在连续模式中，PCI

可达80MB/S,该速率与ISAbus相比快了10倍。

3、VME总线标准

VME总线起源于美国M公司的V总线，V总线结构原来是为其各种模块之间的接

口和充分发挥16/32位的微处理器MC68000的功能而设计的。后来，M公司将总线的模

板改为欧洲式模板的尺寸，称之为VME（V）,并很快在欧洲形成标准。1981年，M公

司等联合宣布VME总线作为通用标准，从而使得VME总线成为一种性能极高、开放式

的总线。VME总线于1985年成为IEC851标准，于1987年成为IEEP1014标准。

（1）VME总线的主要性能与特点

VME总线的主要性能如下：

①地址总线宽度：16位/24位/32位o

②数据总线宽度：16位/32位。

③总线带宽：10/16/20MH（取决于微处理器）

④总线底板上信号线长度：小于500（1968英寸）

VME总线是一种先进的微型计算机总线，它具有以下的特点：

①寻址空间大，数据传输速度高，满足了高性能微型计算机的要求。

②在多处理器系统中，其中断机构能够保证各个处理器之间的相互通信，提高了多

处理器系统的性能。

③VME总线的规约严格，内容全面，易于组成开放式系统。

（2）VME总线的组成

VME总线的功能模块和总线框图绘于图1—6中。

VME总线的功能模块由总线底板接口逻辑、四组总线信号线和一组功能模板(块)

组成。四组总线信号线是数据传输总线、中断优先级总线、仲裁总线和公用总线。

六、嵌入式PC及其栈接式总线标准

近几年来，个人计算机PC技术越来越快地向嵌入式应用领域渗透，嵌入式PC的发

展将为工业控制计算机的发展开辟出道路。

计算机联锁系统的联锁计算机需要采用可靠性很高的工业测控用计算机，往往采用

嵌入是PC作为联锁计算机的核心机。

1、嵌入是PC与PC/104

嵌入式PC机就是PC机的CPU和标准的PC机芯片组组装在一个面积很小的卬刷

电路板上，制作成嵌入式PC机的模块。工业测控计算机系统的设计者们只需要通过选择

适当的模块并把它们组装起来，就能够完成工业测控计算机系统的设计。

现在，提供PC机CPU和标准PC机芯片组的厂家已经推出了面向嵌入式PC机的节

省电能的CPU芯片和相关芯片组系列，使得些嵌入式PC机只需自然通风散热而不需

要风扇强制散热。这样就使得嵌入式PC机可以放置在空间比较狭小的工业自动测控系统

内。嵌入式PC机技术得到迅速发展的原因，是它具有下述的三项优点。

⑴硬件成本低，经济效果好。嵌入式PC机系统能够共享PC机规模经济市场中大量

的CPU芯片、接口芯片、外设IC和存储器芯片。

⑵可以利用现成的套装软件。设计者或者用户可以为自己的应用场合购买到成套软

件，从操作系统w和DOS的软件库到编程语言所需的可调用的库函数集，从数据库管理、

电子数据表格到数据采集和数学分析的软件。

⑶可以获得廉价的开发平台。嵌入式PC机PC机技术，工程技术人员熟悉嵌入式PC

机的各项技术，如操作环境编程语言、基本输入输出系统BIOS等。另外，现在的实验室

或工程中心均备有PC机。

可见PC机技术转换到工业测控计算机系统技术的途径已有两条，即IPC的途径和嵌

入式PC机的途径，它们分别适合于不同的环境和条件下采用。另外，现在有些厂家或组

织倡导直接把isA/PCI总线映射到欧洲式连接器DIN416上,制作出欧洲模板式的1SA/PCI

总线标准的工业测控计算机系统模板。图1—7绘出了PC机技术转向工业测控计算机技

术的三种途径图。

2、PC/104的双栈接式总线标准

当前国际上应用比较广泛的小型化嵌入式PC机为PC/104,它的标准号为IEEE996.1

PC/104的尺寸仅为3.6in*3.8in,即90mm*96mm。没有总线母板，不用插座滑道，

模块采用层叠式封装结构，模块之间采用栈接式连接方式。8位机采用栈接式即ST(ST)

方式，16位机及其以上的采用双栈接方式即DST方式。PC/104的双栈接式总线规范与

ISA总线规范完全兼容，PC/104的104根信号线只是比ISA总线的98根信号线增加了6

条电源线。

第三节系统间串行通信技术

计算机联锁系统在硬件构成上一般采用多微机系统，在信息资源上各个微机系统应

共享，因而在各个微机系统之间应建立起传送信息的通道。

一、系统间通道接口的结构形式

在计算机联锁系统中，计算机配置不同，则系统间通道接口的具体形式也有所不同，

图1—8是双机系统的系统间通道接口的两种典型结构。

串行接口方式中，串行通道经常使用串行通信接口芯片(如8251A等)。当两个CPU

构成双机并行总线系统时，其系统间通道应有总线缓冲电路和握手线，由握手线确定

总线的控制权，在某一时刻，控制权只能属于一个系统，这个系统可以对缓冲区进行读、

写操作。这种并行总线双机系统接口通道比较复杂，不能实现远距离通信，一般都是构

成一个紧密的双机系统，常常共享一些硬件资源，如RAM存储器共享系统等，其优点是

通信速度快。

二、系统间串行通信技术

1、串行通信基础

(1)异步通信和同步通信

异步通信将字符数据的传送格式规定为每个数据以相同的帧格式传送。每一帧由起

始位、数据位、校验位和停止位构成，如图1—9所示。通常，起始位为1位，低电平

有效。数据位为7位，第8位是奇偶校验位，校验方法是加上这一位使数据中为“1”的

位为奇数或偶数，停止位可以是一位，一位半或两位。字符数据按上述格式一个接一个

传送，在传送间隙，通信线路总处于高电平状态，每个字符数据的传送均以低电平开始。

同步通信是省掉每个数据的起始位和停止位，把数据顺序连接起来，组成一个数据

块，在数据块的开始处用同步字符来指示，在数据块的末尾加有一定的差错校验字符。

其数据传送格式示于图1—10中。

同步通信的特点：

①以同步字符作为传送的开始；

②每位占用的时间相等；

③字符数据间不允许有空缺，当线路空闲无字符可发时，发送同步字符。

在实际应用中，异步通信常用于传输信息量不太大、传输速度比较低的场合，而同

步通信用于传输信息量大，传输速度高的场合。计算机联锁系统双机之间的信息传输多

是采用同步通信方式。

(2)通信方式

①单工方式

单工方式是通信线的•端接发送器，另一端连接收器，数据只能按照一个固定的方

向传送。当数据只在一个方向传送时，可采用这种方式。

②半双工方式

半双工方式是通信线的两端各自接有发送器和接收器，数据可以双向传送，但由于

传送线只有一根，因而在同一时刻，只能向一个方向传送数据，其工作方式示于图1—11

中。般地讲，当两个互连设备需要交替地交换数据时，常使用这种方式。计算机联锁

机间通信大多是采用这一方式。

③全双工方式

如将数据传送线改为两根，每一根负责一个方向传送数据，这样在同一时刻既可发

送数据，又可接收数据，构成了全双工方式。其工作方式示于图1—12中。

(3)信号调制与解调

数字信号的传输可以分为基带传输和宽带传输。基带传输是指不对信号进行调制解

调的通信过程，一般适用于近距离传输。为了利用现有的信道进行远距离通信，必须对

数字信号进行变换。在发送时，采用调制器(Modulator)把数字信号转换为模拟信号，送

到信息通道上去：在接收时，利用解调器(Demodulator)再把收到的模拟信号转换成数字

信号。在大多数情况下，通信是双向的，调制器和解调器合在一个装置中，这就是调制

解调器(MODEM)。

调制解调器的类型比较多，有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。常

用的频移键控(FSK)调制方式的基本原理是，把“0”利“1”的两种数字信号分别调制成

不同频率的两个音频信号，其原理如图1—13所示。

两个不同频率的模拟信号，分别由电子开关Si、S2控制，在运算放大器的输入端相

加，而电子开关由被传输的数字信号(即数据)控制。当信号为“1”时，使电子开关$导

通，送出一串频率较高的模拟信号/I；当信号为“0”时，使电子开关S2导通，送出一串

频率较低的模拟信号fl,于是在运算放大器的输出端就得到了调制后的两种频率的音频

信号。

(4)差错控制和抗干扰编码

串行数据在传输过程中，由于干扰而引起误码是难免的，这直接影响通信系统的可

靠性，所以，差错控制能力是衡量一个通信系统的重要指标。

差错控制的目的是使用某些方法来发现差错并加以纠正，其最好的方法是对信息或

数据进行抗干扰编码。所谓抗干扰编码，就是在数据上附加一定规则产生的冗余位，然

后把数据连同冗余位一起送到通信线路上。接收端收到经编码后的数据后，检查数据位

和冗余位之间的关系是否正确，从而发现错误(检错)或自动纠正错误(纠错)。

在计算机联锁系统中，选择检错码和纠错码，不仅要考虑传输的可靠性，还必须考

虑传输的安全性，即在传输中错误地出现危险侧代码的概率。为了确保信息传输的安全

可靠，一方面可以采用冗余度小、检错能力高的循环码(CRC)作为检错码；另一方面就是

对传输的信息进行特殊编码，并以反馈重发方式纠错。

2、系统间通信接口标准

在计算机联锁系统中，两个设备的串行连接是通过各种标准的通信接口实现的。例

如，对于TYJL-H型系统来说，监视控制机与数字化仪和联锁机之间采用两个RS-232c

接口，联锁机器和执表机之间采用RS-485接口，联锁机主机和备机之间采用RS-422接

口。下面对这些接口分别作一简介。

(1)RS-232c接口

RS-232C是美国电子工业协会(EIA)推荐的一种串行通信接口标准。它最初是为协

调数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间进行远距离通信而制订的，但目前已

广泛用于计算机与终端以及计算机之间的短距离通信。

RS-232C标准对接口的电气特性、物理接口功能以及传输距离都作了明确的规定。

①电气特性

为了提高DTE和DCE之间数据通信的可靠性和抗击线路上各种噪声的影响，

RS-232C标准中规定：信号源点的逻辑“0"(空号)电平范围为+5~+15V,逻辑“1”(传

号)电平范围为-5〜-15V；目的点的逻辑“0”为十3〜"h15V,逻辑“1”为一3〜-15V。

很明显，RS-232c逻辑电平与TTL逻辑电平不兼容。因此，为了能够同计算机接口或终

端的TTL器件连接，必须在RS-232C与TTL电路之间采用专门的芯片完成电平转换。

例如:MC1488和MC1489。期，MC1488可以把TTL电平转换成RS-232C电平，MC1489

可以把RS-232C电平转换成TTL电平。

②物理接口

RS-232C标准规定传输线和DTE以及传输线和DCE的连接采用DB-25型连接器，

并对连接器的引脚分配、接口信号线的功能、信号流向均作了定义，如图1—14所示。

从图1一14可以看出，RS-232c标准接口有25条信号线，其中，数据线4条，控制线11

条，定时线3条，地线2条，其余为备用线或未定义线。常用的只有9条，它们是：

(a)联络信号控制线

数据装置准备好(DSR)——有效时(ON状态)，表明MODEM处于可以使用的状态。

数据终端就绪(DTR)——有效时(ON状态)，表明数据终端可以使用。

这两个信号有时连到电源上，一上电就立即有效。目前有些RS-232c接口甚至省去

用以指示设备是否准备好进行发送或接收数据的这类信号，认为设备是始终都准备好的。

可见这两个设备状态信号有效，只表明设备本身可用，并不说明通信链路可以开始进行

通信了。能否开始进行通信要由下面的控制信号决定。

请求发送(RTS)——用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，

使该信号有效(ON)状态，向MODEM请求发送。它用来控制MODEM是否要进入发

送状态。

清除发送(CTS)——用来表示DCE准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送

RTS的响应信号.当MODEM已准备好接收终端传来的数据，并向前发送时，使该信号

有效，通知终端开始沿发送数据线TXD发送数据。

这对RTS/CTS请求应答联络信号是用于半双工MODEM系统中作发送方式和接收

方式之间的切换。在全双工系统中，因配置双向通道，故不需RTX/CTS联络信号，使

其变高。

载波检测(DCD)——用来表示DCE已接通通信链路，告知DTE准备接收数据。当本

地的MODEM收到由通信链路另一端(远地)的MODEM送来的载波信号时｛使-DCD信

号有效，通知终端准备接收，并且由MODEM将接收下来的载波信号解调成数字量数

据后，沿接收数据线RXD送到终端。

振铃指示(RI)——当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，使该信号有效(ON)

状态，通知终端已被呼叫。

(b)数据发送与接收线

发送数据(TXD)——通过TXD线终端将串行数据发送到MODEM(DTE—►DCE)。

接收数据(RXD)——通过RXD线终端接收从MODEM发来的串行数据(DCE

DTE)«

(c)地线

信号地(GND),无方向。

上述控制信号线何时有效，何时无效的顺序表示了接口信号的传送过程。例如，只

有当DSR和DTR都处于有效(ON)状态时，才能在DTE和DCE之间进行传送操作。若

DTE要发送数据，则预先将RTS线置成有效(ON)状态，等CTS线上收到有效(ON)状态

的回答后，才能在TXD线上发送串行数据。这种顺序的规定对半双工的通信线路特别有

用，因为半双工的通信线路进行双向传送时，有一个换向问题，只有当收到DCE的CTS

线为有效(ON)状态后，才能确定DCE已由接收方向改为发送方向了，这时线路才能开始

发送。

③传输距离

RS-232C标准规定，在不使用MODEM情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为

15m,传输速率不大于20kbit/s。

(2)RS-422接口

RS-232C虽然应用很广，但仍存在许多缺点，如传送距离短，数据传输速率低，接

口处各信号间易产生干扰等等。因此，产生了新的更高性能的接口标准。

RS-422标准是一种以平衡方式传输的标准。所谓平衡，是指双端发送和双端接收，

所以传送信号要用两条线AA：和BB',发送端和接收端分别采用平衡发送器和差动

接收器，图1-15所示。

RS-422标准仅规定了串行口的电气特性，对物理接口未作明确规定。这个标准的电

气特性对逻辑电平的定义是根据两条传输线之间电位差来决定，当AA',线电平比BB

',线电平低2V时，表示逻辑“1"；当AA',电平比BB',线电平高2V时，表示逻

辑“0”。很明显，这种方式和RS-232c采用单端接收器和单端发送器，只用一条信号线

传送信息，并且根据该信号线上电平相对于公共的信号地电平的大小来决定逻辑的“1”

和“0”是不相同的。

RS-422电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡发

送器(如MC3487集成芯片)把TTL逻辑电子变换成电位差(RS-422电平)，完成始端的信

息传送；通过差动接收器(如MC3486集成芯片)，把电位差(RS-422电子)变成TTL逻辑

电子，实现终端的信息接收。RS422标准由于采用了双线传输，大大增强了抗共模干

扰的能力，因此，最大数据速率可达10Mbit/s(传送15m时)。若传输速率降到90kbit/s,

则最大距离可达1200m。该标准规定电路中只许有1个发送器，可有多个接收器。

(3)RS—485接口

RS-485接口与RS-422接口一样，也是一种平衡传输方式的串行接口标准。它和

RS-422兼容，并且扩展了RS-422的功能。两者主要差别是RS-422只许电路中有一个

发送器，而RS-485标准允许在电路中有多个发送器，因此，它是一种多发送器的标准。

RS-485并且允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或

收发器。它的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端都配置终端电阻，其发送器、接

收器、收发器可挂在平衡传输线上的任何位置，实现在数据传输中多个驱动器和接收器

共用同一传输线的多点通信，其配置如图1—16所示。

RS-485抗干扰能力强，传输速率高，传送距离远。采用双绞线，不用MODEM的情

况下,在100kbit/s的速率时,可传送的距离为1.2km。若速率降到9600bit/s,则传送距

离可达15km。它允许的最大速率可达I0Mbit/s(传送15m).

RS—485允许平衡电缆上最多连接32个发送器/接收器对。为了实现RS—485标准

的连接，许多公司推出了专门的收发器集成芯片，如MAXIM公司的MAX485。表1一1

是该芯片引脚功能定义，图1-17是这•芯片在RS—485联网的连接。

3、控制器局部网(CAN)

控制器局部网CAN(ControllerAreaNetwork)属于现场总线的范畴，它是一种有

效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN的应用范围已遍及各种网络，从高速

网络到低成本的多线路网络，几乎均可以寻找到它的应用实例。

CAN具有下列主要特征：

多主站依据优先权进行总线访问

无破坏性的基于优先权的仲裁

借助接收滤波的多地址稹传送

远程数据请求

配置灵活性

全系统数据相容性

错误检测和出错信令

发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的真可自动重发送

暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离

CAN中的总线数据为两种互补逻辑数值之一:“显性”或“隐性“。"显性”("Daminant")

数值表示逻辑“0”,而“隐性”("Recessive”)表示逻辑”1伯"显性”和“隐性”位同

时发送时，最后总线数值将为“显性”。在“隐性”状态下，和被固定于平均电

压电平，近似为“0”。在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。“显性”

状态以大于最小阈值的差分电压表示。如图1-18所示。在“显性”期间“显性”状态改

写“隐性”状态并发送。

CAN系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关。两节点间的最大距离

见表1—2。CAN总线有效长度和传输速率的关系如图1T9所示。

CAN的分层结构

CAN遵从0SI模型，按照0SI基准模型，CAN结构划分为两层：数据链路层和物理层。

如图1—20所示。

按照IEEE802.2T802.23标准，数据链路层又划分为：

逻辑链路控制(LLC-LogicLinkControl);

媒体访问控制(MAC-MediumAccessControl)

物理层又划分为：

物理信令(PLS-PhysicalSignalling

物理媒体附属装置(PMA-PhysicalMediumAttachment)

媒体相关接口(MDI-MediumDependentInterface).

MAC子层运行借助称之为“故障界定实体(FCE)”的管理实体进行监控。故障界

定是使判别短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理层可借助检测和管理

物理媒体故障实体进行监控(例如总线短路或中断，总线故障管理)。LLC和MAC两个

同等的协议实体通过交换真或协议数据单元(PDU-ProtocolDataUnit)相互通信。一个N

层协议数据单元(NPDU)由N层特定的协议控制信息(PCI-ProtocolControlInformation)

和(N)-用户数据组成，为传送一个NPDU,(N-1)层实体必须通过(N-1)服务访问点

(SAP-ServiceAccessPoint)[N-1]-SAP.NPDU借助于(N-1)层服务数据单元(SDU-Service

DataUnite)[(N-1)-SDU]传至(N-1)层，其服务功能允许NPDU的传送。SDU是接口

数据，对其识别预先在(N)层实体间进行，亦即，它表示逻辑数据单元由服务进行传送。

CAN协议的数据链层既不提供分配一个SDU至多个PDU,也不提供分配多个SDU至一

个PDU的方法，亦即，NPDU直接由相应的NSDU和层指定控制信息N-PCI构成。图1

一21说明数据链路子层的关系。

第二章计算机联锁系统概述

一、计算机联锁系统的发展

(-)车站联锁系统的功能与一般层次结构

车站联锁系统是实现以进路控制为主要内容的联锁功能的系统。随着铁路运输发展

的需要和科学技术的进步，联锁系统的功能、体系结构、技术应用和操作方式等各个方

面都在不断地演变和完善。现代的联锁系统是以色灯信号机、动力转辙机和轨道电路作

为室外三大基础设备，以电气设备或电子设备实现联锁功能并采取集中控制方式对信号

机和道岔进行控制的系统。根据系统各主要部分的功能分工和设置地点的不同，系统的

一般层次结构如图2—1所示，图中人机会话层的功能是操作人员通过操作向联锁机构输

入操作信息和接收联锁机构输出的反映设备工作状态和行车作业情况的表示信息。人机

会话层的设备设于车站值班室。

联锁机构是联锁系统的核心，它是实现联锁功能的。联锁机构必须具有故障-安全性

能。联锁机构除了接受来自人机会话层的操作信息外，还接受来自监控层的反映信号机、

动力转辙机和轨道电路状态的信息。联锁机构的功能就是根据联锁需求(条件)，对输入

的操作信息和状态信息，以及联锁机构的当前内部信息进行处理，改变内部信息，产生

相应的输出信息，即信号捽制命令和道岔控制命令，并交付监控层的控制电路予以执行。

从这个意义上讲，联锁机构属于信息处理机构。联锁机构所处理的信息都是二值逻辑信

息(即都是开关量)，因此，联锁机构又是逻辑处理(或运算)机构。联锁层设备一般设

在车站信号楼的机械室内。

联锁系统监控层的主要功能是：接受来自联锁层的控制命令，经过信号机控制电路,

改变信号显示；接受来自联锁层的道岔控制命令，经过道岔控制电路，驱动道岔转换；

向联锁机构传输信号状态信息、道岔状态信息，以及轨道电路状态信息。联锁层的信号

控制电路和道岔控制电路必须是故障-安全的。

联锁层的设备虽多设在信号楼的机械室内，但从原理上讲，也可设于监控对象的附

近，这样可以缩短监控对象与控制电路之间的联系电缆，有利于提高电缆抗干扰程度。

在这种情况下，联锁机构与控制电路之间应采用串行通信方式交换信息，这将节省通信

线路投资和提高抗干扰能力。

(-)对继电集中联锁的再认识

随着微电子技术、计算机技术、信息技术、容错技术的发展，用计算机来实现车站

信号控制的系统得到了广泛的应用。

首先，我们来看一看继电联锁系统的特点：

①由继电电路来实现信号道岔和进路之间的联锁关系。

②以安全型继电器为主要控制器件，并把它们集中放在信号楼内。

其优点是：性能比较稳定，在保障铁路行车安全、提高效率起到了良好的作用。其

缺点是：

①功能不够完善，特别是人机对话功能贫乏，也比较难于增加或扩展其它功能。

②不便于和现代化的信息处理系统相连接。例如，用计算机实现的旅客向导系统、

计算机辅助运输控制系统，调度集中系统不可能利用标准化的通信接口板、网卡与之相

连接。

③经济方面，大规模集成电路价格日趋下降而专用继电器价格相对稳定，使得大站

的计算机联锁系统的价格低与电气集中联锁；与计算机联锁系统相比，电气集中联锁系

统要使用更多的电缆：电气集中联锁占地面积大，标准化程度比计算机联锁系统低，维

修量大等。

(三)计算机联锁系统优点

以计算机技术取代继电电路具有以下优点：

①减少继电器检修工作量；

②减少系统的设计、施工和维护的工作量；

③减少建筑使用面积；

④当采用分布式系统结构时，可以节省干线电缆，从而降低工程造价；

⑤当采取了必要的提高系统的可靠性和安全性的技术措施后，系统的可靠性和安全

性将得到提高；

⑥便于改造；

⑦便于增加新功能。

最关键的是，计算机联锁系统为铁路信号向智能化和网络化方向发展创造了条件。

二、计算机实时控制系统

计算机联锁系统是计算机实时控制系统的•个实例。

实时控制系统是指在限定的时间内对外来时间能够作出反应的系统。即，如果一个

计算机系统需要在确切的时间内从外部环境输入数据，并向它发送数据，或者进行一些

其它的处理，该系统就是一个计算机实时控制系统。

实时工业控制计算机系统的主要特点有：

①实时性：这是实时工业控制计算机系统区别于其它普通计算机系统的关键特点。

②现场信号的输入和控制输出能力：计算机需要直接从工'也现场采集各种信号，对

这些信号变量进行处理，然后把结果输出到显示器或执行机构。

③高可靠性：因为该系统直接控制着工业过程，一旦计算机系统发生故障，如果没

有相应的冗余措施，会造成重大损失。

④可维护性：因为系统的故障会影响工业过程的正常操作，所以在系统设计时一定

要考虑易于维护，可维护性还有一层意思就是，系统的部分改变就可以适应工业现场的

变化，而不是整个系统。

⑤其它特点：除了以上特点之外，实时工业控制系统一般要求允许工作环境比较恶

劣，如温度高、湿度大、抗冲击、震动性强等。

典型的实时工业计算机控制系统的结构如图2—2所示。图中包括以下主要部件：

①机箱、机架、底板、电源。

机箱（机柜）用来安装电源，固定机架和完成一些其它保护功能。一般装有接线端

子，排风扇等。

机架：用来插放各种计算机摸板。机架后面或底面上安装有总线底板（母板）。

②系统总线：是•块印刷电路板，通过底板连接器和各模板相连。处理机和模板通

过总线交换信息，系统电源和各种控制信号通过总线供给个模板。

各种计算机厂家所生产销售的各种总线主要有STD、PC、VME、MULTIBUS等。

它们的主要区别是物理尺寸和结构、引线功能和定义、信号的电器特性不同。对总线的

选择依赖

图2—2计算机工业控制系统

于以下几个方面：该总线构成的系统能否满足系统的要求，该总线构成的系统的价格怎

样，开发人员对产品的熟悉程度，开发人员对该总线支持的处理器系统的软件的熟悉程

度，以及开发人员对该总线开发环境的熟悉程度。

③处理机板（主机板）。

④辅助板：有些处理机，比如STS,由于物理尺寸的限制，板子上不可能装太多的

器件，而系统有需要较高的性能如浮点运算，需要较大的存储器，需要配存储板。

⑤接口板：用来控制通信、外存、外设、实时信号的输入输出。分为四种：

外存控制接口板，如磁盘控制板。不过随着CPU处理器技术和存储介质技术的发展,

这种接口板已经即将被淘汰了。

通讯接口板：有许多类型，如RS—232通讯接口板、IEEE—488并行接口板，以及

各种远程和近程网络通信接口板。

显示器控制板：如PC兼容机的TVGA卡、CGA卡。

实时控制接口板：主要包括模拟量信号输入、输出板，开关量信号输入、输出板和

各种信号调理板。

在工业控制计算机系统的设计中，最基本的问题是计算机接口技术和人一机接口技

术。计算机接口技术从信号的流向来看分为输入接口和输出接口；人一机接口技术包括:

输入技术、显示技术、打卬技术。

输入技术日新月异，从最早的键盘输入、鼠标（轨迹球）输入到图象数字化仪和触

摸屏输入。

在工业控制计算机系统中，•般都要求将计算机采集或计算所得到的信息显示出来。

常用的显示技术可以分为：指示灯、LED显示、LCD（液晶）显示、图形显示.

三、容错和避错技术

（-）容错技术的发展

避错技术开始于计算机问世。它的基本思想是试图构造出一个不包含任何故障的“完

美”系统。采用正确的设计尽量避免把故障引入系统，用质量控制、减载使用等方法避

免故障的发生。随着计算机技术的发展，避错技术一直是提高计算机系统可靠性的基本

方法。但是一个系统不发生任何故障是不可能的，因此人们开始研究容错技术，即当系

统出现硬件或软件故障时，程序不会因系统中的故障而终止或被修改，并且执行结果也

不会包含系统中故障引起的差错。

由于理论发展的限制，如何实现容错一直是一个难题。直到1952年，冯诺依曼在加

州理工学院发表五篇关于容错理论的报告，容错技术才得以进一步发展。看五篇关于容

错理论的报告也是容错研究的基础。70年代，容错技术蓬勃发展，其应用遍及到宇航、

交通控制以及工业自动化各个领域；80年代，超大规模集成电路（VLSI）和微型计算机

的迅速发展和广泛应用使容错技术深入到工业界，把容错作为每个数字系统的一个主要

特征的时代已经到来。国际电机和电子工程师学会（IEEE）从1971年开始每年召开一次

“国际容错计算年会（FTCS）并出版论文集。

容错的基本思想是：在系统的体系结构上精心设计，利用外加资源的冗余技术来达

到掩蔽故障的影响，从而自动恢复系统或达到安全停机的目的。

（-）容错技术的主要方法

容错技术主要依靠外加资源的方法来换取可靠性。外加资源有硬件、软件、时间和

信息。

硬件冗余：通过硬件的堆积冗余或待命储备冗余来达到容错。硬件的堆积冗余可以

体现在物理级的元件重复，也可以体现在逻辑域的多数表决；待命储备冗余体现在具有

m+1个模块并带有检错和切换装置的计算机系统中。

时间冗余：通过消耗时间资源来达到容错。

信息冗余：增加信息的多余度来提高可靠性。比如增加检错码、纠错码，附加位越

多，检错纠错的能力就越强。

软件冗余：提高软件可靠性有两种方法，一是研究无错软件，二是研究容错软件。

将具有设计差异，完成同一任务的不同软件组成一个有机整体，完成错误检测，程序系

统重组及系统恢复等功能。

根据对故障处理方式不同，可以把容错技术分为：屏蔽冗余和动态冗余。

采取屏蔽冗余的系统具有表决功能，采用动态冗余的系统需要具有故障检测和动态

切换功能。

我们将在下面的计算机联锁系统的容错结构中具体讲这两种冗余方式。

第三章计算机联锁系统的硬件结构

第一节系统的硬件结构

对于计算机联锁系统，既要求具有比较好的可靠性，又要求具有比较高的安全性。

这是因为该系统不仅需要昼夜不停地连续运转，而且•旦出现故障，就有可能导致人身

伤亡或者造成财产的重大损失。所以，计算机联锁系统需要利用近年来逐渐发展起来而

到目前已经比较成熟的冗余技术，使其自身构成容错控制系统。

容错控制系统无论在硬件结构方面还是在软件结构方面均存在着一些明显的特点。

本节就硬件结构方面的特扼要地加以说明。

一、系统的可靠性冗余结构

计算机联锁系统的可靠性的定义是：该系统在规定的时间内、在规定的条件下完成

规定功能的能力。度量可靠性的定量标准是可靠度，计算机联锁系统的可靠度往往用其

自身的平均故障间隔时间MTBF来表征。

对于一般的电子产品，其OEM板级产品的MTBF约为10%,而计算机系统由若干块的

OEM板级产品组成，其MTBF约为10'h„而对于计算机联锁系统，根据有关的技术标准，

要求其MTBF值达到10%亦即要求至少在系统进行技术改造前（一般可以按15年计算）

不出现故障。显然，只依靠单个计算机构成的单机系统是不能够达到该目标值的，必须

导入冗余资源以构成双机乃至多机的冗余系统，使得整个系统的可靠性达到或者超过该

目标值。

计算机联锁系统的可靠性冗余结构，往往采用双机互为备用的或门二重系统，其原

理结构图如图3—1所示。双机热备系统的MTBF值可概略地估算如下:若单机系统的MTBF

值约为10'h,当单机系统的每一个故障均能够被检测到并且倒机逻辑电路的故障率为零

时，双机系统的MTBF值可能达到107~108ho

图3—1可靠性冗余结构图

二、系统的安全性冗余结构

计算机联锁系统的安全性的定义是：当系统的任何部分发生故障时，其后果不会导

致人身伤亡或者财产的重大损失的性能。度量系统安全性的技术指标是系统产生不安全

性输出的平均间隔时间。对于计算机联锁系统，根据有关的技术标准，要求产生不安全

性输出的平均间隔时间为10"h以上。显然，对于平均故障间隔时间为106h的可靠性冗余

系统而言，如果不进而采取必要的安全性技术措施，是不能够达到安全性要求的。

使系统