讲义第一章绪论

1第一章绪论随着社会的发展和科技的进步，计算机已经深入到我们的日常生活当中。很多同学都习惯了通过计算机查找资料，交流聊天，玩游戏。当然计算机的用途远不止这些，其更重要的用途在于它已经应用到许多关系到国计民生的各行各业当中去，实现了自动化生产，提高了生产效率和产品质量，从而改善了我们的生活。既然计算机已经和我们这么接近，这么熟悉，同学们能否给我回答以下的这样几个问题？1我们为什么通常称所使用的计算机为微机？（通过这个问题引出微型计算机的特点和发展情况）2微型计算机的主要用途是什么？工业上用到的计算机的组成结构和特点是什么？（通过这个问题引出计算机控制系统的概述）3工业上计算机控制如何实现的？（通过这个问题计算机控制系统的典型型式）4计算机控制系统的发展概况及趋势是怎样的？（通过这个问题讲解计算机控制系统趋势和展望）其实，上面的这4个问题，大家在以前的有关计算机的课程的学习中应该有讲到过一部分，或者大家在日常生活中可能接触过一些，我们在此就围绕这些问题一起系统性的回顾和学习，这就是我们这一章要讲的主要内容。1.1微型计算机的特点和发展情况【补充内容】1.1.1微型计算机的特点我们通常所说的计算机又称为微机，就是微型计算机的简称。电子计算机通常按照体积，性能和价格分为巨型机，大型机，中型机，小型机和微型机五类。从系统结构和基本的工作原理上说，微型机和其他几类计算机并没有本质上的区别，所不同的是微型机广泛采用了集成度相当高的器件，带来以下一系列特点：1体积小，重量轻。由于采用大规模（超大规模）集成电路，使微型机所含的器件数目大为减少，体积大为缩小。50年代要由占地上百平方米，耗电上百千瓦的电子计算机实现的功能，现在由一台笔记本电脑即可实现。2价格低廉。3可靠性高，结构灵活。元器件少，连线少。4应用面广。测量仪器，教学设备，医疗设备，家用电器，过程控制设备等。涉及各个行业，科学计算，信息处理，事务管理，过程控制等，从政府办公到工厂生产，从地面勘测到天气预报，从车辆到航天飞机等等等等。1.1.2微型计算机的发展世界上第一台电子计算机是在1946年于美国正式发明和使用的，其名字为ENICA(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)，翻译为电子数字积分计算器。当时其体积很大，占据3个大房间，其所需的电力足可以供一个有3万居民的小城市使用，而且需要许多大功率的排风机来减少其发出的热量。2从此之后，计算机的发展速度就越来越快了。通常，我们来说计算机的更新换代，或者说它的发展速度，主要是看其核心部件，也就是CPU（CentralProcessUnit：中央处理器）的时钟频率的发展速度。表1.1中给出了计算机微处理器的发展情况。表1.1微处理器的发展情况时间集成度时钟频率平均指令执行时间典型产品第一代（1971－1972）4或8位微处理器2000只晶体管/片1MHz10～15µsIntel4004Intel8008第二代（1973－1977）8位微处理器9000只晶体管/片2～4MHz1～2µsIntel8080MotorolaMC6800第三代（1978－1982）16位微处理器2万～7万只晶体管/片4～25MHz0.5µsIntel8086Motorola68000Motorola68010Intel80286第四代（1978－1992）32位微处理器15万～50万只晶体管/片16～40MHz0.1µsIntel80386Motorola68020Intel80486Motorola68030第五代（1993－1996）32位微处理器60万～310万只晶体管/片60～166MHz0.02～0.05µsPentium586PentiumMMX（多能奔腾）第六代（1995－1999）32位微处理器350万～750万只晶体管/片300～500MHz0.005～0.02µsPentiumPro(高能奔腾)PentiumⅡ(奔腾二代)和PentiumⅢ(奔腾三代)第七代（2000－now）64位微处理器1G－2.5GHzPentium4Itanium从上表中可以看出，微处理器的主频发展的速度非常之快，因此计算机的运行速度和所实现的功能也越来越多。实际上，在这一个问题上，有一个大家普遍认可的定律可以作为一个参考，那就是有名的摩尔定律：集成电路的集成度每18个月翻一番。自然会有同学要问，微处理器的主频能无限提高吗？事实上，微处理器主频的发展要受到以下因素的影响：1．CPU制造工艺早期的微处理器使用0.5微米工艺制造。随着CPU频率的增加，出现了0.35微米、0.25微米工艺，0.18微米技术已经用于pentiumⅢ，用0.13微米技术制造的微处理器产品也将面世。早期的微处理器芯片内部使用铝作为导体，已经接近其性能3极限。铜导线虽然优于铝，但是也有其性能极限。一般认为硅芯片技术0.05微米的物理极限。PentiumⅢ微处理器，内置256KB与CPU主频同步运行的二级缓存，并率先采用0.18微米的工艺技术，集成了二千八百万个晶体管/片。既然是集成的晶体管，它在单位体积里的集成度总是有限的。2．缓存技术缓存是可以进行高速数据交换的存储器，又称为高速缓存。与微处理器相关的缓存一般分为：L1缓存和L2缓存，L1缓存集成在CPU内部，L2缓存则在主板上。AMDK6-Ⅲ中首次使用了三级缓存技术。缓存技术并不能保证微处理器的主频无限增长。3．指令集为了提高计算机在多媒体、3D图形方面的应用能力，Intel的MMX、SSE和AMD的3DNOW!指令集应运而生。MMX指令集包括57条多媒体指令，这些指令可以一次处理多个数据；处理结果超过实际处理能力时也能进行正常处理。在软件的配合下，微型计算机可以得到更好的性能。Intel在PentiumⅢ微处理器中首先推出SSE指令集，共有70条指令。受指令集的影响，微处理器主频也不可能无限增长。那么微处理器主频增长极限是多少？这个增长极限将在何年达到？我们能不能将它们预测出来？这要借助于统计模型。计算结果表明，微处理器主频存在极限，极限值约为7250MHz；这一极限值大约在2020年左右基本达到，而在2040年完全达到。从2020年以后微处理器主频将基本没有变化。1.2计算机控制系统概述前面提到微型计算机有着很广泛的应用，我们这门课程所学习的是微型计算机控制系统。就是利用计算机来实现对系统进行控制。这也是我们自动化专业的学生所要学习和掌握的一门最重要的专业必修课程。以前学习的计算机原理，经典、现代控制原理以及检测技术与仪表，电机调速等等课程都是这门课程之前设置的专业基础课程。我们自动化这个专业，以前曾称为工业电气自动化，从专业名称上我们就可以看出，主要是为工业生产服务的，是实现工业生产过程自动化的。在工程和科学技术领域，自动控制担负着重要角色。所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器使生产过程自动地按照预定的规律运行。计算机控制技术主要研究的是如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需的计算机控制系统来实现对生产过程的自动控制。从这个定义上来看，要想实现计算机控制，必须掌握三个方面的内容：一是要会用计算机，二是要掌握自动控制理论，三是要熟悉生产过程，把这三个方面相结合起来才能够设计出一个好的控制系统。之所以要用计算机控制技术来代替传统的常规控制技术，就是因为这种技术可以完成其无法完成的任务，达到常规控制技术无法达到的性能指标。近些年来，随着科技的进步，计算机技术，自动控制理论，检测与传感技术，CRT显示技术，通信与网络技术，微电子技术的高速发展，也给我们计算机控制技术带来了巨大的变革和发展。1.2.1计算机控制系统的工作原理计算机控制系统就是利用计算机（工控机）来实现生产过程自动控制的系统。4计算机控制系统原理图可见图1.1。在计算机控制系统中，由于工控机的输入输出是数字信号，而测量变送装置的输出和执行机构的输入所能接受的是模拟信号（电压，电流），因此需要有A/D，D/A转换器。其工作原理可归纳为以下四个步骤：（1）实时数据采集：对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。（2）实时控制决策：对采集到的被控量进行分析和处理，并按照已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。（3）实时控制输出：根据控制决策，对执行机构发出控制信号，完成控制任务。（4）信息管理：随着网络技术和控制策略的发展，信息共享和管理也介入到了控制系统中去。1.2.2计算机控制系统的组成从图1.2中可以看出，计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工控机是指按照生产过程控制的特点和要求而设计的计算机，包括硬件和软件两部分，生产过程包括被控对象，测量变送，执行机构，电气开关等装置。51.2.3计算机控制系统的优点在工业生产过程的控制系统中引进计算机，首先可以充分的利用计算机强大的计算，逻辑判断，和记忆存储等信息加工能力，运用计算机的各种指令，就能编写出符合某生产过程的控制程序。（1）计算量大，处理时间迅速，实时性强。（2）有逻辑判断和信息再加工能力，可以处理复杂的控制过程。（3）适应性强。可以通过改变控制程序的编写来实现不同的工业生产过程。如果生产过程中的某些参数变化或某些工序调整，可以很容易的进行更改。（举例：汽车生产线。）。而一般的控制系统中，控制方法是由硬件电路来实现的，改变控制规律就需要改变硬件电路，复杂且费用高。1.2.4几个概念（1）在线方式：在计算机控制系统中，生产过程和计算机直接相连，并受计算机控制的方式称为在线方式。（2）离线方式：生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作相应的操作方式称为离线方式或脱机方式。（举例：控制电机运转，如果由计算机直接控制，则可说为在线，如果要人为开关，称为离线。）（3）实时：指信号的输入，计算和输出要在一定的时间范围内完成。注意的是，实时的概念不能脱离具体的生产过程，具体多少时间算是实时，对不同的控制过程是不一样的。（举例锅炉控制系统，振动测量控制系统对实时性的要求是不一样的。）注意：一个在线的系统不一定是实时的系统，但一个实时的系统必定是在线系统。1.2.5工控机工业控制机是计算机控制系统中的重要组成部分，它是专门为适应于工业生产过程控制而设计的计算机。有了工控机，可以使生产过程的控制更加可靠，有效的完成。它和一般计算机的区别在于（特点在于）。1）工控机的硬件组成主机板：中央处理器，内存储器。主机主要进行必要的数值计算，逻辑判断，数据处理等工作。内部总线和外部总线：内部总线是工业控制机内部各个组成部分进行信息传递的公共通道，它是一组信号线的集合，常用的内部总线IBMPC总线和STD总线。外部总线是工控机与其他计算机和智能设备进行信息传送的公共通道，常用的外部总线有RS－232C和IEEE－488通信总线。人机接口：人机接口是一种标准结构，主要有PC键盘，显示器，打印机组成。系统支持功能：监控定时器，称看门狗（watchdog）。其主要作用是当系统因干扰或软故障等原因出现异常时，如“飞程序”或程序进入死循环，watchdog可以使系统自动恢复运行，从而提高系统的可靠性。“飞程序”：程序飞了，乱了，不知到运行到什么地方了。如果程序过长，要“喂狗”。电源掉电检测。6后备存储器。系统掉电后可以保存数据不丢失，在系统的存储器工作时间，后备存储器要上锁。实时日历时钟。配备实时时钟，以做某些重要之事。在掉电之后仍然不停的正常工作。磁盘系统：软硬磁盘。通信接口：RS-232C和IEEE－488通信接口。输入输出通道：AI,AO,DI,DO。2）工控机的软件组成分为系统软件，支持软件，应用软件三部分。系统软件：操作系统支持软件：汇编语言，高级语言，编译，调试，诊断程序。应用软件：系统人员针对某生产过程而编制的控制和管理程序。过程输入，输出程序，过程控制程序，人机接口程序，打印显示程序等。3）工控机的特点可靠性高，可维修性好。环境适应性强。控制的实时性。完善的输入输出通道。丰富的软件。适当的计