《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》微機(jī)控制的選擇與設(shè)計(jì)

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1、1 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) 的 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的選 擇 與 設(shè) 計(jì)微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) ；8086/8088微 機(jī) 的 硬 件 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) ；單 片 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) 及 其 最 小 應(yīng) 用 系 統(tǒng) ；數(shù) 字 顯 示 器 及 鍵 盤 的 接 口 電 路 ；微 機(jī) 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 的 輸 入 /輸 出 控 制 的 可 靠 性 設(shè) 計(jì) 。常 用 檢 測 傳 感 器 的 性 能 特 點(diǎn) 、 選 用 及 其 微 機(jī) 接 口 2 4 1 專 用 與 通 用 的 抉 擇 、 硬 件 與 軟 件 的權(quán) 衡控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 就 是 選 用 微 機(jī) 、 設(shè) 計(jì) 接 口 、 選

2、 用 控 制 形 式和 動(dòng) 作 控 制 方 式 的 問 題 。 1 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 專 用 與 通 用 的 抉 擇專 用 控 制 系 統(tǒng) 適 合 于 大 批 量 生 產(chǎn) 的 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 。 3 4 5 專 用 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 問 題 ， 實(shí) 際 上 就 是 選 用 適 當(dāng) 的 通 用 IC芯 片 來 組 成 控 制 系 統(tǒng) ， 以 便 與 執(zhí) 行 元 件 和 檢 測 傳 感 器 相 匹配 ， 或 重 新 設(shè) 計(jì) 制 作 專 用 集 成 電 路 ， 把 整 個(gè) 控 制 系 統(tǒng) 集 成在 一 塊 或 幾 塊 芯 片 上 。對(duì) 于 多 品 種 、 中 小 批 量

3、生 產(chǎn) 的 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 來 說 ， 由 于還 在 不 斷 改 進(jìn) ， 結(jié) 構(gòu) 還 不 十 分 穩(wěn) 定 ， 特 別 是 對(duì) 現(xiàn) 有 設(shè) 備 進(jìn)行 改 造 時(shí) ， 采 用 通 用 控 制 系 統(tǒng) 比 較 合 理 。通 用 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) ， 主 要 是 合 理 選 擇 主 控 制 微 機(jī) 機(jī) 型 ，設(shè) 計(jì) 與 其 執(zhí) 行 元 件 和 檢 測 傳 感 器 之 間 的 接 口 ， 并 在 此 基 礎(chǔ)上 編 制 應(yīng) 用 軟 件 的 問 題 。實(shí) 質(zhì) ， 這 就 是 通 過 接 口 設(shè) 計(jì) 和 軟 件 編 制 來 使 通 用 微 機(jī) 專 用化 的 問 題 。 6 2 硬 件 與

4、 軟 件 的 權(quán) 衡例 如 運(yùn) 算 與 判 斷 處 理 等 ， 適 宜 用 軟 件 來 實(shí) 現(xiàn) 。 而 在 其 余 大 多數(shù) 情 況 下 對(duì) 于 某 種 功 能 來 說 ， 既 可 用 硬 件 來 實(shí) 現(xiàn) ， 又 可 用軟 件 來 實(shí) 現(xiàn) 。 因 此 ， 控 制 系 統(tǒng) 中 硬 件 和 軟 件 的 合 理 組 成 ， 通常 要 根 據(jù) 經(jīng) 濟(jì) 性 和 可 靠 性 的 標(biāo) 準(zhǔn) 權(quán) 衡 決 定 。在 設(shè) 計(jì) 控 制 系 統(tǒng) 時(shí) ， 對(duì) 于 提 高 包 括 環(huán) 境 適 應(yīng) 性 和 抗 干 擾 能力 在 內(nèi) 的 可 靠 性 時(shí) 必 須 特 別 注 意 采 取 必 要 的 措 施 。 7 4 2 微 機(jī)

5、 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 思 路1、 確 定 系 統(tǒng) 整 體 控 制 方 案 首 先 應(yīng) 了 解 被 控 對(duì) 象 的 控 制 要 求 ， 構(gòu) 思 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的整 體 方 案 。 通 常 ， 先 從 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 上 考 慮 是 采 用 開 環(huán) 控 制 還是 閉 環(huán) 控 制 。 當(dāng) 采 用 閉 環(huán) 控 制 時(shí) ， 應(yīng) 考 慮 采 用 何 種 檢 測 傳感 元 件 ， 檢 測 精 度 要 求 如 何 。其 次 考 慮 執(zhí) 行 元 件 采 用 何 種 方 式 ， 是 電 動(dòng) 、 氣 動(dòng) 還 是 液 動(dòng) 。比 較 其 方 案 的 優(yōu) 缺 點(diǎn) ， 擇 優(yōu) 而 選第 三 要 考 慮 是

6、 否 有 特 殊 控 制 要 求 ， 對(duì) 于 具 有 高 可 靠 性 、 高精 度 和 快 速 性 要 求 的 系 統(tǒng) ， 應(yīng) 采 取 哪 些 措 施 8 第 四 是 考 慮 微 機(jī) 在 整 個(gè) 控 制 系 統(tǒng) 中 的 作 用 ， 是 設(shè) 定 計(jì) 算 、直 接 控 制 還 是 數(shù) 據(jù) 處 理 微 機(jī) 應(yīng) 承 擔(dān) 哪 些 任 務(wù) ， 為 完 成 這些 任 務(wù) 微 機(jī) 應(yīng) 具 備 哪 些 功 能 ， 需 要 哪 些 輸 入 /輸 出 通 道 、配 備 哪 些 外 圍 設(shè) 備 。2 確 定 控 制 算 法所 謂 數(shù) 學(xué) 模 型 就 是 系 統(tǒng) 動(dòng) 態(tài) 特 性 的 數(shù) 學(xué) 表 達(dá) 式 。 由 此 推

7、出控 制 算 法 。所 謂 計(jì) 算 機(jī) 控 制 就 是 按 照 規(guī) 定 的 控 制 算 法 進(jìn) 行 控 制 。每 個(gè) 控 制 系 統(tǒng) 都 有 一 個(gè) 特 定 的 控 制 規(guī) 律 ， 因 此 ， 每 個(gè) 控 制系 統(tǒng) 都 有 一 套 與 此 控 制 規(guī) 律 相 對(duì) 應(yīng) 的 控 制 算 法 。 例 如 ， 機(jī)床 控 制 中 常 使 用 的 逐 點(diǎn) 比 較 法 的 控 制 算 法 和 數(shù) 字 積 分 法 的控 制 算 法 ； 位 置 數(shù) 字 伺 服 系 統(tǒng) 中 常 用 實(shí) 現(xiàn) 最 少 拍 控 制 的 控制 算 法 。 另 外 ， 還 有 各 種 最 優(yōu) 控 制 的 控 制 算 法 、 隨 機(jī) 控 制

8、和 自 適 應(yīng) 控 制 的 控 制 算 法 9 3 選 擇 微 型 計(jì) 算 機(jī)對(duì) 于 給 定 的 任 務(wù) ， 選 擇 微 機(jī) 的 方 案 不 是 唯 一 的 ， 從 控 制 的角 度 出 發(fā) ， 微 機(jī) 應(yīng) 能 滿 足 具 有 較 完 善 的 中 斷 系 統(tǒng) 、 足 夠 的存 儲(chǔ) 容 量 、 完 善 的 輸 入 /輸 出 通 道 和 實(shí) 時(shí) 時(shí) 鐘 等 要 求 。1)較 完 善 的 中 斷 系 統(tǒng) 。微 型 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 必 須 具 有 實(shí) 時(shí) 控 制 性 能 。 實(shí) 時(shí) 控 制 包含 兩 個(gè) 意 思 ：一 是 系 統(tǒng) 正 常 運(yùn) 行 時(shí) 的 實(shí) 時(shí) 控 制 能 力 ；二 是 在

9、 發(fā) 生 故 障 時(shí) 緊 急 處 理 的 能 力 。 出 現(xiàn) 異 常 或 緊 急 情 況時(shí) 應(yīng) 報(bào) 警 和 處 理 10 2)足 夠 的 存 儲(chǔ) 容 量 。由 于 微 型 計(jì) 算 機(jī) 內(nèi) 存 容 量 有 限 ， 當(dāng) 內(nèi) 存 容 量 不 足 以 存 放 程序 和 數(shù) 據(jù) 時(shí) ， 應(yīng) 擴(kuò) 充 內(nèi) 存 ， 有 時(shí) 還 應(yīng) 配 備 適 當(dāng) 的 外 存 儲(chǔ) 器 。3)完 備 的 輸 入 輸 出 通 道 和 實(shí) 時(shí) 時(shí) 鐘 。開 關(guān) 量 輸 入 輸 出 通 道 ； 模 擬 量 輸 入 /輸 出 通 道 ； 同 時(shí) 具有 開 關(guān) 量 輸 入 輸 出 通 道 和 模 擬 量 輸 入 /輸 出 通 道 11 選

10、 擇 微 型 計(jì) 算 機(jī) 除 應(yīng) 滿 足 上 述 幾 點(diǎn) 要 求 外 ， 從 不 同 的 被控 制 對(duì) 象 角 度 而 言 ， 還 應(yīng) 考 慮 幾 個(gè) 特 殊 要 求 ：1)字 長 。微 處 理 器 的 字 長 定 義 為 并 行 數(shù) 據(jù) 總 線 的 線 數(shù) 。 字 長 直 接影 響 數(shù) 據(jù) 的 精 度 、 尋 址 能 力 、 指 令 的 數(shù) 目 和 執(zhí) 行 操 作 的時(shí) 間 。對(duì) 于 通 常 的 順 序 控 制 、 程 序 控 制 可 選 用 1位 微 處 理 器 。對(duì) 于 計(jì) 算 量 小 ， 計(jì) 算 精 度 和 速 度 要 求 不 高 的 系 統(tǒng) 可 選 用 4位機(jī) (如 計(jì) 算 器 、

11、家 用 電 器 及 簡 單 控 制 等 )。對(duì) 于 計(jì) 算 精 度 要 求 較 高 、 處 理 速 度 較 快 的 系 統(tǒng) 可 選 用 8位 機(jī)(如 線 切 割 機(jī) 床 等 普 通 機(jī) 床 控 制 、 溫 度 控 制 等 )。對(duì) 于 計(jì) 算 精 度 高 、 處 理 速 度 快 的 系 統(tǒng) 可 選 用 16位 機(jī) (如 控 制算 法 復(fù) 雜 的 生 產(chǎn) 過 程 控 制 、 要 求 高 速 運(yùn) 行 的 機(jī) 床 控 制 、 特 別 大 量 的 數(shù) 據(jù) 處 理 等 )。 12 2)速 度 。速 度 的 選 擇 與 字 長 的 選 擇 可 一 并 考 慮 。通 常 ， 微 處 理 器 的 速 度 選 擇

12、 可 根 據(jù) 不 同 的 被 控 制 對(duì) 象 而 定 。例 如 ， 對(duì) 于 反 應(yīng) 緩 慢 的 化 工 生 產(chǎn) 過 程 的 控 制 ， 可 選 用 慢 速的 微 處 理 器 。 對(duì) 于 高 速 運(yùn) 行 的 加 工 機(jī) 床 、 連 軋 機(jī) 的 實(shí) 時(shí) 控制 等 。 必 須 用 高 速 的 微 處 理 機(jī) 。 3)指 令 。指 令 條 數(shù) 越 多 ， 針 對(duì) 特 定 操 作 的 指 令 就 多 ， 這 樣 會(huì) 使 程 序 量減 少 ， 處 理 速 度 加 快 。 13 單 片 機(jī) 是 在 一 個(gè) 雙 列 直 插 式 集 成 電 路 中 包 括 了 數(shù) 字 計(jì) 算 機(jī)的 四 個(gè) 基 本 組 成 部

13、分 (CPU、 EPROM、 RAM和 I O接 口 )， 具 有價(jià) 格 低 、 體 積 小 等 特 點(diǎn) ， 可 滿 足 很 多 場 合 的 應(yīng) 用 。其 缺 點(diǎn) 是 需 要 開 發(fā) 系 統(tǒng) 對(duì) 其 軟 硬 件 進(jìn) 行 開 發(fā) 。選 擇 微 機(jī) 時(shí) ， 還 應(yīng) 考 慮 成 本 高 低 、 程 序 編 制 難 易 以 及 擴(kuò) 充輸 入 /輸 出 接 口 是 否 方 便 等 因 素 ， 從 而 確 定 是 選 用 單 片 機(jī) 、單 板 機(jī) ， 還 是 選 用 微 型 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 。 單 板 機(jī) 也 具 有 價(jià) 格 較 低 、 體 積 較 小 的 特 點(diǎn) ， 適 合 于 生 產(chǎn)現(xiàn) 場 使 用

14、 ， 便 于 維 護(hù) 和 管 理 。其 缺 點(diǎn) 是 內(nèi) 存 容 量 較 小 ， 接 口 電 路 少 ； 另 外 使 用 機(jī) 器 語言 編 程 ， 編 程 和 調(diào) 試 比 較 困 難 。 14 微 型 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 有 豐 富 的 系 統(tǒng) 軟 件 ， 可 用 高 級(jí) 語 言 、 匯 編語 言 編 程 ， 程 序 編 制 和 調(diào) 試 都 很 方 便 。 系 統(tǒng) 機(jī) 內(nèi) 存 容 量 大且 有 軟 (硬 )磁 盤 等 大 容 量 的 外 存 儲(chǔ) 器 ， 通 常 都 有 數(shù) 據(jù) 通 道 ，可 實(shí) 現(xiàn) 內(nèi) 外 存 儲(chǔ) 器 之 間 的 快 速 批 量 信 息 交 換 。其 缺 點(diǎn) 是 成 本 較 高

15、， 當(dāng) 用 來 控 制 一 個(gè) 小 系 統(tǒng) 時(shí) ， 往 往 不 能充 分 利 用 系 統(tǒng) 機(jī) 的 全 部 功 能 ， 抗 干 擾 能 力 差 。4 系 統(tǒng) 總 體 設(shè) 計(jì) 在 總 體 設(shè) 計(jì) 時(shí) ， 要 綜 合 考 慮 硬 件 和 軟 件 措 施 ， 解 決 微 機(jī) 、被 控 制 對(duì) 象 和 操 作 者 三 者 之 間 可 靠 的 、 適 時(shí) 進(jìn) 行 信 息 交 換的 通 路 和 分 時(shí) 控 制 的 時(shí) 序 安 排 問 題 ， 保 證 系 統(tǒng) 能 正 常 地 運(yùn)行 。 設(shè) 計(jì) 中 主 要 考 慮 硬 件 和 軟 件 功 能 的 分 配 和 協(xié) 調(diào) 、 接 口設(shè) 計(jì) 、 通 道 設(shè) 計(jì) 、 操

16、作 控 制 臺(tái) 設(shè) 計(jì) 、 可 靠 性 設(shè) 計(jì) 等 問 題 。 15 (1)接 口 設(shè) 計(jì)通 常 有 下 述 三 種 方 法 可 供 選 用 。1)選 用 功 能 接 口 板 。在 功 能 接 口 板 上 ， 有 多 組 并 (串 )行 數(shù) 字 量 輸 入 輸 出 通 道 ，或 多 組 模 擬 量 輸 入 輸 出 通 道 。采 用 選 配 功 能 插 板 擴(kuò) 展 接 口 方 案 的 最 大 優(yōu) 點(diǎn) 是 硬 件 工 作 量小 ， 可 靠 性 高 ， 但 功 能 插 板 價(jià) 格 較 貴 ， 一 般 只 用 來 組 成 較大 的 系 統(tǒng) 。2)選 用 通 用 接 口 電 路 。在 組 成 一 個(gè) 較

17、 小 的 控 制 系 統(tǒng) 時(shí) ， 有 時(shí) 采 用 通 用 接 口 電 路 來 擴(kuò)展 接 口 。 由 于 通 用 接 口 電 路 是 標(biāo) 準(zhǔn) 化 的 ， 只 要 了 解 其 外 部 特性 與 CPU的 連 接 方 法 、 編 程 控 制 方 法 就 可 進(jìn) 行 任 意 擴(kuò) 展 。 16 3)用 集 成 電 路 自 行 設(shè) 計(jì) 接 口 電 路 。在 某 些 情 況 下 ， 不 采 用 通 用 接 口 電 路 ， 而 采 用 其 它 中 小 規(guī)模 集 成 電 路 擴(kuò) 充 接 口 更 方 便 、 價(jià) 廉 。例 如 ， 一 個(gè) 控 制 系 統(tǒng) 需 要 輸 入 多 組 數(shù) 據(jù) 或 開 關(guān) 量 可 用74L

18、S138譯 碼 器 和 74LS244三 態(tài) 緩 沖 器 等 組 成 輸 入 接 口 ， 也可 用 74LS138譯 碼 器 和 74LS373鎖 存 器 等 組 成 輸 出 多 組 數(shù) 據(jù)的 輸 出 接 口 。接 口 設(shè) 計(jì) 包 括 兩 個(gè) 方 面 的 內(nèi) 容 ：一 是 擴(kuò) 展 接 口 ；二 是 安 排 通 過 各 接 口 電 路 輸 入 /輸 出 端 的 輸 入 /輸 出 信 號(hào) ，選 定 各 信 號(hào) 輸 入 /輸 出 時(shí) 采 用 何 種 控 制 方 式 。 17 18 如 果 要 采 用 程 序 中 斷 方 式 ， 就 要 考 慮 中 斷 申 請(qǐng) 輸 入 、 中斷 優(yōu) 先 級(jí) 排 隊(duì) 等

19、 問 題 。 若 要 采 用 直 接 存 儲(chǔ) 器 存 取 方 式 ，則 要 增 加 直 接 存 儲(chǔ) 器 存 取 (DMA)控 制 器 作 為 輔 助 電 路 加到 接 口 。(2)通 道 設(shè) 計(jì) 輸 入 /輸 出 通 道 是 計(jì) 算 機(jī) 與 被 控 對(duì) 象 相 互 交 換 信 息 的 部件 。 每 個(gè) 控 制 系 統(tǒng) 都 要 有 輸 入 /輸 出 通 道 。一 個(gè) 系 統(tǒng) 中 可 能 要 有 開 關(guān) 量 的 輸 入 /輸 出 通 道 、 數(shù) 字 量 的輸 入 /輸 出 通 道 或 模 擬 量 的 輸 入 /輸 出 通 道 。 在 總 體 設(shè) 計(jì) 中就 應(yīng) 確 定 本 系 統(tǒng) 應(yīng) 設(shè) 置 什 么

20、 通 道 ， 每 個(gè) 通 道 由 幾 部 分 組 成 ，各 部 分 需 要 什 么 樣 元 器 件 等 。 19轉(zhuǎn) 換 、 保 護(hù) 、濾 波 、 隔 離等 措 施 轉(zhuǎn) 換成 計(jì) 算 機(jī) 能接 受 的 邏 輯信 號(hào) 20 21 0-10mv4-20mv 22 模 擬 量 輸 出 通 道 23 (3)操 作 控 制 臺(tái) 設(shè) 計(jì)微 型 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 必 須 便 于 人 機(jī) 聯(lián) 系 。 通 常 都 要設(shè) 計(jì) 一 個(gè) 現(xiàn) 場 操 作 人 員 使 用 的 控 制 臺(tái) 。操 作 員 控 制 臺(tái) 一 般 應(yīng) 有 下 列 一 些 功 能 ： 有 一 組 或 幾 組 數(shù) 據(jù) 輸 入 鍵 (數(shù) 字 鍵

21、 或 撥 碼 開 關(guān) 等 )， 用 于輸 入 或 更 新 給 定 值 、 更 改 控 制 器 參 數(shù) 或 其 它 必 要 的 數(shù) 據(jù) ； 有 一 組 或 幾 組 功 能 鍵 或 轉(zhuǎn) 換 開 關(guān) ， 用 于 轉(zhuǎn) 換 工 作 方 式 ，起 動(dòng) 、 停 止 或 完 成 某 種 指 定 的 功 能 ； 有 一 個(gè) 數(shù) 字 顯 示 裝 置 或 顯 示 屏 ， 用 于 顯 示 各 狀 態(tài) 參 數(shù) 及故 障 指 示 等 ； 24 控 制 板 上 應(yīng) 有 一 個(gè) “ 急 停 ” 按 鈕 ， 用 于 在 出 現(xiàn) 事 故 時(shí) 停 止系 統(tǒng) 運(yùn) 行 ， 轉(zhuǎn) 入 故 障 處 理 。應(yīng) 當(dāng) 指 出 ， 控 制 臺(tái) 上

22、每 一 數(shù) 字 信 號(hào) 或 控 制 信 號(hào) 都 與 系 統(tǒng) 的 工作 息 息 相 關(guān) ， 設(shè) 計(jì) 時(shí) 必 須 明 確 這 些 轉(zhuǎn) 換 開 關(guān) 、 按 鈕 、 鍵 盤 、數(shù) 字 顯 示 器 和 狀 態(tài) 、 故 障 指 示 燈 等 的 作 用 和 意 義 ， 仔 細(xì) 設(shè) 計(jì)控 制 臺(tái) 硬 件 及 其 相 應(yīng) 的 控 制 臺(tái) 管 理 程 序 使 設(shè) 計(jì) 的 操 作 控 制臺(tái) 既 方 便 操 作 又 安 全 可 靠 ， 即 使 操 作 失 誤 也 不 會(huì) 引 起 嚴(yán) 重 后果 。 25 26 27 28 29 30 31 32 33 5 軟 件 設(shè) 計(jì) 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 的 軟 件 主 要 分

23、兩 大 類 ， 即 系 統(tǒng) 軟 件 和 應(yīng) 用軟 件 。系 統(tǒng) 軟 件 包 括 操 作 系 統(tǒng) 、 診 斷 系 統(tǒng) 、 開 發(fā) 系 統(tǒng) 和 信 息 處 理 系統(tǒng) 。 通 常 這 些 軟 件 一 般 不 需 要 用 戶 設(shè) 計(jì) ， 對(duì) 用 戶 來 說 ， 基 本上 只 須 了 解 其 大 致 原 理 和 使 用 方 法 就 行 了 。應(yīng) 用 軟 件 都 要 由 用 戶 自 行 編 寫 ， 所 以 軟 件 設(shè) 計(jì) 主 要 是 應(yīng) 用 軟件 設(shè) 計(jì) ?？?制 系 統(tǒng) 對(duì) 應(yīng) 用 軟 件 的 要 求 是 實(shí) 時(shí) 性 、 針 對(duì) 性 、 靈 活 性 和通 用 性 。對(duì) 于 工 業(yè) 控 制 系 統(tǒng) 來 說

24、 由 于 是 實(shí) 時(shí) 控 制 系 統(tǒng) ， 所 以 要 求 應(yīng)用 軟 件 能 夠 在 對(duì) 象 允 許 的 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) 進(jìn) 行 控 制 、 運(yùn) 算 和 處理 。 34 應(yīng) 用 軟 件 的 最 大 特 點(diǎn) 是 具 有 較 強(qiáng) 的 針 對(duì) 性 ， 即 每 個(gè) 應(yīng) 用 程序 都 是 根 據(jù) 一 個(gè) 具 體 系 統(tǒng) 的 要 求 設(shè) 計(jì) 。1)模 塊 化 程 序 設(shè) 計(jì) 法 。在 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 大 體 上 可 以 分 為 數(shù) 據(jù) 處 理 和 過 程 控制 兩 大 基 本 類 型 。數(shù) 據(jù) 處 理 主 要 是 數(shù) 據(jù) 的 采 集 、 數(shù) 字 濾 波 、 標(biāo) 度 變 換 以 及數(shù) 值

25、計(jì) 算 等 。過 程 控 制 程 序 主 要 是 使 微 機(jī) 按 照 指 定 的 方 法 (如 PID或 直接 數(shù) 字 控 制 )進(jìn) 行 計(jì) 算 ， 然 后 再 輸 出 ， 以 便 控 制 生 產(chǎn) 過 程 。所 謂 “ 模 塊 ” ， 實(shí) 質(zhì) 上 就 是 能 完 成 一 定 功 能 、 相 對(duì) 獨(dú) 立 的程 序 段 。 這 種 程 序 設(shè) 計(jì) 方 法 就 叫 做 模 塊 化 程 序 設(shè) 計(jì) 法 。 35 2)結(jié) 構(gòu) 化 程 序 設(shè) 計(jì) 法結(jié) 構(gòu) 化 程 序 設(shè) 計(jì) 方 法 ， 給 程 序 設(shè) 計(jì) 施 加 了 一 定 的 約 束 ， 它限 定 采 用 規(guī) 定 的 結(jié) 構(gòu) 類 型 和 操 作 順

26、序 ， 因 此 能 編 寫 出 操 作順 序 分 明 、 便 于 查 找 錯(cuò) 誤 和 糾 正 錯(cuò) 誤 的 程 序 。常 用 的 結(jié) 構(gòu) 有 直 線 順 序 結(jié) 構(gòu) 、 條 件 結(jié) 構(gòu) 、 循 環(huán) 結(jié) 構(gòu) 和 選 擇結(jié) 構(gòu) 。其 特 點(diǎn) 是 程 序 本 身 易 于 用 程 序 框 圖 描 述 ， 易 于 構(gòu) 成 模 塊 ，操 作 順 序 易 于 跟 蹤 ， 便 于 查 找 錯(cuò) 誤 和 測 試 。 36 6 系 統(tǒng) 調(diào) 試 微 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 完 成 以 后 ， 要 對(duì) 整 個(gè) 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 調(diào) 試 。調(diào) 試 步 驟 為硬 件 調(diào) 試 一 軟 件 調(diào) 試 一 系 統(tǒng) 調(diào) 試 。硬 件

27、 調(diào) 試 包 括 對(duì) 元 器 件 的 篩 選 及 老 化 、 印 制 電 路 板 制 作 、 元 器件 的 焊 接 及 試 驗(yàn) ， 安 裝 完 畢 后 要 經(jīng) 過 連 續(xù) 考 機(jī) 運(yùn) 行 ；軟 件 調(diào) 試 主 要 是 指 在 微 機(jī) 上 把 各 模 塊 分 別 進(jìn) 行 調(diào) 試 ， 使 其 正 確無 誤 ， 然 后 固 化 在 EPROM中 ；系 統(tǒng) 調(diào) 試 (聯(lián) 調(diào) )主 要 是 指 把 硬 件 與 軟 件 組 合 起 來 ， 進(jìn) 行 模 擬 實(shí)驗(yàn) ， 正 確 無 誤 ,然 后 進(jìn) 行 現(xiàn) 場 試 驗(yàn) ， 直 至 正 常 運(yùn) 行 為 止 。 37 4 1 3 微 型 計(jì) 算 機(jī) 的 系 統(tǒng) 構(gòu)

28、 成 及 種 類1 微 型 計(jì) 算 機(jī) 的 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 人 們 常 用 “ 微 機(jī) ” 這 個(gè) 術(shù) 語 。 該 術(shù) 語 是 三 個(gè) 概 念 的 統(tǒng) 稱 ，即 微 處 理 機(jī) (微 處 理 器 )、 微 型 計(jì) 算 機(jī) 、 微 型 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的統(tǒng) 稱 。微 處 理 機(jī) (Microprocessor)簡 稱 P或 CPU。 它 是 一 個(gè) 大 規(guī)模 集 成 電 路 (LSI)器 件 或 超 大 規(guī) 模 集 成 電 路 (VLSI)器 件 .器 件 中 有 數(shù) 據(jù) 通 道 ， 多 個(gè) 寄 存 器 、 控 制 邏 輯 和 運(yùn) 算 邏 輯 部件 ， 有 的 器 件 還 含 有 時(shí) 鐘 電

29、 路 ， 為 器 件 的 工 作 提 供 定 時(shí) 信號(hào) 。 控 制 邏 輯 可 以 是 組 合 邏 輯 ， 也 可 以 是 微 程 序 的 存 儲(chǔ) 邏輯 ， 可 以 執(zhí) 行 機(jī) 器 語 言 描 述 的 系 統(tǒng) 指 令 ， 是 完 成 計(jì) 算 機(jī) 對(duì)信 息 的 處 理 與 控 制 等 的 中 央 處 理 功 能 的 器 件 ， 并 非 是 完 整的 計(jì) 算 機(jī) 。 38 微 型 計(jì) 算 機(jī) (Microcomputer)簡 稱 MC或 c,它 是 以 微 處 理 機(jī)(CPU)為 中 心 ， 加 上 只 讀 存 儲(chǔ) 器 (ROM)、 隨 機(jī) 存 取 存 儲(chǔ) 器(RAM)、 輸 入 /輸 出 接 口

30、 電 路 、 系 統(tǒng) 總 線 及 其 它 支 持 邏 輯 電 路組 成 的 計(jì) 算 機(jī) 。微 型 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) (Microcomputer system)簡 稱 MCS:將配 有 系 統(tǒng) 軟 件 、 外 圍 設(shè) 備 、 系 統(tǒng) 總 線 接 口 的 微 型 計(jì) 算 機(jī) 稱為 微 型 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng)圖 4. 1 為 微 處 理 機(jī) 、 微 型 計(jì) 算 機(jī) 、 微 型 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng)的 相 互 關(guān) 系 。微 型 計(jì) 算 機(jī) 的 基 本 硬 件 構(gòu) 成 如 圖 4 .2所 示 39 40 41 2 微 型 計(jì) 算 機(jī) 的 種 類 微 型 計(jì) 算 機(jī) 可 以 按 組 裝 形 式 、 微

31、處 理 機(jī) 位 數(shù) 、 微 處 理 機(jī)的 用 途 范 圍 來 進(jìn) 行 分 類 。(1)按 組 裝 形 式 分 類 按 組 裝 形 式 可 將 微 型 計(jì) 算 機(jī) 分 為 單 片 機(jī) 、 單 板 機(jī) 和 微機(jī) 系 統(tǒng) 等 。單 片 機(jī)在 一 塊 集 成 電 路 芯 片 (LSI)上 裝 有 CPU、 ROM、 RAM以 及 輸入 /輸 出 端 口 電 路 ， 該 芯 片 就 被 稱 為 單 片 微 型 計(jì) 算 機(jī)(SCMSingle Chip Microcomputer)簡 稱 單 片 機(jī) ， 例如 Intel公 司 的 MCS48系 列 、 51系 列 、 96系 列 等 。 其 外 觀如 圖

32、 4.3所 示 。 42 43 特 點(diǎn) :v集 成 度 高 、 功 能 強(qiáng) 、 通 用 性 好 ;v具 有 體 積 小 、 重 量 輕 、 能 耗 低 、 價(jià) 格 便 宜 ，v可 靠 性 高 ， 抗 干 擾 能 力 強(qiáng) 和 使 用 方 便 等 獨(dú) 特 優(yōu) 點(diǎn)使 用 :它 很 容 易 使 各 種 機(jī) 電 、 家 電 產(chǎn) 品 智 能 化 、 小 型 化 、 過 程 控 制自 動(dòng) 化 ， 在 不 顯 著 增 加 機(jī) 電 一 體 化 系 統(tǒng) (或 產(chǎn) 品 )的 體 積 、 能耗 及 成 本 的 情 況 下 ， 大 大 增 加 其 功 能 、 提 高 其 性 能隨 著 單 片 機(jī) 性 能 的 提 高 和

33、 功 能 的 增 強(qiáng) ,目 前 ， 單 片 機(jī) 已 廣 泛應(yīng) 用 于 家 用 電 器 、 機(jī) 電 產(chǎn) 品 、 儀 器 儀 表 、 辦 公 室 自 動(dòng) 化 產(chǎn) 品 、機(jī) 器 人 等 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 上 . 44 2)單 板 機(jī) 。如 圖 4 .4所 示 ， 將 微 型 計(jì) 算 機(jī) 的 基 本 體 系 CPU、 一 定 容 量 的ROM和 RAM、 輸 入 /輸 出 端 口 (I O電 路 )以 及 一 些 輔 助 電 路 分別 作 成 LSI芯 片 ， 并 將 它 們 配 置 在 一 塊 印 制 電 路 板 上 ， 用 電纜 線 和 外 部 設(shè) 備 直 接 連 接 起 來 ， 這 樣

34、 的 計(jì) 算 機(jī) 就 叫 做 單 板 微型 計(jì) 算 機(jī) ， 簡 稱 單 板 機(jī) 。例 如 TP801是 以 8位 微 處 理 器 (如 Z80)為 核 心 組 裝 的 8位 單 板 機(jī) ，SDK 86是 以 16位 微 處 理 器 (Intdel8086 8088)為 中 央 處 理 器組 裝 的 16位 單 板 機(jī) 。 45 46 在 單 板 機(jī) 的 印 制 電 路 板 上 裝 有 一 個(gè) 十 六 進(jìn) 制 的 小 鍵 盤 和 數(shù) 字顯 示 器 ， 可 完 成 一 些 簡 單 的 數(shù) 據(jù) 處 理 和 編 輯 功 能 。用 單 板 機(jī) 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 電 產(chǎn) 品 的 機(jī) 電 一 體 化 成 本 較

35、低 ， 在 簡 易 數(shù) 控機(jī) 械 設(shè) 備 、 檢 測 設(shè) 備 、 工 業(yè) 機(jī) 器 人 等 領(lǐng) 域 中 得 到 了 廣 泛 應(yīng) 用 。 3)微 型 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng)根 據(jù) 需 要 ， 將 微 型 計(jì) 算 機(jī) 、 ROM、 RAM、 I O接 口 電 路 、 電源 等 組 裝 在 不 同 的 印 制 電 路 板 上 ， 然 后 組 裝 在 一 個(gè) 機(jī) 箱 內(nèi) ，再 配 上 鍵 盤 、 CRT顯 示 器 、 打 印 機(jī) 、 硬 盤 和 軟 盤 驅(qū) 動(dòng) 器 等 多種 外 圍 設(shè) 備 和 足 夠 的 系 統(tǒng) 軟 件 ， 就 構(gòu) 成 了 一 個(gè) 完 整 的 微 型計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 。 47 如 目 前

36、 國 內(nèi) 使 用 較 多 的 IBMPC(如 IBM PCXT、 80286， 80386、80486、 80586、 PII、 P 、 P 等 )：CROMEMCO公 司 的 SystemI、 、 等 都 是 多 板 微 型 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) ，如 圖 4. 5所 示 。 48 (2)按 微 處 理 機(jī) 位 數(shù) 分 類 按 微 處 理 機(jī) 位 數(shù) 可 將 微 型 計(jì) 算 機(jī) 分 為 位 片 、 4位 、 8位 、 16位 、 32位 和 64位 等 機(jī) 種 。所 謂 位 數(shù) 是 指 微 處 理 機(jī) 并 行 處 理 的 數(shù) 據(jù) 位 數(shù) ， 即 可 同 時(shí) 傳送 數(shù) 據(jù) 的 總 線 寬 度 。

37、(3)按 用 途 分 類可 以 將 微 型 計(jì) 算 機(jī) 分 為 控 制 用 和 數(shù) 據(jù) 處 理 用 微 型 計(jì) 算 機(jī) 。對(duì) 單 片 機(jī) 來 說 ， 可 分 為 通 用 型 和 專 用 型 49 工 業(yè) 控 制 計(jì) 算 機(jī) 簡 介工 業(yè) 控 制 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 硬 件 組 成 的 一 般 形 式用 在 工 業(yè) 環(huán) 境 、 適 應(yīng) 工 業(yè) 要 求 的 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) ， 是 處 理 來 自 檢測 傳 感 裝 置 的 輸 入 ， 并 把 處 理 結(jié) 果 輸 出 到 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 來 控 制 生產(chǎn) 過 程 ， 同 時(shí) 可 對(duì) 生 產(chǎn) 進(jìn) 行 監(jiān) 督 、 管 理 的 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 。

38、簡 稱“ 工 業(yè) 控 制 機(jī) ” 或 “ 工 控 機(jī) ”典 型 的 工 業(yè) 計(jì) 算 機(jī) 測 控 系 統(tǒng) 如 圖 所 示 ， 工 業(yè) 控 制 機(jī) 系 統(tǒng) 由 兩大 部 分 組 成 ，即 系 統(tǒng) 總 線 左 面 部 分 的 計(jì) 算 機(jī) 基 本 系 統(tǒng) 及 系 統(tǒng) 總 線 右 面 部 分的 過 程 輸 入 輸 出 (I O)子 系 統(tǒng) 50 51 工 業(yè) 控 制 機(jī) 分 類 1 可 編 程 序 控 制 器 (PLC) PLC是 從 早 期 的 繼 電 器 邏 輯 控 制 系 統(tǒng) 與 微 型 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 相結(jié) 合 而 發(fā) 展 起 來 的 。 它 的 低 端 即 為 繼 電 器 邏 輯 控 制

39、的 代 用 品 ，高 端 實(shí) 際 上 是 一 種 高 性 能 的 計(jì) 算 機(jī) 實(shí) 用 控 制 系 統(tǒng) 。 PLC是 以 微 處 理 器 為 主 的 工 業(yè) 控 制 器 ， 以 掃 描 方 式 采 集 來自 工 業(yè) 現(xiàn) 場 的 信 號(hào) 。 PLC的 典 型 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 。PLC主 要 功 能 有 ： 條 件 控 制 即 邏 輯 運(yùn) 算 功 能 ， 定 時(shí) 控 制 ， 計(jì)數(shù) 控 制 ， 步 進(jìn) 控 制 ， A D、 D A轉(zhuǎn) 換 。 數(shù) 據(jù) 處 理 和 級(jí) 間 通訊 等 。 PLC的 特 點(diǎn) 是 ： 工 作 可 靠 ， 可 與 工 業(yè) 現(xiàn) 場 信 號(hào) 直 接 連 接 ，積 木 式 組

40、合 ， 編 程 操 作 容 易 ， 易 于 安 裝 及 維 修 等 。 52 53 2 單 回 路 調(diào) 節(jié) 器單 回 路 調(diào) 節(jié) 器 的 基 本 構(gòu) 成 方 案 如 圖 所 示 。它 要 處 理 數(shù) 字 和 模 擬 兩 種 基 本 信 號(hào) 外 部 接 口 銜 接 器(Peripheral Interface Adapter，簡 稱 PIA) 54 單 回 路 調(diào) 節(jié) 器 多 用 于 過 程 控 制 系 統(tǒng) ， 其 控 制 算 法 多 采 用 PID算 法 ， 可 取 代 模 擬 控 制 儀 表單 回 路 調(diào) 節(jié) 器 的 主 要 特 點(diǎn) 是 ： (1)實(shí) 現(xiàn) 了 儀 表 和 計(jì) 算 機(jī) 一 體

41、化 ； (2)具 有 豐 富 的 運(yùn) 算 和 控 制 功 能 ； (3)有 專 用 的 系 統(tǒng) 組 態(tài) 器 ； (4)人 一 機(jī) 接 口 靈 活 ； (5)便 于 級(jí) 間 通 信 ； (6)有 繼 電 保 護(hù) 和 自 診 斷 功 能 。目 前 ， 單 回 路 調(diào) 節(jié) 器 在 控 制 算 法 上 實(shí) 現(xiàn) 了 自 適 應(yīng) 、 自 校 正 、自 學(xué) 習(xí) 、 自 診 斷 和 智 能 控 制 等 控 制 方 式 。 單 回 路 調(diào) 節(jié) 器 性 能的 提 高 ， 加 速 了 儀 表 的 更 新 換 代 。 目 前 ， 單 回 路 調(diào) 節(jié) 器 已 成功 地 應(yīng) 用 到 各 種 過 程 控 制 領(lǐng) 域 。 5

42、5 3 總 線 式 工 業(yè) 控 制 機(jī) 總 線 式 工 業(yè) 控 制 機(jī) 是 依 賴 于 某 種 標(biāo) 準(zhǔn) 總 線 ， 按 工 業(yè) 化 標(biāo) 準(zhǔn) 設(shè)計(jì) ， 由 包 括 主 機(jī) 在 內(nèi) 的 各 種 I O接 口 功 能 模 板 組 成 的 計(jì) 算 機(jī) 。例 如 ， PC總 線 工 業(yè) 控 制 計(jì) 算 機(jī) 、 STD總 線 工 業(yè) 控 制 計(jì) 算 機(jī) 以及 QBUs、 Multibus、 VME bus、 PCL總 線 等 。總 線 式 工 業(yè) 控 制 機(jī) 的 典 型 結(jié) 構(gòu) 如 圖 所 示 。總 線 式 工 業(yè) 控 制 機(jī) 與 通 用 的 商 業(yè) 化 計(jì) 算 機(jī) 比 較 具 有 如 下 特點(diǎn) ：(1)

43、取 消 ， 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 母 板 ； (2)采 用 開 放 式 總 線 結(jié) 構(gòu) ； (3)各 種 I O功 能 模 板 可 直 接 插 在 總 線 槽 上 ： (4)選 用 工 業(yè) 化 電 源 ； (5)可 按 控 制 系 統(tǒng) 的 要 求 配 置 相 應(yīng) 的 模 板 ； (6)便 于 實(shí) 現(xiàn) 最 小 系 統(tǒng) 。 56 57 目 前 ， 這 類 工 業(yè) 控 制 機(jī) 應(yīng) 用 較 為 廣 泛 ， 如 在 過 程 控 制 、 電 力 傳動(dòng) 、 數(shù) 控 機(jī) 床 等 方 面 STD總 線 工 控 機(jī) 及 PC總 線 工 業(yè) 控 制 機(jī) 都有 成 功 的 經(jīng) 驗(yàn) 。4 分 布 式 計(jì) 算 機(jī) 控 制

44、系 統(tǒng) 分 布 式 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 也 稱 為 集 散 型 計(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) ， 簡稱 為 集 散 控 制 系 統(tǒng) 。 它 是 利 用 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 對(duì) 生 產(chǎn) 過 程 進(jìn) 行 集中 監(jiān) 視 、 操 作 、 管 理 和 分 散 控 制 。 集 散 控 制 系 統(tǒng) 采 用 標(biāo) 準(zhǔn) 化 、 模 塊 化 和 系 列 化 設(shè) 計(jì) ， 由 過 程控 制 級(jí) 、 控 制 管 理 級(jí) 和 生 產(chǎn) 管 理 組 成 。 它 是 一 個(gè) 以 通 信 網(wǎng) 絡(luò)為 紐 帶 ， 采 用 集 中 顯 示 操 作 管 理 ， 控 制 相 對(duì) 分 散 的 多 級(jí) 計(jì) 算機(jī) 網(wǎng) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) ， 具

45、 有 配 置 靈 活 、 組 態(tài) 方 便 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 典 型 的 具有 三 層 結(jié) 構(gòu) 模 式 的 集 散 型 控 制 系 統(tǒng) 如 圖 所 示 。 58 59 集 散 型 控 制 系 統(tǒng) 目 前 已 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 大 型 工 業(yè) 生 產(chǎn) 過 程 控制 及 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 中 。 特 別 是 在 大 型 鋼 鐵 廠 、 電 站 、 機(jī) 械 及 石油 化 工 類 企 業(yè) 中 都 有 成 功 的 應(yīng) 用 的 實(shí) 例 。 60 4 2 8086 8088微 機(jī) 的 硬 件 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn)在 PC系 列 微 機(jī) 中 ， 應(yīng) 用 較 廣 泛 的 是 Intel公 司 的 86系 列 。而 8

46、086 8088是 Intel系 列 的 16位 /準(zhǔn) 16位 微 機(jī) ， 是 86系 列微 機(jī) (包 括 Pentium和 PentiumPro高 性 能 奔 騰 )發(fā) 展 的 基 礎(chǔ) 。8086與 8088的 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 類 似 ， 都 由 算 術(shù) 邏 輯 單 元 ALU、 累 加器 、 專 用 和 通 用 寄 存 器 、 指 令 寄 存 器 、 指 令 譯 碼 器 、 定 時(shí)器 控 制 電 路 等 組 成 。 421 8086 8088CPU的 主 要 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn)1)8086 8088的 內(nèi) 部 體 系 結(jié) 構(gòu) 。其 內(nèi) 部 的 運(yùn) 算 器 、 寄 存 器 及 內(nèi) 部 數(shù) 據(jù) 總

47、 線 都 為 16位 ， 其 外部 數(shù) 據(jù) 總 線 則 不 同 ： 8086為 16位 、 8088為 8位 。 61 2)指 令 系 統(tǒng) 功 能 強(qiáng) 。8086有 100多 條 指 令 ， 能 完 成 數(shù) 據(jù) 傳 送 、 算 術(shù) 運(yùn) 算 (包 括 乘法 除 法 )、 循 環(huán) 移 位 、 字 符 串 操 作 、 控 制 傳 送 和 處 理 器 管 理等 工 作 。 算 術(shù) 運(yùn) 算 可 以 按 字 或 字 節(jié) 帶 符 號(hào) 或 無 符 號(hào) 、 二 進(jìn)制 或 十 進(jìn) 制 的 方 式 進(jìn) 行 運(yùn) 算 。3)多 種 尋 址 方 式 適 用 于 高 級(jí) 語 言 中 的 數(shù) 組 和 記 錄 等 數(shù) 據(jù) 結(jié)

48、構(gòu) 。4)20位 地 址 線 。尋 址 范 圍 可 達(dá) 1 048 576字 節(jié) (即 1 M字 節(jié) )的 存 儲(chǔ) 空 間 。5)16位 I O端 口 地 址 線 ?？?尋 址 64 K端 口 地 址 。 62 6)中 斷 功 能 強(qiáng) 。可 處 理 內(nèi) 部 軟 件 中 斷 和 外 部 中 斷 請(qǐng) 求 ， 中 斷 源 允 許 達(dá) 256個(gè) 。7)具 有 管 理 DMA操 作 和 多 處 理 器 工 作 的 能 力 。42 2 8086 8088CPU的 最 大 與最 小 工 作 模 式8086 8088CPU的 這 兩 種 模 式 是 由 CPU內(nèi) 部 的 硬 件 結(jié) 構(gòu) 決 定的 。 當(dāng) CP

49、U的 引 腳 MN MX接 到 +5 V時(shí) ， 8086 8088工 作 于 最小 模 式 MN MX接 地 ， 8086 8088則 工 作 于 最 大 模 式 。 63 所 謂 最 小 工 作 模 式是 指 單 處 理 器 系 統(tǒng) ， 即 系 統(tǒng) 中 只 有 8086或 8088一 個(gè) 微 處 理 器 。在 這 種 系 統(tǒng) 中 ， 8086 8088提 供 所 有 的 總 線 控 制 信 號(hào) ， 因 此 ，系 統(tǒng) 中 的 總 線 控 制 邏 輯 電 路 被 減 到 最 少 。最 大 工 作 模 式是 相 對(duì) 于 最 小 模 式 而 言 的 。 其 特 征 是 系 統(tǒng) 中 可 以 包 括 兩

50、個(gè) 或 多 個(gè) 微 處 理 器 ， 即 允 許 多 個(gè) 處 理 器 一 起 工 作 ， 系 統(tǒng)的 控 制 信 號(hào) 由 總 線 控 制 器 提 供 。 在 8086 8088最 大 工 作模 式 系 統(tǒng) 中 ， 主 處 理 器 為 8086 8088， 其 它 處 理 器 稱 為協(xié) 處 理 器 。 與 8086 8088配 合 的 協(xié) 處 理 器 有 兩 個(gè) ， 一 個(gè)是 數(shù) 值 協(xié) 處 理 器 8087， 一 個(gè) 是 輸 入 輸 出 協(xié) 處 理 器 8089。 64 8087是 一 種 專 用 于 數(shù) 值 運(yùn) 算 的 處 理 器 ， 能 實(shí) 現(xiàn) 多 種 類 型 的數(shù) 值 操 作 ， 比 如 高

51、 精 度 的 整 數(shù) 和 浮 點(diǎn) 運(yùn) 算 ， 也 可 以 進(jìn) 行 超越 函 數(shù) (如 三 角 函 數(shù) 、 對(duì) 數(shù) 函 數(shù) )的 計(jì) 算 。 8089有 一 套 專 門 用 于 輸 入 輸 出 操 作 的 指 令 系 統(tǒng) ， 它 可 以直 接 為 輸 入 輸 出 設(shè) 備 服 務(wù) ， 使 8086 8088不 再 承 擔(dān) 這 類工 作 。 所 以 ， 在 系 統(tǒng) 中 加 入 8089后 ， 會(huì) 明 顯 提 高 主 處 理 器的 效 率 ， 尤 其 是 在 輸 入 輸 出 頻 繁 的 場 合 。 4 2 3 8086 8088引 腳 的 功 能 定 義8086 8088CPU是 一 個(gè) 具 有 40

52、根 引 腳 、 雙 列 直 插 式 結(jié) 構(gòu)LSI芯 片 。 圖 4 6為 8086 8088CPU的 引 腳 功 能 定 義 。 65 1、 地 址/數(shù) 據(jù) 復(fù)用 線 2、 地 址 /狀態(tài) 復(fù) 用 線3、 高 8位 總 線 允 許 /狀 態(tài)保 持 請(qǐng) 求 /保 持 響 應(yīng)數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 /接 受 信 號(hào) 66 其 引 腳 可 以 分 成 五 種 類 型 ： 只 傳 送 固 定 信 息 的 引 腳 。 如 引 腳 32為 讀 信 號(hào) 面 ， 其 傳 遞的 信 息 是 固 定 的 。 電 平 的 高 低 代 表 不 同 信 息 的 引 腳 。 如 引 腳 33為 MN MX，其 高 電 平 為 最

53、 小 工 作 模 式 ， 低 電 平 為 最 大 工 作 模 式 。 在 最 大 和 最 小 工 作 模 式 下 有 不 同 定 義 的 引 腳 ； 每 一 個(gè) 引 腳 可 傳 送 兩 種 信 息 即 在 不 同 時(shí) 刻 傳 送 不 同 信 息的 引 腳 。一 般 稱 這 類 引 腳 為 分 時(shí) 復(fù) 用 引 腳 ， 如 AD。 AD15， 是 地 址和 數(shù) 據(jù) 的 分 時(shí) 復(fù) 用 線 ， A代 表 地 址 ， D代 表 數(shù) 據(jù) 。 輸 入 和 輸 出 分 別 傳 送 不 同 信 息 的 引 腳 。 如 引 腳 31為 RQGT 0， 輸 入 時(shí) 傳 送 總 線 請(qǐng) 求 ， 輸 出 時(shí) 傳 送

54、總 線 請(qǐng) 求 允 許 信 號(hào) 。 67 ADl5 ADo(Address Data Bus)(地 址 數(shù) 據(jù) 總 線 ) 輸 入 輸 出 、 三 態(tài) 、 分 時(shí) 復(fù) 用 。每 個(gè) 周 期 開 始 時(shí) (T1)用 作 地 址 總 線 ， 輸 出 存 儲(chǔ) 器 或 I O口地 址 ， 然 后 8086內(nèi) 部 的 一 個(gè) 多 路 開 關(guān) 將 它 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 據(jù) 總 線Dl5 D0， 用 來 傳 輸 數(shù) 據(jù) ， 直 到 總 線 周 期 結(jié) 束 。 在 DMA方 式 ，這 些 信 號(hào) 線 懸 空 。A19 S6、 A18 S5、 A17 S4、 A16 A3(AddressStatus)(地 址 狀

55、 態(tài) 線 ) 三 態(tài) 輸 出 、 分 時(shí) 輸 出 地 址 和 狀 態(tài) 。S6始 終 為 低 電 平 ， 即 恒 等 于 零 ； S5表 明 中 斷 允 許 標(biāo) 志 位 的狀 態(tài) ， S5=1時(shí) 表 明 CPU可 以 響 應(yīng) 中 斷 的 請(qǐng) 求 ， S5=0時(shí) 表 明 禁止 屏 蔽 中 斷 。 S4和 S3用 于 表 示 當(dāng) 前 訪 問 存 儲(chǔ) 器 所 用 的 段 存儲(chǔ) 器 ， S4和 S3的 編 碼 狀 態(tài) 見 表 4 1 68 69 BHE/S7(Bus High Enable status)(高 8位 總 線 允 許 狀態(tài) ) 輸 出 、 三 態(tài) 、 低 電 平 有 效 。在 T1時(shí) ，

56、它 用 于 把 數(shù) 據(jù) 的 高 8位 送 到 數(shù) 據(jù) 總 線 D15 D8。 連 接到 高 8位 數(shù) 據(jù) 總 線 上 的 字 長 為 8位 的 外 設(shè) ， 通 常 用 BHE實(shí) 現(xiàn) 選通 功 能 。 在 T2、 T3、 TW和 T4時(shí) 輸 出 S7， S7是 高 電 平 有 效 。在 “ 保 持 響 應(yīng) ” 時(shí) ， 此 引 線 處 于 高 阻 抗 狀 態(tài) 。BHE和 A0組 合 可 以 表 示 數(shù) 據(jù) 總 線 上 傳 送 的 信 息 是 字 還 是 字 節(jié) ，且 可 指 示 字 節(jié) 在 哪 個(gè) 8位 數(shù) 據(jù) 線 上 傳 送 (見 表 4 2)。 70 HOLD(Hold Request)(保

57、持 請(qǐng) 求 ) 輸 入 、 高 電 平 有 效 。 它是 總 線 上 的 其 它 主 控 設(shè) 備 請(qǐng) 求 使 用 總 線 的 信 號(hào) 。 HLDA(Hold Acknowledge)(保 持 響 應(yīng) ) 輸 出 。 若 8086同 意讓 出 總 線 ， 則 向 發(fā) 出 HOLD信 號(hào) 的 主 設(shè) 備 發(fā) 出 此 保 持 響 應(yīng)HLDA信 號(hào) 。DT/R(Data Transmit Receive)(數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 接 收 信 號(hào) ) 輸 出 、 三 態(tài) 。 它 控 制 雙 向 驅(qū) 動(dòng) 器 的 數(shù) 據(jù) 傳 輸 方 向 。 當(dāng) 它 為低 電 平 時(shí) ， CPU接 收 數(shù) 據(jù) ； 當(dāng) 它 為 高 電

58、 平 時(shí) ， CPU發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 。INTR(Interrupt Request)(中 斷 請(qǐng) 求 )輸 入 、 高 電 平 有效 。 CPU在 每 條 指 令 的 最 后 一 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 對(duì) 它 進(jìn) 行 取 樣 ，然 后 決 定 是 否 進(jìn) 入 中 斷 響 應(yīng) 周 期 。 在 中 斷 響 應(yīng) 周 期 中 ，CPU接 收 中 斷 源 發(fā) 來 的 中 斷 向 量 ， 借 助 設(shè) 置 在 存 儲(chǔ) 器 中 的中 斷 向 量 表 ， 查 到 相 應(yīng) 的 中 斷 服 務(wù) 程 序 的 入 口 地 址 。 INTA(Interrupt Acknowledge)(中 斷 響 應(yīng) ) 輸 出 、 低

59、電 平 有 效 。 在 中 斷 響 應(yīng) 周 期 中 ， INTA用 作 讀 選 通 信 號(hào) 。 71 RESET(復(fù) 位 ) 輸 入 、 高 電 平 有 效 。 它 至 少 保 持 四 個(gè)時(shí) 鐘 周 期 的 高 電 平 ， 使 CPU停 止 操 作 ， 并 使 內(nèi) 部 的 標(biāo) 志寄 存 器 、 段 寄 存 器 和 指 令 隊(duì) 列 復(fù) 位 到 起 始 狀 態(tài) 。READY(準(zhǔn) 備 就 緒 ) 輸 入 、 高 電 平 有 效 。 這 是 被 訪 問 的存 儲(chǔ) 器 或 I O設(shè) 備 發(fā) 來 的 回 答 信 號(hào) ， 表 示 數(shù) 據(jù) 傳 送 已 準(zhǔn)備 就 緒 。若 CPU執(zhí) 行 存 儲(chǔ) 器 讀 寫 或

60、I O讀 寫 操 作 ， 而 存 儲(chǔ) 器或 I O設(shè) 備 沒 有 準(zhǔn) 備 好 ， 則 在 此 線 上 給 出 低 電 平 ， CPU自 動(dòng) 插 入 一 個(gè) 或 幾 個(gè) 等 待 周 期 (Tw)， 其 目 的 是 使 CPU能和 各 種 不 同 速 度 的 存 儲(chǔ) 器 或 I 0同 步 。 72 TEST(測 試 ) 輸 入 。 當(dāng) CPU執(zhí) 行 WAIT指 令 時(shí) ， 每 隔 5個(gè)時(shí) 鐘 周 期 對(duì) TEST信 號(hào) 進(jìn) 行 一 次 測 試 。 如 果 TEST是 高 電 平時(shí) ， CPU則 進(jìn) 入 踏 步 狀 態(tài) ， 重 復(fù) 執(zhí) 行 WAIT指 令 ； 如 果 TEST是 低 電 平 時(shí) ，

61、CPU執(zhí) 行 下 一 條 指 令 。S2、 S1、 S0(總 線 周 期 狀 態(tài) ) 輸 出 。 這 三 條 信 號(hào) 線 的 編碼 表 達(dá) 了 CPU總 線 的 操 作 性 質(zhì) (見 表 4 3)。 在 最 大 模 式中 ， CPU通 過 8288總 線 控 制 器 利 用 這 三 個(gè) 狀 態(tài) 信 息 產(chǎn) 生訪 問 存 儲(chǔ) 器 和 I O的 控 制 信 號(hào) 。 73 74 RQ GT0、 RQ GT1(Request Grant)(請(qǐng) 求 同 意 ) 輸入 輸 出 、 雙 向 。 這 兩 條 線 是 在 最 大 方 式 中 總 線 的 請(qǐng) 求 同 意 信 號(hào) ， 是 供 兩 個(gè) 外 部 處 理

62、 器 用 來 請(qǐng) 求 和 獲 得 總 線控 制 權(quán) 的 。 這 兩 個(gè) 信 號(hào) 的 功 能 和 在 最 小 方 式 中 的 HOLDHLDA是 一 樣 的 。 所 不 同 的 是 這 兩 條 信 號(hào) 線 是 雙 向 的 ， 而HOLD和 HLDA是 單 向 的 。 這 兩 條 線 專 為 利 用 協(xié) 處 理 器 8087、I O處 理 器 8089(本 地 方 式 )來 構(gòu) 成 多 處 理 器 系 統(tǒng) 而 設(shè) 計(jì)的 ， 這 兩 條 線 可 同 時(shí) 聯(lián) 系 兩 個(gè) 主 控 設(shè) 備 。 RQ GT1的 優(yōu)先 權(quán) 高 于 RQ GT0LOCK(封 鎖 ) 輸 出 、 三 態(tài) 、 低 電 平 有 效

63、。 LOCK總 線 封 鎖 信號(hào) ， 用 軟 件 設(shè) 置 ， 即 在 一 條 指 令 的 前 面 加 上 “ LOCK” 前 綴 ，在 該 條 指 令 執(zhí) 行 過 程 中 ， 此 信 號(hào) 向 總 線 上 其 它 主 控 設(shè) 備 表明 ， 不 允 許 它 們 占 用 總 線 。 該 指 令 執(zhí) 行 完 ， 它 便 失 去 作 用 。 75 QS0、 QS1(指 令 隊(duì) 列 狀 態(tài) 信 號(hào) )輸 出 。 用 它 表 示8086 8088指 令 隊(duì) 列 狀 態(tài) 。 如 表 4 4所 示 。 76 4 2 4 8086CPU最 小 工 作 模 式 系 統(tǒng) 的 典型 配 置圖 4 7a示 出 了 808

64、6系 統(tǒng) 最 小 工 作 模 式 下 的 典 型配 置 之 一 。圖 4 7b示 出 了 8086系 統(tǒng) 最 小 工 作 模 式 下 的 典型 配 置 之 二 77 內(nèi) 部 三 態(tài) 門 總是 允 許 輸 出 的 78 79 4 2 5 8086CPU最 大 工 作 模 式 系 統(tǒng) 的 典 型 配 置圖 4 8a示 出 了 8086最 大 工 作 模 式 系 統(tǒng) 的 典 型 配 置 之 一 ，在 結(jié) 構(gòu) 上 與 最 小 模 式 系 統(tǒng) 的 主 要 區(qū) 別 是 增 設(shè) 了 一 個(gè) 總 線 控制 器 8288和 一 個(gè) 總 線 仲 裁 器 8289， 它 們 可 以 構(gòu) 成 8086CPU為 核 心

65、 的 多 處 理 器 系 統(tǒng) 。圖 4 8b示 出 了 8086最 大 工 作 模 式 系 統(tǒng) 的 典 型 配 置 之 二 。圖 中 8288對(duì) CPU發(fā) 出 的 控 制 信 號(hào) 進(jìn) 行 變 換 和 組 合 ， 發(fā) 出 對(duì) 存儲(chǔ) 器 和 I O端 口 的 讀 寫 信 號(hào) 和 對(duì) 鎖 存 器 8282、 總 線 收 發(fā)器 8286的 控 制 信 號(hào) ， 使 總 線 控 制 功 能 更 加 完 善 。 80 實(shí) 現(xiàn) 多 處 理 器 對(duì) 總線 資 源 的 共 享 控 制 81 由 8288提 前 一 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期發(fā) 出 信 號(hào) ， 以 便 與 較 慢 的存 儲(chǔ) 器 和 外 部 設(shè) 備 配 合

66、。 82 由 于 與 CPU一 起 使 用 的 存 儲(chǔ) 器 不 只 一 個(gè) ， 這 就 產(chǎn) 生 選 片問 題 。 一 般 采 用 譯 碼 器 來 選 片 。 圖 4 14為 38譯 碼 器(74LSl38)的 引 腳 配 置 。 該 芯 片 有 三 個(gè) 片 選 端 G1、 G1A和G2A 當(dāng) G1 =1、 G1A =0、 G2A =0時(shí) ， 芯 片 才 被 選 通 ， 否 則輸 出 均 為 高 電 平 。A、 B、 C為 三 位 輸 入 端 。 輸 出 端 的 邏 輯 功 能 如 表 4 6所示 。 83 84A16 A15A14A13A12A00 1 1 0 000000000000 0 1 1 0 1111111111111 85 86 87 88 89 各組成部分及有關(guān)引腳的功能分述如下：1數(shù)據(jù)端口A、B和C 8255A內(nèi)部包含3個(gè)8位的輸入輸出端口A、B和C，通過外部的24根輸入、輸出線與外設(shè)交換數(shù)據(jù)或進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)。端口A和端口B都可以用作一個(gè)8位的輸入口或8位的輸出口，C口既可以作為一個(gè)8位的輸入口或輸出口用，又可作為兩個(gè)4位的輸入輸出口(C口上半部分和C口下半部分)使用，還