第三章思考题与习题资料

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：

「通用型1PC

厂总线型工控机*工业总线工控机

I DCS 现场控制站

<

PC-104/PCM04总线工控机

嵌入式工控机彳ARN1嵌入式单片机

工业控制计算机\

片上系统< SOC ）

1

PLC

数宇调节誰

"通用数据采集仪 智能测控仪表，

总践型测控仪表 匚其他专用智能仪表

图3-2 工业拄制计算机分类

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、总

单元式控制器千

L 单元式测控模块

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。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。

3.5STD 是什么总线？有何特点？

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 x 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，按功能可分为五大类

⑴逻辑电源线6根(引线1?6)

⑵数据总线8根(引线7?14)

(3)地址总线 16根(引线 15?30)

(4)控制总线 22根(引线 31?52)

(5)辅助电源线 4根(引线 53?56)

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，如土 5V、土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。

3.6PC 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 )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

3.7PCI 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：

① 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 ）

② 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。

③ 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。

④ 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。 ⑤ 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/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）：

① 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。 ② 除RST#、INTA#?INTD#之外的所有信号都是在时钟的上升沿被采样。 ③ PCI 总线上数据传输基本上都由

FRAME#，IRDY#，TRDY#三条信号线控制。

OQH 04H O0H OCH

10H

24H 28H 2CH

3QH 34H

30H

31

116

④当FRAME#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。

⑤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。

⑥FRAME#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。

3.11Compact PCI总线与PCI总线有何共同点与不同点？答：

3.12RS-232C和RS-485是什么总线？试对两者进行对比。

答：RS-232C和RS-485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RS- 232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。

严聽*輔麟鶴一^

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

20Kbit/s内，电缆长度限于 15m之内。由于是单线，线间干扰较大。其电性能用土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+ 3V?+ 15V，信号无效电平为-3V?-15V。RS —232C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RS— 232C

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，