【正文】 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)(SCM——Single Chip Microputer)簡(jiǎn)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 。 34 35 特點(diǎn) : ?集成度高、功能強(qiáng)、通用性好 。 ?具有體積小、重量輕、能耗低、價(jià)格便宜， ?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(guò)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 . 36 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(lái)，這樣的計(jì)算機(jī)就叫做單板微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)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)。 37 38 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(jiǎn)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)電一體化成本較低，在簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)械設(shè)備、檢測(cè)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)。 39 如目前國(guó)內(nèi)使用較多的 IBM—PC(如 IBM PCXT、 80286， 80388048 8058 PII、 PⅢ 、 PⅣ 等 )： CROMEMCO公司的 SystemI、 Ⅱ 、 Ⅲ 等都是多板微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如圖 4. 5所示。 40 (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。 (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(lái)說(shuō)，可分為通用型和專用型 41 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)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(lái)自檢測(cè)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(lái)控制生產(chǎn)過(guò)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)。簡(jiǎn)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(cè)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(guò)程輸入／輸出 (I／ O)子系統(tǒng) 42 43 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(lái)的。它的低端即為繼電器邏輯控制的代用品，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(lái)自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)信號(hào)直接連接，積木式組合，編程操作容易，易于安裝及維修等。 44 45 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(jiǎn)稱 PIA) 46 單回路調(diào)節(jié)器多用于過(guò)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?lián)Q代。目前，單回路調(diào)節(jié)器已成功地應(yīng)用到各種過(guò)程控制領(lǐng)域。 47 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 Q—BUs、 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)取消，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)母板； (2)采用開(kāi)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)。 48 49 目前，這類工業(yè)控制機(jī)應(yīng)用較為廣泛，如在過(guò)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(jiǎn)稱為集散控制系統(tǒng)。它是利用算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(guò)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 。 50 51 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(guò)程控制及監(jiān)測(cè)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。 52 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 8086／ 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。 53 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(wú)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(yǔ)言中的數(shù)組和記錄等數(shù)據(jù)結(jié)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。 可尋址 64 K端口地址 。 54 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) CPU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。 55 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。 56 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(chǎng)合。 4． 2． 3 8086／ 8088引腳的功能定義 8086／ 8088CPU是一個(gè)具有 40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。 57 地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線 地址 /狀態(tài)復(fù)用線 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) 58 其引腳可以分成 五種類型 ： ①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。 ②電平的高低代表不同信息的引腳。如引腳 33為 MN／ MX，其高電平為最小工作模式，低電平為最大工作模式。 ③在最大和最小工作模式下有不同定義的引腳； ④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)。 ⑤輸入和輸出分別傳送不同信息的引腳。如引腳 31為 RQ／GT0，輸入時(shí)傳送總線請(qǐng)求，輸出時(shí)傳送總線請(qǐng)求允許信號(hào)。 59 ?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(kāi)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(kāi)關(guān)將它轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)總線Dl5～ D0，用來(lái)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／ S A18／ S A17／ S A16／ A3(Address／Status)(地址／狀態(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(wèn)存儲(chǔ)器所用的段存儲(chǔ)器， S4和 S3的編碼狀態(tài) 見(jiàn)表 4． 1 60 61 ?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)，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(zhǎng)為 8位的外設(shè)，通常用 BHE實(shí)現(xiàn)選通功能。在 T T 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?fàn)顟B(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(jiàn)表 4． 2)。 62 ?HOLD(Hold Request)(保持請(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(lái)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、低電平有效。在中斷響應(yīng)周期中， INTA用作讀選通信號(hào)。 63 ?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 CP