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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。7 0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)。3 0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 6 4位 等 产 品，存 储 芯 片 的 容 量 也 从 几 K 发 展 到 6 4 M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 C ache和 分 级 C a c h e,主 频 也 由 几 MHz发 展 到 1G H z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 7 0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(Central Processing U n it),简 称 CPU。把 输 入 设 备 与 输 出 设 备 简 称 为 I/O 设 备(Input/Output equipment)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(Main M em ory)，如 图 1.2所 示。C P U与 M.M和 起 来 又 可 称 为 主 机，I/O设 备 可 叫 作 外 部 设 备。C P U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。2 0世 纪 6 0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 C PU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（Original Equipment Manufacturer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 O E M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：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。能 够 得 到 众 多 的 o E M 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。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。便 于 产 品 的 更 新 换 代，延 长 产 品 的 技 术 生 命。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 C PU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 2 0条 或 2 4条 地 址 总 线，3 2位 微 处 理 器 一 般 有 3 2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，3 2位 微 处 理 器 通 常 有 3 2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 C P U或 从 C P U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。读 出 线 和 写 入 线；中 断 请 求 线 和 中 断 响 应 线；同 步（选 通 或 时 钟）信 号 线；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、V M E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。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。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。EIA RS-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 C A N 就 是 属 于 控 制 器 局 部 网 范 围。图 14 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 6 4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(STanDard b u s)是 美 国 Pro-Log公 司 于 1978年 公 布 的，IEE于 1981年 将 其 定 为 IEE P961标 准，又 与 1987年 定 为 IEE 9 6 1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,Z 80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 ST D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 P C,另 外，在 计 算 机 监 测 系 统 中，也 采 用 着 ISA/PCI总 线 标 准 的 I P C,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。IS A总 线 标 准 IBM PC/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，IBMP C/X T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。IBM PC/AT总 线 是 IBM PC/XT总 线 的 高 档 产 品，它 是 在 IBM PC/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。IBM PC/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 P C扩 展 槽，这 种 结 构 被 称 作 IB M公 司 的 工 业 标 准 体 系 结 构 ISA（Industry Standard Architecture）.所 以 IBM PC/AT总 线 也 被 称 作 IS A总 线。IS A总 线 具 有 16位 数 据 总 线 宽 度、2 4位 地 址 总 线 宽 度、1 6级 中 断 和 8 通 道 D M A,是 为 i80286设 计 的，主 板 与 接 口 卡 的 数 据 传 输 速 度 为 8MHz。P C I总 线 标 准 当 i80386问 世 后，C P U的 速 度 已 经 高 达 33MHz甚 至 4 0 M H z,如 果 继 续 采 用 IS A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。VESA bus（简 称 V L bus）能 够 发 挥 i80386和 i80486的 功 能，它 是 在 IS A总 线 主 板 的 基 础 上 增 加 两 个 或 数 个 咖 啡 色 的 VESA扩 展 槽。在 VESA b u s的 扩 展 槽 上 插 入 VESA b u s的 接 口 卡，如 VESA b u s的 ET-4000VGA k,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 VESA b u s的 IPC由 美 国 Intel公 司 发 起 的 PCI（Peripheral Component Interconnect）总 线 接 口 标 准,能 够 充 分 发 挥 Pentium系 列 6 4位 处 理 器 的 优 点。PC1总 线 的 主 板 往 往 是 在 IS A总 线 的 基 础 上 增 设 4 个 左 右 的 P C I总 线 扩 展 槽，同 时 对 相 关 的 接 口（如 并 行 通 信 接 口、ID E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 IW JoPCI Local的 数 据 传 输 速 率，在 突 发 模 式 中，P C I可 达 132M B/S,在 连 续 模 式 中，PCI可 达 80M B/S,该 速 率 与 ISA bus相 比 快 了 10倍。3、VM E总 线 标 准 V M E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 V M E（V）,并 很 快 在 欧 洲 形 成 标 准。1981年，M 公 司 等 联 合 宣 布 V M E总 线 作 为 通 用 标 准，从 而 使 得 V M E总 线 成 为 一 种 性 能 极 高、开 放 式 的 总 线。VM E总 线 于 1985年 成 为 IEC851标 准，于 1987年 成 为 IEE P1014标 准。（1）V M E总 线 的 主 要 性 能 与 特 点 V M E总 线 的 主 要 性 能 如 下：地 址 总 线 宽 度：16位/2 4位/3 2位 o 数 据 总 线 宽 度：16位/3 2位。总 线 带 宽：10/16/20MH（取 决 于 微 处 理 器）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：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。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。VME总 线 的 规 约 严 格，内 容 全 面，易 于 组 成 开 放 式 系 统。（2）VM E总 线 的 组 成V M E总 线 的 功 能 模 块 和 总 线 框 图 绘 于 图 16 中。VM E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 P C及 其 栈 接 式 总 线 标 准 近 几 年 来，个 人 计 算 机 P C技 术 越 来 越 快 地 向 嵌 入 式 应 用 领 域 渗 透，嵌 入 式 P C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 P C作 为 联 锁 计 算 机 的 核 心 机。1、嵌 入 是 P C与 PC/104嵌 入 式 P C机 就 是 P C机 的 C PU和 标 准 的 P C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 P C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 P C机 C PU和 标 准 P C机 芯 片 组 的 厂 家 已 经 推 出 了 面 向 嵌 入 式 P C机 的 节 省 电 能 的 C P U芯 片 和 相 关 芯 片 组 系 列，使 得 些 嵌 入 式 P C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 P C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 P C机 技 术 得 到 迅 速 发 展 的 原 因，是 它 具 有 下 述 的 三 项 优 点。硬 件 成 本 低，经 济 效 果 好。嵌 入 式 P C机 系 统 能 够 共 享 P C机 规 模 经 济 市 场 中 大 量 的 C PU芯 片、接 口 芯 片、外 设 I C和 存 储 器 芯 片。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。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 P C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 IP C的 途 径 和 嵌 入 式 P C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 is A/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 P C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 P C机 为 PC/104,它 的 标 准 号 为 IEEE996.1PC/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 D S T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 9 8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 R A M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