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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：
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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。
3.5 STD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。 精品文档
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STD总线的特点：
56根并行总线，采用小模板结构, 尺寸为165×114mm 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 (1)逻辑电源线6根(引线1～6) (2)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±5V、±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。
3.6 PC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
3.7 PCI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： 精品文档
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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。
③PCI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。 精品文档