B 计算机与网络基础
计算机系统的组成
在说明了什么是计算机之后，让我们在来看一下计算机的定义：计算机是一种能接收、存储和处理数据，并能产生输出结果的快速、精确的符号加工系统，这一系统是在存储指令程序控制下工作的。本文说明为什么计算机是一个系统以及计算机是如何组成的。系统的主要部件包括输入设备、处理机和输出设备。现在详细介绍每一部件。
输入设备 计算机系统使用多种输入设备。其中有些输入设备直接进行人－机通信，另一些则首先要求把数据记录在诸如磁性材料那样的输入介质上。常用的是读取以磁化方式记录在专门涂敷的塑料带或软盘上的数据的输入设备。直接输入设备有与计算机的工作站直接连接或在线连接的键盘，以及鼠标器、输入器、触摸式屏幕和话筒等。不论使用哪种设备，所有这些都是人与计算机系统之间的解释和通信的部件。
中央处理机 中央处理机（CPU ）是计算机系统的核心。一台典型计算机的CPU 由三部分组成：主存储器部分、算术逻辑部分和控制部分。不仅个人计算机如此，各种规模的计算机的CPU 都有这三部分。
输出设备 与输入设备类似，输出设备也是人与计算机系统之间的解释和通信的设备。输出设备从CPU 中取出机器代码形式的结果，然后将其转换成（a ）人们可读的形式（例如打印或显示报告）或（b ）另一处理周期的机器输入。
在个人计算机系统中，常用的输出设备是显示屏和台式打印机。比较大型的计算机系统通常要配备更大、更快的打印机，多台在线工作站和磁带机。
有时也将输入/输出设备和辅助存储器称为外围设备，这是因为这些设备不属于CPU ，但又位于CPU 附近。
操作系统
操作系统朝着两个主要目标已发展了三十多年。第一，为程序的开发和执行提供了一个方便的环境。第二，操作系统试图通过对计算任务的调度以确保计算系统的良好性能。
操作系统必须确保计算机系统的正确操作。为避免用户程序影响系统的正常操作，对硬件进行修改以建立两种方式：用户方式和监控方式。各种指令（如I/O指令，HALT 指令）被赋予特权，只能在监控方式中执行。监控程序存放在内存，同样业应避免用户对其修改。另外采用一个时钟避免无限循环。这样，一旦基本的计算机系统发生了变动（两种方式，特权指令，存储器保护，时钟中断），仍有可能写出正确的操作系统。
正如我们前面所说，操作系统对于生产它们的厂家及其运行的硬件环境通常是唯一的。一般，安装一台新计算机的同时购买了与该硬件相应的操作系统。用户需要有效地支持其处理任务的可靠操作软件。
尽管各厂家的操作软件各不相同，但都具有类似的性能。现代硬件系统，由于其复杂性，需要有操作系统来满足某些特定的标准。例如，考虑到该领域的现状，操作系统应支持某种形式的联机处理。通常，与操作软件相关的功能有：
（1）作业管理；
（2）资源管理；
（3）I/O操作控制；
（4）错误恢复；
（5）存储器管理。
A 外部信号与设备的接口
概述
系统总线上的信号以非常有序的顺序发生。每个信号以事件的特定顺序来启动并在一固定时间后或被另外时间的顺序而终止。在仅有存储器和微处理器的系统中，由微处理器直接启动总线事件。
独立的外部设备和无总线兼容的信号以及与系统总线信号无时态关系的信号都不能直接连到系统总线上。系统总线通信是通过输入/输出接口来完成的。输入/输出接口的主要作用是协调处理器与外部设备之间的数据传输，以及转换为处理器可识别形式的数据。接口的其他作用可提供电隔离、噪声抑制、临时数据存储或数据格式转换。
有几种类型的接口，例如并行输入/输出、数字－模拟转换、模拟－数字转
换、实时时钟、直接存储器访问，都是常用的。这里，我们仅限于讨论并行I/O和A/D及D/A。
并行输入接口
术语“输入”和“输出”通常指CPU 和CPU 的输出。如图3-2A-1所示的一个简单接口的标准图。输入接口仅受处理器控制。无论何时处理器寻址输入口，外部数据总线上的数据被允许放到处理器数据总线上，并且当CPU 把数据放到总线上时，这一数据是可用的。
在这种接口中，有一个三态缓冲器，它能迫使处理器总线与外部数据线有相同的二进制值。当在不允许状态时，缓冲器输出进入高阻“第三态”，它能从总线上有效地移开数据线，允许其他数据利用系统总线。
处理器
接口
外围设备 处理器 接口 外围设备
数据 数据 控制
地址 控制 地址
图3-2A-1 简单的并行输入接口
入接口
在某些情况下，同步交换信号的使用是必要的，如图3-2A-2。当数据可用时，外设使可用数据线求反，且数据存在接口内。同时，在状态寄存器中设定“准备好”标志以指示给CPU 数据可使用。为了了解这一点，CPU 必须连续查询接口（读状态寄存器），最终锁存数据。
输入任务也可由DMA （直接存储器寻址）I/O来实现。
并行输出接口
输入与输出接口的一个区别是输出接口必须有个数据寄存器，因为在CPU 数据总线上，处理器数据仅在很短的时间内是一个常数。图3-2A-3所示为一简单接口形式，无论何时CPU 发布接口数据寄存器的正确地址并完成一个“写”操作，便可接收数据。锁存后，数据可用于外部世界。
数－模转换接口
图3-2A-4所示的数字－模拟转换器是用于产生一个模拟电压和电流，在给定的“满标度”范围内，与二进制数字成比例。
处理器 接口 外部 数据
地址
控制
压，例如1V 如，直接二进制码
图3-2A-4 数模转换器
模拟电压的数字表示 直接二进制表示，任何一个数字值的输出电压可从下式得到：Vout = VFS(b72-1 + „+b02-8)
对于偏移二进制，例如在-1和+1V电压之间可获得一个双极型输出。
双补码 表示极性输出的另一种方法是用双补码数。如果最高有效位表示一个符号，那么最高正数为01111111，最高负数为10000000。
其他可能的表示是二进制码十进制和加号大小。也有几种可生产的可选跨接模拟电压范围。最常用的电压为5/10，5/12或10/24V。
根据数字表示和可用的满标度电压，D/A转换器的说明书应至少给出它的1. 分辨率；2. 转换速率；3. 稳定时间；4. 线性化；5. 增益和偏移的温度系数。
模拟－数字转换接口
图3-2A-5为一个模拟信号采集系统。它的作用是在特定的瞬时时间，即采样时间对N 个模拟输入信道其中之一的电压产生一个数字表示。象在D/A转换器中，希望的数字表示是一个设计参数，其可能根据不同的A/D接口而有所不同（二进制、偏移二进制、双补码）。
处理器
地址 数据 通 控制
图3-2A-5 模拟信号采集系统
A/D转换器可分为模拟边和数字边。在数字边，设计者必须考虑：
1．集成电路技术；2．逻辑电平和三态能力；3．分辨率；4．转换速度；5．CPU 信息交换；6．外部控制。
在接口的模拟处，设计者必须关注：
1. 输入电压范围（产生最大、最小数字值的的模拟电压的差值）；
2. 各种不同的误差源；
3. 在A/D模拟部分产生的等效输入噪声。
就如同D/A转换器，有一个可能出现的增益和偏移误差及线性误差。这些误差的温度系数也很重要，它们对于总误差的作用应在温度范围内计算出来。
逐次逼近型A/D 应用在A/D转换器结构上有很广泛的技术。最普通的是逐次逼近型转换器。它具有适度速度和适度分辨率的优点。
它的作用：第一次将输入电压与设为满量程A/D参考电压一半的测试电压相比较。利用标准的D/A转换器来得到测试电压。如果第一次比较后，输入电压大于满量程的一半，那么设定最高有效输出位。如果输入电压小于满量程的一半，那么从测试电压中删掉满量程电压的一半，否则电压保持同一值。
下一次，四分之一的满量程参考电压加到测试电压上，将输入电压与测试电压再一次比较，如果输入电压超过测试电压，那么下一个最高有效位被设定，测试电压，第二位设为0，四分之一满量程参考电压被删除。
这一过程逐次以更小的加权二进制电压重复，直到测试完最低有效位。 UNIT 3
A PLC概述
许多不同的过程控制系统的自动化，如控制生产机械或工厂生产线，由被称为可编程逻辑控制器（PLC ）的小型计算机完成。1968年，通用汽车公司首创PLC 并应用于汽车工业，并开发第一个PLC 工程，用电子控制器替代硬接线的继电器系统。随着PLC 的出现，工厂过程控制的集中化，尤其在汽车工业中，得到了大
幅提高。
PLC 的架构
PLC是一个无盘的紧凑计算机，包含所有过程控制必需的软硬件。他们通常用于自动化控制应用（如闭环控制），可以独立存在，也可以连到分布I/O，其他PLC 或者监控计算机。这些连接通过现场总线建立，如WorldFIP, PROFIBUS 或者 Ethernet.
典型的PLC 包含：
电源； 程序运行的CPU ； 输入输出模块 ； 可选通信模块；
可用IO 模块支持很多电气接口：
图 3-3A-1 一个典型的PLC 系统
这些模块可以连接到PLC 的内部总线上，也可以通过总线连接器和现场总线单元（如PROFIBUS, WorldFIP or CAN）连接，并于其他PLC 共享总线。
模拟模块 (+/- 10V, +/- 1V, 4-20ma, 电阻, 等.) ； 温度测量 (pt100, Ni 100, 等.) ； 数字模块 (+/- 24V, 220V, 等.) ； TTL 模块 (Beckhoff I/O 模块, 等.) ； RS 232 模块 ； 其他 。
用户的硬件很难和PLC 内部总线直接连接。解决的方案是使用特定接口卡（如HMS 的AnyBus 卡）作为标准现场总线接口（如PROFIBUS, CAN, and WorldFIP ）集成用户硬件。
现在，PLC 提供基于以太网的通信。尽管基于TCP/IP 和 IEEE 802.2，每个厂商的PLC 协议都不同。因此，默认情况下，不同厂商的PLC 不能通过以太网交换数据。但是，施耐德的的PLC 拥有接口库，可以用西门子PLC 实现RFC1000，也可以使用OPC DX 服务器，SCADA 应用，或者特定通信接口卡，如APPLICOM one ，作为网关。
基于PLC 的方案可以很好用于两层控制体系架构中，前端层独立于监控层。过程控制（输入输出，读出，闭环控制等）既不依赖于网络，也不依赖于远程电脑，它更为安全。
PLC 具有长期可用性，并得到支持：通常情况下，老的软硬件可以得到各自制造商的至少10年的支持。
PLC 操作
PLC 使用制造商提供的特定操作系统。操作系统处理：
CPU 状态 (开始，停止，初始化, 等) ；
用户程序的调用；
中断 ；
内存 ；
和编程设备和其他通信设备通信。
PLC 采用轮询的方式执行精确的循环。循环包括连续执行的三部分（如图3-3A-2所示）：
读输入状态，PLC 内核读取所有输入模块，并把数值复制到内部输入内存
区域；
执行用户程序状态，PLC 内核访问所有PLC 内存区域，执行用户程序。并
把执行结果存贮在内部输出内存中；
写输出状态，PLC 内核复制内部输出内存内容到输出模块。
Read inputsOperate user Write outputsRead inputsOperate user
Write outputs
图 3-3A-2 西门子PLC 扫描周期
除了循环，操作系统还管理中断（硬件中断、用户程序错误等）。用户程序（控制程序）由供应商特定的开发环境生成，然后下载到目标CPU 中。 它会保存在CPU 的ROM 中，即使掉电也不会丢失。通常，所有的PLC 都有两种运行状态：运行和停止，由钥匙或者软件控制。上电时，PLC 会根据事先设定进入运行或者停止状态。
PLC 编程
PLC 程序的开发包括两个方面。定义硬件组态和生成用户程序源代码。 硬件组态描述了模块（I ∕O 和通信）及其在PLC 中安装顺序，I ∕O 的寻址也将根据这个顺序自动生成。
源代码由供应商特定的集成开发环境生成。通常他们由一系列工具组成： 设置管理应用 ；
设置分配硬件参数；
设置总线和连接设备；
设置通信链路；
为PLC 创建用户程序 ；
下载程序并测试。
用户程序可以用国际电工委员会的IEC 1131-3推荐的五种语言中任何一种完成。IEC 1131-3是一个试图在一个国际标准之下涵盖PLC 编程语言的世界标准。它通过对编程接口的标准化，协调人们看待工业控制的方式。包括用来构建程序内部组织的顺序功能图定义和其他四种内部操作语言：梯形图、功能框图、结构文本和指令表。前三种语言是图形化的，后两种是文本的。每个生产商都有自己的专用语言。
通过模块化和变量的定义，每个程序都得以结构化和简化，增强了可用性。此外，IEC 1131-3定义了控制系统的组态方式。但是，在语言方面有些不同。源代码并非100%兼容。主要问题在于硬件寻址和PLC 内核（操作方式，如何处理中断，如何调用用户程序等）。
大多数PLC 供应商属于PLCopen 组织，它是一个独立于生产商和产品的世界协会，致力于通过寻求IEC 1131-3开放软件开发标准，为PLC 用户带来更多的价值。
UNIT 4
A 单片机基础
单片机是本世纪两大引起争论的重大发明创新即数字计算机与集成电路发展的顶点。
单片机有这样两种结构类型。一些使用了哈佛结构的分离的程序/数据存储器，如图3-4A-1。另一些被通用计算机和微处理器广泛采用的是普林斯顿结构，遵循在程序存储器与数据存储器之间没有逻辑区别的原理，如图3-4A-2。
概括地讲，单片机的特征是将计算机的所有部件都合并到一个单一的装置上，如图3-4A-3。
图3-4A-1 哈佛类 图3-4A-2 传统的普林斯顿
3-4A-3 微计算机的主要特征
因此这些设备的生产要求在制造过程因此这意味着要有一个ROM 代码开发的严格的方法。这一开发过程不仅包括利用其硬件仿真能力的复杂开发系统的仿真，还包括强大的软件工具的应用。
一些生产商提供了包括带用户可编程存储器范围内设备的附加ROM 可选项。
其中最简单的设备是在微处理器模式下运算，把一些输入/输出线用作地址和数据总线来访问外部存储器。虽然带有限定I/O和改进的外部电路，但这种类型的设备能够像单片机派生的功能那样工作。这些无ROM 设备的应用在生产电路中通常是偶数，其容量不能调整、定制的单片ROM 的开发成本；但与传统的基于电路的微处理器相比，在I/O和其他芯片上仍有很大的节省。ROM 设备的更精确的替代可通过不同形式的带有背页式EPROM （可擦写编程ROM ）插座或由EPROM 取代ROM 的设备而获得。这些设备本质上比相等的ROM 设备要昂贵，但确实提供了完全等效的电路。带EPROM 的设备时少量的应用场合具很大诱惑，它们可提供单片设备的优点，单片I/O，等等，以及灵活的用户编程的方便性。
读/写存储器（RAM ） RAM 是用于程序执行过程中对对工作变量和数据的存储。存储器的大小随设备的类型而变，但它与处理器有相同的特征宽度（4，8，16位等）。特殊功能寄存器，例如栈指针或定时寄存器通常合并到RAM 区。在哈佛类型的微计算机中，RAM 和寄存器常常没有实际分离，因此在一个微处理器系统情况下，没有必要把RAM 和处理器寄存器区分开。
中央处理单元（CPU ） CPU 更象任何一种微处理器。微计算机和微控制器的许多应用包括BCD 码的处理（例如，数据显示），因此，普遍发现CPU 能很好地处理这一类型的数据。由于许多控制器的应用包括开或关单个输出线或读取单个线，因此对测试、设定和复位存储器或I/O的独立的位，它们通常也是很好的设备。这些线很容易与双套设备来接口，例如：开关，恒温器，固态继电器，阀，电动机，等等。
UNIT 5
A 初识嵌入式系统
概述
现在像嵌入式这样的术语越来越流行。我们被无处不在的嵌入式系统淹没。现在，问题是，从根本上说，嵌入式系统是什么？我们可以把嵌入式系统定义为“看起来不像计算机的基于微处理器的系统”或者可以说“设计用来执行特定功能的计算机硬件、软件和附加的机械的或者其他部件的结合。在一些情况下，嵌入式系统实大型系统或者产品的一部分，如汽车中的防抱死系统。”
嵌入式系统包含很多硬件和软件，它们执行宿主系统的特定功能，例如，卫星，洗衣机，机器人，手持电话和汽车。
调制解调器，硬盘驱动器，软盘驱动器和声卡都是嵌入式系统。每个设备都包含处理器和软件，并执行特定功能。例如，调制解调器用来通过模拟电话线发送和接收数字数据。其他设备也都可以用一句话来概括。如果嵌入式系统设计精良，用户可以完全忽略处理器和软件的存在。这样的例子包括微波炉，录像机或者闹钟。在一些情况下，甚至可以制造功能相同的设备而不包含处理器和软件。
嵌入式系统的特性
当嵌入式系统进入发展阶段，它们变得越来越复杂。此外，这些系统不断增加的新特性具有智能化的特点。嵌入式设备不但能完成工作，而且能够智能地工作。这些特性是：
计算能力 这些设备具有一定的计算能力。非常简单的8位控制器或者高端64位微处理器都能提供这样的计算能力。
内存 下一个是内存。这些设备拥有处理器使用的一定数量的内存，其他一些内存用来存储用户数据和参数选择。
实时性 所有设备必须在规定时间周期内，对用户/环境的收入做出反应。 通信 设备必须能够接受外部其他设备的输入，进行处理并为其他设备或用户提供可靠的输出。
动态决策 根据外部环境或传感器的输入变化，系统应该能够改变下一步行动。
嵌入式系统应用
在我们日常生活中，嵌入式系统是那些隐蔽却很重要的应用。它们是小巧、迅捷、智能的微处理器，存在于打印机，电话答录机，电梯，汽车，点钞机，电冰箱，自动调温器，腕表甚至烤箱中。嵌入式系统是消费电子中最先进的技术，它们的“智能化”将彻底改变各种技术。
嵌入式系统应用描述了不同应用中嵌入式系统设计的最新技术。这包括了嵌入式系统设计总最新一些软件工具。嵌入式系统的一些实例如下：
1. 自动柜员机；
2. 计算机用打印机；
3. 磁盘驱动器；
4. 移动电话和电话交换机；
5. 飞行器和导弹用惯性导航系统；
6. 医疗设备；
7. 游戏机；
8. 使用PLC 处理自动控制和监控的工业机械；
9. 汽车用发动机控制计算机和防抱死控制器；
10. 腕表；
11. 家用电器，包括微波炉，空凋，电烙铁，洗衣机和电视机；
12. 家用自动化产品，如自动调温器，喷洒器和安全监视系统；
13. 网络设备，包括路由器和防火墙；
14. 交通控制，智能交通灯；
15. 音乐系统；
16. 读卡器。