计算机第1讲

第1讲

本讲内容：前言、计算机技术概念、嵌入式系统概念、计算机处理器与总线。

一 前言：本课程意义及内容。

意义(课程与课本的意义)：随着计算机在机械工程领域的广泛应用，计算机及其应用技术已经成为机械工程专业技术人员必备的知识。本课程就是基于这一观念，为机械工程专业技术人员开设的。本课程将系统学习计算机原理、输入输出系统、计算机通信、数据采集、测控技术、计算机应用系统设计等知识。在教学中力求知识新颖，实用性强。使学员能掌握计算机在机械工程测控技术领域应用的系统知识，能够从事测控系统设计及维修工作。

本课程内容：

第1章介绍计算机硬件与系统； 第2章介绍计算机测控系统； 第3章介绍计算机通信技术； 第4章介绍计算机数据采集技术；

第5章介绍计算机测控应用技术，其中有PID控制技术、PWM控制技术、变频调速技术、虚拟仪器设计、分布式控制系统设计、设备状态监测与诊断系统设计；

第6章介绍单片微机原理与应用技术。

本教材在2004年10月经西安交通大学专家组评审，立项为专业学位研究生核心教材建设项目。课本在2003年到2006年应西安交通大学研究生教学之需要，由西安交通大学教材中心两次印刷使用。

本课程讲课和实验共计40课时，实验4课时。

二 计算机与嵌入式系统概述

1) 计算机与嵌入式系统 计算机在应用中分为两大类，一类专用于计算和数据处理，这是人们研究计算机的最初目标，另一类用于测控，用于测控的计算机系统被称为嵌入式系统。本课程讲解嵌入式系统。

2) 计算机与嵌入式系统在知识大厦中所处的地位 简述知识发展。

根据恩格斯《自然辩证法》所述，天体运行，星移斗转，现存的无数个太阳不断的核反应，不断的辐射能量而走向消亡，无数个新的太阳又在形成和出现。相应于每个太阳系的发展和消亡的过程，在温度湿度生命元素等等具备的条件下，有些就有生物出现、进化、发展、繁衍直到最后随着生存环境恶化而消亡，这样的循环会永远进行，无始无终。

每一次有如人类这样高级生物出现的情景在这个宇宙循环的过程中所占的时间之短促，真的可以说是昙花一现。但这是宇宙中最美丽的花朵，也是宇宙中最高的成就。

我们生存的－地球，是地球人类繁衍生息的家园，已经有数十亿年的历史。目前人类的知识，主要是对地球上自然法则的认识。不管人们是否认识到这些法则，这些法则都是存在的，其中最基础的自然知识有地理地质知识、生物知识、植物知识、动物知识、数学知识、力学知识等等，在另一个层次上是机械制造、材料科学、能源科学、电子技术、信息技术、航空航天技术、生命科学与技术等等。

本课程属于电子技术中的计算机领域。 3）计算机的发展及微型计算机

计算机历史不长，但发展迅速。现在，以各种大规模、超大规模集成电路制成的各种计算机已经得到普遍而广泛的使用．随着集成电路技术的发展，计算机速度不断提高，功能不断增强。出现了各种门类、品种、型号的计算机。并且不断推陈出新，发展日新月异。

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计算机按运算速度和规模，分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机。微型机又称为个人计算机(Persenal computor),简称PC机。微型机用量最大，发展也最快。目前微型计算机的发展，以三个方面的技术为主线，一是用于数值计算和信息处理的PC机微处理器及其外围芯片的技术研究，二是品种繁多的单片微型计算机与数字信号处理器DSP研究，在单片机领域，近年来又推出了32位ARM系列计算机，三是工业控制计算机(工业PC)与可编程序控制器PLC技术研究。

从应用方面来看，微型计算机已经广泛应用到社会生活的各个领域，在制造业（包括所有的机械制造、化工产品制造、电子产品制造、生活用品制造）、金融业（包括银行信贷管理与结算、股票管理与操作）、交通业（铁路与民航的网络售票系统、城市交通管理网络系统）、电信业（通信网管理、收费结算网络系统）、教育业（学校管理、电化教学）、信息业（互联网、局域网、天气预报、抗病救灾）、航空航天、国防等等行业大显身手，成为促进现代文明进步，推动社会发展的重要工具．

从第一台微型计算机问世到现在只有二十多年时间，但是在这一领域却聚集了大批工作人员和巨额资金，使得围绕微型计算机所进行的软件硬件技术开发、产品生产与市场营销成为全球最大的产业。人们围绕微机处理器、主板、各种板上芯片的功能扩充与改进做了大量的研究开发和试验工作，围绕总线、时序和操作系统进行了大量卓有成效的工作，取得了辉煌的成就。目前，微机的主频已经高达3.6GHz以上，总线已经达到64位。由于采用现代先进的计算机硬件、软件技术，如流水线技术、虚拟存储器技术、高速缓冲存储器技术、内存管理技术及分支预测技术等，其数据处理速度已经达到惊人的程度。

新的计算机技术还包括光学计算机、生物计算机、与人脑对接的计算机技术研究等。 4）微型计算机在机械工程领域的应用

机械制造业是工业领域门类最多、从业人员最多、产品最多、产值最大的行业。其产品大的有各类机床、汽车、火车、轮船、飞机、武器等，小的有空调、冰箱、吸尘器、录音机、复读机等各类家用电器和学习用品。近年来，由于计算机数据采集和自动控制技术的发展，机械制造业进入了一个新的发展阶段。其最大的特点就是计算机的应用，使得生产自动化程度大大提高，从而大大提高了产品的加工速度和精度，减少了废品和残次品。在一些现代化的生产线上，只有很少的工作人员进行生产管理，生产加工过程由计算机控制，自动有序的进行。在一些有毒有害健康的工序上，由机器人进行加工，避免了对人的损害。计算机自动采集工件的位置、转速、温度等参数，自动控制加工设备诸如刀具、锻具、焊具、钻具等的运动状态和功率，进行准确、快速、高效的加工。这些具体的加工过程，通常都是由单片机进行控制。比较复杂的加工过程，需要进行大量高速数据运算分析，例如数控机床等，则由工业控制计算机进行控制。

三 (第1章)微型计算机硬件与系统

为了深入学习计算机测量、检测与自动控制中的应用技术，首先必须了解计算机的基本知识。随着计算机技术的发展，计算机的性能迅速提升，用于计算和数据处理的微型计算机的位数已经达到64位（位数指的是计算机一次能存取的二进制数的位数，如8位机、16位机、32位机、64位机等。计算机一次能存取的位数越多，其数据处理的能力就越强，速度也就越快）。用于控制的计算机系统，其I/O能力、抗干扰能力、适应环境的能力和控制能力也在迅速提高。本书旨在于介绍用于控制的计算机系统知识。但对机械工程领域的技术人员来说，首先必须了解现今计算机的系统知识诸如计算机的处理器、总线、存储器、输入输出系统和输入输出设备、操作系统等。

1.1 微型计算机的处理器

1)超标量双流水线结构 2)分支预测技术 3)双Cache的采用

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4)更快的浮点运算单元 5)固化常用指令

Pentium对一些常用指令如MOV,PUSH,POP,INC,DEC,TEST及JMP等改用硬件实现，而不使用微操作，加快了指令的执行速度。

6)增加总线宽度

与80386、80486一样，Pentium内部数据线和地址总线的宽度都是32位，但CPU和内存进行数据交换的外部数据总线却为64位，提高了读写存储器的速度，使得一个总线周期内的数据传输量提高了一倍。

7)快速执行引擎

Pentium 4内核中的算术逻辑单元ALU负责处理器的整数运算，它采用了DDR存储器技术，在一个时钟周期的上升沿和下降沿都可以进行运算，其运行速度是主频的2倍，Pentium 2.6GHz的处理器，其ALU的运行速度为3.2GHz。

1.2 微型计算机总线

总线是构成计算机系统的构架，是一台计算机的多个系统部件之间进行数据传输的公共通道。借助总线连接，计算机在各系统部件之间传送地址、数据和控制信息。因此，总线是多个模块电路或设备之间传送信息的一组公用信号线。

1.2.1 微机的内部总线、系统总线、外部总线、3GIO总线 1)内部总线

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(1)IC总线

(2)SPI总线(串行外围设备接口) (3)SCI总线(串行通信接口) 2)系统总线（并行） (1)ISA总线 (2)EISA总线 (3)VESA总线

(4)PCI总线（不能兼容以上） (5)Compact PCI（能兼容以上）

PCI(peripheral component interconnect)总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。它定义了32位数据总线，且可扩展为64位。PCI总线主板插槽的体积比原ISA总线插槽还小，其功能比VESA、ISA有极大的改善，支持突发读写操作，最大传输速率可达132MB/s，可同时支持多组外围设备。 PCI局部总线不能兼容现有的ISA、EISA、MCA(micro channel architecture)总线，但它不受制于处理器，是基于奔腾等新一代微处理器而发展的总线。

Compact PCI的意思是“坚实的PCI”，是当今第一个采用无源总线底板结构的PCI系统，是PCI总线的电气和软件标准加欧式卡的工业组装标准，是当今最新的一种工业计算机标准。Compact PCI是在原来PCI总线基础上改造而来，它利用PCI的优点，提供满足工业环境应用要求的高性能核心系统，同时还考虑充分利用传统的总线产品，如ISA、STD、VME或PC/104来扩充系统的I/O和其他功能。

3)外部总线 (1)RS-232C总线 (2)RS-485总线

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(3)IEEE-488总线

上述两种外部总线是串行总线，而IEEE-488 总线是并行总线接口标准。IEEE-488总线用来连接系统，如微计算机、数字电压表、数码显示器等设备及其他仪器仪表均可用IEEE-488总线装配起来。它按照位并行、字节串行双向异步方式传输信号，连接方式为总线方式，仪器设备直接并联于总线上而不需中介单元，但总线上最多可连接15台设备。最大传输距离为20米，信号传输速度一般为500KB/s，最大传输速度为1MB/s。

(4)USB总线

通用串行总线USB（universal serial bus）是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接口标准。它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩展PC连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源，而不像普通的使用串、并口的设备需要单独的供电系统。另外，快速是USB技术的突出特点之一，USB1.0的最高传输率可达12Mbps,比串口快100倍，比并口快近10倍，USB2.0的最高传输率可达480Mbps,而且USB还能支持多媒体。

4)3GIO总线(Third Generation Input/Output，第三代输入输出总线)

前不久，英特尔公司的3GIO(Third Generation Input/Output，第三代输入输出)技术获得业界标准组织PCI-SIG（PCI利益集团）表决通过，将成为电脑内部连结显卡、网卡等装置的新标准，逐步取代目前通用的PCI技术。发布3GIO的目的是统一输入输出设备标准，放弃AGP这类专用的图形总线。3GIO将会成为适应未来个人电脑、笔记本电脑、服务器以及嵌入式通讯所需带宽的多用途互连技术。

1.2.2系统总线的连接方式 1)单总线结构

系统总线 ?…… CPU 内存 设备接口 设备 接口 图1.2-1 单总线结构 2)双总线结构

系统总线 内存总线 CPU 内存 IO接口 图1.2-2 双总线结构

3)三总线结构

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系统总线 内存总线 CPU 内存 IOP 图1.2-3 三总线结构 1.2.3总线结构对计算机系统性能的影响1)存储容量 2)指令系统 3)吞吐量

1.2.4 常用系统总线介绍 1)ISA总线 2)PCI总线

1.3微处理器时序

时序此处不讲，到单片机时一并讲解。

1.4存储器

硬盘、光盘、U盘的特点。

电路板上存储器的分类与特点。

复习：计算机总线、存储器。 作业：本讲无作业。

IO总线 IO接口 5