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  • 单片微机测控系统设计大全(推荐)

    热门讨论 2009-01-15 09:39:11
    本书系统阐述微机测控技术,涉及面宽,包括:计算机控制理论,微机测控系统常用元器件(放大器、比较器、路模拟开关、集成稳压器、光电招合器、新型传感器、存储器、总线、显示器、键盘、A/D、D从、可编程I/O接口...
  • 操作系统的发展2.1 人工操作方式2.2 脱机输入/输出方式2.3 道批处理系统2.4 道批处理系统(OS开始出现)2.5 分时系统2.6 实时系统2.7 微机操作系统发展2.8 常用的操作系统举例2.9 计算机的分类3. 操作系统的...

    引言

    操作系统是什么?为什么要学操作系统?

            操作系统是一组控制和管理计算机硬件和软件资源、合理地对各类作业进行调度(有效性),以及方便用户(方便性)的程序的集合。
            掌控计算机上所有事情的软件系统。
            学习操作系统的原因是操作系统是计算机技术的基石,其富含管理哲学。
    图0 操作系统的定义

    1. 操作系统的目标和作用

    1.1 操作系统的目标

            方便性:配置OS后可使计算机更容易使用,不需要用户手工输入0,1码
            有效性:有效控制和管理计算机各种软硬件资源,提高资源的利用率
            可扩充性:便于扩充新功能
            开放性:不同机型可运行相同程序

    1.2 操作系统的作用

            1. 从用户角度看:OS是用户与计算机硬件系统之间的接口(是计算机硬件上的第一层软件)
    从用户的角度看操作系统

            2. 从计算机资源的角度看:OS是计算机资源(包括软硬件资源、处理机、存储器、I/O设备、文件等)的管理者
    从计算机资源的角度看操作系统

            3.从功能扩充的角度看:实现计算机资源的抽象,增加了OS的计算机,称为功能更强、使用更方便的扩充机器或虚机器
    从功能扩充的角度看操作系统

            4.虚拟机:OS将物理资源(如处理机、内存或磁盘)转换为更通用、更强大且更易于使用的虚拟形式(虚拟化)

    图1 操作系统的功能和目标

    2. 操作系统的发展

    2.1 人工操作方式

    图 2-1 手工操作方式
    由程序员将事先已穿孔的纸带,装入纸带输入机,再启动它们将纸带上的程序和数据输入计算机,然后启动计算机运行。仅当程序运行完毕并取走计算结果后,才允许下一个用户上机。
    主要缺点

    1. 用户独占全机。一台计算机的全部资源由上机用户独占。
    2. 人机速度矛盾导致资源利用率极低。

    2.2 脱机输入/输出方式

    图2-2 脱机输入/输出方式
    系统机制:事先将装有用户程序和数据的纸带装入纸带输入机,在一台外围机的控制下,把纸带上的数据输入到磁带上。当CPU需要这些程序和数据时,再从磁带上高速地调入。当CPU需要输出时,可先由CPU把数据直接从内存高速地输送到磁带上,然后在另一台外围机的控制下,再将磁带上的结果通过相应的输出设备输出。

    脱机输入/输出方式: 程序和数据的输入和输出都是在外围机的控制下完成的,即它们都是在脱离主机的情况下进行的,称为脱机输入/输出方式。
    联机输入/输出方式: 把在主机的直接控制下进行输入/输出的方式称为联机输入/输出方式。

    脱机I/O方式的
    主要优点:

    1. 减少了CPU的空闲时间。
    2. 提高了I/O速度。

    主要缺点:

    1. 效率较低
    2. 一个用户仍独占所有计算机资源

    2.3 单道批处理系统

    图2-3-1 单道批处理系统
    目的: 为实现对作业的连续处理,需要先把一批作业以脱机方式输入到磁带上,并在系统中配上监督程序,在它的控制下,使这批作业能一个接一个地连续处理。
    图2-3-2 单道批处理的流程
    单道批处理的
    主要优点:

    1. 缓解了一定程度的人机速度矛盾
    2. 资源利用率和系统吞吐量有所提升

    主要缺点:

    1. 内存中仅能有一道程序进行,只有该程序运行结束后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在等待空闲I/O完成。资源利用率依然低。

    单道批处理的特征:

    1. 自动性:计算机的控制权自动由监督程序控制
    2. 顺序性:作业只能一个接一个地连续处理
    3. 单道性:某一时刻只有一单作业在运行

    2.4 多道批处理系统(OS开始出现)

    后备队列: 用户所提交的作业先存放在外存上,并排成一个队列,称为“后备队列”。
    系统机制:用户所提交的作业先存放在外存上,并排成一个队列。然后由作业调度程序按一定的算法,从后备队列中选择若干个作业调入内存,使它们共享CPU和系统中的各种资源。由于在内存中装有若干道程序,这样便可以在运行程序A时,利用其因I/O操作而暂停执行时的CPU空档时间,再调度另一道程序B运行,同样可以利用程序B在I/O操作时的CPU空档时间,再调度程序C运行,使多道程序交替地运行,保持CPU处于忙碌状态。

    多道批处理的
    主要优点:

    1. 资源利用率高
    2. 系统吞吐量大

    主要缺点:

    1. 平均周转时间长
    2. 无人机交互能力

    特征:
    多道性、无序性、调度性

    多道批处理系统是非常复杂的系统,需要解决的问题有:
    1)处理机争用问题
    2)内存分配和保护问题
    3)I/O设备分配问题
    4)文件的组织和管理问题
    5)作业管理问题
    6)用户与系统的接口问题
    批处理阶段

    2.5 分时系统

    定义:在一台主机上连接了多个配有显示器和键盘的终端并由此所组成的系统,该系统允许多个用户同时通过自己的终端,以交互方式使用计算机,共享计算机的资源。

    分时系统必须解决的关键问题: 如何使用户能与自己的作业进行交互?
    1)系统首先必须能提供多个终端,同时给多个用户使用
    2)其次,当用户在自己的终端上键入命令时,系统能够及时接收,并及时处理该命令,再将结果返回给用户。(及时接收、及时处理)

    分时系统的特征

    1. 多路性:系统中有多个用户程序同时运行
    2. 独立性:每个用户(程序)独立操作,互不干扰
    3. 及时性:用户的请求能在较短(秒级或以下)时间内获得响应
    4. 交互性:用户可以同系统进行人机对话

    分时系统的
    主要优点: 用户请求可以即时被响应,解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机,并且用户对计算机的操作相互独立,感受不到别人的存在。
    主要缺点: 不能处理一些紧急任务。

    分时操作系统

    2.6 实时系统

    定义:实时系统是指系统能及时响应外部事件的请求,在规定的时间内完成对该事件的处理,并控制所有实时任务协调一致地运行。

    实时系统的类型:

    1. 工业(武器)控制系统。 火炮的自动控制系统、飞机的自动驾驶系统、导弹的制导系统
    2. 信息查询系统。 飞机或火车的订票系统
    3. 多媒体系统。 用于播放音频和视频的多媒体系统
    4. 嵌入式系统。 智能仪器、智能设备。

    实时任务的类型:

    1. 周期性实时任务和非周期性实时任务
    2. 硬实时系统和软实时系统

    实时系统的特征:
    多路性、独立性、及时性、交互性、可靠性
    实时操作系统

    2.7 微机操作系统发展

    定义:配置在微型机上的操作系统称为微机操作系统。

    1. 单用户单任务操作系统
              只允许一个用户上机,且只允许用户程序作为一个任务运行,最简单的微机操作系统,主要配置在8位和16位微机上。
              代表:CP/M和MS-DOS
    2. 单用户多任务操作系统
              只允许一个用户上机,但允许用户把程序分为若干个任务,使它们并发执行,从而有效地改善了系统的性能。
              代表:Windows
    3. 单用户多任务操作系统
              允许多个用户通过各自的终端,使用同一台机器,共享主机系统中的各种资源,而每个用户程序可进一步分为几个任务,使它们能并发执行,从而可进一步提高资源利用率和系统吞吐量。
              代表:UNIX OS(Bell实验室),Solaris OS,Linux OS

    2.8 常用的操作系统举例

    最早的操作系统——IBM704大型机
    微型计算机操作系统的鼻祖——20世纪70年代–CP/M
    早期霸主——DOS
    当代大亨——Windows
    UNIX、Linux、MacOS

    2.9 计算机的分类

            巨型机、小巨型机、大型机、小型机、工作站、个人计算机

    3. 操作系统的基本特征

    操作系统的四大特征

    4. 操作系统的功能

    4.1 处理机管理功能

    1. 进程控制
      -创建进程:分配必要的资源
      -运行进程:控制进程在运行过程中的状态转换
      -撤销进程:进程运行结束时撤销,及时回收资源
    2. 进程同步
      -进程互斥:进程互斥访问临界资源(配锁)
      -进程同步:多进程按顺序协调完成同一任务(信号量机制)
    3. 进程通信
      -进程间进行信息交换,如输入进程将数据送给计算进程,计算
      进程将结果送给打印进程
    4. 调度
      -进程调度:从就绪队列中按照一定的算法选择出一个进程进入处理机
      -作业调度:从后备队列中按照一定的算法选择出若干个作业调入内存

    4.2 存储器管理功能

    主要任务:为多道程序的运行提供良好的环境,提高存储器的利用率,方便用户使用,并能从逻辑上扩充内存。

    1. 内存分配
    2. 内存保护
    3. 地址映射
    4. 内存扩充

    4.3 设备管理功能

    主要任务:
    1)完成用户进程提出的I/O请求,为用户进程分配所需的I/O设备,并完成指定的I/O操作
    2)提高CPU和I/O设备的利用率,提高I/O速度,方便用户使用I/O设备

    1. 缓冲管理
    2. 设备分配
    3. 设备处理

    4.4 文件管理功能

    主要任务: 对用户文件和系统文件进行管理以方便用户使用,并保证文件的安全性。

    1. 文件存储空间的管理
    2. 目录管理
    3. 文件的读/写管理和保护

    4.5 用户接口

    1. 命令接口
    2. 程序接口
    3. 图形界面接口
      操作系统的功能
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  • PID控制的简单介绍PID控制是针对单输入单输出自动过程控制的典型控制算法。其算法模型如下所示:PID控制算法模型算法模型中的设置值就是控制过程的输入;控制值就是控制过程的输出。系统运行过程中,通过算法自动...

    现目前市面上的变频器所具有的功能,已不仅仅只是完成电机的驱动。其在此基础之上,已有更多扩展性的功能应用。这里就变频器的PID控制功能的实际运用,举例恒压供水展开说明。

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    PID控制的简单介绍

    PID控制是针对单输入单输出自动过程控制的典型控制算法。其算法模型如下所示:

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    PID控制算法模型

    算法模型中的设置值就是控制过程的输入控制值就是控制过程的输出。系统运行过程中,通过算法自动调整,将控制输出值,稳定在设置值的有效范围内。从而使系统处在一个稳定运行过程中。

    ae5f2da2499c4a6a8d745a2ca629b0d4.png

    PID控制过程曲线

    在不同的系统中,我们对控制过程曲线的要求可能并不一样。有的需要跟随性强,有的需要超调量小(超出控制要求值得大小),有的需要快速响应……不同的控制场景,是需要对应的进行选择调整,这也就是进行PID参数的整定。

    变频器PID控制模式实现恒压供水

    1、控制系统构建

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    控制系统架构简图

    如上图所示,恒压供水系统,通过变频器控制泵电机的转速,实现管路内水压力的调整,当变频器的模拟量输入口接收到管路压力变送器的压力信号变化后,通过内部的PID控制算法,调整泵电机的运行速度,从而实现管路压力的调整。

    2、反馈信号的处理

    一般情况下,变频器运行环境存在较强的电磁干扰。故在选择压力传感器的反馈模拟量信号时,应优先选择电流型信号。电流信号相比较于电压信号,其抗干扰能力更强。可确保系统运行过程中的稳定性和控制精度。

    3、变频器控制配置

    变频器的配置主要包含以下几方面的内容:

    • 运行模式配置为PID控制模式
    • 设置PID过程信号输入为模拟量输入端口信号
    • 配置控制压力输入端口(如变频器控制面板,变频器模拟量输入口,通信设置等)
    • 匹配泵电机的参数(如功率,电流等)

    以上配置不同品牌的变频器配置方法略有差异,但也都仅是运行模式参数的配置。使用时详细参阅其使用手册即可。

    展开全文
  • 文章目录操作系统的发展和分类举例对比批道处理和批道处理总结操作系统的功能和目标提供的功能作为系统资源的管理者为用户提供使用硬件设备的接口作为最接近硬件的层次总结操作系统的四个特征并发共享虚拟异步...

    操作系统的发展和分类

    1. 手工操作阶段
      主要缺点:用户独占全机、人机速度矛盾导致资源利用率极低
      在这里插入图片描述

    2. 单道批处理系统
      主要优点:引入脱机输入/输出技术(用磁带完成,也就是离线磁盘),监督程序负责控制作业的输入、输出, 缓解了一定程度的人机速度矛盾,资源利用率有所提升。
      主要缺点:内存中仅能有一道程序运行,只有该程序运行结束之后才能调入下一道程序。CPU有大量的时间是在空闲等待l/o完成。资源利用率依然很低。
      在这里插入图片描述

    3. 多道批处理系统:
      主要优点:多道程序并发执行,共享计算机资源。资源利用率大幅提升,CPU和其他资源保持“忙碌”状态,系统吞吐量增大
      主要缺点:用户响应时间长,没有人机交互功能(用户提交自己的作业之后就只能等待计算机处理完成,中间不能控制自己的作业执行)
      在这里插入图片描述

    举例对比单批道处理和多批道处理

    问题:为何多道批处理系统能使资源利用率大幅提升?
    假设计算机需要处理三个作业
    作业一:输入1秒,计算1秒,输出1秒
    作业二:输入1秒,计算1秒,输出1秒
    作业三:输入1秒,计算1秒,输出1秒

    • 若采用单道批处理技术
      在这里插入图片描述
    • 若采用多批道处理系统
      在这里插入图片描述
      所以多批道处理系统就是并发执行程序, 使多个资源保持忙碌状态, 提高吞吐量
    1. 分时操作系统:
      计算机以时间片为单位轮流为各个用户/作业服务,各个用户可通过终端与计算机进行交互。
      主要优点:用户请求可以被即时响应,解决了人机交互问题。允许多个用户同时使用一台计算机,并且用户对计算机的操作相互独立,感受不到别人的存在。
      主要缺点:不能优先处理一些紧急任务。操作系统对各个用户/作业都是完全公平的,循环地为每个用户/作业服务一个时间片,不区分任务的紧急性
      在这里插入图片描述
    2. 实时操作系统:
      为各个用户/作业服务设立优先级, CPU调度可由优先级进行优先调度
      在实时操作系统的控制下,计算机系统接收到外部信号后及时进行处理,并且要在严格的时限内处理完事件来保证可靠性。
      主要优点:能够优先响应一些紧急任务,某些紧急任务不需时间片排队。
      实时操作系统的主要特点是及时性和可靠性
    • 实时操作系统又分为硬实时系统和软实时系统, 硬实时系统表示必须立刻执行, 而软实时系统表示允许偶尔时间内违反实时标准
      在这里插入图片描述
    1. 网络操作系统:
      伴随着计算机网络的发展而诞生的,能把网络中各个计算机有机地结合起来,实现数据传送等功能,实现网络中各种资源的共享(如文件共享)和各台计算机之间的通信。(如: Windows NT就是一种典型的网络操作系统,网站服务器就可以使用)
    2. 分布式操作系统:
      主要特点是分布性和并行性。系统中的各台计算机地位相同,**任何工作都可以分布在这些计算机上,由它们并行、协同完成这个任务。
      **

    总结

    在这里插入图片描述

    操作系统的功能和目标

    • 首先看一下计算机系统的层次结构
      在这里插入图片描述
      所以
    1. 操作系统是系统软件不是硬件
    2. 操作系统为上层应用软件提供使用硬件的接口API
    3. 操作系统是负责管理和协调软件去使用硬件设备和资源

    所以操作系统被称为系统资源的管理者

    在这里插入图片描述

    • 举个例子
      我们要知道一个程序的真正执行前需要将该程序放入内存中, 才能被CPU处理 (需要下载到本地), 那么在双击使用这个程序的时候就需要操作系统来帮我们在内存上找到这个程序然后交给CPU去执行, 比如使用QQ和朋友视频聊天的过程
      在这里插入图片描述

    提供的功能

    作为系统资源的管理者

    • 处理机管理, 存储器管理, 文件管理, 设备管理

    为用户提供使用硬件设备的接口

    命令接口:允许用户直接使用, 如CMD输入的命令就是联机命令接口, 而执行代码就是脱机命令接口
    在这里插入图片描述

    程序接口:允许用户通过程序间接使用, 如C:Windows\System32user32.dll程序员在程序中调用user32.dl1(该调用过程即为系统调用)即可实现创建窗口等功能。只能通过用户程序间接使用。
    GUI:现代操作系统中最流行的图形用户接口
    在这里插入图片描述

    作为最接近硬件的层次

    需要提供的功能和目标:实现对硬件机器的拓展
    体现的也是对计算机设备和资源的封装思想实现安全和高效的目的
    没有任何软件支持的计算机成为裸机。
    在裸机上安装的操作系统,可以提供资源管理功能和方便用户的服务功能,将裸机改造成功能更强、使用更方便的机器

    • 类比
      硬件:锤子、锯子、木头、钉子…
      操作系统:优秀的工匠
      操作系统对硬件机器的拓展:通过优秀工匠,这些简单的原料可以组织成房子、帆船、匹诺曹。。。普通用户可直接使用工匠提供的房子、帆船、匹诺曹,而无需关心这些东西在底层是怎么组织起来工作的

    总结

    在这里插入图片描述

    操作系统的四个特征

    并发

    并发:指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。这些事件宏观上是同时发生的,但微观上是交替发生的
    易混概念――并行:指两个或多个事件在同一时刻同时发生
    在这里插入图片描述
    操作系统的并发性指计算机系统中同时存在着多个交替运行着的程序
    一个单核处理机(CPU)同一时刻只能执行一个程序,因此操作系统会负责协调多个程序交替执行(这些程序微观上是交替执行的,但宏观上看起来就像在同时执行)
    事实上,操作系统就是伴随着“多道程序技术”而出现的。因此,操作系统和程序并发是一起诞生的。

    共享

    共享即资源共享,是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。
    在这里插入图片描述

    • 生活实例:
      互斥共享方式:使用QQ和微信视频。同一时间段内摄像头只能分配给其中一个进程。
      同时共享方式:使用QQ发送文件A,同时使用微信发送文件B。两边都在同时读取并发送文件,说明两个进程都在访问硬盘资源,从中读取数据。

    • 并发性指计算机系统中同时存在着多个运行着的程序。

    • 共享性是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。

    虚拟

    虚拟是指把一个物理上的实体变为若干个逻辑上的对应物。物理实体(前者)是实际存在的,而逻辑上对应物(后者)是用户感受到的。

    • 举个例子
      一个程序需要放入内存并给它分配CPU才能执行, OK

      GTA5需要4GB的运行内存,QQ需要256MB的内存,迅雷需要256MB的内存,网易云音乐需要256MB的内存…
      我的电脑:4GB内存
      问题:这些程序同时运行需要的内存远大于4GB,那么为什么它们还可以在我的电脑上同时运行呢?
      答:这是虚拟存储器技术。实际只有4GB的内存,在用户看来似乎远远大于4GB

    • 这就是一种虚拟技术中的空分复用技术

    • 再举个例子
      某单核CPU的计算机中,用户打开了以下软件。。。
      在这里插入图片描述
      问题:既然一个程序需要被分配CPU才能正常执行,那么为什么单核CPU的电脑中能同时运行这么多个程序呢?
      答:这是虚拟处理器技术。实际上只有一个单核CPU,在用户看来似乎有6个CPU在同时为自己服务

    • 虚拟技术中时分复用技术。微观上处理机在各个微小的时间段内交替着为各个进程服务
      在这里插入图片描述

    异步

    异步是指,在多道程序环境下,允许多个程序并发执行,但由于资源有限,进程的执行不是一贯到底的,而是走走停停,以不可预知的速度向前推进,这就是进程的异步性。

    • 显然,如果失去了并发性,则系统只能串行地处理各个进程,每个进程的执行会一贯到底。只有系统拥有并发性,才有可能导致异步性。

    总结

    • 有了并发性才会有共享, 虚拟, 异步性
      在这里插入图片描述
    展开全文
  • 文章目录3.1 总线的基本概念为什么要用总线什么是总线总线上的信息传送3.2 总线的分类片内总线系统总线通信总线3.3 总线特性及性能指标总线物理实现总线特性总线的性能指标总线标准3.4 总线结构总线结构总线结构...

    3.1 总线的基本概念

    1. 为什么要用总线

      计算机系统五大部件之间的互连方式有两种:

      • 分散连接——各部件之间使用单独的连线
      • 总线连接——各部件连到一组公共信息传输线上

      早期的计算机大多采用分散连接方式,内部连线十分复杂,尤其当I/O与存储器交换信息时都需要经过运算器,使运算器停止运算,严重影响CPU的工作效率。

    2. 什么是总线

      总线是连接各个部件的信息传输线,是各个部件共享的传输介质

    3. 总线上的信息传送

      • 串行
      • 并行

    3.2 总线的分类

    1. 片内总线

      芯片内部的总线

      • CPU芯片内部
      • 寄存器之间
      • 寄存器与算逻单元ALU之间
    2. 系统总线

      计算机各部件(CPU、主存、I/O设备)之间的信息传输线

      按系统总线传输信息不同分为:

      • 数据总线——传输各功能部件之间的数据信息
        • 双向
        • 与机器字长、存储字长有关
        • 数据总线宽度——数据总线的位数
      • 地址总线——用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址I/O设备的地址
        • 单向(由CPU输出)
        • 与存储地址、I/O地址有关
        • 地址线位数(2n2^n)与存储单元的个数(n)有关
      • 控制总线——用来发出各种控制信号的传输线
        • 出——中断请求、总线请求
        • 入——存储器读/写、总线允许、中断确认
        • 常见控制信号:
          • 时钟:用来同步各种操作
          • 复位:初始化所有部件
          • 总线请求:表示某部件需获得总线使用权
          • 总线允许:表示需要获得总线使用权的部件已获得了控制权
          • 中断请求:表示某部件提出中断申请
          • 中断响应:表示中断请求已被接收
          • 存储器写:将数据总线上的数据写至存储器的指定地址单元内
          • 存储器读:将指定存储单元中的数据读到数据总线上
          • I/O读:从指定的I/O端口将数据读到数据总线上
          • I/O写:将数据总线上的数据输出到指定的I/O端口内
          • 传输响应:表示数据已被接收,或已将数据送至数据总线上
    3. 通信总线

      用于计算机系统之间或计算机系统与其它系统(控制仪器、移动通信等)之间的通信

      通信方式:

      • 串行通信
        • 数据在单条1位宽的传输线上,一位一位地按顺序分时传送。
          • 一字节的数据要通过一条传输线分8次由低位到高位按顺序传送
        • 适用于远距离传送,实现远程通信
      • 并行通信
        • 数据在多条并行1位宽的传输线上,同时由源传送到目的地。
        • 一字节的数据要通过8条并行传输线同时由源传送到目的地
        • 适宜于近距离的数据传输,通常小于30m
      • 数据传送速率与距离成反比

    3.3 总线特性及性能指标

    1. 总线物理实现

      总线由许多导线直接印制在电路板上,延伸到各个部件。

    ​ CPU、主存、I/O这些插板通过插头与水平方向总线插槽连接。为了保证机械上的可靠连接,必须规定其机械特性;为了确保电气上的正确连接,必须规定其电气特性;为了保证正确地连接不同部件,还需规定其功能特性时间特性

    ​ Pentium Ⅲ以上微型计算机已将CPU芯片直接安装在主板上,很多插卡已做成专用芯片,减少插槽,结构更合理。

    1. 总线特性

      1. 机械特性——总线在机械连接方式上的一些性能

        • 尺寸
        • 形状
        • 管脚数
        • 排列顺序
      2. 电气特性

        • 每一根传输线上信号的传输方向
        • 有效电平范围
      3. 功能特性——每根传输线的功能

        • 地址
        • 数据
        • 控制
      4. 时间特性——信号的时序关系

        • 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一种有效时序关系,一般可用信号时序图描述
    2. 总线的性能指标

      1. 总线宽度
        • 数据线的根数
        • 用bit(位)表示(8位,16位,32位,64位)
      2. 标准传输率——每秒传输的最大字节数MBps-MBps
      3. 时钟同步/异步——同步/不同步
      4. 总线复用——地址线数据线复用
      5. 信号线数——线+线+线\bold{地址线+数据线+控制线}
      6. 总线控制方式
        • 突发工作
        • 自动配置
        • 仲裁方式
        • 逻辑方式
        • 计数方式
      7. 其他指标
        • 负载能力
        • 电源电压
        • 总线宽度能否扩展
    3. 总线标准

      总线标准 数据线 总线时钟 带宽
      ISA
      工业标准结构总线
      16 8MHz(独立) 16MBps
      EISA
      扩展工业标准结构
      32 8MHz(独立) 33MBps
      VESA(VL-BUS)
      视频电子标准协会
      32 32MHz(CPU) 132MBps
      PCI
      外设部件互联标准
      32/64 33MHz(独立)/ 66MHz(独立) 132MBps
      528MBps
      AGP
      加速图形接口
      32 66.7MHz(独立)
      133MHz(独立)
      266MBps
      533MBps
      RS-232 串行通信总线标准 数据终端设备(计算机)和数据通信设备
      (调制解调器)之间的标准接口
      USB
      通用串行总线
      串行通信总线标准 普通无屏蔽双绞线
      带屏蔽双绞线
      最高
      1.5MBps (USB1.0)
      12MBps (USB1.0)
      480MBps (USB2.0)

    3.4 总线结构

    1. 单总线结构

    2. 多总线结构

      1. 双总线结构(分离主存总线和I/O主线)

      2. 三总线结构

        DMA(主存与I/O设备之间):直接存储器访问

      3. 三总线结构2

        多种外部设备都连在一条扩展总线上,影响外设设备工作速度

      4. 四总线结构

        分离高速设备和低速设备

    3. 总线结构举例

      • 传统微型机总线结构

        分离系统总线和I/O总线

      • VL-BUS局部总线结构

        分类组织高速设备和低速设备

      • PCI 总线结构

      • 多层 PCI 总线结构

    3.5 总线控制

    1. 总线判优控制

      • 主设备(模块)——对总线有控制权
      • 从设备(模块)——响应从主设备发来的总线命令
      • 某些设备既可作为主设备也可作为从设备

      {{ 控制方法\begin{cases} 集中式\begin{cases} 链式查询\\ 计数器定时查询\\ 独立请求方式 \end{cases}\\ 分布式 \end{cases}

    2. 集中式查询

      • 链式查询
        • 优先级由连接方式事先决定    \impliesBG的查询顺序
        • 增添设备容易
        • 容易实现可靠性设计
        • 速度慢    \implies用于微型计算机,嵌入式系统
        • 对电路故障敏感(尤其BG线
      • 计数器定时查询
        • 判优过程:计数器控制设备地址线进行查询

        • 设备地址线宽度:与设备数n有关    log2n+2\implies\lceil\log_{2}{n}\rceil+2

        • 判优灵活:可设定计数器初值;利用循环计数实现公平判优

      • 独立请求方式
        • 速度更快

        • 每个I/O接口都有单独的请求线和授权线

        • 优先级:总线控制部件内部有排队器

        • 线数多:2n2^n

    3. 总线通信控制

      • 目的:解决通信双方协调配合的问题
      • 总线传输周期
        • 申请分配阶段:主模块申请,总线仲裁决定
        • 寻址阶段:主模块向从模块给出地址命令
        • 存数阶段:主模块和从模块交换信息
        • 结束阶段:主模块撤消有关信息
      • 总线通信的四种方式

      {线 \begin{cases} \bold{同步通信}\quad\quad由\color{blue}{统一时标}\color{black}控制数据传送\\ \bold{异步通信}\quad\quad采用\color{blue}{应答方式}\color{black},没有公共时钟标准\\ \bold{半同步通信}\quad\,\color{blue}同步、异步结合\\ \bold{分离式通信}\quad\,充分\color{blue}挖掘\color{black}系统\color{blue}总线每个瞬间\color{black}的\color{blue}潜力 \end{cases}

    4. 同步通信——定宽定距的公共时钟信号

      • 优点

        • 规定明确、统一
        • 模块间的配合简单一致
      • 缺点

        • 主、从模块时间配合“强制性”同步
        • 必须按最慢速度的部件来设计公共时钟,严重影响总线的工作效率
      • 一般用于总线长度较短,各部件存取时间比较一致的场合

        • 总线传输周期越短,数据线的位数越多,直接影响总线的数据传输率
      • 同步式数据输入
        • T1T_1上升沿主设备给出地址信号
        • T2T_2上升沿给出读命令信号
        • T3T_3上升沿从设备给出数据信号(数据总线)
        • T4T_4上升沿撤销数据信号和控制信号
        • T4T_4下降沿撤销地址信号
      • 同步式数据输出
        • T1T_1上升沿给出地址信号
        • T1T_1下降沿给出数据
        • T2T_2上升沿给出写命令
        • T3T_3上升沿执行写操作
        • T4T_4上升沿撤销数据和写命令
        • T4T_4下降沿撤销地址数据

      数据传输率:每秒传输的最大字节数——MBPsMBPs

      例1:假设总线的时钟频率为100MHz100MHz,总线的传输周期为4个时钟周期,总线的宽度为32位,试求总线的数据传输率。若想提高一倍的数据传输率,可采取什么措施?

      解:根据总线时钟频率为100MHz100MHz,得

      一个时钟周期为1100MHz=0.01μs\frac{1}{100}MHz=0.01\mu s

      总线传输周期为0.01μs×4=0.04μs0.01\mu s\times4=0.04\mu s

      由于总线得宽度为32=4B()32位=4B(字节)

          \implies总线的数据传输率为4B0.04μs=100MBps\frac{4B}{0.04\mu s}=100 MBps

      若想提高一倍数据传输率,可以在不改变总线时钟频率得前提下,将数据线得宽度改为64位;

      也可以保持32位的数据宽度,让总线的时钟频率增加到200MHz200MHz


    5. 异步通信

      {线{线线 \begin{cases} \bold{主设备}\quad发起总线通讯\\ \bold{从设备}\quad受主设备控制 \end{cases}\\ 增加\begin{cases} \bold{请求线}\\ \bold{应答线} \end{cases}

      • 不互锁

        • 主设备发出通信请求
        • 从设备收到请求后进行应答
        • 主设备撤销请求信号
        • 从设备撤销应答信号

        无论从设备是否收到请求信号,一段时间后主设备都会撤销请求信号

        无论主设备是否收到应答信号,一段时间后从设备都会撤销应答信号

            \implies 通信可靠性存在问题

      • 半互锁

        • 主设备发出通信请求
        • 从设备收到请求后进行应答
        • 主设备收到应答后撤销请求信号
        • 从设备撤销应答信号

        只有收到应答后主设备才撤销请求信号

        无论主设备是否收到应答信号,一段时间后从设备都会撤销应答信号

            \implies可能造成主设备请求信号一直保持高电平

      • 全互锁

        • 主设备发出通信请求
        • 从设备收到请求后进行应答
        • 主设备收到应答后撤销请求信号
        • 请求信号撤销后从设备撤销应答信号

      异步串行通信的数据传送速率:

      • 波特率:单位时间内传送二进制数据的位数——bps(/)bps(位/秒)
      • 比特率:单位时间内传送二进制有效数据的位数——bps(/)bps(位/秒)

      例2:在异步串行传输系统中,假设每秒传输120个数据帧,其字符串格式规定包含1个起始位,7个数据位,1个奇校验位、1个终止位,试计算波特率。

      解:根据题目给出的字符格式,一帧包含1+7+1+1=101+7+1+1=10位

          \implies波特率为(1+7+1+1)×120=1200bps=1200(1+7+1+1)\times120=1200bps=1200波特

      例3:在异步串行传输系统中,若字符串格式为:1起始位、8位数据位、1位奇校验位、1位终止位。假设波特率为1200bps1200bps,求此时的比特率。

      解:总数据位:1+8+1+1=111+8+1+1=11位

      有效数据位:8位

          \implies比特率为1200×811872.72bps1200\times\frac{8}{11}\approx872.72bps


    6. 半同步通信

      • 同步特征
        • 发送方用系统时钟前沿发信号
        • 接收方用系统时钟后沿判断、识别
      • 异步特征
        • 允许不同速度模块和谐工作
        • 增加一条**“等待”响应信号**WAIT\to\overline{WAIT}
      • 例:输入数据
        • T1T_1 主设备发地址
        • T2T_2 主设备发命令
        • TWT_WWAIT\overline{WAIT}为低电平时,等待一个TT
        • TWT_WWAIT\overline{WAIT}为低电平时,等待一个TT
        • T3T_3 从设备提供数据
        • T4T_4 从设备撤销数据,主模块撤销命令

      上述三种通信的共同点

      ​ 一个总线传输周期(以输入数据为例):

      • 主模块发地址、命令\to占用总线
      • 从模块准备数据\to不占用总线    \implies总线空闲
      • 从模块向主模块发数据\to占用总线

    7. 分离式通信

      • 各模块有权申请占用总线
      • 采用同步方式通信,不等对方回答
      • 各模块准备数据时,不占用总线
      • 总线被占用时,无空闲

          \implies充分提高了总线的有效占用

      一个总线传输周期:

      • 子周期1——主模块申请占用总线,使用完后即放弃总线的使用权
      • 子周期2——从模块(此时相当于主模块)申请占用总线,将各种信息送至总线上

      分离式通信控制比较复杂,一般在普通微型计算机系统很少采用

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