第6章 控制器原理
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第6章 现场总线控制系统
Type5 FF HES (H2)
其 它
HART适用于过程自动化领域的过渡性产品 LonWorks广泛应用于楼宇自动化、能源计量管理、交通运输等行业
CAN广泛应用于离散控制领域，如汽车内部测量与执行部件间的数据通信
7. 几个重要问题的分析
7.1 FCS与DCS的比较
FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流， 这已是业内人士和学术界的基本共识。 FCS在开放性、控制分散等诸多方面都优于传统DCS，代表着自动控制 系统的发展方向与潮流。 DCS则代表传统与成熟，DCS以其成熟的发展、完备的功能及广泛的应 用而占居着一个尚不可完全替代的地位。 ① 技术原因 影响FCS发展、制约FCS应用的原因主要有3方面：
H2（HSE）
PLC等其 它控制站
网桥
H1低速现场总线
Type1 FCS结构示意图
FF是Type1的一个子集。
主要应用于啤酒、食 品、农业和饲养业等 Type4 P－Net Type6 SwiftNet Type2 ControlNet Type3 ProfiBus Type7 WorldFIP Type8 InterBus Type1 IEC总线(H1)
2.现场总线的发展
（4）现场总线控制系统（FCS）正是顺应了上述的用户要求，采用了 现场总线这一开放的、可互连的网络技术将现场的各种控制器和仪表 设备相互连接，把控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维护 费用。因此，FCS 系统实质上是一种开放的、可以互连的、低成本的、 彻底分散的分布式控制系统。 1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施工作组中的 ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会IEC决定 由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定 工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标 准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发 的序幕。与此同时，其他一些组织或机构（如WorldFip等）也开始从 事现场总线标准的制定和研究。
第6章 选择性控制系统
第六章选择性控制系统6.1 概述所有控制系统可分为三类：物料平衡（或能量平衡）控制，质量控制和极限控制。
选择性控制属于极限控制一类。
它的特点是：在正常工况下，该参数不会超限，所以也不考虑对它进行直接控制；而在非常工况下，该参数会达到极限值，这时又要求采取强有力的控制手段，避免超限。
选择性控制系统又叫取代控制，也称超驰控制。
生产保护性措施的分类：硬保护和软保护1.硬保护参数达到第一极限时报警→设法排除故障→若没有及时排除故障，参数值会达到更严重的第二极限，经连锁装置动作，自动停车。
达到保护生产的目的。
2.软保护参数达到第一极限时报警→设法排除故障→在这同时，改变操作方式，按使该参数脱离极限值为主要控制目标进行控制，以防该参数进一步超限。
这种操作方式一般会使原有的控制质量降低，但能维持生产的继续运转，避免了停车。
当生产操作趋向极限条件时，用于控制不安全情况的控制系统将取代正常情况下工作的控制方案，直到生产操作重新回到安全范围时，正常情况下的控制方案又恢复对生产过程的正常控制。
要构成选择性控制，生产操作必须有一定选择性逻辑关系。
而选择性控制的实现则需要具有选择功能的自动选择器(高值选择器和低值选择器)或有关切换装置来完成。
6.2选择性控制系统的类型及应用6.2.1 开关型选择性控制系统定义：一般设有A、B两个可供选择的变量。
其中A是工艺操作的主要指标；另一个变量B，工艺上对它只有一个限值要求。
当B工作在限值以内时，生产过程按变量A进行连续控制，当B达到或超过限值时，选择控制系统将通过专门的装置切断A的输出，而控制阀迅速关闭或打开，直到B回到限值内，系统才重新恢复到按变量A进行连续控制。
开关型选择性控制系统一般都用作系统的限值保护。
目的：在乙烯分离过程中，裂解气经五段压缩后其温度已达到88℃。
为了进行低温分离，必须将它的温度降下来。
为此，工艺上采用了液丙烯低温下蒸发吸热原理，用它与裂解气换热，达到降低裂解气温度的目的。
第六章控制系统的校正
频率响应法校正步骤如下：
（1）根据给定系统的稳态性能或其他指标求出原系 统的开环增益K
33
一、超前校正 34
一、超前校正
（7）画出超前校正后系统的Bode图，验证系统的相 角裕量是否满足要求。
35
超前校正
例6-1 已知负反馈系统开环传递函数
G0 (s)
k s(s 1)
若要求系统在 r(t ) t 时，ess 0.083, 400 ,
27
第二节频率响应法校正
1.校正作用
曲线Ⅰ: K小,稳态性能不好.暂态性能满足,稳定性好. 曲线Ⅱ: K大,稳态性能好.暂态性能不满足,稳态性能差. 曲线Ⅲ: 加校正后,稳态、暂态稳定性均满足要求。
2.频率特性法校正的指标
闭环： r，M r， B
3.频率特性的分段讨论
初频段： 反映稳态特性.
中频段: 反映暂态特性, c附近.
t 0
u1
t
dt
K pTd
du1 t
dt
Gs K p
KI d
KDs
()
L()/dB
-20dB/dec
90
20lgKp
20dB/dec
0
0
90
26
第三节 频率响应法校正
用频率响应法对系统进行校正，就是把设计的校正装置串 接到原系统中，使校正后的系统具有满意的开环频率特性和闭 环频率特性。
未校正系统的开环传递函数G（s） H(s)，在K较小时，闭环系统稳定，而且 有良好的暂态性能，但稳态性能却不能 满足设计要求（如曲线I）。在K较大时。 虽然稳态性能满足要求，但闭环系统却 不稳定（如曲线II）。可见调整K还不能 使闭环系统有满足的性能，还需要加入 串联校正装置使校正后系统的性能如曲 线Ⅲ。该曲线不仅具有稳定性，而且有 良好的暂态性能。
（1）根据给定系统的稳态性能或其他指标求出原系 统的开环增益K
33
一、超前校正 34
一、超前校正
（7）画出超前校正后系统的Bode图，验证系统的相 角裕量是否满足要求。
35
超前校正
例6-1 已知负反馈系统开环传递函数
G0 (s)
k s(s 1)
若要求系统在 r(t ) t 时，ess 0.083, 400 ,
27
第二节频率响应法校正
1.校正作用
曲线Ⅰ: K小,稳态性能不好.暂态性能满足,稳定性好. 曲线Ⅱ: K大,稳态性能好.暂态性能不满足,稳态性能差. 曲线Ⅲ: 加校正后,稳态、暂态稳定性均满足要求。
2.频率特性法校正的指标
闭环： r，M r， B
3.频率特性的分段讨论
初频段： 反映稳态特性.
中频段: 反映暂态特性, c附近.
t 0
u1
t
dt
K pTd
du1 t
dt
Gs K p
KI d
KDs
()
L()/dB
-20dB/dec
90
20lgKp
20dB/dec
0
0
90
26
第三节 频率响应法校正
用频率响应法对系统进行校正，就是把设计的校正装置串 接到原系统中，使校正后的系统具有满意的开环频率特性和闭 环频率特性。
未校正系统的开环传递函数G（s） H(s)，在K较小时，闭环系统稳定，而且 有良好的暂态性能，但稳态性能却不能 满足设计要求（如曲线I）。在K较大时。 虽然稳态性能满足要求，但闭环系统却 不稳定（如曲线II）。可见调整K还不能 使闭环系统有满足的性能，还需要加入 串联校正装置使校正后系统的性能如曲 线Ⅲ。该曲线不仅具有稳定性，而且有 良好的暂态性能。
第6章 中央处理部件(CPU)PPT课件
选择 A0A1 BE0#—BE3# 字 00 0000
半字 00 半字 10 字节 ＸＸ
0011 1100 只有一个为低电平
• (1)CLK2：输入到80386的Байду номын сангаас钟
• (2)RESET：总清或复位信号。
• (3)W/R#，D/C#、Ｍ/IO#、LOC#：总线 周期定义信号。
• 在80386与存储器或I/O设备之间传送(读 写)一个数据的时间称为总线周期。
3
点击输入简要文字内容，文字内容需概括精炼，不用多余 的文字修饰，言简意赅的说明分项内容……
• 本章以CPU内部结构为重点，以掌握逻辑 设计要点为目标。重点放在控制计算机运 行的硬件部件(控制器)。
• 通过学习，掌握在计算机运行过程中各硬 件部件的作用，了解控制器控制各个部件 的过程及实现方法的原理。重点讲述程序 是如何执行的，计算机怎样实现各条指令 的功能；又如何保证逐条指令连续执行的 过程。
• 计算机的工作过程：
加电→产生RESET信号→执行程序→ 停机→停电
6.1 计算机的硬件系统
• 中央处理机的实现： • (1)采用半导体公司生产的微处理器构成通
用或专用的计算机系统。 • (2)一些计算机公司采用自行设计制造的芯
片来构成计算机系统。
• 随着VLSI的出现和发展，芯片集成度显著 提高，价格不断下降，使得过去在大、中 型机中采用的硬件技术下移到小型、微型 机系统。
• 以Intel80386组成的微机系统为例，来说明 计算机系统的组成。
6.1.1 Intel80386微机系统
• 图6.1是由80386等器件组成的微机系统。
图6.1 Intel80386微机系统框图
• 各个部件的主要功能：
电力电子技术【王兆安第五版】第6章PWM控制补充技术PPT课件
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法
引言 6.4.1 180o导通模式下的逆变器电压空间矢量 6.4.2 三相对称交流量空间矢量定义 6.4.3 电机磁链空间矢量与电压矢量的关系 6.4.4 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 6.4.5 电压空间矢量的线性组合与SVPWM控制 小结 本节习题
6.4 电压空间矢量脉宽调制方法• 引言
如果定义电压空间矢量 U s 为：
为何有此 定义？
U s2 3(U U NU V Nej2 3U W Nej4 3)
则根据前述六拍阶梯波工作模式下的6种工作状态， 可以分别推导得出6个电压空间矢量： Us1, Us2, Us3, Us4, Us5和Us6； Us7和Us8幅值为零，称为零电压矢量，简称零矢量
☺如果对准这一目标，把逆变器和交流电动机视为一体，
按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，其效果应 该更好。这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，接下来 的讨论将表明，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间 矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM（SVPWM， Space Vector PWM）控制”。这是一种在80年代提出， 现在得到广泛应用的三相逆变器PWM控制方法。
开关状态表
序号
开关状态
1 VT6 VT1 VT2
2
VT1 VT2 VT3
2
VT2 VT3 VT4
4
VT3 VT4 VT5
5
VT4 VT5 VT6
6
VT5 VT6 VT1
7
VT2 VT4 VT6
8
VT1 VT3 VT5
开关代码 100 110 010 011 001 101 000 111
开关代码：表示三相桥臂输出状态； 1—上管导通，下管关断，桥臂输出高电平 0—下管导通，上管关断，桥臂输出低电平
在线自测
在线自测单元自测判断题第1章常用低压电器（判断下面说法的正、误）1、一台额定电压为220V的交流接触器在工频交流220V和直流220V的电源上均可使用。
2、交流接触器线圈通电后铁心吸合受阻，将导致线圈烧毁。
3、直流接触器比交流接触器更适合用于频繁操作的场合。
4、低压断路器又称为自动空气开关。
5、直流电磁铁励磁电流的大小与行程成正比。
6、闸刀开关可以用于分断堵转电动机。
7、低压断路器一般具有欠压、失压保护功能8、热继电器的额定电流就是其触点的额定电流。
9、只要外加电压不发生变化，交流电磁铁的吸力在吸合过程中是不变的。
10、在本质上，中间继电器不属于电压继电器。
对：2.3.4.7.第2章电气控制线路的基本控制环节1.全压启动的优点是电气设备少、线路简单、电流小。
2.电气安装图包括电器安装图和互连图两部分。
3、电动机星形降压启动瞬间，电流和启动转矩均为三角形启动时的1/3。
4、绕线式异步电动机启动时可在转子电路中串电阻，达到减小启动电流、增大启动转矩的目的。
5、电葫芦控制和车床拖板箱快速移动的电机控制通常采用带自锁的控制。
6、电动机的正反转控制电路中，连锁控制可有可无。
7、鼠笼式异步电动机的调速方法有变极调速、变频调速和变转差率调速。
8、常用的电气制动有能耗制动和再生发电制动。
9、多地控制同一台电动机时，启动控制按钮相串联，停止按钮相并联。
10、直流电动机一般只采用能耗制动和反接制动。
对：2.3.4.7.10.第3章机床电气控制系统1.钻床主轴的纵向进给是它的主运动。
2.“集零为整”的方法可用来检查整个控制电路是否有遗漏。
3、M7120型平面磨床工作台上电磁吸盘的作用是吸持工件。
4、T68型卧式镗床的运动主要有主运动、进给运动和辅助运动三种。
5、X62W型万能铣床的进给运动包括上、下、左、右四种。
6、镗床主拖动电动机低速运行时定子绕组接成双星形，高速运行时接成三角形。
7、机床电气控制系统故障分析和检查方法通常有5种。
机械电子学-第6章 步进电动机的驱动与控制
步进电动机是一种把电脉冲信号转换成直线或角位移 的控制电机，常作为数字控制系统中的执行元件。步 进电动机绕组所加的电源为脉冲电压，也称之为脉冲 电动机。
认识步进电动机
功能 • 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 • 转角 ∝脉冲信号的个数； • 转速 ∝脉冲信号的频率。 • 转向取决于脉冲信号的相序
f
相
f N
通电脉冲频率 拍数
步进电动机的特点
2) 步距角
步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。
S
360 ZrN
N:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
如：Zr=40 ,
N=3 时
S
360 40 3
3
1 单拍制
拍数：N=km m:相数 k=
整步
2 双拍制
半步
步距角不受各种干扰因素的影响。
步进电动机的特点
2) 步距角
步进电动机的特点
3) 转速
每输入一个脉冲，电机转过
S
360 ZrN
即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转
因此每分钟转过的圆周数，即转速为
n
60f ZrN
60f 360 360Z r N
s f
6
(r / min)
步进电动机的特点
4)误差不长期积累。 5）可实现数字信号的开环控制，控制系统廉价。 6）步进电机具有自锁能力
齿距角 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。
工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含
120/9 = 13 1 齿 3
A 相和 C 相差240，含240/ 9 =26 2个齿。所以， A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，3B 相、C 相不能 对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的 转子、定子相差2/3个齿（6）。
认识步进电动机
功能 • 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 • 转角 ∝脉冲信号的个数； • 转速 ∝脉冲信号的频率。 • 转向取决于脉冲信号的相序
f
相
f N
通电脉冲频率 拍数
步进电动机的特点
2) 步距角
步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角。
S
360 ZrN
N:一个周期的运行拍数 Zr：转子齿数
如：Zr=40 ,
N=3 时
S
360 40 3
3
1 单拍制
拍数：N=km m:相数 k=
整步
2 双拍制
半步
步距角不受各种干扰因素的影响。
步进电动机的特点
2) 步距角
步进电动机的特点
3) 转速
每输入一个脉冲，电机转过
S
360 ZrN
即转过整个圆周的1/(ZrN）, 也就是1/(ZrN）转
因此每分钟转过的圆周数，即转速为
n
60f ZrN
60f 360 360Z r N
s f
6
(r / min)
步进电动机的特点
4)误差不长期积累。 5）可实现数字信号的开环控制，控制系统廉价。 6）步进电机具有自锁能力
齿距角 为使转、定子的齿对齐，定子磁极上的小齿， 齿宽和齿槽和转子相同。
工作原理：假设是单三拍通电工作方式。
（1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含
120/9 = 13 1 齿 3
A 相和 C 相差240，含240/ 9 =26 2个齿。所以， A 相的转子、定子的五个小齿对齐时，3B 相、C 相不能 对齐，B相的转子、定子相差 1/3 个齿（3），C相的 转子、定子相差2/3个齿（6）。
自控第6章 线性系统的校正方法
自动控制原理 Automatic Control Theory
第 六 章
线性系统的校正方法
本章主要内容
6-1 系统的设计与校正问题
6-2 常用校正装置及其特性
6-3 串联校正 6-4 反馈校正 6-5 复合校正
校正：是在系统中加入一些其 参数可以根据需要而改变的机构或 装置，使系统的整个特性发生变化，
Ta R1C1
Tb R2C2，
Tb Ta
T1 Tb 1 Ta T2
式中前一部分为相位滞后校正，后一部分为相位 超前校正。对应的波特图如图所示。由图看出不同频
段内呈现的滞后、超前作用。
波特图
Gc ( s )
(1 Ta s )(1 Tb s ) T (1 Ta s )(1 b s )
Phase (deg)
-135
-180 10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
Frequency (rad/sec)
设计无源超前校正网络步骤： 1)根据稳态误差要求，确定开环增益K。 2)利用已确定的开环增益，计算待校正 系统的相角裕度。 3)根据截止频率的要求，计算超前网络 参数a和T。 4)验算已校正系统的相角裕度。
求得
( c) 46
于是 ,由 (c) 曲线查得 c 2.7(rad / s) .由于指标要 求 c 2.3 ,故 c 值可在2.3~2.7范围内任取 .考虑到 c 取
1 1
说明系统不稳定。
Magnitude (dB)
Bode Diagram Gm = -6.02 dB (at 7.07 rad/sec) , Pm = -17.2 deg (at 9.77 rad/sec) 50 0 -50 -100 -150 -90
第 六 章
线性系统的校正方法
本章主要内容
6-1 系统的设计与校正问题
6-2 常用校正装置及其特性
6-3 串联校正 6-4 反馈校正 6-5 复合校正
校正：是在系统中加入一些其 参数可以根据需要而改变的机构或 装置，使系统的整个特性发生变化，
Ta R1C1
Tb R2C2，
Tb Ta
T1 Tb 1 Ta T2
式中前一部分为相位滞后校正，后一部分为相位 超前校正。对应的波特图如图所示。由图看出不同频
段内呈现的滞后、超前作用。
波特图
Gc ( s )
(1 Ta s )(1 Tb s ) T (1 Ta s )(1 b s )
Phase (deg)
-135
-180 10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
Frequency (rad/sec)
设计无源超前校正网络步骤： 1)根据稳态误差要求，确定开环增益K。 2)利用已确定的开环增益，计算待校正 系统的相角裕度。 3)根据截止频率的要求，计算超前网络 参数a和T。 4)验算已校正系统的相角裕度。
求得
( c) 46
于是 ,由 (c) 曲线查得 c 2.7(rad / s) .由于指标要 求 c 2.3 ,故 c 值可在2.3~2.7范围内任取 .考虑到 c 取
1 1
说明系统不稳定。
Magnitude (dB)
Bode Diagram Gm = -6.02 dB (at 7.07 rad/sec) , Pm = -17.2 deg (at 9.77 rad/sec) 50 0 -50 -100 -150 -90
第六章 系统校正
有源校正网络有多种形式。下图a为同相输入超前（微分）有源 网络，其等效电路见图b 。
常用的有源校正网络见书。
三、串联校正 1 频率响应法校正设计
用频率法对系统进行校正的基本思路是通过校正装置 的引入改变开环频率特性中频部分的形状，即使校正后系 统的开环频率特性具有如下的特点：低频段增益满足稳态 精度的要求；中频段对数幅频特性渐近线的斜率为-20dB /dec，并具有一定宽度的频带，使系统具有满意的动态性 能；高频段幅值能迅速衰减，以抑制高频噪声的影响。
3）积分（Ⅰ）控制规律 具有积分控制规律的控制器，称为Ⅰ控制器。Ⅰ控制器的输出信
号m(t)与其输入信号e(t)的积分成正比，即
其中Ki为可调比例系数。 在串联校正时，采用Ⅰ控制器可以提高系 统的型别（无差度），有利于系统稳态性能的提高，但积分控制使 系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90°的相角滞后， 对系统不利。因此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一 的Ⅰ控制器。
控制系统方框图
R(s)
＋_
K s(s 1)
C(s)
若要求系统在单位斜坡输入信号作用时,稳态误
差ess≤0.1,开环系统剪切频率c≥4.4 (弧度／秒),相 角裕度g ≥45°,幅值裕度h(dB) ≥10.试选择串联无
源超前网络的参数。
为首Ⅰ先型调系整统开,所环以增有益Ke.s本s 例K1未校0正.1系统
待校正系统相角迅速减小，使已校正系统的相角裕度 改善不大，很难得到足够的相角超前量。在一般情况 下，产生这种相角迅速减小的原因是，在待校正系统 截止频率的附近，或有两个交接频率彼此靠近的惯性
环节；或有两个交接频率彼此相等的惯性环节；或有 一个振荡环节。 在上述情况下，系统可采用其它方法进行校正。
常用的有源校正网络见书。
三、串联校正 1 频率响应法校正设计
用频率法对系统进行校正的基本思路是通过校正装置 的引入改变开环频率特性中频部分的形状，即使校正后系 统的开环频率特性具有如下的特点：低频段增益满足稳态 精度的要求；中频段对数幅频特性渐近线的斜率为-20dB /dec，并具有一定宽度的频带，使系统具有满意的动态性 能；高频段幅值能迅速衰减，以抑制高频噪声的影响。
3）积分（Ⅰ）控制规律 具有积分控制规律的控制器，称为Ⅰ控制器。Ⅰ控制器的输出信
号m(t)与其输入信号e(t)的积分成正比，即
其中Ki为可调比例系数。 在串联校正时，采用Ⅰ控制器可以提高系 统的型别（无差度），有利于系统稳态性能的提高，但积分控制使 系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90°的相角滞后， 对系统不利。因此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一 的Ⅰ控制器。
控制系统方框图
R(s)
＋_
K s(s 1)
C(s)
若要求系统在单位斜坡输入信号作用时,稳态误
差ess≤0.1,开环系统剪切频率c≥4.4 (弧度／秒),相 角裕度g ≥45°,幅值裕度h(dB) ≥10.试选择串联无
源超前网络的参数。
为首Ⅰ先型调系整统开,所环以增有益Ke.s本s 例K1未校0正.1系统
待校正系统相角迅速减小，使已校正系统的相角裕度 改善不大，很难得到足够的相角超前量。在一般情况 下，产生这种相角迅速减小的原因是，在待校正系统 截止频率的附近，或有两个交接频率彼此靠近的惯性
环节；或有两个交接频率彼此相等的惯性环节；或有 一个振荡环节。 在上述情况下，系统可采用其它方法进行校正。
第六章计算机控制系统
⊥ a2
an ⊥
Uo
+
倒R-2R型
早期的D/A集成芯片
只具有从数字量 到模拟电流输出量转 换的功能。
使用时必须在外 电路中加数字输入锁 存器（I/O或扩展I/O 口、参考电压源以及 输出电压转换电路
中期的D/A集成芯片 近期的D/A集成芯片
增加了一些与 计算机接口相关的 电路及引脚，具有 数字输入所存功能 电路，能和CPU数 据总线直接相连。
脉冲个数的检测 脉冲频率与周期的检测 脉冲宽度的检测
测频法原理
(a)
(b)
(c)
被测信号fx
脉冲形 成电路
脉冲信号
闸门
(e)
T
fx
N T
门控 电路
(d)
时基信号 发生器
测周法原理
计数器 振荡器
脉冲 形成电路
闸门
被测信号fx
脉冲
形成电路
门控 电路
计数器
6.4.4 计算机测试系统的设计
主机选型
设计任务 输入通道结构
多
电信号经过处理并转换成计算机能
工 业
。 。
道 开 关
识别的数字量，输入计算机中。
对 象
计算机将采集来的数字量根据
需要进行不同的判识、预算，得出
所需要的结果。
A/D
显示
计
算
打印
机
采
样
报警
控
制
直接数字控制系统
分时地对被控对象的状态参数进行测试，根据测试的结果与给定值
的差值，按照预先制定的控制算法进行数学分析、运算后，控制量输出
企业级经营管理计算机
到其他工厂的生 产数据运输指令
工业级集中监督计算机
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第6章 控制器原理 主要内容：控制器的基本功能、控制器的基本组成、指令的执行过程、组合逻辑控制器组成原理与实现方法、微程序控制器组成原理与实现方法、控制方式。 重 点：指令的执行过程，组合逻辑控制器的组成原理与设计方法，微程序控制器的设计方法，微指令的格式，微程序流的控制。 难 点：指令的执行过程，组合逻辑控制器的组成原理与设计方法，微程序控制器的设计方法，微指令的格式，微程序流的控制。
控制器是计算机系统的指挥中心，它把运算器、存储器、输入/输出设备等部件组成一个有机的整体，然后根据指令的要求指挥全机各部分的工作。
6.1 控制器的基本功能及结构 6.1.1 控制器的功能 计算机之所以能快速、自动、连续工作，是由于控制器在程序的要求下不断对机器控制的结果。控制器的作用就是控制程序的执行，它必须具有以下基本功能： 1．取指令 2．分析指令 3．执行指令 4．控制程序和数据的输入与结果输出 5．随机事件和某些特殊请求的处理
6.1.2 控制器的组成 控制器是计算机的指挥中心，影响其组成的因素很多，如微操作序列部件的组成、指令系统与指令格式、控制方式等，尽管如此，但控制器的基本工作过程、基本组成还是相同的。图6-1是控制器的基本组成框图，主要包括以下几部分。
I/O状态信息 „„ 程序状态字寄存器 来 自 ALU 节拍发生器 启 停 线 路 脉 冲 源 „„ 译 码 器 操 作 码 地 址 码 微 操 作 序 列 形 成 部 件
地 址 形 成 电 路 程 序 计 数 器 PC +△
送MAR
或ALU
中 断 机 构 „ 中 断 源
图6-1 控制器基本结构
微 操 作 序 列 1．指令部件 指令部件的主要任务是完成取指令并分析指令。包括以下部分： （1）程序计数器PC：程序计数器又称指令计数器，用来存放当前指令或接下来要执行的指令的地址。 （2）指令寄存器IR：指令寄存器用来存放从存储器中取出的指令。 （3）指令译码器ID：指令译码器的功能是对指令寄存器中的指令操作码进行分析、解释，并产生相应的控制信号送给微操作形成部件。 2．时序部件 时序部件能产生一定的时序信号，以保证计算机的各功能部件有节奏的运行。 （1）脉冲源：用来产生一定频率和宽度的时钟脉冲信号作为整个机器的基准时序脉冲（也称为机器的主脉冲）。 （2）启停线路：可靠地开放或封锁脉冲，实现对计算机安全可靠的启动和停机。 （3）节拍信号发生器：其主要功能是按时间先后次序，周而复始地发出各个机器周期中的节拍信号，用来控制计算机完成每一步微操作。 3．微操作信号发生器 微操作是一个指令周期中最基本的不可再分割的操作，不同的机器指令具有不同的微操作序列。微操作信号发生器就是用来产生微操作序列。 4．中断机构 响应和处理中断的逻辑线路称为中断机构，负责处理异常情况和特殊请求。 由于大规模集成电路的发展，目前计算机的体系结构已有了很大的发展，一些先进的技术已引入计算机系统中，如指令预取、流水线等，在后面的章节中我们将在图6-1的基础上逐步介绍。
6.2 指令的执行过程 6.2.1 时序系统 时序系统是控制器的心脏，其功能是为指令的执行提供各种定时信号，通常由周期（分指令周期和机器周期两种）、节拍和工作脉冲组成。 1．指令周期和机器周期 指令周期—指执行一条指令（包括取指令、分析指令和执行指令）所需的全部时间，不同指令的指令周期是不同的。 机器周期—又可称作CPU周期，通常它是主存储器的一个访问周期。 2．节拍 在每个机器周期内要执行若干个微操作，这些操作可能需要分成几步完成，例如按变址方式读取操作数，先要进行变址运算才能访存读取。所以应把一个机器周期分为若干个相等的时间段，以便对应一个机器周期中规定的微操作，这样的每个时间段都对应一个电位信号，称为节拍电位信号。“节拍”是计算机操作的最小时间单位，又可称作时钟周期或T周期。 3．工作脉冲 节拍电位信号提供了一项操作所需要的时间分段，它是信息的载体，在数据通路传输中起着开门或关门的作用，但在一个节拍中，有的操作还需要严格的定时脉冲，如将稳定的运算结果打入寄存器、机器周期状态切换等。所以在一个节拍之内往往还需要设置几个工作脉冲，作为各种同步脉冲的来源。 … „ PC MAR MDR R0
RN-1 …
控制信号形成部件 ID IR
微操作控制信号
ALU Z
Y ADD SUB
图6-2 模型机的数据通路 至地址总线
至数据总线 1→C0
6.2.2 指令的执行过程 一条指令的执行通常都可以分为三个阶段，即取指令、分析指令和执行指令。 1．取指令 具体的操作如下： （1）将程序的启动地址，即第一条指令的地址置于程序计数器PC中。 （2）将PC中的内容送至主存的地址寄存器MAR，并送地址总线AB。 （3）向存储器发读命令。读取指令时CPU是空闲的，利用这段时间完成PC+△的操作，为指令的连续运行做准备。 （4）从主存中取出的指令经过主存的数据寄存器MDR，再经过数据总线进入CPU中的指令寄存器中。 2．分析指令 取出指令后指令译码器对保存在IR中的指令操作码进行译码，产生译码信号并送微操作序列形成部件，进而产生微操作序列送运算器、存储器、外设及控制器本身。 3．执行指令 根据分析指令阶段所产生的微操作序列，控制运算器、存储器、外设及控制器本身完成指令规定的各种操作。
6.2.3 指令的执行过程举例 我们知道，控制器在实现一条指令的功能时，总是把每条指令分解成一系列时间上先后有序的最基本、最简单的微操作，即微操作序列。通过一个简单的模型机来看具体指令的执行过程，即指令的微操作序列。 1．数据通路 假设某机的数据通路如图6-2所示。其中ALU为运算器，Y为其输入端的一个暂存器，Z用来保存其输出结果；PC为程序计数器；IR、ID分别为指令寄存器和指令译码器；MAR、MDR分别为存储地址寄存器和存储数据寄存器；R0至RN-1
为模型机的N个寄存器。
2．加法指令ADD R1，[NUM] 这条指令完成的功能是将指令中出现的地址NUM送到主存以取得第一个操作数，再与R1的内容相加，最后将结果送回R1中。即实现：（NUM）+（R1）→R1 相应的微操作如下： （1）PCout、MARin、READ、在数据没取出的间隙进行PC+1（0→Y，1→C0，ADD，Zin）； （2）Zout、PCin、WMFC（等待存储功能完成）； （3）MDRout、IRin； （4）IR（D）out、MARin、READ； （5）R1out、Yin、WMFC； （6）MDRout、ADD、Zin； （7）Zout、R1in； （8）END。 3．转移指令JZ A 这是一条条件转移指令，若上次运算结果为0（ZF=1），就转移，转移地址为A；若上次运算结果不为0（ZF=0），就顺序执行下一条指令。相应的微操作序列如下： （1）PCout、MARin、READ、在数据没取出的间隙进行PC+1（0→Y，1→C0，ADD，Zin）； （2）Zout、PCin、WMFC（等待存储功能完成）； （3）MDRout、IRin （4）IF ZF=1 THEN IR（D）out、PCin （5）END。
6.3 硬布线控制器的组成原理与实现方法 硬布线控制器又称为组合逻辑控制器，是早期设计计算机的一种方法。 6.3.1 硬布线控制器的组成原理 1．硬布线控制器的原理 图6-3是硬布线控制器的结构方框图。逻辑网络的输入信号来源有三个：（1）指令操作码译码器的输出In；（2）来自时序发生器的节拍电位信号Tk；（3）来自执行部件的反馈信号Bj。逻辑网络的输出信号就是微操作控制信号，用来对执行部件进行控制。 Cm=f（In，Mi，Tk，Bj） 2．组合逻辑控制器的设计步骤： （1）绘制指令流程图 以指令为线索，按指令类型分类，将每条指令归纳成若干微操作，然后根据操作的先后次序画出流程图。 （2）安排指令操作时间表 指令流程图的进一步具体化，把每一条指令的微操作序列分配到各个机器周期的各个时序节拍信号上。要求尽量多地安排公共操作，避免出现互斥。 （3）安排微命令表 以微命令为依据，表示在哪个机器周期的哪个节拍有哪些指令要求这些微命令。 （4）进行微操作逻辑综合 根据微操作时间表，将执行某一微操作的所有条件（哪条指令、哪个机器周期、哪个节拍和脉冲等）都考虑在内，加以分类组合，列出各微操作产生的逻辑表达式，并加以简化。
… C1 C2 Ck
B1 B2
Bj
模k 计数器 计数启停
复 位 时 钟
1/k译码器 „ T1 T2 Tk
组合逻辑网络 I1
I2
IN …
指 令 译 码 器 操 作 码 地 址 码 IR 执行
部件的反馈信号
„
图6-3 硬布线控制器的结构方框图