第5讲程序与处理器

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➢寻址数据块
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➢访问数据块 在STEP 7中可以采用传统访问方式，即先打开后访问； 也可以采用完全表示的直接访问方式。 【例5-2-2】 打开并访问共享数据块。
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➢访问数据块 用指令“OPN DB...”打开共享数据块（自动关闭之前打 开的共享数据块），如果DB已经打开，则可用装入（L）或 传送（T）指令访问数据块。 【例5-2-3】 打开并访问背景数据块。
选择“数据块”类型
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新DB类型选择窗口
创建共享数据块 指定相配套的 UDT
创建 UDT 数据块
指定相配套的 FB
创建背景数据块
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➢编辑数据块（变量定义）
在 DB1 内
声明 5 个变量
变量定义完成后， 应单击保存按钮保 存并编译（测试）。 如果没有错误则需 要单击下载按钮， 像逻辑块一样，将 数据块下载 到CPU。
当前块的临时数据
仍是激活的先前块的 临时数据
先 前 块 的 数 据 (仍 是 激 活 的 ) ·DB寄 存 器 (DB和 DI) ·临 时 数 据 指 针 ·块 号 ·返 回 地
➢用户程序使用的堆栈 局部数据堆栈简称L堆栈，是CPU中单独的存储器区，可
基本指令处理，能完全装入S7处理器的累加器中。基本数 据类型包括：
✓位数据类型：BOOL、BYTE、WORD、DWORD、 CHAR ✓数字数据类型：INT、DINT、REAL ✓定时器类型：S5TIME、TIME、DATE、 TIME_OF_DAY
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➢复杂数据类型 复杂数据类型只能结合共享数据块的变量声明使用。复 杂数据类型可大于32位，用装入指令不能把复杂数据类型 完全装入累加器，一般利用库中的标准块（“IEC”S7程序） 处理复杂数据类型。复杂数据类型包括： ✓时间（DATE_AND_TIME）类型 ✓矩阵（ARRAY）类型 ✓结构（STRUCT）类型 ✓字符串（STRING）类型

调度期Dispatch Latency
事件
响应事件
中断 处理
调度周期
调度
时实进 程执行
对实时系统的要求
提供必要的调度信息
进程的就绪时间 进程开始执行截止时间和完成执行截止时间 进程处理所需时间 进程的资源要求 进程优先级
调度方式 具有快速响应外部中断的能力
实时调度算法
Real-Time Scheduling
2.多处理机操作系统的分类
本节所介绍的多处理机操作系统是指那些用来并行执 行用户的几个程序，以提高系统的吞吐率；或 并行操作 以提高系统可靠性的多处理操作系统。这种系统由共享公 共内存和外设的n(n>1)个 CPU组成。
从概念上说，在多处理机系统中的各进程的行为与在 单机系统下的行为相同。因此，对多处理机操作系统的要 求与对多道程序的批处理系统没有太多的区别。但是，多 处理环境下，进程可在各处理机间进行透明迁移，从而， 由进程上下文切换等带来的系统开销将使得多处理机操作 系统的复杂度大大增加。另外，由于多处理机系统并行地 执行用户的几个程序（进程），这又带来了多处理机条件 下的并发执行问题。
Performance
q large FIFO q small q must be large with respect to context switch,
otherwise overhead is too high.
Example of RR with Time Slice= 1 时间片为1时的例子
If there are n processes in the ready queue and the time slice is q, then each process gets 1/n of the CPU time in chunks of at most q time units at once. No process waits more than (n-1)q time units.

1.立即寻址方式
寻找的操作数紧跟在指令操作码之后，也就是说 地址码字段存放的不是操作数的地址，而是操作 数本身。 立即寻址方式的特点是：指令执行的时间很短， 因为不需要访问存储器获取操作数，从而节省了 访问存储器的时间；立即寻址方式的使用范围很 有限，主要用于给寄存器赋初值。 【例5-1】 MOV AX，67 指令执行后，（AX）=67。
操作的示意图如下图所示，这条指令的执行结果为 （AX）=3412H。

存储器 操作码 操作码 AX 00H 代码段 位 移 DISP 量
01H 20000H
201A0H 12H 34H
数据段
6.基址变址寻址

操作数的偏移地址是一个基址寄存器（BX、BP） 和一个变址寄存器（SI、DI）的内容之和。基址 变址寻址方式的格式表示为：[基址寄存器名][变 址寄存器名]或[基址寄存器名+变址寄存器名]。操 作数默认位于那个段中，是由指令中使用的基址 寄存器决定的，如果指令中指定的基址寄存器是 BX，则操作数默认在数据段中，取DS寄存器的 值作为操作数的段地址值；如果指令中指定的基 址寄存器是BP，则操作数默认在堆栈段中，取SS 寄存器的值作为操作数的段地址值，从而计算得 操作数的20位物理地址，继而访问到操作数。
每条指令由两部分组成：操作码字段和地
址码字段。格式如图5-1所示：操作码操作 数（地址码）
操作码 操作数（地址码）
图5-1 指令格式
操作码字段：用来说明该指令所要完成的操作。 地址码字段：用来描述该指令的操作对象。一般是直接给 出操作数，或者给出操作数存放的寄存器编号，或者给出操作 数存放的存储单元的地址或有关地址的信息。 根据地址码字段所给出地址的个数，指令格式可分为零地 址、一地址、二地址、三地址、多地址指令。大多数指令需要 双操作数，分别称两个操作数为源操作数和目的操作数，指令 运算结果存入目的操作数的地址中去。这样，目的操作数的原 有数据将被取代。

考书
参数测量例2——FRF
• 一个函数完成一台传统频谱分析仪的主要功能
– 系统的激励和响应信号作为输入，直接输出系统的FRF
– 加窗、平均、H1、H2、H3等设置 – 直接在LabVIEW前面板显示频响函数
参数测量例3——正弦参数提取
• 传统方法
– 功率峰值法：精度受频谱泄漏和谱线密度影响
– 零点检测法：精度受噪声影响
LabVIEW信号处理实际应用丼例
• 波音777客机的起降噪声源定位
应用
波 音 公 司 使 用LabVIEW 实 现 超 过 300通道振劢信号的同步采样不分 析，分析飞机起降噪声来源，从 而对发劢机外壳进行优化，降低 了客机起飞时的噪声，同时降低 油耗
LabVIEW信号处理实际应用丼例
• 鸟巢体育场结构健康监测
– 硬件滤波丌需要占用处理器资源 – 软件滤波可能在某些噪声条件下效果较差 – 两者可能同时使用
降噪的挑戓 – 宽频、时变、多尺度
• 移劢平均和低通滤波丌适用于宽频、时变、多尺度信
号的降噪
小波降噪
• 基于小波的降噪方法适合于宽频、时变、多尺度信号源自的降噪降噪方法比较
移劢平均 去除成分 幅频响应 类型 过渡带 高频 低通滤波 较长 (不平均长度有关) 较大 (不平均长度有关) 简单易用 低通 高频 低通滤波 可控 (不滤波器设计有关) 可控 (不滤波器设计有关) 性能可控 小波 有选择地去除高频 低通并保留高频幅度较 大部分 （非线性） 不小波类型有关
丼例
• 基于myDAQ实现声音信号的采集和声强分析及阈值报警
– 采集音乐信号 – 设阈值并监控 – 根据警报值输出
丼例
• 进一步实现在线音效处理（功率谱分析和滤波均衡）

16:58:19
3,IN 80
11
�
16:58:19 3
二,各类指令的执行步骤 1,非访内指令 它需要两个CPU周期,在第—个CPU周期,即取指令阶段, CPU完成三件事:(1) 送指令地址并对程序计数器PC加1,以 便为取下一条指令做好准备;(2)从内存取出指令;(3)对指 令操作码进行译码或测试,以便确定进行什么操作. 在第二个CPU周期,即执行指令阶段,CPU根据对指 令操作的译码或测试,进行指令所要求的操作. 例1:加法指令ADD R0,R1 (1)AR PC, PC PC+1; 送指令地址并形成下一条 指令地址. (2)读主存,IR 读出内容; 读取指令到指令寄存器
16:58:19 10Fra bibliotek(1)同步控制方式:在任何情况下,已定的指令在执行时 所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变. (2)异步控制方式:每条指令,每个操作控制信号需要多 少时间就占用多少时间. (3)联合控制方式:同步控制和异步控制的结合,有两种 情况.一种情况是,大部分操作序列安排在固定的机器周期中, 对某些时间难以确定的操作则以执行部件的"回答"信号作为 本次操作的结束.另一种情况是,机器周期的节拍脉冲数固定, 但是各条指令周期的机器周期数不固定. 习题:写出如下指令的执行步骤 1,INC R2 2,RET
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5
2,直接访内指令 这种指令的指令周期由三个CPU周期组成,第一个是取指令周 期;第二个CPU周期将操作数的地址送往地址寄存器并完成地址 译码,在第三个CPU周期中从内存取出操作数并执行相应的操作. 例1:写内存指令STRR [R9],R2 (1)AR PC PC PC+1 1 AR PC, (2)读主存,IR 读出内容 (3)AR R9+0 ;用两步分别送地址和执行写操作, (4)写主存,总线 R2+0 ;送内存地址到AR中, ;执行写内存操作. 本指令结束,检测中断请求,无中断请求,进入下一条指 令的执行过程. 16:58:19 6

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只读存储器 Read-only memory (ROM) ROM的内容是由制造商写进去的
特性1：用户只能读不能写。
特性 2 ：非易失性。当切断电源后， 储存在 ROM 中的数据不会丢失。通常 用来存储那些关机后也不能丢失的程序 或数据
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只读存储器 Read-only memory (ROM)
中央处理单元 (CPU) 用于数据的运算.
在大多数体系结构中，它有三个组成部分：
算术逻辑单元 (ALU) 控制单元
寄存器组（ 快速存储单元）
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Figure 5.2 中央处理单元(CPU)
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算术逻辑单元 The arithmetic logic unit (ALU)
算术逻辑单元对数据进行逻辑、移位和算术运算。 逻辑运算：非、与、或、异或 移位运算：逻辑移位运算和算术移位运算。 逻辑移位运算对无符号整数进行向左或右的移位 算术移位运算对带符号整数进行向左或右的移位 算术运算：第4章已讨论整数和实数的算术运算。
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i 内存地址用无符号二进制整数定义。
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Example 5.1
16千兆字节是（
）字节？
A、 216
解：B
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B、234
C、240
D、244
E、256
16千兆＝24×210×220
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Example 5.2
16T字节是（
）字节？
A、 216
解：D
B、234
C、240
需要借助激光把转换后的二进制数据刻在具 有反射能力的盘片上。 与磁盘相同，光存储设备也是以二进制数据 的形式来存储信息。

• 安全
– 相信数据不会丢失或不会被不允许的人看到
互联网用户的新需求为云计算提供了服务基础！！！
- 42 42
云计算应用服务提供的连续性
U.S.A. Canada France 高速网络 主流速度
U.K.
Germany India China Australia Taiwan Singapore South Korea Hong Kong Japan 0 512 Kbps 1 Mbps 2 Mbps 5 Mbps 10 Mbps 100 Mbps 1 Gbps
Virtualized
底层机构虚拟
虚拟储 存
虚拟进 程
- 37 37
云计算和下一代IT应用
商业流程
用户界面 & 接口
虚拟应用
云计算还应包含 On-Premise software
(e.g., 电子设备)
Ser v 服务/资源管理 Service/Resource Mgmt & 安全 & Security
通过Internet使用 IFaPs (IP, HTML, HTTP)
所用即所付
商业模式
支付设备和劳动力费用
技术模式
用户单一
可扩展, 有弹性, 动态, 多用户
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目前的IT架构
商业流程
财务
底层系统管理./ 安全
底层系统管理./ 安全
服务器
底层系统管理./ 安全
数据库
存储
交易过程 互联网门户
文件系统
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云计算综述
数据在云端：不怕丢失,不必备份,可以任意点的恢复 ； 软件在云端：不必下载自动升级 ； 无所不在的计算：在任何时间，任意地点，任何设备登 录后就可以进行计算服务； 无限强大的计算：具有无限空间的，无限速度。

数据通路的基本结构
° 数据通路由两类元件组成
• 组合逻辑元件（也称操作元件） • 时序逻辑元件（也称状态元件，存储元件）
° 元件间的连接方式
• 总线连接方式 • 分散连接方式
° 数据通路如何构成？
• 由“操作元件”和“存储元件”通过总线方式或分散方式连 接而成 ° 数据通路的功能是什么？ • 进行数据存储、处理、传送 因此，数据通路是由操作元件和存储元件通过总线方式或 分散方式连接而成的进行数据存储、处理、传送的路径。
32
多路选择器 (MUX) A
B
控制信号
32
32
OP
MUX
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Y
组合逻辑元件的特点： 其输出只取决于当前的输入。即：若 输入一样，则其输出也一样
算逻部件 (ALU) A
32
32
Result
定时：所有输入到达后，经过一定的 逻辑门延时，输出端改变，并保持到 下次改变，不需要时钟信号来定时
ALU
B
32
Zero
- 程序及指令的执行过程
- CPU的基本功能和基本组成 • 第二讲：数据通路基本结构和工作原理
- 数据通路基本结构
- 数据通路的时序控制 - 数据通路基本工作原理
• 第三讲：流水线方式下指令的执行
- 指令流水线的基本原理 - 适合流水线的指令集特征
- CISC和RISC风格指令集
- 指令流水线的实现 - 高级流水线实现技术
指令流水线的基本概念
° 五段流水线
取指令(IF)：根据PC的值从存储器取出指令。 指令译码(ID)：产生指令执行所需的控制信号。 取操作数(OF)：读取存储器操作数或寄存器操作数。 执行(EX)：对操作数完成指定操作。 写回(WB)：将操作结果写入存储器或寄存器。

2. C++与C语言的关系
C++保持了C语言的简洁、高效和接近汇编语言等优点，同时又对C语言的 不足和问题作了很多重要改进。
①增加了新的运算符，使C++应用起来更加方便；②改进了类型系统，增 加了安全性；③使用“引用”作函数参数为用户编程带来了很大方便；④允
许
函数重载，允许设置缺省参数，提高了编程的灵活性，减少了冗余返；回⑤本对章目
1. C++的特点
1抽象：是对具有特定属性及行为特征的对象进行概括，从中 提炼 出这一类对象的共性，并从通用性的角度描述其共有的属性及 行 为特征。抽象又分为数据抽象和代码抽象，前者描述某类对象的 公共属性，后者描述某类对象共有的行为特征。 2封装和数据隐藏：在面向对象程序设计中，通过封装可以将 一部分 属性和数据的操作隐藏起来，另一部分作为类的外部接口， 使用者 可以访问。这样可以对属性和操作的访问权限进行合理控制， 减少 程序之间的相互影响，降低出错的可能性。
3 确定数据结构和算法：数据结构 ＋ 算法 = 程序
4 编写程序5 调试程序6 Fra bibliotek理资料，交付使用
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5.1.3 程序设计语言
程序设计语言是人们根据描述问题的需要而设计的，是计算机能 够直接识别的语言，有一套固定的符号和语法规则，是人与计算机交 流所使用的“语言”。
程序设计语言可分成机器语言、汇编语言和高级语言。前两类依 赖于计算机硬件，因机器而异，又称为低级语言，而高级语言与计算 机硬件基本无关，是目前使用非常广泛的程序设计语言。
程序设计语言就是计算机能够理解和执行的特殊语言。
5.1.2 程序设计的一般过程
概括地说，程序设计就是分析问题、编写程序、调试程序的过 程。用计算机解决实际问题的基本过程如下图所示。

8.5通道方式
多路通道
• 是一种简单的共享通道，在时间分割的基础上，服务于 多台低速和中速面向字符的外围设备。
8.5通道方式
数组多路通道
• 当某设备进行数据传送时，通道只为该设备服务； 当设备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开 与这个设备的连接，挂起该设备的通道程序，去为 其他设备服务，即执行其他设备的通道程序。所以 数组多路通道很像一个多道程序的处理器。
本章小结
DMA技术的出现，使得外围设备可以通过DMA控 制器直接访问内存，与此同时，CPU可以继续程 序。DMA方式采用以下三种方法：①停止CPU访 内；②周期挪用；③DMA与CPU交替访内。DMA 控制器按其组成结构，分为选择型和多路型两类。
通道是一个特殊功能的处理器。它有自己的指令 和程序专门负责数据输入输出的传输控制，从而 使CPU将“传输控制”的功能下放给通道，CPU 只负责“数据处理”功能。这样，通道与CPU分 时使用内存，实现了CPU内部的数据处理与I/O设 备的平行工作。通道有两种类型：①选择通道； ②多路通道。
通道方式
8.5通道方式
通道的种类 选择通道
• 选择通道每次只能从所连接的设备中选择一台I／O 设备的通道程序，此刻该通道程序独占了整个通道。 连接在选择通道上的若干设备，只能依次使用通道 与主存传送数据
• 数据传送以成组（数据块）方式进行，每次传送一 个数据块，因此，传送速率很高。选择通道多适合 于快速设备（磁盘），这些设备相邻字之间的传送 空闲时间极短。
程序查询方式是CPU管理I/O设备的最简单方式， CPU定期执行设备服务程序，主动来了解设备的 工作状态。这种方式浪费CPU的宝贵资源。
本章小结
程序中断方式是各类计算机中广泛使用的一种数 据交换方式。当某一外设的数据准备就绪后，它 “主动”向CPU发出请求信号。CPU响应中断请 求后，暂停运行主程序，自动转移到该设备的中 断服务子程序，为该设备进行服务，结束时返回 主程序。中断处理过程可以嵌套进行，优先级高 的设备可以中断优先级低的中断服务程序。