测控技术与仪器专业英语 习题答案 作者 张凤登 unit-11-微型计算机-参考译文及练习答案

·49· UNIT 11 微型计算机微型计算机 参考译文参考译文: 11.1 微处理器组成部分微处理器组成部分 用微处理器从事设计，编程工作要多于线路设计。电路象积木一样搭建起来，而软件 把这些积木连接在一起。 一台微型计算机（microcomputer）是一组电路，其中包括微处理器（microprocessor） 和其它处理单元（element） 。它还包括用于控制和通信的输入/输出线，以及用来容纳程序的 足够存储器。微型计算机的操作只需一个电源和一个程序。 微型计算机系统的核心是微处理器，它就是计算机的中央处理器（CPU） ，具有算术处 理电路和指令组的控制存储器 （即使简单的微型计算机系统和其微处理器， 也需要一系列的 指令，以及为完成任务所需的输入/输出操作和通信控制） 。虽然计算机的 CPU 能用象寄存 器、算术/逻辑运算单元（ALU） 、解码器这类中等规模集成电路（MSI）构建，它仍需要上 百片集成电路，尽管这类电路能被能被用于某些特殊场合。然而，当 CPU 由大规模集成电 路制作时，它就变成微处理器（也称“单片处理器”） ，不像按客户要求设计的 CPU，微处理 器的功能特点由它的内部架构固定下来，进入微处理器的唯一方法是通过芯片的端口。 微处理器可制造在一块半导体芯片上或一组互相连接的芯片上。微处理器实现取自于 程序存储器的指令的译码，程序的执行及输入/输出控制信号的产生和同步，它具有和其它 计算机相同的功能结构。所需要的功能块有处理指令的算术/逻辑运算单元（ALU） 、指令译 码器、 在算术运算中暂存信息的寄存器和类似于时钟振荡器、 分频器和时序计数器 （counters for sequencing）的定时和控制电路。 存储器用来保存程序和由指令操作的数据。程序以一系列二进制字的形式存储在存储 器内，每个字具有 4-16 位，字长取决于所用的微处理器，每个字或若干字代表一条指令或 数据。指令由微处理器译码，数据出现在处理器输入端时，由微处理器处理。 微处理器通过三种途径与外部通信 数据总线， 地址总线和 控制总线。数据总 线是一组并行的信号线，能进行数据的双向传送。数据总线按不同的机型有 4、8、12 或 16 根线。在数据总线中传送的数字不外乎处理器所用的指令、需操作的数据或处理后的结果。 象 6800 那样的典型微处理器具有 8 个数据输入输出的管脚，这 8 根线组成数据总线， 信息能沿总线双向传送（在不同时刻） 。这种技术称“多路传输”。 除了数据总线，6800 微处理器还有一组 16 个管脚，通过连线能传送称为地址的二进制 字；这 16 根线称为地址总线。地址总线只向外传送信息，即由微处理器向内存或输入/输出 芯片送地址。地址总线的信号用于选择内存的某一部分或 I/O 设备。 还有一组进出微处理器分类排列的控制信号线，一部分控制信号线可在微处理器和内 存或输入输出设备之间双向传送信号， 这些线称为控制总线， 其它线则在微处理器和支持芯 片之间来回传送信息。这些线和寄存器、ALU 和其它内部组件没有直接联系。微处理器具 有许多一般计算机共有的特征。而微处理器独有的特点是其 CPU 只包含很少几片集成电路 芯片。 11.2 单片机基础单片机基础 单片机是数字计算机和集成电路发展中的一个顶峰，而这两者可以说是 20 世纪的两项 最有意义的发明。 单片机的体系结构类型有两种。 有些单片机采用程序/数据存储器分割的哈佛 （Harvard） ·50· 体系结构，见图 11-1，另一些遵循程序和数据存储器之间没有逻辑区分的普林斯顿 （Princeton）体系结构，这一结构被通用计算机和微处理器广泛采用，见图 11-2。 总体而言，单片机的特征在于，一台计算机上的各单元集成到单个器件，见图 11-3。 只读存储器只读存储器（ROM） 。ROM 通常是为应用程序提供永久性、非易失性存储。许多微型 计算机和微控制器是用于大批量应用， 因此， 设备的经济性制造要求程序存储器的内容在芯 片的制造过程中保持不变。显然，这意味着 ROM 代码的开发方法必须是严格的，因为制造 完成后不能被更改。 此开发过程可能涉及运用有硬件仿真能力的复杂开发系统进行仿真， 以 及强大软件工具的使用。 一些制造商通过在其设备里包括（或旨在使用）用户可编程存储器，提供额外的 ROM 选项。其中，最简单的设备通常以微处理器模式运行，可以使用某些输入/输出线作为地址 和数据总线访问外部存储器。这类设备的行为在功能上类似于单片机，虽然有受限制的 I/O 和改进的外部电路，但它是从单片机派生而来的。这些无 ROM 设备的使用是很常见的，即 使在生产电路中无法证明定制片内 ROM 的开发成本，但与基于电路的传统微处理器相比， 仍然可以显著地减少 I/O 和其它芯片。ROM 设备的更准确替换形式是可变的，可以“背负 式”EPROM（可擦除可编程 ROM）插槽获得，或以带 EPROM 的设备代替 ROM。这些设备 自然比同等的 ROM 设备更昂贵，但确实提供了完整的电路等价物。对于小批量应用，基于 EPROM 的设备也非常有吸引力，它们具有单片器件的优势，在芯内 I/O 等方面，具有方便 灵活的用户可编程性。 随机存取存储器随机存取存储器（RAM） 。RAM 用于在程序执行期间存储所用的工作变量和数据。这 种存储器的大小随设备的类型而变化，但它具有与处理器相同的特征宽度（4、8、16 位等） 。 特殊功能寄存器，如堆栈指针、或定时器寄存器，在逻辑上往往纳入到 RAM 区。将 RAM 区作为一个寄存器集合，这在哈佛型微机中也很常见；既然微型计算机中的 RAM 和寄存器 通常是物理上不分离的，如同微处理器系统所做的那样，将 RAM 和处理器的寄存器之间做 出区分是没有必要的。 中央处理单元中央处理单元（CPU） 。该 CPU 很像任何微处理器。微型计算机和微控制器的许多应用 中涉及 BCD 码数据的处理（如数值显示） ，因此，适合处理这类数据的 CPU 很常见。既然 许多控制器应用涉及单条输出线的开和关，或单条线路的读取，用于测试、设置和重置内存 或 I/O 的各个位的良好设备也很常见。这些线路很容易连接到双态设备，如开关、温控器、 固态继电器、阀门和电机等。 并行输入并行输入/输出输出。在不同的微型计算机中，并行输入和输出方案略有不同；大多数微机 至少提供一个允许在一定程度上灵活选择引脚作为输入和输出的机制。 这个机制可能适用于 全部或部分端口。 某些 I/O 线适合于与荧光显示器等的直接连接， 或能够提供足够大的电流， 以便直截与其它组件相连接。有些器件允许 I/O 端口被配置为系统总线，以便进行片外存储 器和 I/O 的扩展。这种功能对于产品系列的发展具有潜在作用，原因在于连续增强会使片内 ·51· 存储器变得过于庞大，而且不建立在现有软件基础上的做法是不可取的。 串行输入串行输入/输出输出。串行通信是利用少量线路为单片机与终端设备提供链接的一种常见手 段。这类通信也可用于连接特殊功能芯片，或将几个微机链接在一起。通用异步和同步通信 方案需要提供使信息成帧（开始和停止）的协议。这一点可以通过硬件设备或 U(S)ART（通 用异步（同步）接收器/发送器）实现，从而将处理器（和应用程序员）从这种低级的、费 时的细节中解放出来。只需要选择波特率和其它可选项（停止位个数、奇偶校验等） ，并装 入（或读取）串行发送器（或接收器）的缓冲区，然后通过硬件电路处理适当格式数据的串 行化。 定时器定时器/计数器计数器单元单元。单片机的许多应用需要准确估计执行所需时间。通过仔细评估每 个程序分支的执行时间可以确定这个时间，但是，除非是最简单的程序，否则这种方法效率 低下。较好的方法是使用定时器电路，它能独立计算精确的时间增量，并在预设时间已过时 产生一个中断。通常，这种类型的定时器被设置成可按要求的计数值预先加载的。然后，定 时器不断递减，当计数器达到零值时，生产中断或设置一个标志。而更好的计时器有能力自 动重新载入计数初值。 这减轻了程序员在定时器重新启动之前重装计数器和评估运行时间的 责任，如若需要连续的精确定时中断（如同时钟） ，这将是必要的。有时，与定时器相伴的 是事件计数器。这种设备通常有一个特殊的输入引脚，可以直接驱动计数器。 时序元件时序元件。大多数微机的时钟电路只需要简单的时序元件。如果需要最高性能，必须使 用晶振，以确保接近最大时钟频率，但不是超过。许多时钟电路与电阻和电容一起工作，形 成低成本的时序元件，时钟电路也可用外部信号源驱动。如果需要微机的外部同步，这后一 种安排是有用的。 11.3 计算机应用计算机应用 在发达国家，计算机应用已经普及到几乎所有行业。下面给出了一些计算机应用实例： 1. 科学计算科学计算。创造计算机的最初目的是进行科学计算工作，其中涉及复杂和困难的数 学运算，或费时、繁琐和重复的数值计算。例如，计算炮弹的轨迹，需要在几秒钟内求解微 分方程组；设计一个大型水坝，涉及联立代数方程组的求解，其中变量数可能多达几百个。 这些计算工作需要占用数学家几年时间，但通过计算机程序可在数小时内完成。 2. 数据数据处理处理。计算机已经广泛应用于数据处理，例如，会计核算、数据统计和人口普 查。其中所涉及的运算简单加、减、乘和除，但数据量却是压倒性的，超出人的能力和 耐心。数据库产品为用户提供了规范的数据结构，用于数据的排序、分类、存储、访问和检 索，如 Lotus-1、2、3。装有数据库软件的计算机，能以用户满意的方式处理数据。 3. 自动控制自动控制。计算机接管了过去只能由具备特殊技能和知识的人所完成的工作，例如， 生产过程控制、机器操作、产品质量检查、生产计划管理和库存管理等，所有这些都以自动 方式高效且准确地运行。在 NC（数控）系统、PID 控制系统、伺服控制系统、群控系统、 最优控制和自适应控制系统中， 计算机作为中央控制单元， 负责自动控制过程中所涉及的所 有相关计算，调度所有其它工作单元。CIMS（计算机集成制造系统）不仅包含生产控制系 统，而且包含生产规划及管理系统，旨在实现工厂自动化和办公自动化的融合，为整个公司 构成计算机网络。HIMS（人力集成制造系统）是一种高水平计算机控制形式。虚拟现实技 术通过高性能计算机和专用软件来创建人工操作的虚拟空间。 4. 计算机仿真计算机仿真。作为一种广泛应用于科学研究和工程设计的有力分析工具，计算机仿 真显示出无与伦比的优点。采用计算机仿真，科学家和工程师在观察未知现象、分析复杂过 程、设计机器或建筑物时，不必建立真正的硬件模型或初级原型机。当被研究和测试对象十 分昂贵，或不可能建成其真正模型时，计算机仿真显得尤为重要。 ·52· 事实上，计算机仿真是以代表被研究或测试对象性质的数学模型为基础的。数学模型 由一系列方程组成， 这些方程用数学术语描绘了对象的固有过程。 计算机仿真程序包括来自 这些方程的算法。人们已经开发许多计算机仿真系统，并被证实是经济有效的，使用计算机 仿真程序， 工程师可以通过将不同的方案和参数输入到他们的计算机模型， 完成每次反复处 理，而不是建立许多真实的模型。 5. 机器人机器人。机器人控制器主要是一个计算机从微处理器到小型机。NC（数控）和 SC（伺服控制）被广泛地使用，它们是可再编程的，能够依照程序产生指令序列，控制机 器人的所有运动和动作。例如，控制器将一系列脉冲发送到机器人手臂关节上的步进电机， 严格按照程序要求，使手臂旋转一定的角度。当所有关节以同样的方式驱动时，机器人手臂 可以达到所设计的位置和高度，它的终端执行机构如同控制器指示的那样，完成其工作。移 动的准确度取决于控制器本身。 6. CAD/CAM。CAD（计算机辅助设计）软件，可以帮助工程师设计他们的新产品、建 筑、印刷电路板、象桥梁和机场一样的土建工程等，把他们从繁琐、伤筋动骨和费时的工作 中解放出来，如图形设计与绘制。当着手进行自己的设计时，工程师经常参