9.1 硬件约束的抽象化在线视频

计算机控制器为了完成行为矫正的动作

需要从外部环境读取被控对象的状态

把自己的控制决策作用在外部对象上

同时，还需要和操作人员进行【交互】

接收操作人员的命令

把自身工作状况向操作人员汇报等等

这些功能都需要计算机操作大量的外部设备

这些外部设备具有不同的机械结构和电气特性

有着不同的功能

使用起来比较复杂

头绪繁多，不容易掌握

但是我们可以从信号处理的角度对这些外部设备进行抽象化处理

通过抽象模型对计算机控制器性能的约束

来统一的掌握这些外围器件的使用方法

下面我们就从信息处理的角度来看一下计算机控制系统

从信息处理的角度来看

计算机控制系统可以分成三个层次

最核心的就是计算机

包括ALU和存储器

两者之间通过层次化总线进行通信

存储空间当中

一部分扩展为I/O接口之后

就构成了计算机控制器

这个时候，控制器可以通过I/O接口和外部设备进行数据交换

I/O接口上面连接外部设备之后，就形成了一个完整的计算机控制系统

不同的外围设备提供不同的信息

可能是被控对象的状态

也可能是操作人员的命令，等等

从这个模型来看

站在计算机的角度

外部设备实际上是不存在的

因为从计算机的角度来看

它能看到的只是一个存储空间

包括I/O接口

所有外围设备都映射为I/O接口当中一个连续的地址

所有外围设备都映射为存储空间当中一片连续的地址

所以，我们可以把外围器件进行抽象

对于某种提供特定功能的外围设备

可以概括成一个抽象的模型

这个模型具有相同的功能

同时符合某种特定的规范

是系统的一个构成要素

我们把它称为“组件”

它们在物理空间上可能是分立的

但是具有相同的功能

具有同样的处理内容和操作方法

这些组件对于计算机来说是一个连续的存储空间

这种存储空间映射，我们称为I/O接口

不同的组件在存储空间里面的映射都是连续的

可能是相同的地址

也可能是不同的地址

也就是说，组件到存储空间的映射可以是一对一的映射

也可以是一对多的映射

每一个连续的存储空间就是一个外围设备的数据集

简单一点

我们可以认为一个外围设备，一个组件，映射到存储空间上

就是一个寄存器

这个寄存器对应的外部设备

可能是一个可编程的逻辑器件

也可能是一个具体的板卡

或者说是一个具体的物理设备

但不管是什么样的外部设备

对于计算机来说

它只是看到了这片连续空间里面存储的数据

计算机对这一片存储数据的处理

就相当于计算机对外围设备的操作

所以从这个角度来讲

不管外围设备是什么样的

我们都可以用统一的数据处理方法来进行处理

这个数据处理方法主要是针对I/O接口来进行操作

操作的I/O接口实际上是一个信号转换器

从图中可以看出来

它包括两个部分

在CPU一侧

I/O接口的机电特性是和CPU完全一致的

在外围端

接口的机电特性是和外部设备的机电特性相符合的

因此，I/O接口实际是起到一个信号转换的作用

这种转换包括三部分内容

一部分是进行机械格式的转换

把外部设备的机械接口转换成CPU所接受的机械接口

另外一部分是电气格式转换

最后一部分是逻辑格式转换

主要是从信号时序上进行转换

从这个角度来处理计算机系统

那么整个的计算机系统可以用这样一个框图来表示

它实际上包括了两部分

一部分是计算机

另外一部分是I/O接口

不同的通信格式

不同的通讯规范

可以连接不同的设备

计算机对外部设备的处理就可以看成对I/O接口的读写操作

读写的内容可以是命令

也可以是被控对象的状态

或者是计算机和外部设备交换的通信数据内容

这里面

命令信号主要是CPU向外部设备发送的一些动作命令

比如说让A/D转换器进行采样

或者要D/A转换器输出一个控制指令，等等

状态信号主要是外围设备向CPU汇报的自身工作情况

比如说是不是空闲

能不能接收CPU的命令

或者本身是否发生了某种特定的故障等

而数据信号是CPU和外围设备之间进行通信的具体的数据内容

可能是需要显示的一个数值

也可能是外部传给CPU的一个具体的命令（内容）

命令信号和状态信号主要是二进制编码信号

数据信号的形式就复杂一点

可以是开关信号

也可以是脉冲信号、编码信号或者是模拟信号

不同的信号性质、不同的信号形式适用于不同的情况

比如开关信号

通常用来表示一些按键的状态

或者是一些阀门的通断状态等等

而脉冲信号和编码信号可能是数字传感器的输出

模拟信号则大部分是模拟传感器的输出信号

不同的信号形式有不同的处理方法

我们在设计电路的时候

可以根据这些处理要求来设计相应的信号调理电路