LEC03_指令系统结构
plc基本结构及原理500字
plc基本结构及原理500字
PLC是一种工控系统中最基础、应用最广泛的控制设备。
PLC是可编程逻辑控制器的缩写，它是一种数字运算器件，常用于各种自动化控制系统中，如机床自动控制系统、工业自动化生产线、电力系统、物流系统等。
它利用计算机技术、电子技术、通信技术、控制技术等多种技术形成的一种工业控制设备。
PLC的基本结构是由中央处理器(CPU)、输入/输出模块(I/O模块)、电源模块、通讯模块、编程设备等几部分组成。
其中，CPU是PLC的核心部件，它负责接收输入信号、进行逻辑运算和输出控制信号。
输入/输出模块是PLC控制周边设备的接口，它负责将外部信号转换为数字信号输入到CPU中，同时将CPU输出的数字信号转换为物理信号输出到外部设备中。
电源模块为PLC提供电源，通讯模块则是为了方便PLC与其它设备进行通讯，以实现更为复杂的控制逻辑。
编程设备通过编程软件编写PLC的控制程序，并将程序下载到CPU中，完成PLC的编程。
PLC工作的原理是通过输入模块采集外部信号，然后将信号送到CPU 中，进行处理和运算，之后再通过输出模块输出控制信号，从而实现对外部设备的控制。
PLC的控制程序是基于逻辑控制的，也就是说，它通过不同的逻辑运算符来实现复杂的控制逻辑。
例如，与、或、非、
异或等逻辑运算符可以用于判断不同的输入信号是否满足设定的条件，从而决定输出相应的控制信号。
此外，PLC还支持数学运算符、定时器、计数器等多种功能模块，以实现更为复杂的控制逻辑。
总之，PLC是一种基于数字逻辑技术的控制设备，它具有结构简单、可编程性强、可靠性高等优点，在各种工业自动化控制领域中得到了广泛应用。
PLC基本组成及工作原理
PLC基本组成及工作原理PLC，即可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），是一种用于自动化控制系统的可编程电子设备。
它是由一系列专门设计用于工业控制系统的电子模块组成的，主要用于监测和控制机械、设备和生产线。
PLC具有非常广泛的应用领域，不仅可以用于制造业，还可以用于建筑、交通、电力等领域。
PLC的基本组成包括输入模块、中央处理器(CPU)、输出模块和电源模块。
输入模块用于接收信号，例如传感器和开关，将信号转换为数字信号输入给CPU进行处理。
输出模块负责将CPU处理后的信号转换为相应的输出信号，例如驱动电机或操作指示灯。
中央处理器是PLC的核心部分，它负责接收输入信号、进行逻辑处理，并根据程序指令控制输出模块。
电源模块为PLC提供电力供应，保证其正常运行。
PLC工作的基本原理是通过扫描程序循环执行实现的。
PLC根据事先编写的程序进行工作，程序由一系列的逻辑和控制指令组成。
首先，PLC会扫描输入模块，读取各个输入信号的状态，并将其存储在内存中。
然后，CPU根据程序中的逻辑和控制指令进行运算和判断，以确定输出信号的状态。
最后，输出模块根据CPU的指令，将输出信号的状态设置为相应的值，驱动外部设备进行相应的操作。
PLC的工作过程可以简单概括为以下几个步骤：1.扫描输入模块：PLC定时扫描输入模块，读取各个输入信号的状态，并将其存储在内存中。
2.执行程序：CPU根据事先编写的控制程序，对输入信号进行逻辑处理和判断，并执行相应的控制指令。
3.控制输出模块：根据程序的运算结果，CPU将控制指令传递给输出模块，设置输出信号的状态。
4.驱动外部设备：输出模块根据CPU的指令，将输出信号的状态设置为对应的值，并驱动外部设备进行相应的操作。
5.循环执行：PLC不断重复以上的工作步骤，实现持续的控制和监测功能。
PLC的工作原理可以简单归纳为输入、处理和输出的过程。
通过不断扫描输入信号的状态，进行逻辑处理和判断，控制输出信号的状态，PLC 实现了对控制系统的全面监测和控制。
CORTE-M3指令系统 PPT
任意位得到的常量。
0x00XY00XY格式的任意常量
0xXY00XY00格式的任意常量
半字重复
0xXYXYXYXY格式的任意常量
例：ADD R1,R2,#0x12001200
寄存器方式 Rm
例：ADD R1,R2,R3
Cortex-M3指令结构
寄存器移位方式 Rm，Shift 微处理器内嵌了桶形移位器，支持数据的各种移位操作。
指令中操作数给出的形式不同有多种寻址方式：
寻址方式
立即寻址 寄存器寻址 寄存器移位寻址 寄存器间接寻址 基址变址寻址 多寄存器寻址 相对寻址 堆栈寻址
基本寻址方式
❖立即寻址
立即寻址又称为立即数寻址，指令中直接给出操作数，只要 取出指令也就取到了操作数，这个操作数称为立即数。
例如：
MOV R0, #2
例：MOV R1,R2 ,ROR #2
带扩展的循环右移ROR
Rm，RRX
功能：将寄存器Rm中内容和C标志位构成33位数据组成的一个环， 向右移一位；C标志位移入最高位，最低位移入C标志位。
Cortex-M3指令结构
❖指令宽度选择
Thumb2指令集中有许多指令都可以产生16位编码或32位 编码。对于这类指令，可使用某种指令宽度后缀来强制指定特 定的指令宽度。
基本寻址方式
❖寄存器间接寻址
寄存器间接寻址是指将寄存器中存放的数作为操作数的 有效地址，而操作数本身存放在内存中。
指令中用于间接寻址的寄存器必须用“[ ]”括起来。
例如： LDR R0, [R1]
; R0←[R1]
R0
R1
基本寻址方式
❖基址变址寻址
基址变址寻址是指将寄存器(该寄存器一般作为基址寄存 器)的内容与指令中给出的地址偏移量相加，形成操作数的 有效地址。
PLC的结构和工作原理
PLC的结构和工作原理PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）是一种用于自动化控制系统的电子设备。
它是一个数字计算机，通过与输入/输出模块和其他设备进行通信，以控制并监视机械、工艺或其他工业过程。
1.CPU（中央处理器单元）：是PLC的控制中枢，负责执行用户编程的指令，以确定输出状态。
CPU包括运算部件、寄存器和时钟等。
2.存储器：包括程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储用户编写的程序，数据存储器用于存储数据。
这些存储器通常是非易失性的，以确保即使在断电后也能保留数据。
3.输入模块（I/O模块）：用于接收外部信号，例如传感器输入，按钮输入等。
输入模块将外部信号转换成数字形式，然后传递给CPU进行处理。
4.输出模块（O模块）：用于控制外部设备，例如执行器，驱动器等。
输出模块接收来自CPU的信号，并将其转换为可控制的形式，以便控制外部设备的操作。
5.通信模块：用于与其他设备进行通信，例如电脑、传感器等。
通信模块可以通过串行端口或以太网端口与其他设备进行通信。
PLC的工作原理如下：1. 程序编写：用户使用特定的编程语言（通常是类似于Ladder Diagram的语言）编写PLC程序。
程序包括输入信号检测、逻辑判断、输出控制等指令。
2.程序加载：将编写好的程序加载到PLC的存储器中，以便CPU读取和执行。
3.执行程序：CPU按照程序中指定的顺序读取指令，并根据输入信号的状态进行逻辑判断和运算。
根据程序中的逻辑，通过输出模块控制外部设备的状态。
4.监控：PLC可以通过与计算机或HMI（人机界面）等设备进行连接，以实时监控PLC的运行状态和更改程序，以便通过外部输入变化进行实时控制调整。
5.循环执行：PLC程序常常是一个循环执行的过程，即程序一直在不断地读取输入信号，根据逻辑进行判断和控制输出。
这样可以保持对系统的持续监控和控制。
总结起来，PLC是一种可编程的数字控制设备，通过与输入/输出模块和其他设备进行交互，来控制和监视自动化系统中的机械、工艺或其他工业过程。
PLC组成及工作原理
PLC组成及工作原理PLC（可编程逻辑控制器）是一种用于自动化控制系统的数字计算机。
它由多个组件组成，每一个组件都有特定的功能，以实现对工业过程的控制。
本文将详细介绍PLC的组成和工作原理。
一、PLC的组成1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是PLC的核心部件，负责执行程序和处理输入输出信号。
它包含一个或者多个微处理器和存储器，用于存储程序和数据。
2. 输入模块：输入模块用于接收来自外部设备（如传感器、开关）的信号，并将其转换为数字信号，以供CPU处理。
输入模块通常具有多个输入通道，每一个通道可以连接一个外部设备。
3. 输出模块：输出模块用于将CPU处理后的数字信号转换为控制信号，以控制外部设备（如机电、阀门）。
输出模块通常具有多个输出通道，每一个通道可以连接一个外部设备。
4. 存储器：存储器用于存储PLC的程序和数据。
它分为可编程只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。
ROM存储器中存储了PLC的操作系统和用户程序，而RAM存储器用于存储用户数据。
5. 通信模块：通信模块用于PLC与其他设备（如计算机、HMI人机界面）之间的数据交换。
它可以通过串行通信或者以太网连接进行数据传输。
6. 电源模块：电源模块为PLC提供电源，确保其正常运行。
它通常具有过载保护和电源故障检测功能。
二、PLC的工作原理PLC的工作原理可以简单概括为输入、处理和输出三个步骤。
1. 输入阶段：输入模块接收来自外部设备的信号，并将其转换为数字信号，然后传输给中央处理器（CPU）进行处理。
输入信号可以是开关状态、传感器信号等。
2. 处理阶段：CPU根据预先编写的程序对输入信号进行逻辑计算和处理。
程序可以通过梯形图、指令列表或者其他编程语言编写。
CPU根据程序的逻辑判断结果，执行相应的控制操作。
3. 输出阶段：CPU将处理后的结果转换为数字信号，并通过输出模块发送给外部设备。
输出信号可以控制机电的启停、阀门的开关等。
外部设备根据接收到的信号进行相应的动作。
三菱编程序的结构及基本工作原理
三菱编程序的结构及基本工作原理可编程序控制器的功能特点1．逻辑控制 : PLC具有逻辑运算功能，能够进行与、或、非等逻辑运算，可以代替继电器进行开关量控制，故它可替代继电器进行开关量控制。
2．定时控制 :为满足生产控制工艺对时间的要求，PLC一般提供时间继电器，如FX1S提供T0—T63共64个计时器。
并且计时时间常数在范围内用户编写程序时自己设定：接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。
并且在PLC运行中也可以读出、修改，使用方便。
3．计数控制 :为满足计数的需要，不同的PLC提供不同数量、不同类型的计数器。
如FX1S 提供16位增量计数C0—C15（一般用）、C16—C31（保持用），32位高速可逆计数器C235—C245（单相单输入）、C246—C250（单相双输入）、C251—C255（双相双输入）共26个定时器。
用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测，且在PLC运行中也可以读出、修改，使用方便4．步进顺序控制 :步进顺序控制是plc最基本的控制方式。
是为有时间或运行顺序的生产过程专门设置的指令，在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。
5．对控制系统的监控 PLC具有较强的监控能力，操作人员可以根据PLC的监控信息，通过监控命令，可以监视系统的运行状态，从而改变对异常值的设定。
6．数据处理: PLC具有较强的数据处理能力，随着PLC的发展，已经能对大量的数据进行快速处理。
如数据采集、存储与处理功能。
7．通信和联网: 现代 PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。
通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。
在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。
LEC03_指令系统结构-计算机体系结构(第2版)-胡伟武-清华大学出版社
VAX
简单、定长指令，硬件 完成同一任务指令
简单、每条指令时钟数 数多，定长指令浪
少，主频高
费空间
指令执行周期长，
不用取数直接用，指令 访存操作数在指令
紧凑，空间效率高
中位数多，指令间
相关性较难判断
指令长度变化大，
完成同一任务指令最 执行指令周期变化
少，指令最紧凑
大，访存瓶颈，指
• 例子：不同指令系统完成C=A+B的指令序列， 假设A、B、C在内存中不同的单元
Stack
Push A Push B Add Pop C
Accumulator
Register (registermemory)
Load A
Load R1, A
Add B
Add R1, B
Store C
Store C, R1
• 应用要求指令系统保持兼容
• 更新计算机时，兼容老的应用
12
指令系统的分类
13
指令系统的分类
• 从功能上分类
• 算术与逻辑运算、转移、访存、系统指令…
• 从指令使用数据的方式
• 堆栈型、累加器型、寄存器型...
• 从指令编码
• 定长、变长
14
指令系统的类型
• 堆栈型（Stack）：零地址指令
Register (load-store)
Load R1,A Load R2,B Add R3,R1,R2 Store C R3
16
17
寄存器指令再分类
• 分类标准
• 运算操作中操作数的个数 • 运算操作中存储器操作数的个数
访存个数/操 作数个数
机器例子
优点
PLC可编程控制器的结构和基本工作原理
PLC可编程控制器的结构和基本工作原理PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）是一种专门用于工业自动化控制的设备，它的主要功能是根据预先编写的程序控制电气和机械设备的运行。
PLC的结构和基本工作原理是工业控制领域中非常重要的主题，在下面将进行详细介绍。
PLC的结构主要由以下几个部分组成：1.中央处理器（CPU）：CPU是PLC的核心部分，它负责执行用户编写的程序指令。
CPU通常由一个或多个微处理器组成，具有处理器，存储器和输入/输出接口等功能。
它通过主要的总线与其他硬件模块进行通信。
2.内存：PLC的内存分为两部分，一是存储用户程序的存储器，用于存储编写的程序指令和数据；二是存储系统参数和状态信息的存储器，用于存储PLC的配置参数和运行状态。
3.输入/输出模块（I/O模块）：输入模块用于接收传感器或其他设备的信号，将其转换为数字信号，然后传输给CPU。
输出模块用于接收CPU的输出信号，将其转换为相应的控制信号，然后传输给执行器或其他设备。
4. 通信接口：PLC通常具有各种通信接口，用于与其他设备进行数据交换，如人机界面（HMI）、上位机、网络等。
这些接口可以通过标准协议进行通信，如以太网、Modbus等。
PLC的基本工作原理如下：1.编程：首先，用户需要编写控制程序。
控制程序通常使用开发软件进行编写，使用一种或多种编程语言，如梯形图、指令表或结构化文本。
编程的目的是根据实际需求设计逻辑程序来控制设备的工作。
2.执行：编写好的程序存储在PLC的内存中。
当PLC开始运行时，CPU按照程序的顺序逐步执行指令。
CPU不断扫描输入模块的状态，根据输入状态和程序逻辑计算得出输出模块的状态。
然后，CPU将输出数据发送到相应的输出模块，控制执行器或其他设备的操作。
3.周期循环：PLC工作按照循环周期进行。
每个循环周期称为一个扫描周期，扫描周期由运行时间和停顿时间组成。
第2章 三棱PLC可编程控制器的构成及工作原理
2.1 PLC的硬件组成
全球生产可编程控制器的型号和外观多种多 样，但作为工业控制的专用计算机，PLC与一般 计算机的结构及组成非常相似。PLC的基本组成 包括中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出 （I/O）接口、电源及编程器等设备构成。
电源 手动开关 输 入 接 口 选择器开关 外 部 设 备 接 口 I/O 扩 展 接 口 中央处理单元 （CPU） 运算器 控制器 输 出 接 口 指示灯 I/O 扩 展 单 元 继电器线圈
编程器 计算机 打印机 条码扫描仪 EPROM写入器
存储器 EPROM RAM 系统程序 用户程序 及数据
一、中央处理器
中央处理器是可编程控制器的核心,它在系统程序 的控制下,完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各 部分工作等任务。
可编程控制器中采用的 CPU的三大类
通用微处理器,如80286、80386等 单片机芯片,如8031、8096等 位处理器,如 AMD2900、AMD2903等
2.3
一、软件的分类
1.系统软件
PLC的软件
系统软件含系统的管理程序,用户指令的解释程序, 另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。 2.应用软件 应用软件也叫用户软件,是用户为达到某种控制目 的,采用专用编程语言自主编制的程序。
• 二、应用软件常用的编程语言
1.梯形图(Ladder diagram)
接触器控制电路
PLC控制方案
动画演示
符号对照表
符号名称 常开触点 常闭触点 线圈
继电器电 路图符号
梯形图符 号
2.指令表(Instruction list)
指令表也叫做语句表。它和单片机程序中的 指令表 汇编语言有点类似,由语句指令依一定的顺序排 列而成。一条指令一般可分为二部分,一为助记 符,二为操作数。 指令表语言和梯形图有严格的对应关系。 指令表语言和梯形图有严格的对应关系 对指令表运用不熟悉的人可先画出梯形图,再转 换为语句表。另一方面,程序编制完毕装入机内 运行时,简易编程设备都不具备直接读取图形的 功能,梯形图程序只有改写为指令表才有可能送 入可编程控制器运行。
PLC组成及工作原理
PLC组成及工作原理PLC（可编程逻辑控制器）是一种广泛应用于工业自动化控制系统中的电子设备。
它由中央处理器、输入模块、输出模块和编程设备组成，用于控制和监测各种工业过程。
PLC的工作原理是基于输入信号的检测和输出信号的控制。
当输入信号满足特定条件时，PLC会执行相应的控制逻辑，并通过输出模块控制外部设备的运行状态。
PLC的组成主要包括以下几个部份：1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是PLC的核心部件，负责执行控制逻辑和处理输入输出数据。
它通常具有高速运算能力和多种通信接口，可以与其他设备进行数据交换。
2. 输入模块：输入模块用于接收外部信号，并将其转换为数字信号供CPU处理。
常见的输入信号包括开关、传感器、编码器等。
输入模块通常具有多个通道，可以同时接收多个信号。
3. 输出模块：输出模块用于控制外部设备的运行状态，将CPU处理后的数字信号转换为相应的摹拟信号或者开关信号。
常见的输出设备包括机电驱动器、继电器等。
输出模块通常具有多个通道，可以同时控制多个设备。
4. 编程设备：PLC的编程设备用于编写、修改和下载控制程序。
常见的编程设备包括编程软件、编程电缆等。
通过编程设备，用户可以根据实际需求编写控制逻辑，配置输入输出模块，并进行在线监测和调试。
PLC的工作流程如下：1. 输入信号采集：PLC的输入模块接收外部信号，并将其转换为数字信号。
这些输入信号可以来自传感器、开关、编码器等设备。
2. 控制逻辑执行：PLC的中央处理器根据预设的控制逻辑进行计算和判断。
控制逻辑可以通过编程设备进行编写和修改，以满足具体的控制要求。
3. 输出信号控制：根据控制逻辑的计算结果，PLC的输出模块控制外部设备的运行状态。
输出信号可以是摹拟信号或者开关信号，用于控制机电、继电器等设备。
4. 监测和调试：PLC可以通过编程设备进行在线监测和调试。
用户可以实时查看输入信号的状态、输出信号的操纵情况，以及中央处理器的运行状态，以确保系统的正常运行。
HOLLIAS-LEC G3系列小型一体化PLC 说明书
1.6 PowerPro常用库......................................................................................................................... 4 1.6.1 标准库Standard.lib..................................................................................................................... 4 1.6.2 应用库Util.lib和Util_no_Real.lib .............................................................................................. 5 1.6.3 系统库SysLibCallBack.lib和SysLibC16x.lib ............................................................................ 6 1.6.4 IEC动作库Iecsfc.lib ................................................................................................................... 7 1.7 PowerPro使用注意事项............................................................................................................. 8
微机原理与嵌入式接口技术课件：Cortex-M3 的指令系统与汇编程序设计
Cortex-m3的指令系统与汇编程序设计
可用的移位操作如下： ·LSL： 逻辑左移， 寄存器中数据位低端空出的位补 0。 ·LSR： 逻辑右移， 寄存器中数据位高端空出的位补 0。 ·ASR： 算术右移， 移位过程中保持符号位不变， 即 若源操作数为正数， 则数据位的高端空出的位补 0， 否则 补 1。 ·ROR： 循环右移（Rotate Right）， 从数据位低端移 出的位填入数据位高端空出的位。 ·RRX： 带扩展的循环右移， 操作数右移一位， 高端 空出的位用原 Ｃ 标志值填充。
Cortex-m3的指令系统与汇编程序设计 例程 3.4 立即寻址应用示例。
说明： 前缀“＃”表示立即数， “0x”表示 16 进制数 值。
从表 3.2 可以看出， ARM 将 32 位指令分为两个部分。
Cortex-m3的指令系统与汇编程序设计
Cortex-m3的指令系统与汇编程序设计
立即数要满足一定的生成规则： 即每个立即数由一个 8 位的常数循环右移偶数位得到，其中循环右移的位数用一个 4 位二进制数的两倍表示。 如果立即数记作<immediate>， 8 位常数记作 immed＿8， 4 位的循环右移值记作 rotate_imm， 则有
Thumb－2 技术改善了 Thumb 指令集的性能， 它在原 有的 Thumb 指令的基础上进行了如下的扩充： 增加了一些 新的 16 位 Thumb 指令来改进程序的执行流程， 增加了一 些新的32 位 Thumb 指令以实现一些 ARM 指令的专有功能， 解决了之前 Thumb 指令集不能访问协处理器、 特权指令和 特殊功能指令的局限。 Thumb－2 指令集可以实现所有的功 能， 这样就不需要在 ARM／ Thumb 状态之间反复切换了， 代码密度和性能得到了显著的提高， 但值得注意的是 Thumb－2 并不支持 32 位 ARM 指令集。
LEC系列电动执行器控制器简易操作手册
配线图（以 NPN 型为例）
输入信号： 线号 线色 A1 茶/黑 1 A2 茶/红 1 A3 黄/黑 1 A4 黄/红 1 A5 浅绿/黑 1 A6 浅绿/红 1 A7 灰/黑 1 A8 灰/红 1 A9 白/黑 1 A10 白/红 1 A11 茶/黑 2 A12 茶/红 2 A13 黄/黑 2 输出信号： 线号 线色 B1 黄/红 2 B2 浅绿/黑 2 B3 浅绿/红 2 B4 灰/黑 2 B5 灰/红 2 B6 白/黑 2 B7 白/红 2 B8 茶/黑 3 B9 茶/红 3 B10 黄/黑 3 B11 黄/红 3 B12 浅绿/黑 3 B13 浅绿/红 3
原点回归时：在原点位置±指定公差范围内时变为 ON； 定位时：在指定位置±指定公差范围内时变为 ON； 力矩输出时：输出力矩达到“TriggerLV”指定水平时。 注意：力矩输出模式下，当 EMG 急停信号输入或 RESET 重启信号 输入时，力矩输出停止。 电机通电后，SVRE 信号变为 ON；电机断电后，SVRE 变为 OFF。
描述 DC24V 正 DC24V 负 2 进制组合选定要执行的程序步号，OFF 表示 0，ON 表示 1。
IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0 步号 000000 1 000001 2 000010 3 。。。。。。
1 1 1 1 1 1 64 输出信号 SVRE（B11）为 ON 时，SETUP 信号闭合将启动原点回归 动作。原点回归过程中，输出信号 BUSY（B7）信号为 ON，原点回 归完成后，输出信号 SETON（B9）和 INP（B10）信号变为 ON。 HOLD 信号闭合时，执行器马上以最大的加速度减速、停止，并且保 持在停止位置。HOLD 信号断开时，执行器恢复运行并执行完未完成 的行程。
可编程控制器的基本结构
一、 PLC的系统结构目前PLC种类繁多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用作工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。
主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电源、I／0扩展接口、外部设备接口等。
其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。
如图1-1所示，PLC控制系统由输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，PLC 的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。
二、PLC各部分的作用1.CPU（中央处理器 Central Processing Unit）CPU是由控制器和运算器组成的。
运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。
控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，它的基本功能就是从内存中取指令和执行指令。
可见CPU作为整个PLC的核心起着总指挥的作用，是PLC 的运算和控制中心。
其主要功能如下：1）诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。
2）采集由现场输人装置送来的状态或数据，并送人PLC的寄存器中。
3）按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。
4）将存于寄存器中的处理结果送至输出端。
5）响应各种外部设备(如编程器、打印机、上位计算机、图形监控系统、条码判读器等) 的工作请求。
目前PLC中所用的CPU多为单片机，其发展趋势是芯片的工作速度越来越快，位数越来越多(由8位、 16位、32位至48位)，RAM的容量越来越大，集成度越来越高，并采用多CPU系统来简化软件的设计和进一步提高其工作速度。
2．存储器PLC的存储器分为两大部分：一部分是系统程序存储器，用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。
plc结构原理
plc结构原理PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）是一种专门用于工业自动化控制的电子设备。
作为现代工业控制系统的核心部分，PLC在工业生产中发挥着重要的作用。
本文将深入探讨PLC的结构原理。
一、PLC的基本概念和组成PLC是一种由微处理器、存储器、输入输出模块、通信模块等组成的系统。
它以可编程的方式根据输入信号的状态进行逻辑判断，并输出相应的控制信号。
PLC的基本组成部分如下：1. 微处理器：微处理器是PLC的核心部件，负责控制和运算系统的各项任务。
2. 存储器：PLC的存储器分为程序存储器和数据存储器。
程序存储器存储了用户编写的控制程序，数据存储器用于存储中间数据和用户指定的变量。
3. 输入模块：输入模块用于接收外部传感器或其他设备发送的信号，比如按钮、传感器等。
4. 输出模块：输出模块用于输出控制信号给执行机构，实现工业设备的控制。
5. 通信模块：通信模块用于PLC系统与其他设备的数据传输，实现与上位机或其他PLC之间的通讯。
二、PLC的工作原理PLC的工作原理可以简述为以下几个步骤：1. 输入信号采集：PLC通过输入模块采集外界的输入信号，这些信号可以是来自传感器、按钮、开关等设备。
2. 信号处理：PLC对输入信号进行处理，根据用户编写的控制程序进行逻辑运算和判断。
3. 控制输出：根据逻辑判断的结果，PLC通过输出模块产生相应的控制信号，并将其传送给执行机构。
4. 执行动作：执行机构接收到PLC传来的控制信号，执行相应的工业操作，如启动电机、开关阀门等。
5. 状态监控：PLC会对执行机构的状态进行监控，并不断检测输入信号，以保持控制系统的稳定性。
三、PLC的优势和应用PLC相对于传统继电器控制系统具有许多优势，使其在工业自动化领域得到广泛应用。
1. 灵活性：PLC的控制程序可以根据需要进行编写和修改，实现对系统的灵活控制。
2. 可靠性：PLC采用数字电子技术，能够提供高可靠性的控制，减少因继电器故障而导致的停机时间。
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影响指令系统结构设计的因素
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影响指令系统设计的因素
• 工艺技术
• 早期的硬件昂贵，简化硬件是指令系统设计的主要因素 • 现在如何发挥存储层次的效率，如何利用芯片面积
• 系统结构
• 增加指令功能还是提高主频？ • 并行性：SIMD、向量、多发射（兼容性好）、PIM
• 操作系统
• 多进程支持、虚地址空间、安全等级等
• Cache管理指令、预取指令
• 随着工艺的进一步发展，由于主频极限和功耗问题 引起的多核结构需要特殊指令支持
• 多线程管理和同步
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系统结构对指令系统的影响
• 指令系统本身是系统结构设计的结果
• 从16位、到32位、到32位 • SIMD指令、从单核到多核等
• 指令系统的兼容性与系统结构发展的矛盾关系
• 操作
• 算术与逻辑运算、转移、访存、系统指令… • 指令访问控制：转移指令
• 指令编码
• 定长、变长
21
数据类型和大小
• 类型：
• 整数、实数、字符、十进制数 • 字节、半字、字、双字
• IEEE 754格式
• 类型的表示
• 一般由操作码来区分不同类型
• 专门的类型标志
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数据类型的分布
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31
常见指令操作
• 算术及逻辑运算指令
• 加、减、乘、除、开方......
• 移位：左移与右移、逻辑移位与算术移位......
• 与、或、非、异或......
• 格式转换……
• 访存指令：取数、存数
• 不同长度和不同类型：定点/浮点，字节/半字/字/双字
• 不同寻址方式
• 转移指令
• 相对/绝对、直接/间接、条件/无条件
• 页表与TLB的关系
• 页保护：读写权限
• 系统安全等级
• 系统态和用户态管理
• 例外和中断的处理
• 例外处理入口、ERET指令等
• 访存和访问I/O的区别
• ……
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编译技术对指令系统的影响
• 指令是编译器的工作结果
• 早期的指令系统主要考虑如何便于编程 • 后期（如RISC）兼顾便于编程与实现效率
• 编译技术与程序设计语言
• 指令的表达能力
• 应用程序
• 应用适应性、兼容性等
7
工艺技术对指令系统的影响
• 早期的指令系统设计主要考虑如何减少硬件
• 后来集成度的提高使得系统结构的优化成为可能
• TLB、从32位到64位、SIMD媒体运算
• 由于CPU与存储器的速度差距，指令系统应能较好 地利用存储层次，如通过并行或流水容忍延迟。
• 操作数在栈顶，运算操作不用指定操作数
• 累加器型（Accumulator）：单地址指令
• 一个操作数总在累加器中，结果也写回累加器
• 寄存器型（Register）：多地址指令
• Register-Register型 • Register-Memory型
• Memory-Memory型
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不同类型指令功能举例
• Little Endian地址指向一个字的最右字节 • Big Endian 反之
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寻址方式
• 如何在指令中表示访存地址
寻址方式 Register Immediate Displacement Reg. Indirect Indexed Absolute Mem. Indirect Autoincrement ADD ADD ADD ADD ADD ADD ADD ADD 格式 R1, R2 R1, #2 R1, 100(R2) R1, (R2) R1, (R2+R3) R1, (100) R1, @(R2) 含义 regs[R1]=reg[R1]+reg[R2] regs[R1]=reg[R1]+2 regs[R1]=reg[R1]+mem[100+reg[R2]] regs[R1]=reg[R1]+mem[reg[R2]] regs[R1]=reg[R1]+mem[reg[R2]+reg[R3]] regs[R1]=reg[R1]+mem[100] regs[R1]=reg[R1]+mem[mem[reg[R2]]] regs[R1]=reg[R1]+mem[reg[R2]], R1, (R2)+ reg[R2]=reg[R2]+d reg[R2]=reg[R2-d, R1, -(R2) regs[R1]=reg[R1]+mem[reg[R2]] regs[R1]=reg[R1]+ R1, 100(R2)[R3] mem[100+reg[R2]+reg[R3*d]
• 尽量不改变指令系统的前提下提高性能，如流水、多发射等 • 尽量保持兼容，如Intel的做法
• 增加指令功能还是提高主频？
• RISC vs. CISC vs. VLIW
• 指令中如何体现并行性？
• SIMD、多线程……
9操作系统ຫໍສະໝຸດ 指令系统的影响• 操作系统专用的核心态指令和运行环境
• 多进程和虚空间
36
转移条件的表达
• 根据条件位判断转移
• 直接比较寄存器内容转移
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指令编码
• 需要考虑的因素
• 操作码部分比较简单
0/3
简单、 定长指令， 硬件 完成同一任务指令 简单、 每条指令时钟数 数多，定长指令浪 少，主频高 费空间 指令执行周期长， 不用取数直接用， 指令 访存操作数在指令 紧凑，空间效率高 中位数多，指令间 相关性较难判断 指令长度变化大， 完成同一任务指令最 执行指令周期变化 少，指令最紧凑 大，访存瓶颈，指 令间相关型难判断
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1/2
X86, 68000
2/2，3/3
VAX
指令系统类型的发展
• 早期的计算机多用堆栈和累加器型指令
• 出于降低硬件复杂度的考虑 • 现在已经不用（Intel有点例外）
• 80年代后的机器主要是寄存器型
• 访问寄存器比访问存储器快 • 便于编译器使用和优化
• 寄存器可以用来存放变量，减少访存次数
高性能计算机系统结构
胡伟武
1
指令系统结构ISA
• 指令系统结构的设计原则 • 影响指令系统结构的因素
• 指令系统的分类 • 指令系统的组成
• RISC指令系统结构 • RISC系统结构的简史 • 不同RISC结构的比较
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指令系统与系统结构
• 50-60年代
• Computer Architecture=Computer Arithmetic
Stack Push A Push B Add Pop C
Accumulator Load A Add B Store C
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17
寄存器指令再分类
• 分类标准
• 运算操作中操作数的个数 • 运算操作中存储器操作数的个数
访存个数/操 作数个数 机器例子 SPARC, MIPS, PA, Alpha, PowerPC 优点 缺点
• 应用要求指令系统保持兼容
• 更新计算机时，兼容老的应用
12
指令系统的分类
13
指令系统的分类
• 从功能上分类
• 算术与逻辑运算、转移、访存、系统指令…
• 从指令使用数据的方式
• 堆栈型、累加器型、寄存器型...
• 从指令编码
• 定长、变长
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指令系统的类型
• 堆栈型（Stack）：零地址指令
3
指令系统结构的设计原则
4
指令系统的设计原则
• 指令系统在计算机中的位置
• 硬件和软件的界面
• 设计要求
• 兼容性：在很长时间内保持不变，如X86 • 通用性：编译器或程序员觉得好用，有较多功能， 适合于各种应用 • 高效性：便于CPU设计的优化，不同的实现方法得 到不同的性能 • 安全性：支持通用操作系统，考虑不同的安全要求
• 正交性，如所有访存指令都可用所有寻址方式 • 简化编译器trade-offs，如允许编译时确定常量，只提供基本的通用 操作（less is more）等
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应用对指令系统的影响
• 指令系统归根到底是为应用设计的
• 指令系统随着应用的发展而发展
• 从科学和工程计算、事物处理、网络和媒体处理等 应用在指令系统上都有相应的体现
访存对象
• 存储器按字节编址
• 所有地址都是字节地址 • 访问长度：字节、半字、字、双字
• 访存地址是否对齐（ Aligned vs. Misaligned ）
• 地址对齐简化硬件设计：如字地址最低两位为0 • 跨数据通路边界的访问可能需要访问两次RAM • 如何支持不对齐访问（如串操作）
• 大尾端（Big Endian）和小尾端（Little Endian）
Autodecrement ADD Scaled ADD
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常用寻址方式
• 三个程序在VAX机上的统计
• 寄存器访问占一半，存储器访问占一半
• 简单寻址方式占存储器访问的的97%
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偏移量值的分布
• SPEC CPU2000在Alpha结构（最大偏移为16位）上的统计
• 小偏移和大偏移较多，大偏移（14位以上）多数为负数 • 跟数据在内存中的分布有关
• 在支持32位立即数的 VAX上统计表明，20%-30%立即数大于16位
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寻址方式小结
• 至少支持以下寻址方式
• Register • Immediate
• Displacement • Register indirect
• 指令中常数位数
• 地址偏移量位数12-16位
• 立即数位数8-16位