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1、第7章 计算机控制系统软件只有计算机硬件的计算机叫裸机，它不能实现任何功能，只是计算机控制系统的设备基础；软件是任何系统的头脑、心脏和灵魂。计算机只有在配备了所需的各种软件后，才能展现出令人眩目的多功能的光彩，也只有通过软件和硬件的相互配合，才能将各种控制策略、控制算法和控制目标实现，才能充分发挥计算机的优势，使计算机控制系统具有更高的性价比。本章主要介绍有关计算机控制系统的软件知识。软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序、数据及其相关文档的完整集合；程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是使程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发，维护和使用有关的图文材
2、料。计算机控制软件是计算机控制系统中非常重要的部分。系统软件用来管理计算机系统的资源，并以尽可能简便的形式向用户提供使用资源的服务，包括操作系统、支撑软件、系统实用程序、系统扩充程序(操作系统的扩充、汉化)、网络系统软件、设备驱动程序、通讯处理程序等。其中操作系统是最基本的系统软件。操作系统是计算机系统的资源(硬件和软件)管理者，同时又是用户与计算机硬件系统之间的接口。常用的微型机操作系统有：如Microsoft公司的Windows 98、Windows 2000、Windows XP、Windows 2003等是目前很受欢迎的操作系统。有些操作系统专用于多个终端的主机，称为多用户操作系统，上
3、述的UNIX为多用户操作系统。应用软件是软件公司或用户为解决某类应用问题而专门研制的软件。由于计算机控制系统中控制任务的实现与管理功能的实现都需要借助软件来完成，因而在计算机控制系统中软件起到了非常重要的作用，软件设计的好坏将直接影响控制系统的运行效率和各项性能指标的最终实现。在实时工业控制应用系统中，为了实现特定的应用目标，需要进行应用程序的设计和开发。随着计算机控制系统应用的深入发展，那种小规模的、解决单一问题的应用程序已不能满足控制系统的需要，于是出现了由专业化公司投入大量人力财力研制开发的用于工业过程计算机控制、并可满足不同规模控制系统的商品化软件，即工业控制组态软件。对最终的应用系统
4、用户而言，他们并不需要了解这类软件的各种细节，经短期培训后，所需做的工作仅是填表式的组态而已。由于这些商品化软件的研制单位具有丰富的系统的经验，软件产品经过考核和许多实际项目的成功应用，所以可靠性和各项性能指标都可得到保证。同软件的发展历程一样，计算机控制系统软件的发展也经历了从针对某一具体控制问题进行程序设计，到逐渐针对经抽象的通用性问题或中大型控制系统进行规范化、系统化的软件工程设计的发展阶段。在软件工程中，程序设计的主要特点是：不同于以往的程序设计方法，软件工程适合于开发不同规模的软件；开发的软件适合于所基于的硬件向着超高速、大容量、微型化和网络化方向发展的方向；在开发过程中，决定软件质
5、量的因素不仅是技术水平，更重要的决定因素还取决于软件开发过程中的管理水平。随着过程计算机控制系统的内涵与外延不断扩大，社会需求对过程计算机控制系统的要求越来越高，因而其科学的软件设计方法也应按软件工程的方法进行。计算机控制系统软件功能采集现场控制设备的状态及过程参数；为控制系统提供可供选择的控制策略方案；在软件支持下进行闭环控制输出，以达到优化控制的目的；使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来；各类报表的生成和打印输出；数据存储：存储历史数据并支持历史数据的查询；由于对过程控制软件提出的功能和指标要求比一般的软件要求要高出很多，因此对过程控制系统软件的设计也相应提出了较高的要求。计
6、算机控制系统中的数据库数据库系统的定义从根本上讲，它不过是一个以计算机为基础的记录保持系统，也就是说，它的总的目的是要记录和保持信息。数据、硬件、软件和用户。数据存储在数据库中的数据可以划分为一个或多个数据库。任何企业都必须维持与其工作有关的大量数据，这就是它的工作数据，这些工作数据可以是产品数据、帐目数据、病人数据、学生数据和计划数据等。数据库的数据既是综合的，又是共享的。“综合”指的是可以把数据库看成是若干单个不同的数据文件的联合，在那些文件间局部或全部地消除了冗余。“共享”指的是该数据库中一块块的数据可为多个不同的用户所共享，其意义是那些用户中的每一个都可存取同一块数据，并可将它用于不同
7、的目的。软件在实际存储的数据(或称物理数据库)和用户之间是一个软件层，通常叫数据库管理系统(DBMS)。用户存取数据库的所有请求都是由DBMS操作的。因此，DBMS提供了一种在硬件层之上的对数据库的观察，并支持用较高的观点来表达用户的操作。数据库系统中的用户是指运用数据库进行各种业务处理工作的人或部门。用户的业务处理是通过专门的应用程序来实现的。所有这些功能都是通过向DBMS发出适当的请求来实现的。第二类用户是从终端存取数据的终端用户，他们使用特定的命令语言，实现对数据库的查询、建立、删除及修改。DBA的职责包括：决定数据库的信息内容；确定后备和恢复策略、性能监视和要求改变时的响应等。数据库系
8、统的发展阶段数据库系统的低级阶段计算机用于管理的规模更加庞大，数据量急剧增长，为了提高效率，人们着手开发和研制更加有效的数据管理模式，提出了数据库的概念。从1970年起，IBM公司的E.从20世纪70年代以来数据库技术发展很快，得到了广泛的应用，已成为计算机科学技术的一个重要分支。数据库系统的高级阶段由于计算机网络通信的迅速发展，使得分散在不同地理位置的计算机能够实现数据的通信和资源的共享，已经建立并使用中的许多数据库也需要互联，因此产生了分布式数据库系统。分布式数据库是分布在计算机网络不同节点(size)上的数据的集合。它的两个主要的特点，一个是网络上每个节点上的数据库都只有独立处理的能力。
9、每个节点上的应用可访问本节点上数据库中的数据(这种应用称为局部应用)，也可以通过网络访问其他节点的数据库的数据(这种应用称为全局应用)。分布式数据库在物理上是分散的，在逻辑上是统一的。在分布式数据库系统中，适当地增加了数据冗余，个别节点的失效不会引起系统的瘫痪，而且多台处理机可并行工作，提高了数据处理的效率。这些新的应用领域对数据库技术提出了新要求。在面向对象的数据库系统中，一切概念上存在的小至单个整数或数字串，大至由许多部件构成的系统均称为对象。修改对象张三的年龄或工资，或检索对象属性(例如姓名、年龄、工资)的值，所使用的程序构成了对象的程序部分。面向对象的数据库系统比一般数据库系统具有更多
10、的特点和应用领域。未来的软件系统将建立在面向对象的概念上。知识库是专家系统、知识处理系统的重要组成部分。知识库系统把人工智能的知识获取技术和机器学习的理论引入到数据库系统中，通过抽取隐含在数据库实体间的逻辑蕴涵关系和隐含在应用中的数据操纵之间的因果联系，形式化地描述数据库中的实体联系。数据库系统的主要特征较少的数据冗余度非数据库系统中往往会导致存储数据的大量冗余，结果造成存储空间的浪费。这也是减少数据冗余带来的必然结果。数据共享不仅表现在现有的一些应用能共享数据库中的数据，而且表现在可以对同样的存储数据进行一些新的应用。换言之，不需要建立任何新的存储文件，即可满足新应用的数据要求。完整性是指数
11、据库中的数据是准确的。数据独立性是数据库系统的一个主要目标。文件系统的应用都是数据依赖的，在数据库系统中，各种应用对存储结构和存取策略的改变不敏感。数据库体系结构的三级模式外模式是应用程序员所看到的数据库的逻辑结构，也可称之为用户视图(或外视图)。外模式基本上是由应用所需的各种外记录类型的相应定义所组成的。概念模式是企业所有工作数据所表示的整体逻辑结构。它与数据的物理存储方式相比是较为抽象的形式，因此也可称其为概念视图。概念模式由数据定义语言的概念DDL所描述。三级模式的第三级是内模式。内模式是数据库的存储结构(或称为物理结构)，它是由内记录(或称为存储记录)类型的多个值构成的。内模式即是由定
12、义的文件及其上的索引组成的。内模式由数据定义语言的内DDL所描述。数据模型的定义数据库是模拟现时世界中企业活动的数据集合，模拟是通过数据模型来实现的，整个数据库的组织也是通过数据模型来实现的。因此，可以认为数据模型是用来创建数据库、维护数据库并将数据库解释为外部活动模型的工具，是数据库系统用户及DBA用来定义数据内容和数据间联系方式的工具的总称。目前的数据模型大致可分为两类：数据模型的功能包括：数据内容的描述、实体间联系的描述、数据语义的描述。现在常用的是关系模型，经常用的是关系数据库，后面将主要介绍关系数据模型及在其上实现的数据库系统。关系数据模型是一种表格数据模型，在关系数据模型中仅有的数
13、据结构就是关系。这里，关系的定义与数学中关系的定义相同，其差别是数据库关系是随时间变化的，也即元素将被插入、删除和修改。关系数据库的定义是由一组关系组成的，关系用关系模式联系。在给定的关系中，有这样一个或一组属性，它在不同元组中的值是不同的，利用这个值可以把关系中的一个元组和其他元组区分开来，具有这样性质的属性称为关键字属性。一个关系数据库中的关系，应具备如下性质：为把复杂的现实世界中的问题抽象到简单规整的机器世界中，人们使用数据模型这种强有力的抽象工具，E R 模型是众多数据模型中的一种，它是由美国加州大学Peter Chen 教授于1976年提出的，被普遍认为是用于数据库设计的较好模型。实
14、体可以是具体的人和物，也可以是抽象的表格单据。同一实体型中的实体具有相同的一组特征。实体并不是孤立地存在于现实世界中的，实体与实体之间存在着一定的联系。1的联系，它描述一个实体仅与另一个实体相关；n的联系，它描述一个实体与多个实体间的相关性；m的联系，它描述两个实体型之间多个实体间的相互关系；菱形表示实体型之间的联系，其联系名写在菱形框内，并且用连线将相关的实体连接起来，在连线的旁边还要注明联系的类型。使用E R 模型设计数据库的步骤是：(1) 首先确定要求解的应用的实体型；(3) 确定实体型和联系型的属性；(4) 画出局部应用的E R图；(1) SQL语言是一种关系数据库语言，提供数据的定义
15、、查询、更新和控制等功能。SQL语言的命令通常分为四类按照指定的组合、条件表达式或排序检索已存在于数据库中的数据，而不改变数据库中数据。对已经存在的数据库进行元组的插入、删除、修改等操作用来授予或收回访问数据库的某种特权、控制数据操纵事务的发生时间及效果、对数据库进行监视因为查询和检索数据是数据库管理中最重要的功能，所以SELECT语句在SQL中是工作量最大的部分。SELECT语句的一般语法为：例如，选择姓氏为Jones的所有雇员并按BRANCH_OFFICE按照升序排列的语句为：INSERT语句的语法图为：UPDATE语句允许用户在已知的表中对现有数据的行进行修改。例如，我们刚刚发现Indi
16、ana Jones的等级为16，工资为$4,000.00，我们可以通过下面的SQL语句对数据库进行更新：面向对象的数据库管理系统虽然技术先进，数据库易于开发、维护，但尚未有成熟的产品。国际国内的主导关系型数据库管理系统有SQL SERVER、ORACLE、SYBASE、INFORMIX和INGRES。在下面的分析中会比较他们的平台支持能力。IBM 的DB2也是成熟的关系型数据库。根据选择数据库管理系统的依据，我们比较、分析一下这几种数据库管理系统的性能： 1988年，Sybase公司、Microsoft公司和Asbton-Tate公司联合开发的OS/2系统上的SQLServer问世了。NET Framework 2.0，可以“为运行在IBM WebSphere 6.0和Or
