四合院：我是雨水表哥
第497章 工业计算机的骨架

“第一，中央处理模块。这是机器的‘大脑’。它运行控制程序，做逻辑判断和算术运算。双核心冗余，主核跑程序，辅核负责监控。主核死机，辅核在几毫秒内接管，生产线不会停。”

他顿了顿，补充道：“指令集要精简。只保留工业控制需要的指令，如顺序控制、连锁保护、PID调节、定时器、计数器。不需要浮点运算，不需要向量指令。精简了，芯片面积就小了，成本就低了，可靠性就高了。”

他的手指移到第二个方块。

“第二，I/O模块。这是机器的‘眼睛’和‘手’。它连接所有传感器和执行机构。”

他在方块下面画了两条分支。

“数字量I/O，用光电隔离。车间里的高压和计算机隔开，保护机器也保护人。开关量、脉冲量，都走这条路。模拟量I/O，用高精度ADC。温度、压力、流量这些连续变化的物理量，变成数字信号给CPU处理。”

他抬起头，看着赵老师。

“I/O模块也要模块化。一条生产线需要多少路输入输出，就插多少块板子。不够了再加，多了就减。标准化、积木化。但不再是每次重新设计电路，而是插拔板子。”

他又补充了一句：“I/O模块要支持热插拔。坏了不停机就能换。生产线在跑，电工把坏板子拔下来，插上新板子，系统自动识别、自动恢复。这叫不停机维修。”

赵老师在笔记本上飞快地记着，点了点头。

吕辰的手指移到第三个方块。

“第三，存储模块分三类存储器。”

他在方块下面画了三个小方块。

“程序存储器。用只读存储器，存操作系统和控制程序。写进去就不改了，防止程序被意外破坏或者被人篡改。”

“数据存储器。用存储芯片，存生产过程的实时数据。温度、压力、速度，每秒钟记一次，记在循环缓冲区里。满了就写到磁带上。出了事故，翻数据就知道当时发生了什么。”

“参数存储器。用可擦写存储器，存工艺参数。不同的钢材、不同的规格，参数不一样。工人插一张二维卡，机器就把参数加载进来。”

他顿了顿，看着在座的人。

“三类存储分离，各司其职。程序是固化的，数据是临时的，参数是可变的。这种架构，比混在一起可靠得多。”

他的手指移到第四个方块。

“第四，电源模块单单独做。”

他在方块下面画了两条线。

“双电源冗余，一个坏了另一个无缝切换。后备电池，停电的时候能撑几分钟，让程序正常退出、数据保存好。宽电压设计，车间里的电压波动，从180V到250V，机器都能正常工作。不用稳压器，不用UPS，插上就能用。”

他又补充了一句：“电源模块也要能热插拔。坏了一个，电工拔下来换新的，机器不会停机。”

他的手指移到第五个方块。

“第五，通信模块负责机器和人说话、和别的机器说话。”

他在方块下面画了两条分支。

“有线通信，用二维卡系统。物理隔离，抗干扰。工艺参数、控制程序，都通过二维卡加载。这是最可靠的通信方式，不怕电磁干扰。”

“无线通信，用‘电子耳朵’的技术。未来车间里可能有几十台机器，它们要互相交换数据、协同工作。轧制线告诉热处理线‘板子过来了，准备接收’，热处理线告诉质检线‘这批钢材的工艺参数是这样的’。无线通信，就是为这个准备的。”

他放下粉笔，转过身。

“这五个模块，通过标准总线连接。总线协议和接口定义必须公开，任何厂家，不管是大厂还是小作坊，只要按照这个规范生产模块，插上去就能用。”

他在黑板上画了一条横线，把五个方块串在一起。

“总线是这套体系的核心。总线定了，整个架构就定了。总线是开放的，整个体系就是开放的。总线是封闭的，整个体系就是封闭的。”

他转过身，看着所有人。

“我选择开放。”

会议室里安静了几秒。

宋颜教授第一个开口：“吕辰，你说说电路设计怎么做？ ”

吕辰点点头：“宋教授，我的想法是两条腿走路。”

他转过身，在黑板上画了一个简图，左边是一个大脑，右边是一双手脚。

他的绘画水平是真的惨不忍睹，引来台下一阵阵轻笑。

“集成电路负责‘大脑’，中央处理模块、存储模块、通信模块的核心部分。这些需要高速运算、高密度集成，必须用集成电路。”

他在右边画了几条线。

“‘掐丝珐琅’负责‘手脚’，I/O模块里那些和强电打交道的部分，如继电器驱动、电机控制、电源管理。这些需要扛大电流、抗强干扰，用‘掐丝珐琅’电路板做。这种板子，我们熟，工艺成熟，成本低，可靠性高。”

他放下粉笔，看着宋颜。

“各司其职，各取所长。集成电路做它擅长的事，‘掐丝珐琅’做它擅长的事。合在一起，就是一台完整的工业计算机。”

宋颜教授点点头：“可行！”

吕辰继续说：“工业控制计算机不需要最新工艺，五微米够，三微米更好，但不是必须。这些芯片，可以在6305厂的生产线上批量生产，不占用研究所的中试线。”

他又在黑板上写了一个词：硬件标准化。

“同一批中央处理器芯片，插不同的I/O模块、跑不同的程序，就能控制不同的产线。轧钢线用一套I/O模块，热处理线用另一套I/O模块。中央处理器是一样的，存储是一样的，通信模块是一样的。这叫硬件标准化、软件定制化。”

他转过身，看着赵老师。

“赵老师，这就是您要的，不用每次重新设计电路、重新画版图、重新流片。硬件是标准的，工厂自己换I/O模块、自己插二维卡，就能把一条轧钢线变成热处理线。”

赵老师点点头，没有说话。

吕辰继续说：“至于那些和强电打交道的I/O模块，用‘掐丝珐琅’工艺做。这种板子，我们做了好几年了，工艺成熟，工人熟练，成本了。而且它不占用集成电路的产能。”

他顿了顿，声音提高了一些。

“所以，不是等芯片多了再做事，而是用现有资源做能做的事。集成电路做脑脑，‘掐丝珐琅’做手脚。两条腿走路，走得稳，走得快。”

赵老师问道：“吕辰，硬件的事你说清楚了。但软件呢？工厂的电气工程师不懂二进制、不懂汇编。让他们自己写程序，不现实。”

吕辰点点头，在黑板上画了三层图。

“我设计了一套三层软件体系。”

他指着最下面一层。