1.4 控制技術中的計算機系統

控制技術中常用的計算機系統包括工業控制計算機、可編程控制器和嵌入式系統。

1.4.1 工業控制計算機

工業控制計算機即工控機，是一種面向工業控制、采用標準總線技術和開放式體系結構的計算機。工控機通俗地說就是專門為工業現場而設計的計算機。它最初是在商用計算機的基礎上進行改裝、加固再用于工業生產過程控制，現在已經成為一種專用的計算機系列。

工業控制機按所采用的總線標準類型分類，可分為PC總線工控機、STD總線工控機、VME總線工控機和多總線工控機。其中，以PC總線為基礎構成的工控機稱為IPC。

PC總線工控機是以PC總線（ISA、VESA、PCI總線）為基礎構成的工業計算機。有ISA總線、VESA局部總線（VL-bus）、PCI總線、PC104總線等幾種類型工控機，主機CPU類型有80386、80486、Pentium等。

STD總線工控機采用STD總線，主機CPU類型有80386、80486、Pentium等。

VME總線工控機采用VME總線，主機CPU類型以Motorola公司的M68000、M68020和M68030為主。

多總線工控機采用MultiBus總線，以INTEL工控機為代表，主機CPU類型有80386、80486、Pentium等。

早在20世紀80年代初期，美國AD公司就推出了類似IPC的MAC-150工控機，隨后美國IBM公司正式推出工業個人計算機IBM7532。由于IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，而在工控機中異軍突起，后來居上，應用日趨廣泛。德國西門子的工控機也很出名。國內生產工控機的廠家有研祥、華北工控、華北科技、研華、B+F深圳佰福、磐儀、艾雷斯等。國內使用的工控機多是PC總線型的工控機，下面介紹PC總線型的工控機也就是IPC。

1.IPC的技術特點

1）可靠性高

工控機通常應用于工業控制現場，要控制不間斷的生產過程，在運行期間就不允許停機檢修，一旦發生故障將會造成生產損失。因此要求工控機要有高可靠性，也就是說要確保其平均無故障工作時間達到幾萬小時甚至更高。因此工控機都做了特別處理，如配有高度可靠的工業電源，并有過壓、過流保護，密封機箱內裝有雙風扇，正壓對流排風，設有“看門狗”定時器，在因故障死機時，無需人工干預能自動復位等，極大提高了可靠性。

2）實時性好

可配置實時操作系統，便于多任務的調度和運行，以實現實時地反映控制各種參數的變化。

3）環境適應能力強

工業現場環境惡劣，這就要求工控機有很強的環境適應能力，如溫度、濕度變化范圍要求高，要有防塵、防振動、防腐蝕和抗電磁干擾的能力。為此工控機采用符合“EIA”標準的全鋼化工業機箱，增強了抗電磁干擾能力，CPU及各功能模塊皆使用插板式結構，并帶有壓桿軟鎖定，提高了抗沖擊、抗振動能力，機箱內裝有雙風扇，正壓對流排風，并裝有濾塵網用以防塵。

4）擴展性好

工控機采用總線結構和模塊化設計技術，每個模板功能單一，如CPU板、存儲器板、A/D轉換板、D/A轉換板、開關量板等，便于對系統故障進行診斷和維護，也方便了用戶選用，可視需要選配I/O模板。由于生產過程控制需要有大量的輸入/輸出，可采用無源母板（底板），方便系統擴展。

5）開放性好

開放性好，兼容性好，吸收了PC的全部功能，可直接運行PC的各種應用軟件。

6）性價比高

與其他機種相比，PC總線工控機的性能價格比高。

2.IPC的體系結構

IPC結構如圖1-11所示，它是以ISA總線為基礎構成的工業計算機。

IPC結構包括加固型機箱、無源總線底板、工業電源、主機板（CPU卡）、顯示卡、軟盤驅動器、硬盤、光盤驅動器、彩色顯示器、鍵盤和鼠標等。

3.IPC的主要結構

1）全鋼機箱

IPC的機箱是加固型的全鋼機箱，是按相關工業標準設計的，抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾，內部可安裝與PC-bus兼容的無源底板。

2）無源底板

無源底板的插槽由總線擴展槽組成。總線擴展槽可依據用戶的實際應用選用擴展ISA總線、PCI總線和PCI-E總線、PCIMG總線插槽，擴展插槽的數量和位置可根據需要進行選擇，但要符合PCIMG總線規范，依據不同規范版本，各種總線在組合搭配上有一定要求。如PCIMG1.3版本總線不提供ISA總線支持，此板為四層結構，中間兩層分別為地層和電源層，這種結構方式可以減弱板上邏輯信號的相互干擾和降低電源阻抗。底板可插接各種板卡，包括CPU卡、顯示卡、控制卡、I/O卡等。

3）工業電源

在Intel奔騰處理器應用于工控機之前，工控機主要使用AT開關電源，目前與PC一樣主要采用的是ATX電源，平均無故障運行時間可達到250000小時。

4）CPU卡

IPC的CPU卡有多種，根據尺寸可分為長卡和半長卡，多采用的是桌面式系統處理器，如早期的有386\486\586\PIII，現主流為P4、酷睿雙核等處理器，主板用戶可視自己的需要任意選配。其主要特點是：工作溫度0～60℃；帶有硬件“看門狗”計時器；也有部分要求低功耗的CPU卡采用的是嵌入式系列的CPU。

5）其他配件

IPC的其他配件基本上都與PC兼容，主要有CPU、內存、顯卡、硬盤、軟驅、鍵盤、鼠標、光驅、顯示器等。

4.IPC的適用領域

目前，IPC已被廣泛應用于工業及人們生活的方方面面。例如，控制現場、路橋控制收費系統、醫療儀器、環境保護監測、通信保障、智能交通管控系統、樓宇監控安防、語音呼叫中心、排隊機、POS柜臺收銀機、數控機床、加油機、金融信息處理、石化數據采集處理、物探、野外便攜作業、環保、軍工、電力、鐵路、高速公路、航天、地鐵、智能樓宇、戶外廣告，等等。

1.4.2 嵌入式系統

工控機和可編程控制器是現成的計算機系統，嵌入式系統是量身定做的專用計算機系統，它能更好地滿足實際的需要，因此在工業控制系統中，也常設計專門的嵌入式系統作為控制用的計算機系統。

嵌入式系統是與應用緊密結合的，具有很強的專用性，必須結合實際系統需求進行合理的增減利用。在中國嵌入式系統領域，比較認同的嵌入式系統概念是：嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可增減，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統及用戶的應用程序四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。

嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的，它必須與具體應用相結合才會具有生命力、才更具有優勢。因此可以這樣理解上述三個面向的含義，即嵌入式系統是與應用緊密結合的，它具有很強的專用性，必須結合實際系統需求進行合理的增減利用。

嵌入式系統必須根據應用需求對軟硬件進行增減，滿足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，如果能建立相對通用的軟硬件基礎，然后在其上開發出適應各種需要的系統，是一個比較好的發展模式。目前的嵌入式系統的核心往往是一個只有幾KB到幾十KB微內核，需要根據實際的使用進行功能擴展或裁減，但是由于微內核的存在，使得這種擴展能夠非常順利進行。

1.特點

1）系統內核小。

由于嵌入式系統一般是應用于小型電子裝置的，系統資源相對有限，嵌入式系統的核心往往是一個只有幾KB到幾十KB微內核，實際開發時可以根據需要再進行功能擴展或裁減。比如Enea公司的OSE分布式系統，內核只有5KB。

2）專用性強。

嵌入式系統的個性化很強，其中的軟件系統和硬件的結合非常緊密，一般要針對硬件進行系統的移植，需要根據系統硬件的變化和增減不斷進行修改。同時針對不同的任務，往往需要對系統進行較大更改，程序的編譯下載要和系統相結合。

3）系統精簡。

嵌入式系統的用途專一、固定，其軟硬件的功能能滿足要求就夠了。因此它在體積、功耗、配置、處理能力、電磁兼容性方面都要求明確。這樣就可以量體裁衣，去除不必要的軟硬件配置。嵌入式系統一般沒有系統軟件和應用軟件的明顯區分，不要求其功能設計及實現上過于復雜，這樣一方面利于控制系統成本，同時也利于實現系統安全。

4）高實時性的系統軟件。

實時操作系統是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固態存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質量和高可靠性。嵌入式系統的應用程序可以沒有操作系統直接在芯片上運行，但是為了合理地調度多任務、利用系統資源、系統函數以及和專家庫函數接口，用戶必須自行選配RTOS（Real-Time Operating System）開發平臺，這樣才能保證程序執行的實時性、可靠性，并減少開發時間，保障軟件質量。

5）形式多樣。

與工控機和PLC相比，嵌入式系統品種繁多。因為它是專用系統，應用廣泛，所以形式多樣。嵌入式微處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時鐘頻率和數據總線寬度，或者集成了不同的外設和接口。據不完全統計，目前全世界嵌入式微處理器已經超過1000多種，體系結構有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。嵌入式微處理器的選擇是根據具體的應用決定的。嵌入式操作系統也有數百種之多。

2.組成

嵌入式系統硬件包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式處理器基礎上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構成了一個嵌入式核心控制模塊。其中，操作系統和應用程序都可以固化在ROM中。

1）嵌入式微處理器

嵌入式系統硬件層的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器與通用CPU最大的不同在于嵌入式微處理器大多工作在為特定用戶群所專用設計的系統中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。

嵌入式微處理器有各種不同的體系，品種數量眾多，大體上嵌入式微處理器可劃分為4種類型，但這種劃分不是很嚴格，有些嵌入式微處理器可能同時具有幾種類型的特點。

（1）嵌入式微處理器（Micro Processor Unit，MPU）

嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格也相應較高。但與通用計算機處理器不同，在實際嵌入式應用中，它只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除了其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求。和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。其中Arm/StrongArm是專為手持設備開發的嵌入式微處理器，屬于中檔的價位。

（2）嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)

嵌入式微控制器的典型代表是單片機，從20世紀70年代末單片機出現到今天，雖然已經經過了20多年的歷史，但這種8位的電子器件目前在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、E2PROM等各種必要功能和外設。與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統工業的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。

由于MCU低廉的價格，優良的功能，所以擁有的品種和數量最多，比較有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列，以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統約70%的市場份額。近來Atmel出產的Avr單片機由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動單片機獲得更高的發展。

（3）嵌入式DSP處理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）

DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執行速度。在數字濾波、FFT、頻譜分析等各種儀器上，DSP獲得了大規模的應用。

DSP的理論算法在20世紀70年代就已經出現，但是由于專門的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元器件實現。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應用領域僅僅局限于一些尖端的高科技領域。隨著大規模集成電路技術發展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。至20世紀80年代中期，隨著CMOS技術的進步與發展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。到20世紀80年代后期，DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。20世紀90年代后，DSP發展到了第五代產品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。

目前，最為廣泛應用的是TI的TMS320C2000/C5000系列。另外，如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用范圍。

（4）嵌入式片上系統（System On Chip）

SOC是追求產品系統最大包容的集成器件，是目前嵌入式應用領域的熱門話題之一。SOC最大的特點是成功實現了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個硅片內部運用VHDL等硬件描述語言，實現一個復雜的系統。用戶不需要再像傳統的系統設計一樣，繪制龐大復雜的電路板，一點一點的連接焊制，而只需要使用精確的語言，綜合時序設計直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產。由于絕大部分系統構件都是在系統內部，整個系統就特別簡潔，不僅減小了系統的體積和功耗，而且提高了系統的可靠性和設計生產效率。

由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的SOC產品是Philips的Smart XA。少數通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯合研制的Neuron芯片等。

2）存儲器

嵌入式系統需要存儲器來存放和執行代碼。嵌入式系統的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器。

（1）Cache

Cache是一種容量小、速度快的存儲器陣列,它位于主存和嵌入式微處理器內核之間，存放的是最近一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數據。在需要進行數據讀取操作時，微處理器盡可能地從Cache中讀取數據，而不是從主存中讀取，這樣就大大改善了系統的性能，提高了微處理器和主存之間的數據傳輸速率。Cache的主要目標就是：減小存儲器（如主存和輔助存儲器）給微處理器內核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快、實時性更強。在嵌入式系統中，Cache全部集成在嵌入式微處理器內，可分為數據Cache、指令Cache或混合Cache，其大小依不同處理器而定。一般中高檔的嵌入式微處理器才會把Cache集成進去。

（2）主存

主存是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統和用戶的程序及數據。它可以位于微處理器的內部或外部，其容量為256KB～1GB，根據具體的應用而定，一般片內存儲器容量小、速度快，片外存儲器容量大。常用做主存的存儲器有：ROM類NOR Flash、EPROM和PROM等。RAM類 SRAM、DRAM和SDRAM等。其中，NOR Flash憑借其可擦寫次數多、存儲速度快、存儲容量大、價格便宜等優點，在嵌入式領域內得到了廣泛應用。

（3）輔助存儲器

輔助存儲器用來存放大數據量的程序代碼或信息，它的容量大，但讀取速度與主存相比就慢得很多，用來長期保存用戶的信息。嵌入式系統中常用的外存有：硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

3）通用設備接口和I/O接口

嵌入式系統和外界交互需要一定形式的通用設備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設通過和片外其他設備或傳感器的連接來實現微處理器的輸入/輸出功能。每個外設通常都只有單一的功能，它可以在芯片外也可以內置芯片中。外設的種類很多，可從一個簡單的串行通信設備到非常復雜的802.11無線設備。目前，嵌入式系統中常用的通用設備接口有A/D（模/數轉換接口）、D/A（數/模轉換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太網接口）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現場總線）、SPI（串行外圍設備接口）和IrDA（紅外線接口）等。

3.系統軟件

系統軟件層由實時多任務操作系統（Real-time Operation System，RTOS）、文件系統、圖形用戶接口（Graphic User Interface，GUI）、網絡系統及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺。

1）嵌入式操作系統

嵌入式操作系統也就是實時多任務操作系統，負責嵌入系統的全部軟、硬件資源的分配、任務調度，控制、協調并發活動。不同的嵌入式操作系統所包含的組件各不相同，有的組件多功能豐富，可以降低應用程序的開發難度；有的組件少，許多功能要自己開發。但無論哪一種操作系統，至少會有一個內核，它包含了一般操作系統最基本的功能，如任務調度、同步機制、中斷處理、存儲器管理、文件處理等。所有的應用程序都建立在嵌入式操作系統之上，所以嵌入式操作系統的選擇將影響應用程序的開發難度。

2）嵌入式操作系統的分類

目前嵌入式系統的軟件主要有兩大類：實時系統和分時系統。其中，實時系統又分為兩類：硬實時系統和軟實時系統。

實時嵌入系統是為執行特定功能而設計的，可以嚴格地按時序執行功能。其最大的特征就是程序的執行具有確定性。在實時系統中，如果系統在指定的時間內未能實現某個確定的任務，會導致系統的全面失敗，則系統被稱為硬實時系統。而在軟實時系統中，雖然響應時間同樣重要，但是超時卻不會導致致命錯誤。一個硬實時系統往往在硬件上需要添加專門用于時間和優先級管理的控制芯片，而軟實時系統則主要在軟件方面通過編程實現時限的管理。比如Windows CE就是一個多任務分時系統，而Ucos-II則是典型的實時操作系統。

分時系統：分時系統追求系統資源總體利用率最高，其特點在于多任務的管理。

現在PC機的操作系統絕大部分采用的是分時系統，而很少采用實時系統。但實時系統不是嵌入式系統的專利，只不過大部分嵌入式系統均采用實時系統作為自己的操作系統。

3）面向嵌入式系統的操作系統具有如下特點。

編碼體積小：適合在嵌入式系統的有限存儲空間中運行。

面向應用，可裁剪和移植：可進一步縮小編碼體積并有效地運行，故此類OS也可稱為特定應用操作系統ASOS。

實時性強：這也是嵌入式系統的特征之一，因此，嵌入式操作系統有時也稱為實時多任務操作系統RTOS。

可靠性高：嵌入式系統可無需人工干預而獨立運行，并能處理各類事件和故障。

4）常用嵌入式操作系統

下面介紹嵌入式系統中常用的幾種操作系統：

（1）VxWorks

VxWorks操作系統是美國WindRiver公司于1983年設計開發的一種實時操作系統。VxWorks擁有良好的持續發展能力、高性能的內核及友好的用戶開發環境，在實時操作系統領域內占據了一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及對實時性要求極高的領域中，如衛星通信、軍事演習、導彈制導、飛機導航等。在美國的F-16、FA-18戰斗機，B-2隱形轟炸機和愛國者導彈上，甚至連1997年4月在火星表面登陸的火星探測器上也使用了VxWorks。它是目前嵌入式系統領域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統。它支持多種處理器，如X86，i960，Sun Sparc，Motorola MC68000，MIPS RX000，Power PC，StrongARM，XScale等。大多數的VxWorks API是專用的。

（2）pSOS

pSOS是ISI公司研發的產品。該公司成立于1980年，其產品在其成立后不久即被推出，是世界上最早的實時系統之一，也是最早進入中國市場的實時操作系統。該公司于2000年2月16日與WindRiver公司合并。

pSOS是一個模塊化、高性能、完全可擴展的實時操作系統，專為嵌入式微處理器設計，提供了一個完全多任務環境，在定制的或是商業的硬件上可以提供高性能和高可靠性。它包含單處理器支持模塊（pSOS+）、多處理器支持模塊（pSOS+m）、文件管理器模塊（pHILE）、TCP/IP通信包（pNA）、流式通信模塊（OpEN）、圖形界面、Java和HTTP等。開發者可以利用它來實現從簡單的單個獨立設備到復雜的、網絡化的多處理器系統。

（3）Palm OS

3COM公司的Palm OS在掌上電腦和PDA市場上占有很大的市場份額。它有開放的操作系統應用程序接口，開發商可以根據需要自行開發所需的應用程序。目前共有3500多個應用程序可以運行在Palm Pilot上，其中大部分應用程序均為其他廠商和個人所開發，使Palm Pilot的功能不斷增多。在開發環境方面，可以在Windows和Macintosh下安裝Palm Pilot Desktop。Palm Pilot可以與流行的PC平臺上的應用程序進行數據交換。

（4）Windows CE

Microsoft Windows CE是從整體上為有限資源的平臺設計的多線程、完整優先權、多任務的操作系統。它的模塊化設計允許它對從掌上電腦到專用的工業控制器的用戶電子設備進行定制。操作系統的基本內核至少需要200KB的ROM。

（5）嵌入式Linux

隨著Linux的迅速發展，嵌入式Linux現在已經有許多的版本，包括強實時的嵌入式Linux（如新墨西哥工學院的RT-Linux和堪薩斯大學的KURT-Linux等）和一般的嵌入式Linux版本（如uClinux和PocketLinux等）。其中，RT-Linux通過把通常的Linux任務優先級設為最低，而所有的實時任務的優先級都高于它，以達到既兼容通常的Linux任務又保證強實時性能的目的。另一種常用的嵌入式Linux是uClinux，它是針對沒有MMU的處理器而設計的。它不能使用處理器的虛擬內存管理技術，對內存的訪問是直接的，所有程序中訪問的地址都是實際的物理地址。它專為嵌入式系統做了許多小型化的工作。

1.4.3 可編程控制器

早期的可編程控制器稱為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它主要用來代替繼電器實現邏輯控制。隨著技術的發展，這種采用微型計算機技術的工業控制裝置的功能已經大大超過了邏輯控制的范圍，因此，現在這種裝置稱為可編程控制器，簡稱PLC。

1.PLC的基本結構

PLC實質上是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，由CPU、存儲器、輸入/輸出接口、智能接口模塊和編程器構成，其組成結構如圖1-12所示。

PLC的電源在整個系統中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可靠的電源系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在10%范圍內，可以不采取其他措施而將PLC直接連接到交流電網上去。

智能接口模塊是一獨立的計算機系統，它有自己的CPU、系統程序、存儲器及與PLC系統總線相連的接口。它作為PLC系統的一個模塊，通過總線與PLC相連，進行數據交換，并在PLC的協調管理下獨立地進行工作。PLC的智能接口模塊種類很多，如：高速計數模塊、閉環控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。

現場執行機構有各種各樣的形式，一般可分為氣動執行機構、電動執行機構和液壓執行機構。常用的執行機構分為氣動的和電動的。

氣動執行機構分為薄膜式和活塞式兩大類。

電動執行機構是工業控制中應用最多、使用最方便的一種執行機構。常見的有電磁式繼電器、固態繼電器、晶閘管、電磁閥、調節閥、伺服電動機、步進電動機等。

2.PLC的優點

PLC是專為工業環境設計的計算機，它有以下優點：

1）可靠性高、抗干擾能力強，能適應各種惡劣的工業環境

在I/O環節，PLC采用了光電隔離、濾波等多種措施，有效地防止了干擾信號的進入，內部采用電磁屏蔽，防止輻射干擾。PLC采用了可靠性設計，如冗余設計、斷電保護、故障診斷等。采用封裝的方式，適用于各種震動、腐蝕、有毒氣體等的應用場合。一般PLC的平均無故障工作時間可達幾萬小時以上。

2）編程簡單易學

因為PLC一開始是用來替代繼電器的，編程語言使用梯形圖和助記符，PLC的梯形圖和繼電器電路的梯形圖相似，一般工程人員很容易接受和掌握。

3）采用模塊化結構、系統擴展方便

PLC采用的是模塊化結構，一般由主模塊、電源、各種輸入/輸出模塊組成，可根據現場需要進行不同功能的擴展和組裝。一種型號的PLC可用于控制從幾個I/O點到幾百個I/O點的控制系統。

4）安裝調試方便

PLC不但可以與個人計算機連接，也可以用個人計算機進行編程調試，還可以與手持編程器連接。在現場，用戶可以用手持編程器直接對PLC進行編程調試。

因此，現在控制系統中用得最多的還是PLC。用PLC構建直接數字控制系統，或是將其作為集散控制系統的下位機，這種方案是控制系統中用得最多的一種方案。PLC的詳細介紹見后面章節。