1.3 计算机基础

1.3.1 计算机基本原理及组成

计算机是20世纪的重大科学技术成就之一，并很快地形成为一门信息科学，有力地推动着现代化工业、农业、国防和科学技术的迅猛发展，是人类生活中不可缺少的先进工具。它是一种能够自动连续、快速、准确地完成信息存储、数值计算、数据处理和过程控制等多种功能的电子机器。

计算机系统由硬件子系统和软件子系统两大部分组成。

所谓硬件子系统（简称硬件系统）系指构成计算机系统的物理元件或物理装置，它包括组成计算机的各部件和外部设备。

微机与传统的计算机并无本质区别。它也是由运算器、控制器、存储器和输入/输出接口等部件组成。其不同之处在于，微机是把运算器和控制器集成在一片或几片大规模或超大规模集成电路中，并称之为微处理器（或小央处理器），以微处理器芯片为核心，再加上存储器芯片和输入/输出（接口）芯片等大规模或超大规模集成电路组成的超小型计算机，或只用一片大规模或超大规模集成电路组成超小型计算机，称为微型计算机，简称微机。

所谓软件子系统（简称软件系统）系指微机系统所使用的各种程序的集合。它包括各种系统程序（又称为系统软件），各种程序设计语言以及各种应用程序（又称为应用软件）。

图1-39列出了计算机硬件系统和软件系统的组成。

图1-39 计算机硬件系统和软件的组成

计算机只有硬件系统是不能工作的，必须配备相应的软件才能正常地运行。由硬件与软件的组合构成了实用的计算机系统，显然两者是相互依存的，硬件是物质基础，没有硬件或者没有良好的硬件支持就谈不上软件的执行和高效率软件的编制。反之，没有软件或没有完善良好的软件，计算机就无法工作或不能高效率地工作。两者的关系用图1-40来表示。

1.3.2 传感器

现代汽车中，传感器从计算机控制技术组成一个完整的智能化控制系统，以最佳工况维持着汽车的动力性、经济性、安全性和舒适性。

图1-40 计算机硬件和软件的关系

人可以通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息。经过大脑的思维，做出反应。同样，在由传感器及计算机控制技术组成的智能化控制系统中，计算机相当于人的大脑，而传感器则相当于人的五官部分。日常生活中，人们都在不自觉地使用传感器。如“麦克风”——把声音信号变成电信号的传感器，电视机遥控器——红外线传感器，还有电子温度计、电子血压计等。传感器是指能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可以输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

现代汽车中，从发电机的电子控制燃油喷射系统、电子点火系统到汽车的制动系统、行驶系统，以及汽车自诊断系统等无不大量地使用传感器，计算机控制系统根据传感器随时反馈的信息实现智能控制，以保证汽车的动力性、经济性、安全性和舒适性。

传感器种类繁多。常用的分类方法有两种；一种是按传感器的工作原理来分，一种是按被测物理量来分，见表1-4及表1-5。

表1-4 传感器分类（按工作原理分）

表1-5 传感器分类（按被测物理量划分）

1.3.3 单片机及汽车电脑

1.单片机

微型计算机是大规模集成技术的产物，微型计算机向两个主要方向发展：一个是高速度、高性能的高档微型机，另一个是小而廉价稳定可靠的单片微机，简称单片机。

单片机也称为控制器（Microcontroller Unit，MCU）它实际上是把中央处理器（Central Processing Unit，CFU）、随机存储器（Random Access Memory，RAM）、只读存储器（Read Only Memory，ROM）、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

（1）硬件系统

以8051单片机芯片为例，如图1-41所示。

图1-41 8051单片机芯片图

1）中央处理器（CPU）：中央处理器是单片机的核心，用于实现运算和控制功能。因此其中的运算器和控制器构成了CPU的两个主要部分。

①运算器。运算器主要包括算术逻辑运算部件（ALU）、位处理器、累加器A、寄存器B、缓存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器Psw以及十进制调整电路等（为简化起见，这些内容没有在图中画出）。运算器的主要功能是实现数据的算术运算、逻辑运算、位操作以及数据传送等。

②控制器。控制器主要由时钟和时序电路以及一些控制寄存器组成。控制器的主要功能是协调整个单片机的工作，产生时序脉冲，提供控制信号等。

2）数据存储器：MCS-51单片机芯片内的数据存储器共有128个存储单元，用于存放可读出的数据。为了与外部扩展的数据存储器相区别，通常把芯片内部的数据存储器称之为内部数据存储器，简称为内部RAM。主要用来存储计算机操作时的可变数据，如用来存储计算机输入、输出数据和计算过程中产生的中间数据等。根据需要，可随时调出或被新的数据代替（改写）。RAM在计算机中起暂时存储信息的作用。当电源切断时所有存入RAM的数据均完全消失。

3）程序存储器：8051芯片内有4KB掩码ROM，用于存放程序和原始数据。通常称之为内部程序存储器或简称内部ROM。

ROM用来存储固定数据，即存放各种永久性的程序和永久性、半永久性的数据。如电子控制燃油喷射发动机系统中的一系列控制程序软件、喷油特性脉冲、点火控制特性脉冲以及其他特性数据等。

这些信息资料一般都是制造厂家一次性存入运用且无法改变其中的内容，所以当电源切断时，存入ROM的信息不会丢失，通电后又可以立即使用。

4）定时器/计数器：MCS-51共有两个16位的定时器/计数器，以实现定时和计数功能。

5）并行I/O口：MCS-51共有四个8位的I/O口（即P0、P1、P2和P2），用以完成数据的并行输入/输出。

6）串行I/O口：MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其他计算机或设备之间的串行数据传送。

7）中断控制系统：通常计算机中只有一个CPU，但可能同时要进行数据输入输出、运行程序等，借助中断控制系统MJ逐一完成多项任务。

以上各部分集成在一块芯片上，可见一个单片机芯片真的具备“麻雀虽小五脏俱全”的特点，不仅作为计算机应该具有的基本部件单片机都已包括、而且还具有了一些系统的概念，因此，我们应当从微型计算机系统的角度来学习和理解单片机。

（2）单片机的软件系统

在汽车微机的控制系统中，除硬件设备外，还必须配置一定的软件。软件包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件一般用得较少，应用软件则要根据使用场合，由汽车制造厂自己编制。

在汽车计算机控制系统中的应用软件，是为了过程控制或其他控制而编制的用户程序。实时性要求高，因此多数情况下采用汇编语言。

在微机控制系统中，控制对象都是不一样的，因此不仅控制系统本身的硬件配置不同，而且系统应用软件也各不相同，一般有如下分类：

1）过程监视程序：包括开关状态程序、脉冲检测程序、模拟量巡回检测程序及控制操作台服务程序等。这类程序是为了对工作过程进行监视和控制而设置的，必须有相应的硬件设备与之配合。

2）数据处理程序：这类程序的作用是将输入到计算机中的数据进行处理或变换。包括数字滤波程序、线性化处理程序、工程量转换程序等。

3）控制算法及执行机构控制程序。

（3）车用单片机

目前，大多数汽车用单片机是特定的“用户产品”，其输入/输出功能、指令集及结构体系等均与标准单片机不尽相同。为减少开发这一类产品的成本，大多数厂家采用标准系列中可靠性比较好的某种微机，同时改变外围电路，以匹配和满足不同类型和多种控制的要求。虽然车用单片机与通用单片机的硬件不尽相同，但基本组成却差不多，车用电脑也是由微处理器（运算器、控制器）、存储器、外部设备、接口等组成。它的工作原理与通用计算机、通用单片机基本一致。

2.汽车电脑

汽车电脑是由车用单片机和一些标准或特制的集成电路构成的外围电路组成，如图1-42所示。

图1-42 汽车电路图

汽车电脑主要由输入电路、模-数（A-D）转换器、微控制器/单片机和输出电路组成。近年生产的许多单片机都带有A-D，那么汽车电脑又可以是由输入电路、单片机和输出电路组成。汽车电脑输入电路（电源和信号源）及输出电路（功率放大等）与微机有“三足鼎立”之势，从故障角度考虑，后两部分的故障更高一些。

单片机。它是汽车电脑控制电路部分，是通过传感器对输入电路送来经预处理过的信号，如燃油喷射控制信号，点火控制信号，悬挂“软”、“硬”工作模式信号等，通过内存程序和数据进行运算处理，并把处理结果送至输出电路进行功率放大。

输入电路。该电路以“源板”结构形式安装在汽车电脑中，这里的源不仅指电源，还指信号源，即该电路不仅能向传感器提供2V、5V、9V、12V等参考电压，也能接受传感器或其他装置输入的信号，并对输入信号进行过滤、整形放大等预处理，然后转换成5V的输入电压。

如图1-42所示，从传感器输出的信号输入汽车电脑后，先进入输入电路进行预处理。其中数字信号经输入电路进入单片机的I/O接口模拟信号经输入电路进入A-D转移器换成数字信号后，再进入CPU。

输出电路。该电路主要以“功率板”装置的结构形式安装在汽车电脑中，为防止功率板发热导致整个汽车电脑发热，有的功率板与汽车电脑分离，单独成为一个组件，由于单片机输出的是数字信号，或经数-模转换变成模拟信号，因输出的电流极小，一般不能驱动驱动器工作，需要功率放大器将其放大，以驱动驱动器工作。