מבוא למבנה המחשב

ההתעסקות במחשבים יכולה להפחיד אנשים שרגילים לעבוד רק מהצד המכאני של הרכב. מכיוון שלא ניתן לראות

למעשה מה קורה בתוך המחשב או במערכות עליהן הוא שולט, מחשבים יכולים להיות מעט קשים יותר להבנה

ממערכות מכניות כמו ממסרות ומנועים. אם-זאת, מחשבים אינם מסובכים כפי שנדמה לעיתים. מאמר זה ינסה

לפשט אותם.

המחשבים ברכב אינם שונים לגמרי ממחשבים רגילים בהם אנו נתקלים בחיי היום-יום שלנו. מחשבי רכב

מסתמכים על מידע המגיע מיחידות קלט שונות, עובדים לפי הוראות שתוכנתו אליהן ומחליטים איזה קלט לפלוט. מכשיר

הקלט יכול להיות מקלדת או חיישן טמפרטורה, והפלט יכול להיות תמונת וידאו או פקודת פתיחה למזרק. ההוראות לפיהן

עובד המחשב יכולות להיות הוראות לעיבוד תמלילים, או בקרת שליטה בהזרקת דלק ותזמון הצתה.

מחשבים יכולים לעבד כמויות גדולות של מידע במהירות ודייקנות, מה שהופך אותם ליעילים מאוד בביצוע מספר

עבודות, ובכלל זה גם שליטה על מספר מערכות גודל והולך בתחום הרכב. מאמר זה ינסה להסביר איך עובד המחשב,

החל בפעולות קלט, יע"מ (יחידת עיבוד נתונים מרכזית), הזכרון ושערים לוגיים וסימניהם.

הבנת אופן הפעולה של מחשבים הוא חיוני מכיוון שרוב כלי הרכב כיום מצוידים במחשבים. רכישת הידע לגבי

אופן פעולת המחשבים ואופן השילוב שלו עם החיישנים והמפעילים השונים ישפר את היכולת שלך לאתר ולפתור בעיות.

במאמר זה נתייחס לנושאים הבאים:

· קלט אנאלוגי ודיגיטאלי

· פלט אנאלוגי ודיגיטאלי

· אותות, כולל:

צורות גל אנאלוגי ודיגיטאלי

ממירים A/D

ממירים D/A

· מעבד

· זכרון גישה אקראית (RAM)

· זכרון קריאה בלבד (ROM)

· זכרון קריאה בלבד מתכנת (PROM)

· זכרון קריאה בלבד מתכנת מחיק (EPROM)

· זכרון קריאה בלבד מתכנת מחיק אלקטרונית (EEPROM)

· זכרון בלתי מתנדף (NON-VOLTILE)

· זכרון הבזק (FLASH)

קלט אנאלוגי ודיגיטאלי

כמו שהוסבר קודם, יחידת העיבוד המרכזית , זקוקה לנתוני קלט על-מנת לנטר את פעילות

המערכת עליה היא מופקדת. כאשר המחשב מקבל את המידע מהחיישנים השונים הוא מנתח אותו בעזרת הוראות הצרובות

עליו, ופועל בהתאם.

אחת הבעיות עם רבים מהחיישנים הללו היא שהם אינם מדברים את אותה ה"שפה" אותה מדבר המחשב. המחשב

מבין רק נתונים דיגיטאליים או מתגי on\off. חיישן משנה התנגדות מספק למחשב אות מתח משתנה שהוא אות אנאלוגי.

חיישנים אחרים, כמו חיישני מהירות השראתיים מספקים מידע דיגיטאלי למחשב. במקרה כזה, המחשב מסוגל להבין את האות

מכיוון שהוא קיים או לא, ללא שום דבר באמצע.

מכיוון שמחשבים חייבים מידע קלט דיגיטאלי כדי להבין אותו, כל המידע האנאלוגי שמתקבל חייב להיות מומר

למידע דיגיטאלי. נסביר בהמשך כיצד מתבצע תהליך ההמרה.

פלט אנאלוגי ודיגיטאלי

פלט המחשב לרוב המפעילים הוא דיגיטאלי. האות מודיע למפעיל להפיתח לפרק זמן מסויים או להסגר. מנועי צעדים,

ממסרים וסולונואידים הם מפעילים אשר יש להם רק שני תחומי פעולה – עובד או לא עובד.

ושוב, כאשר מפעיל דורש מתח משתנה, כמו מהירות משתנה למנוע מפוח, המחשב זקוק לממיר נוסף. במקרה הזה

ממיר המידע ממיר מידע דיגיטאלי למידע אנאלוגי. בהמשך נסביר כיצד מתבצע תהליך ההמרה.

אותות

כמו שהוסבר קודם, שני סוגי האותו הם אנאלוגי ודיגיטאלי. המתח של האותות הללו יכול להשתנות לאט או במהירות

רבה, בהתאם ליישום אותו מנטר החיישן. כאשר האותות מתורגמים לצורות של גלים באוסילוסקופ, האות האנאלוגי מופיע כקו

מפותל ורציף, עם גבעות ועמקים בהתאם לשינויי המתח. האותו הדיגיטאלי מציג עליות וירידות אנכיות, וקו אופקי רציף כאשר

אין שינוי. הקווים האופקיים העליונים מעידים כי יש מתח, והקווים האופקיים התחתונים מעידים כי אין מתח או שהוא נמוך.

כאשר משתמשים ברב-מודד למדוד אות אנאלוגי או דיגיטאלי המשתנה מה מאוד, כמו חיישן סיבובי מנוע, חשוב לזכור

כי הקריאה אותה אנו מקבלים אינה מייצגת את הקריאה האמיתית. רב המודד מציג את הערך הממוצע של האות. לדוגמא,

באות דיגיטאלי שנע בין 5 וולט לאפס, רב מודד יציג ערך של 2.5 וולט. המחשב מחפש סימני פעולה (on) ולא מתח מסויים.

רב מודד מצד שני, מחפש ערך מתח, ולא האם אות עובר או לא. רב-מודד יכול להראות שהמתח הוא בתחום הרצוי כשלמעשה

חסר פולס. הפולס החסר יכול להיות סיבה לבעייה ביצועית במנוע. יכול להיות שתפספס פולס אם תחפש אותו ברב-מודד.

אם אתה חושד בבעיה במעגל מסויים, והרב-מודד אינו מראה אותה, נסה להשתמש גם באוסילוסקופ לקבלת קריאה יותר

מדוייקת. לכל הפחות, עלייך להיות ער למגבלה שיש לרב-מודד עם אותות דיגיטאליים.

כאשר מתעסקים עם אותות מחשב חשוב גם לזכור כי יש הפרש בין מקור האות ומקו המתח על החוט של האות. זה חשוב

מיוחד כאשר מדובר באות אחד שמשותף לכמה מחשבים, כמו חיישן מהירות, או אם האות עובר ממחשב אחד לשני. מחשב אחד

יכול לספק את המתח לחיישן שמאריק אותו, והמחשב השני צריך רק לקרוא את האות. אם קו אספקת המתח יתנתק, האות יאבד

בשני המחשבים, ואין סיבה לחשוד בתקלת מחשב. לאותות אנאלוגיים יש גם מגבלות בכך שהמחשב אינו מסוגל לקרוא אותם מיידית

ויש לו צורך להמיר אותם תחילה.

כאן אנו חוזרים בקצרה לשפת המחשב. אות דיגיטאלי של on\off מיוצג בצורה בינארית על-ידי הספרות 0 ו-1. מספרים

דצימאליים מיוצגים גם כן בצורה בינארית כדי שהמחשב יוכל להבין. אלפי הטרנזיסטורים ביחידת עיבוד הנתונים המרכזית מסוגלים

למתג on\off צירופים השווים בינארית לכל מספר דצימאלי במיקרו-שנייה.

הממיר A\D משנה אותות אנאלוגיים לאותות דיגיטאליים על ידי לקיחת דגימה מהאות האנאלוגי בתדירות מסוימת הידועה

בשם תדר דגימה (Sampling Rate). הממיר מודד את הגל ומציב לו ערך דיגיטאלי. ככל שתדר הדגימה גבוה יותר,כך האות

הדיגיטאלי קרוב יותר לאות האנאלוגי אותו הוא מייצג. ברוב המקרים ברכב כל דגימה מיוצגת על-ידי 8 ביטים הנקראים ביחד מילה

או בייט. כל ביט יכול להציג או 0 או 1. הם יכולים להציג טווח מספרים השווה בערך דצימאלי לטווח שבין 0-255. בתמונה למטה

ניתן לראות כיצד האות האנאלוגי (a) מפורק לדגימות שונות (b). נניח שהערך האנאלוגי של שתי הדגימות הראשונות משמאל הוא

8 וולט, אח"כ 7 ו-6. בבסיס 8 ביט, נקבל את הערכים הבאים:

8 וולט – 00001000

8 וולט – 00001000

7 וולט – 00000111

6 וולט – 00000110

כאשר המידע הומר למידע דיגיטאלי ומיוצג באופן בינארי, המחשב מסוגל להשתמש במידע שמסר החיישן. לאחר

שהמחשב מעבד את המידע, הוא שולח בשלב הזה הוראות למפעילים בצורה של אותות דיגטאליים. ברוב המקרים

זה עובד מכיוון שהמפעילים הם דיגיטאליים.

ישנם עם זאת מספר מפעילים אנאלוגיים כמו מנועי מפוח או משאבות הגה כח ברכבים מסוימים הדורשים מתח משתנה

כדי לפעול במהירויות שונות. במקרים כאלו יש צורך בהמרה מסוג אחר, של מידע דיגיטאלי למידע אנאלוגי. עקרון הפעולה הוא

זהה אך הפוך.

מעבד

המעבד הוא הלב של המחשב. הוא מכונה גם יחידת עיבוד נתונים מרכזית (CPU). חשוב לזכור כי המעבד אינו מבצע

פעולות מסובכות, אלא מבצע אלפי פעולות פשוטות בקצב מהיר מאוד. כדי לשמור על כל המידע אותו הוא מעבד, המעבד עובד

על המידע לפי סדר מסוים, קצוב על-ידי שעון פנימי.

ניתן לחלק את המעבד לשלושה חלקים עיקריים:

יחידת השליטה – שולטת בפעולות הבסיסיות של המעבד, כמו שליחת מידע מחלק אחד של המחשב לחלק אחר, קליטת

ופליטת מידע מ ואל המחשב, חישובים אריתמטיים, עצירת פעולת המחשב וקפיצה לפעולה אחרת בזמן ביצוע משימה.

היחידה האריתמטית-לוגית – נושאת בחלק האמיתי של עיבוד המידע, המורכב מפעולות אריתמטיות ולוגיות.

יחידת הרישום – מאחסנת את המידע או התכניות באופן זמני עד שהם נשלחים ליחידת השליטה או היחידה האריתמטית-לוגית.

זכרון המחשב

למחשבים יש מערכת "תיוק" משלהם, הידועה כזכרון, ומורכבת ממעגלים פנימיים שם מאוחסנים מידע ותוכניות. זכרון המחשב

מחולק לכתובות שונות אליהן המידע נשלח על ידי המעבד. המעבד אז יודע למצוא את המידע הדרוש לו כאשר הוא נחוץ לו.

מחשבים משתמשים בזכרון הראשי שלהם לכמויות מידע גדולות או לאחסון תוכניות. ישנם שני סוגי זכרון עיקריים: זכרון

גישה אקראית (RAM), וזכרון כתיבה בלבד (ROM).

זכרון גישה אקראית (RAM)

זכרון גישה אקראית הוא זכרון בו המחשב יכול לבצע גם פעולות של קריאה וגם פעולות של כתיבה. בזכרון זה המחשב מאחסן

מידע המתקבל מהחיישנים השונים. זכרון ה-RAM פועל כמו אלפי מתגים אשר יכולים להיות באחד משני מצבים המייצגים 0 או 1.

בצורה זו נשמר המידע בזכרון ה- RAM. המתגים פועלים כמו מתגים קפיציים, לכן הם חייבים להיות "מוחזקים" במצב פתוח בצורה

חשמלית. אם אין מתח, כל המידע שאוחסן ב-RAM נמחק, תכונה זו נקראת התנדפות (volatile).

ברוב המחשבים בתחום הרכב, ה-RAM מחולק לשני חלקים. חלק אחד מקבל את המתח שלו ממתג ההצתה, בחלק זה

מאוחסנים הנתונים מפעולת הרכב, כמו מידע חיישנים. החלק השני נקרא KEEP ALIVE MEMORY מקבל את המתח שלו ישירות

ממצבר הרכב. נתונים כמו תקלות שנקלטו מאוחסנים כאן כדי לשמר אותם גם לאחר שכיבו את המנוע.

זכרון קריאה בלבד (ROM)

זהו המקום בו מאוחסנות פעולות ההפעלה הבסיסיות למחשב. ההוראות צרובות לתוך שבב בתהליך הייצור שלו ואינו ניתן לשינוי.

המחשב יכול רק לקרוא את המידע בזכרון ה-ROM ולא יכול לשנות אותו או לכתוב שם. מכיוון שהמידע ב-ROM צרוב שם בתהליך הייצור

הוא אינו רגיש לשינויי מתח ואינו נמחק.

זכרון קריאה בלבד מתכנת (PROM)

זכרון מסוג PROM זהה כמעט בכל לזכרון ROM מלבד העובדה שניתן לכתוב עליו פעם אחת. כתיבה זו נעשית לפני שהוא מורכב

במחשב. המחשב יכול רק לקרוא את המידע בזכרון ה-PROM ולא יכול לשנות אותו או לכתוב שם. מכיוון שהמידע ב- PROM

צרוב שם בתהליך הייצור הוא אינו רגיש לשינויי מתח ואינו נמחק.

זכרון קריאה בלבד מתכנת מחיק (EPROM)

זכרון זה הוא זכרון PROM רגיל, אלא שניתן למחוק ולכתוב מספר גדול מאוד של פעמים. פעולת המחיקה נעשית על ידי

הקרנת אולטרא-סגול בחלון הנמצא על השבב.מחיקה זו מוחקת את כל התכולה של השבב. הצריבה מתבצעת באותו האופן של שבב

PROM רגיל.

זכרון קריאה בלבד מתכנת מחיק אלקטרונית (EEPROM)

בדומה לזכרון EPROM, גם שבב זה ניתן למחיקה וכתיבה חוזרת, אך בצורה אלקטרונית. יחד עם זאת, לא ניתן להשתמש בו

כתחליף ל-RAM מכיוון שהוא איטי הרבה יותר ומחייב מחיקת כל התכולה שלו כדי לבצע שינוי.

זכרון בלתי מתנדף (NON-VOLTILE)

מחשבים מסוימים משתמשים בסוג של RAM מסוג בלתי נדיף, כלומר אינו תלוי באספקת מתח. זכרון כזה יכול להימחק רק

בשימוש בתהליך מיוחד ספיציפי.

זכרון הבזק (FLASH)

הזכרון הנפוץ היום הוא זכרון FLASH, זכרון זה אינו תלוי במתח, מהיר פעולה, מאפשר שינוי של חלק מהזכרון ואינו מחייב

מחיקת כל תוכן השבב, זול, ובשנית הבאות יתפוס את מקום שבבי ה – EEPROM לחלוטין.