[導(dǎo)讀]關(guān)注、星標(biāo)公眾號,直達(dá)精彩內(nèi)容文章來源:網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)如今,軟件和硬件之間的界限已經(jīng)越來越模糊了,那么處于這個(gè)灰色地帶的,就是固件。于是,這就分成了三類工作者:一是,軟件工程師一般指做圖形界面的程序員,工作內(nèi)容就是寫C、JAVA、Web等。二是,硬件工程師當(dāng)然是指玩電路板的,工作內(nèi)容就是...
文章來源:網(wǎng)絡(luò)
現(xiàn)如今,軟件和硬件之間的界限已經(jīng)越來越模糊了,那么處于這個(gè)灰色地帶的,就是固件。于是,這就分成了三類工作者:
一是,軟件工程師一般指做圖形界面的程序員,工作內(nèi)容就是寫C 、JAVA、Web等。
二是,硬件工程師當(dāng)然是指玩電路板的,工作內(nèi)容就是畫原理圖、PCB等。
三是,固件工程師也叫單片機(jī)工程師,既寫代碼(主要是C語言、匯編)又要畫電路圖。
玩單片機(jī)的人,可能會(huì)有個(gè)疑問,為什么我寫的C語言能操作到底層的硬件?其實(shí)在《計(jì)算機(jī)組成原理》已經(jīng)有很詳細(xì)的介紹了。
我這里粗略地介紹一下,這個(gè)原理。
首先,你可以搜索一下“從零開始造電腦”,這位叫Steve的大神,就告訴你,用晶體管可以做出CPU(單片機(jī)也是CPU)。
當(dāng)然,我們現(xiàn)在可不會(huì)落后到需要到晶體管來制造電腦。
接下來,你可以看一部叫《喬布斯》的電影,劇中就給你展示蘋果公司的第一臺計(jì)算機(jī)。
嘿嘿,看到那些黑色的芯片沒有?還有兩個(gè)大大的變壓器。這說明了在大學(xué)玩單片機(jī)的時(shí)代,就相當(dāng)于回到蘋果公司的初始時(shí)期!是不是很激動(dòng)人心?
其實(shí)你可以用74系列的邏輯IC、單片機(jī)等,來搭建一個(gè)屬于自己的計(jì)算機(jī)。這就是說人們把若干個(gè)晶體管集成為一塊74系列的IC,如果集成度更高呢?那就是手機(jī)或者臺式機(jī)用的多核CPU了。
好,介紹了這些古董之后,就讓你有個(gè)認(rèn)識,計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是N個(gè)晶體管的組合,也是數(shù)字邏輯芯片的組合,更高級的,就是一塊數(shù)?;旌系男酒唧w形式是由你的工藝決定的。現(xiàn)在回到正題,介紹一下數(shù)電的基礎(chǔ)知識。
因?yàn)镃PU主要功能是計(jì)算,也就是可以直接運(yùn)用數(shù)學(xué)知識來解決問題,這里就舉個(gè)例子介紹一下,CPU如何計(jì)算加法,也就是用數(shù)電里的門電路搭一個(gè)加法器。
怎樣用晶體管搭這些與、或、非門就不說了,不懂的,可以翻書。上圖就告訴你,可以用這些門電路搭一個(gè)加法器。
怎樣輸入Ai=0,Bi=1,Ci=0?用74系列的IC的話,可以直接把Ai,Ci接GND,Bi接VCC,就實(shí)現(xiàn)加法了。而在CPU內(nèi)部也是一樣可以這樣做的,但是CPU可沒那么死板,只算常數(shù)的加法。
上圖中,藍(lán)色箭頭指向的1,就是接VCC的,而紅色箭頭,就是接GND。
在CPU內(nèi)部,還有ROM,它可以把你要計(jì)算的加數(shù)和被加數(shù)存進(jìn)去(ROM輸出的高低電平,跟你接GND和VCC是一樣的效果),而結(jié)果則存在寄存器(先暫存,以備后面使用)。
現(xiàn)在有個(gè)問題,如果加完之后還要計(jì)算乘法(在信號處理領(lǐng)域的卷積運(yùn)算的核心單元就是乘加器),怎么辦?誰來自動(dòng)完成這個(gè)動(dòng)作?幸好,CPU里面有個(gè)叫ALU(算術(shù)邏輯單元)來處理這件事情。
這里的控制單元,就把ROM里面的數(shù)據(jù)取出來,再用選擇器,來調(diào)用加法器和乘法器,最終把結(jié)果存到寄存器中。
如果ROM里面只存數(shù)據(jù),那是無法讓控制單元知道,你要執(zhí)行加法還是乘法,要解決這個(gè)問題,就需要在ROM里面再劃分一個(gè)區(qū)域,存放指令碼。
這個(gè)指令碼,跟數(shù)據(jù)是一樣,都是0、1的二進(jìn)制數(shù),只是用途不同,所以起了不同的名字。
其實(shí)這個(gè)指令碼,對應(yīng)在單片機(jī)里面的匯編語言,就是操作碼(如:MOV);而操作數(shù)就是數(shù)據(jù)(如:01H)。具體的,可以看看單片機(jī)的教材。
根據(jù)指令碼的設(shè)計(jì)方法來分,有四種,分別是CISC、RISC、VLIW、TTA,具體區(qū)別可以看計(jì)算機(jī)組成原理。
而PC(程序計(jì)數(shù)器)就是控制ROM的地址,現(xiàn)在你要知道PC是不能出錯(cuò)的,一旦出錯(cuò),就意味著單片機(jī)不按照你的代碼來工作。
現(xiàn)在,我在8位的CPU的ROM里面,第一個(gè)地址存了0x03這個(gè)指令碼來代表加法,而在第二、三個(gè)地址存了加數(shù)和被加數(shù),然后在第四個(gè)地址存了0x05代表乘法,在第五、六個(gè)地址存了乘數(shù)和被乘數(shù)。
那么,按照一定的規(guī)則來設(shè)計(jì)控制單元(這個(gè)規(guī)則可以自己定義的),它就知道0x03是要執(zhí)行加法。
那么這個(gè)規(guī)則如何設(shè)計(jì)?最簡單的,就是用與門了,然后輸出一個(gè)使能信號,讓加法器工作,就跟上面的74LS160差不多。
但是CPU可沒那么簡陋,它可以使用狀態(tài)機(jī)、流水線等,來控制這些基本單元(如:加法器、乘法器),如下圖所示:
說到這里,你至少應(yīng)該知道,我們只要改變ROM的內(nèi)容,就可以操作CPU內(nèi)部的ALU,從而操作CPU的各個(gè)硬件單元了。
下面給出相對完整一點(diǎn)的ALU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖:
ROM的內(nèi)容本質(zhì)上是一些電荷量(電容上有、無電荷,代表二進(jìn)制的1和0),也就是固件、軟件工程師寫的代碼。而硬件,就是由晶體管搭建的數(shù)字、模擬電路(如:單片機(jī)內(nèi)部的比較器、ADC等)。
所以硬件是物理器件,不容易更改;而ROM的內(nèi)容完全可以用燒錄器就輕松改變它,修改成本非常低,而且很靈活。
在這里,你很難表述,這些電荷量是軟件還是硬件,但是CPU的這種結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了兩種不同類型的工作者,我們稱他們?yōu)檐浖こ處熀陀布こ處煛6鴨纹瑱C(jī)程序員寫的代碼,跟硬件密切相關(guān),而且一旦完成之后,很少需要修改的(不像軟件工程師修改的那么頻繁),我們稱之為固件。
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一般從事互聯(lián)網(wǎng)工作,尤其是軟件類崗位,通常加班現(xiàn)象都是比較嚴(yán)重的。那么,做硬件的就沒有加班了嗎?
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