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除了硬件、软件,固件是干什么的?

助工
2019-11-24 15:15:16    评分

      软件跟硬件之间的界限已经越来越模糊了,那么处于这个灰色地带的,就是固件了。这就分成三类工作者。
   1、软件工程师一般指做图形界面的程序员,工作内容就是写C++、JAVA、Web等。

   2、硬件工程师当然是指玩电路板的,工作内容就是画原理图、PCB等。

   3、固件工程师也叫单片机工程师,既写代码(主要是C语言、汇编)又要画电路图。

     玩单片机的人,可能会有个疑问,为什么我写的C语言能操作到底层的硬件?其实在《计算机组成原理》已经有很详细的介绍了。
我这里粗略地介绍一下,这个原理。

 

首先你可以搜索一下“从零开始造电脑”,这位叫Steve的大神,就告诉你,用晶体管可以做出CPU(单片机也是CPU)。

微信图片_20191124150641.jpg

当然,我们现在可不会落后到需要到晶体管来制造电脑。


接下来,你可以看一部叫《乔布斯》的电影,剧中就给你展示苹果公司的第一台计算机。

微信图片_20191124150705.jpg

嘿嘿,看到那些黑色的芯片没有?还有两个大大的变压器。这说明了在大学玩单片机的时代,就相当于回到苹果公司的初始时期!是不是很激动人心?


其实你可以用74系列的逻辑IC、单片机等,来搭建一个属于自己的计算机。这就是说人们把若干个晶体管集成为一块74系列的IC,如果集成度更高呢?那就是手机或者台式机用的多核CPU了。


好,介绍了这些古董之后,就让你有个认识,计算机本质上是N个晶体管的组合,也是数字逻辑芯片的组合,更高级的,就是一块数模混合的芯片,具体形式是由你的工艺决定的。现在回到正题,介绍一下数电的基础知识。


因为CPU主要功能是计算,也就是可以直接运用数学知识来解决问题,这里就举个例子介绍一下,CPU如何计算加法,也就是用数电里的门电路搭一个加法器。

微信图片_20191124150738.png

怎样用晶体管搭这些与、或、非门就不说了,不懂的,可以翻书。上图就告诉你,可以用这些门电路搭一个加法器。


怎样输入Ai=0,Bi=1,Ci=0?用74系列的IC的话,可以直接把Ai,Ci接GND,Bi接VCC,就实现加法了。而在CPU内部也是一样可以这样做的,但是CPU可没那么死板,只算常数的加法。

微信图片_20191124150810.jpg

上图中,蓝色箭头指向的1,就是接VCC的,而红色箭头,就是接GND。


在CPU内部,还有ROM,它可以把你要计算的加数和被加数存进去(ROM输出的高低电平,跟你接GND和VCC是一样的效果),而结果则存在寄存器(先暂存,以备后面使用)。


现在有个问题,如果加完之后还要计算乘法(在信号处理领域的卷积运算的核心单元就是乘加器),怎么办?谁来自动完成这个动作?幸好,CPU里面有个叫ALU(算术逻辑单元)来处理这件事情。

微信图片_20191124150841.jpg

这里的控制单元,就把ROM里面的数据取出来,再用选择器,来调用加法器和乘法器,最终把结果存到寄存器中。


如果ROM里面只存数据,那是无法让控制单元知道,你要执行加法还是乘法,要解决这个问题,就需要在ROM里面再划分一个区域,存放指令码。


这个指令码,跟数据是一样,都是0、1的二进制数,只是用途不同,所以起了不同的名字。


其实这个指令码,对应在单片机里面的汇编语言,就是操作码(如:MOV);而操作数就是数据(如:01H)。具体的,可以看看单片机的教材。
根据指令码的设计方法来分,有四种,分别是CISC、RISC、VLIW、TTA,具体区别可以看计算机组成原理。


而PC(程序计数器)就是控制ROM的地址,现在你要知道PC是不能出错的,一旦出错,就意味着单片机不按照你的代码来工作。


现在,我在8位的CPU的ROM里面,第一个地址存了0x03这个指令码来代表加法,而在第二、三个地址存了加数和被加数,然后在第四个地址存了0x05代表乘法,在第五、六个地址存了乘数和被乘数。


那么,按照一定的规则来设计控制单元(这个规则可以自己定义的),它就知道0x03是要执行加法。


那么这个规则如何设计?最简单的,就是用与门了,然后输出一个使能信号,让加法器工作,就跟上面的74LS160差不多。


但是CPU可没那么简陋,它可以使用状态机、流水线等,来控制这些基本单元(如:加法器、乘法器),如下图所示。

微信图片_20191124150912.jpg

说到这里,你至少应该知道,我们只要改变ROM的内容,就可以操作CPU内部的ALU,从而操作CPU的各个硬件单元了。


下面给个相对完整一点的ALU内部结构图。

ROM的内容本质上是一些电荷量(电容上有、无电荷,代表二进制的1和0),也就是固件、软件工程师写的代码。而硬件,就是由晶体管搭建的数字、模拟电路(如:单片机内部的比较器、ADC等)。


所以硬件是物理器件,不容易更改;而ROM的内容完全可以用烧录器就轻松改变它,修改成本非常低,而且很灵活。


在这里,你很难表述,这些电荷量是软件还是硬件,但是CPU的这种结构,导致了两种不同类型的工作者,我们称他们为软件工程师和硬件工程师。而单片机程序员写的代码,跟硬件密切相关,而且一旦完成之后,很少需要修改的(不像软件工程师修改的那么频繁),我们称之为固件。

转帖自网络



工程师
2019-11-26 22:45:10    评分
2楼

从本质看广义 !不错


助工
2019-12-02 22:51:41    评分
3楼

在我看来,固件是软件系统里面的一个子集,多数是指“微处理器”的功能程序、软件。


工程师
2019-12-02 23:09:14    评分
4楼

固件工程师也叫单片机工程师,这个很形象啊 !

不过,我觉得现在固件工程师,现在还包括: 16位,ARM或 其他32位处理器等 “嵌入式系统的各类软件工程师”。具体来说,就是非PC软件工程师



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