带大家详细认识一下固件是干什么的

现如今，软件和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。于是，这就分成了三类工作者：

一是，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。 二是，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。 三是，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）。

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。 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。

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。

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。

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：

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。 下面给出相对完整一点的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。

编辑：jq