软件是如何驱动硬件的，代码是怎样对计算机实现控制的？

红太狼 2022-07-16 13:52 185阅读 0赞

作为一名入世未深的程序员，一直很好奇编写的一行行代码是如何实现对电脑硬件的驱动，明明一个感觉是虚拟的东西，而另一个是实实在在的存在，观念上感觉压根就不是一个时空的东西，他们却偏偏能产生关系，并且能如此协调的工作着，于是便搜索相关信息，看到了比较好的解释，就借来补充一下知识面~

我们不妨从最底层开始往上走。  
  
1. 二进制理论  
  
众所周知，电脑，手机以及其他大量的电子设备，都是基于复杂的数字电路进行工作的。而数字电路则通过循环往复地完成一系列的指令，来输出我们想要的结果。  
  
那究竟里面的工作原理是什么样子的呢？  
  
首先，我们需要一套数字理论。  
  
上帝说，我们需要一个理论。于是莱布尼茨诞生了。  
莱布尼茨提出了二进制，这成为了现代计算机理论的基础。至于是老子启发了他,还是他自己坐而悟道想出了二进制，其实已经不重要了。有了二进制，一切变得简单起来：  
  
我们可以只用1 和0 来代表所有数字，进行和十进制一样的代数运算。虽然对于人脑来说，二进制非常不雅观， 比如：  
  
10001010101010101010 \* 0101001101010 = 0101101001000001010011100110100。  
  
但它对于计算机来说， 则最简洁，最直观，最高效。  
  
1.1 二进制运算  
  
每一位都只可能是1或者0，运算符号也就是加减乘除。虽然长，位数多，但速度极快！因为，但就每一位来说，运算之后，只会有几种情况：  
1 + 1 -> 0， 进一位(, 这个)  
1 + 0 -> 1.  
0 + 1 -> 1.  
0 + 0 -> 0.  
  
所以说，《三体》中，刘慈欣讲到人肉计算机一说。单个运算单元只需要记住特定指令相对应的操作即可，甚至连加减乘除都不需要会。 但这个在现实里面并不可能完成。假设这个运算恒纪元的程序有10000条指令（但显然这个条件都不成立，因为这个程序必然很复杂，涉及复杂的浮点运算和逻辑算法，甚至还有平方开放积分微分，10000条机器代码都不够塞牙缝的）， 每条指令需要100个逻辑单元，每个单元的运算时间1秒钟，那么整个程序就需要1000000s (11天13小时46分钟)。。。所以可能程序还没算完，乱纪元又来了，所有人来不及脱水都死了。这还不算发盒饭，上厕所时间。  
  
1.2 二进制逻辑  
  
而且，电脑可以理解是非对错了。计算机以1表示“对”，“是”，“正确”。以0表示“错”，‘否’，‘错误’。然后又引进了“或”，‘与’，‘否定’，等逻辑语句。  
  
我们用 || 表示“或”，表示两者有一个成立即成立（我是学工科的（1） || 我是学计算机的（0） = 我没有女朋友（1））。  
0 || 0 = 0  
0 || 1 = 1  
1 || 0 = 1  
1 || 1 = 1  
我们用&& 表示“与”，表示两者都成立方可成立。（我是学工科的（1）&& 我是男的（1） = 我没有女朋友（1））。  
0 && 0 = 0  
0 && 1 = 0  
1 && 0 = 0  
1 && 1 = 1  
  
2. 数字电路的实现  
  
2.1. 逻辑门  
我们有了数字理论，那怎么才能做出逻辑电路呢？怎么才能用来运算呢？我们引入这些理想的逻辑门，靠他们来作运算。  
\&lt;img src="https://pic2.zhimg.com/97fa8547f049daa6342ffd2028928ca1\_b.jpg" data-rawwidth="341" data-rawheight="221" class="content\_image" width="341"\&gt; ![97fa8547f049daa6342ffd2028928ca1_b.jpg][]  
这个就是与门，除非两个输入都是1，则输出1， 否则输出0.  
  
  
\&lt;img src="https://pic2.zhimg.com/e6573402f2cb3176e9ef159e044c9b79\_b.jpg" data-rawwidth="285" data-rawheight="157" class="content\_image" width="285"\&gt; ![e6573402f2cb3176e9ef159e044c9b79_b.jpg][]  
这个就是或门，除非两个输入都是0，则输出0，否则输出1.  
  
  
  
\&lt;img src="https://pic1.zhimg.com/53d94fa755fbed4f80f8d4aad4819f30\_b.jpg" data-rawwidth="333" data-rawheight="238" class="content\_image" width="333"\&gt; ![53d94fa755fbed4f80f8d4aad4819f30_b.jpg][]  
  
这个就是非门，它会对输入取反（1变0，0变1 ）  
  
  
\&lt;img src="https://pic2.zhimg.com/bbf9b74960381ab7d175c96333ab9c55\_b.jpg" data-rawwidth="374" data-rawheight="135" class="content\_image" width="374"\&gt;这个叫或非电路，除非两输入相同则输出0，否则输出1 ![bbf9b74960381ab7d175c96333ab9c55_b.jpg][]这个叫或非电路，除非两输入相同则输出0，否则输出1  
  
现在，仅用一个理想原件，就可以做一次逻辑运算了！  
  
那如何做代数运算？比如加法？  
\&lt;img src="https://pic4.zhimg.com/b77ceb22b8f57d384112809914dd29ab\_b.jpg" data-rawwidth="484" data-rawheight="278" class="origin\_image zh-lightbox-thumb" width="484" data-original="https://pic4.zhimg.com/b77ceb22b8f57d384112809914dd29ab\_r.jpg"\&gt;以上的电路就能完成2以内的加法了。 ![b77ceb22b8f57d384112809914dd29ab_b.jpg][]以上的电路就能完成2以内的加法了。  
当两个输入都是0， 高位输出0， 低位也是0 =》 0  
当两个输入都是1， 高位输出1， 低位也是0 =》 2  
当输入一个0一个1，高位输出0， 低位也是1 =》 1  
  
所以，大家也看到了，这个逻辑电路其实并不明白加法，它只是照部就搬的给我们了碰巧正确的结果——这就是我们常说的‘中文房间’的思想实验。  
  
我们有了2以内的加法，那么4以内也好解决了，8，16。。。以此类推，我们只要把数字电路互相叠加，就能得到很多功能，比如说加减乘除，求余等等数学运算，相应地，逻辑电路也会越来越复杂：  
\&lt;img src="https://pic4.zhimg.com/4009eac737796376f4d93af69ec4eaff\_b.jpg" data-rawwidth="1440" data-rawheight="544" class="origin\_image zh-lightbox-thumb" width="1440" data-original="https://pic4.zhimg.com/4009eac737796376f4d93af69ec4eaff\_r.jpg"\&gt; ![4009eac737796376f4d93af69ec4eaff_b.jpg][]  
我们现在有了CPU，他可以完成简单的运算，但是这还不够。  
  
我们要编程。  
  
2.2. 编程  
程序本身就是指令的集合。  
  
所谓的编程就是将程序员所要实现的效果，用系统支持的指令写下来。就好比给你一本唐诗三百首，让你用里面的诗句组合（杂烩）成你想要表达的意思。  
  
当我们安装一个程序的时候，它本身实在硬盘里面的。 只有当我们启动它的时候，系统才会到硬盘里，找到该程序，然后将其读取到内存中。  
  
将设我们还在使用一个几十年前的电脑，这个电脑每次操作只操作的数字只有八个0或者1，也就是我们常说的8位系统。这些指令被存放到内存里面之后，CPU又会把它当下要执行的那一句放到寄存器里面，然后执行这条指令。一条接一条，循环往复。  
  
假设我们有一个8位指令。CPU得到它之后，就会分析，这一个指令里面，哪一段是操作符，哪一段是数字。比如：0101 00 11，它会读前四位，发现是加法（我瞎编的），然后读5-6位发现是0，7-8位是3，所以输出3。  
  
CPU得到3之后，会把它放到寄存器里面，然后进行后续操作。  
  
当然看似简单，8位操作里面的数字电路也会是无比复杂了（这还只是几十年前的科技，如今intel 64位处理器的复杂程度可见一斑）。  
  
至此，我们已经可以编程了。我们的程序会是这样子。  
  
00101010  
10101010  
01001101  
01010010  
  
计算机诞生之初，程序的确是这样的。但假如让如今的程序员来干这种事情，肯定又得哭爹喊娘一顿了（误）。所以，后来，出现了汇编语言。比如：  
MOV R1, \#0x1  
MOV R2, \#0x1  
ADD R1, R2, R1  
这是ARM的汇编指令，读出来如下  
在寄存器R1里面装1，  
在寄存器R2里面装1，  
计算R1 + R2 并将值放到R1里面。  
  
这就是一个简单的加法程序了。  
  
但是呢，这种程序写起来还是很不舒服，效率极低。  
于是高级语言语言。  
int a1 = 1;  
int a2 = 2;  
a1 = a1 + a2;  
  
这是c语言里面的一个简单加法。这个程序被我写完之后，会被编译出来——也就是有一个c的编译器，将这个程序转换成01010101 这样的指令（往土了说，就是个翻译机，把人类语言翻译成1&0）。当我们运行这个程序的时候，电脑会把这些东西放到内存里面，然后逐行的读取，然后一行行的运算。  
  
好了，我们可以回归问题了。  
  
3. CPU 对硬件的控制  
  
3.1. 对CPU的误解  
  
在我学习这些东西之前，我对CPU有一种误解。我以为在电脑里面，只有CPU是活的。换句话说，整个电脑里面，事无巨细，都是CPU一手操办的，就像一个勤奋的全栈工程师一样。  
  
其实，CPU更像是个产品经理。  
  
举个例子，我们的电脑里面有蓝牙。蓝牙里面其实也有一个CPU，更确切的说，是个MCU（Micro Control Unit),它负责将无线蓝牙信号解码成数字信号等一系列的操作，而CPU得工作只是协调MCU做相应的工作而已。  
  
给个场景：你打开了听歌软件，输出设备是蓝牙耳机。  
软件：哥，给我个耳机呗。  
CPU：大妹子，耳机没插，倒是有个蓝牙耳机。  
软件：那哥，你告诉蓝牙，俺要在他那里唱歌呗。  
CPU：欧了。  
CPU转向蓝牙。  
CPU：嘿，那个傻大个，说你呢，瞅啥，俺大妹子要你给她干个活。  
蓝牙：哥，你等会儿。  
蓝牙：scanning devices.....  
蓝牙：searching for possible peripherals providing required service.....  
蓝牙：device BLEX00010EFD010 discovered.....  
CPU: 啥玩样儿啊，让你干点事儿，咋这么墨迹呢？  
蓝牙：哥，这事儿费神，您和大妹子多担待啊。  
蓝牙：bonding with BLEX00010EFD010.  
蓝牙：bonding succeeded.  
蓝牙：Bluetooth Service Linkage Established.  
蓝牙：哥，成了，叫大妹子开始吧。  
CPU：真墨迹。  
CPU转向音乐软件。  
CPU：大妹子，开始吧。  
软件：哥，叫他唱“我是女生，可爱的女生”。  
CPU：转向蓝牙。  
CPU：傻大个，唱，“我是女生，可爱的女生”。  
蓝牙：check linkage lost?  
蓝牙：linkage quality good.  
蓝牙：signal to noise ratio: -20dB.  
蓝牙：transmission rate：1 Mb/s.  
蓝牙：我是女生，可爱的女生。。。。。  
  
所以，在这个实例里面，CPU只是充当了协调&领导的角色。所以一个程序得以实现，其实仰仗于CPU能顺畅，有效的发布指令，和得到结果。  
  
而这些信息的通道就叫 BUS，或者叫总线。  
  
3.2. 总线（BUS）  
就像上网用网线一样，电脑内部的通信也依赖于总线。这些总线传输数据，指令，地址等一系列的信息，是电脑完成各项计算和操作人物的物理基础。在计算机内部，每一个硬件设备都以特定的方式与CPU想连。哪怕是外接设备，也可以通过USB，SD卡槽得以连接。  
  
但单单有物理基础还是不够的，就像你只有电话线，只有网线，只有天线。  
  
你还需要一些通讯协议。  
  
4.3 通讯协议  
谁都有嘴，但并不是谁和谁都可以用嘴高效正确地传递信息。（我就发现，一和女孩子讲话，我就懵逼。） 而一门共同的语言就像是一个协议，确保双方所言所闻都能被正确的处理。总线也一样，也需要有一套既定的协议，得以让信息能在CPU和MCU之间正常往来。比较常用的协议有SPI， I2C, UART, 等等。这些协议规定了，什么指令表明什么含义，什么时候可以发信息，有几条数据线，电压多少，频率多少，等等。事无巨细，一律都有非常严谨统一的规定。  
  
为了不让看官厌烦，我也不会跟老学究老教授一样说一堆，如果后面有空间，我可以举几个例子，这边我暂且按下不表。  
  
4. 最终章：总结暨对这个问题的直接回复  
当程序员在电脑的终端写下一行命令，比如说"turn off the bulb"(我们假设有个程序员在CPU上接出一根电线到一个小灯泡上面) 。从打下到执行有如下步骤。  
  
我们的这句话会被编译成若干个指令，就像（瞎编）：  
0101 0000（翻译：CPU把0写到内存里特定的位置），  
00010101（翻译：通过总线，用I2C，叫一下小灯泡的MCU），  
  
然后小灯泡被叫了一下之后，自己到约定的这个内存为止去读数字，发现是0，所以输出0，这个0 就是个低电压，可以理解成0V，然后0V和5V与逻辑之后，就是0V，所以小灯泡就关了。  
  
当然，我上面也纯属扯淡，这个指令不可能用短短几行代码来完成。使用I2C协议本身可能就需要超过一百条代码：通过吧某些地方的电压拉低，某些地方的电压拉高，来完成通信，有点类似黑帮片里面交易双方互相闪车灯。  
  
今天先写这些，后面有时间会再补充一些内容。  
  
看官们鼓励一下把。  
  
\-------补充-------  
  
5. 逻辑门的物理实现：MOSFET  
  
有了理论上的逻辑门，现在需要做的，就是着手设计切实可用的逻辑元件。从最开始的阴极管到现在的晶体管（Transistors）,在过去的大半个世纪，这些逻辑元件的实现经历了数次更新迭代。无论在速度，稳定性上，都出现了质的飞跃。  
  
今天，我们就来讲一下MOSFET（metal–oxide–semiconductor field-effect transistor，金属氧化物场效应晶体管），它是现如今电子行业用的最多的逻辑元件，比如说我们常听到CMOS技术等等，就是基于MOSFET。  
  
但是，在开始之前，我们必须先涉猎枯燥的，玄幻的，又非常重要的半导体理论。  
  
5.1. 硅  
  
一切都要从硅开始说起。  
  
硅，其实并不稀奇。  
  
地球上最多的元素：氧硅铝铁。这个我们都会背。  
  
如果说没有贝尔实验室和那一群伯乐（我忘记那些科学家的名字了），可能硅还是会很平凡的，作为砂石，存在这个星球上。  
  
硅，基于我非常有限的高中化学知识：四价，共价键，非常稳定，不易得电子，不易失电子。  
  
除了稳定，看似没什么鸟用。但是，当少量的+3/+5价单质（如：Ga/As）被混入硅之后，我们就真的化腐朽为神奇了。  
  
比如说，假如我们把0.1 Mol的As混入了1 Mol的Si之后，因为As为+5价，所以相比于Si，那个多出来的电子非常活跃，容易脱离原子核。这就导致一块不带电的混合物里面，有大量的（这里，大量只是相对于一块Si单质）带正电的原子核（+5As丢了一个电子）和同等量的游离电子（e）。我们称这块混合半导体为n-type（negative）。  
  
到这里其实非常好理解。easy peasy。  
  
同理，我们可以想象把0.1 Mol的Ga混入另外一个1 Mol的Si里面。这时候，那些牛逼的理论物理学家在这时候引入了穴的概念（Holes）。因为Ga特别容易得电子，导致有些Si的电子会被Ga偷取，留下了一些穴，而这些穴，就像+1的电子，也会不停的运动。我们称这个半导体为p-type（positive）。  
  
然后，当我们把一个p-type 和一块n-type放在一起的时候，神奇到让人无法相信的事情发生了。  
  
（我觉得我可能都讲不清楚~~~~~~~）  
  
5.2. PN Junction（PN 结）  
  
我们可以自己做一下思想实验，接触面两边邻域的电子和穴会互相中和，导致这一块区域（depletion region）的电子和穴非常稀少，而那些固定的原子核（包括带+1的As和带-1的Ga）并不会变化。他们会造成一个稳定的电场，阻止了其他地方的电子和穴涌入。于是一个动态稳定（dynamic equilibrium）形成了，如图。  
\&lt;img src="https://pic4.zhimg.com/d31a4e375bf257d8b4dd1ac86ccc7f9b\_b.png" data-rawwidth="661" data-rawheight="248" class="origin\_image zh-lightbox-thumb" width="661" data-original="https://pic4.zhimg.com/d31a4e375bf257d8b4dd1ac86ccc7f9b\_r.png"\&gt;为了看官不头疼，这里我省去若干章节。总而言之，言而总之。到这里，我们就得到了一个二极管。 ![d31a4e375bf257d8b4dd1ac86ccc7f9b_b.png][]为了看官不头疼，这里我省去若干章节。总而言之，言而总之。到这里，我们就得到了一个二极管。  
  
当我们施加一个正向电压的时候，depletion region会因为电压的缘故变薄，大量的电子和穴得以穿过，造成很强的电流。而当我们施加一个反向电压的时候，depletion region会变厚，电流无法通过。  
  
wah lah ~  
  
5.3. 场效应晶体管  
  
有了这个理论，后面要做的就不难了。（Bazinga！写到这里我已经彻底懵了，我是照着参考书写的。）  
  
一个MOSFET就长这样。  
\&lt;img src="https://pic3.zhimg.com/02821f8e167993b00416c3e8d85c925a\_b.png" data-rawwidth="357" data-rawheight="342" class="content\_image" width="357"\&gt;为了便于理解它的工作原理，我们可以把它简化成这样： ![02821f8e167993b00416c3e8d85c925a_b.png][]为了便于理解它的工作原理，我们可以把它简化成这样：  
\&lt;img src="https://pic2.zhimg.com/af795018c6c0530b8f771b34fb27584d\_b.png" data-rawwidth="641" data-rawheight="473" class="origin\_image zh-lightbox-thumb" width="641" data-original="https://pic2.zhimg.com/af795018c6c0530b8f771b34fb27584d\_r.png"\&gt; ![af795018c6c0530b8f771b34fb27584d_b.png][]  
当我们不给Gate这个电压的时候，我们得到了两个典型的PN Junction（Drain & Subtract， Subtract & Source），电流是无法流过的。  
  
当我们给Gate施加一个正电压的时候，Gate的上层带正电，下层则带了负电。但因为Gate是个不导电的金属氧化物，所以它的下部会形成一个n type 通道（induced electron inversion layer）--电子可以直接从Source流到Drain。于是，我们得到了一个电流通路。  
  
这就是我们的逻辑开关了。  
  
最后，我们需要了解，MOSFET可以分为两种，一种叫P-MOS， 一种叫N-MOS。我们上面的图例其实是NMOS因为整个的载体为电子。很显然，PMOS的载体就是穴，它的source和drain都是P-type。  
  
在现实的使用中，两者的区别就是：  
High Gate Voltage Low Gate Voltage  
PMOS 断路 通路  
  
NMOS 通路 断路  
  
  
\&lt;img src="https://pic2.zhimg.com/712e825912f58a17cb441e2ea841714d\_b.png" data-rawwidth="315" data-rawheight="167" class="content\_image" width="315"\&gt; ![712e825912f58a17cb441e2ea841714d_b.png][]  
5.4. CMOS （Complementary MOSFET BALABALA）逻辑电路  
  
单个的MOSFET似乎并没有神力，但当若干个mosfet组合到一起，我们就可以很轻松的得到各种我们想要的逻辑门。  
  
  
  
\&lt;img src="https://pic1.zhimg.com/e388f0e4f51b59e9698a1b42a68c0100\_b.png" data-rawwidth="493" data-rawheight="420" class="origin\_image zh-lightbox-thumb" width="493" data-original="https://pic1.zhimg.com/e388f0e4f51b59e9698a1b42a68c0100\_r.png"\&gt; ![e388f0e4f51b59e9698a1b42a68c0100_b.png][]  
  
这个图例看起来很复杂，但其实是个纸老虎。首先，我们给Vdd通5V电源。  
  
假设两个输入都是1， 即5V。对照5.3.的最后的表格  
Q1: 通  
Q2: 通  
Q3: 断  
Q4: 断 (Q1 和Q2 通导致Q5和Q6的Gate连到了5V，也即高电压上)  
Q5: 通  
Q6: 断  
所以，输出连接到了Vdd，也即5V，也即1.  
同理，其他易证。

[97fa8547f049daa6342ffd2028928ca1_b.jpg]: /images/20220715/19a66c13f2674602995ae8d714c58866.png
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