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软件是如何做到控制芯片电路的闭合的?

纯手打微机原理了解一下🙃😀。

除了没配图(纯手机码字配图要奔溃的),我觉得没毛病,哈哈。当然了,大神莫怪,我是想用尽可能通俗的语言去解释,毕竟这不是微机原理课,我也不是数电专家。

1,程序从电路层面看,就是0和1而已。所以本质上,程序只是一串长长的0和1,所以存储程序就是存储0和1。那么在物理上,我们用电压高低表示0和1就可以了。想要存储起来,硬盘就是个好办法,我们可以用磁场的强和弱来表示01,或者用磁极南和北表示01,当然也可以用电场强弱表示0和1,于是科学家就发明了机械硬盘,它是基于磁场来存储的,后来又发明了固态硬盘,它是基于电场来存储的,存储电场高低最好的例子,就是电容。当我们想要读取程序时,就是读取0和1,也就是读取高低电压,或者叫电平,读取高低电平,你简单理解一下,就可以用一排电线,电线的一头连着一个神奇的元件,以机械硬盘为例(基于磁场存储0和1),这个元件可以根据磁盘中磁场的变化,转变成01这种高低电平的变化,然后这些变化的电平通过电线送到另一头的“电平处理机”——硬件。这样子就是读取程序了。

2,那么,软件如何控制硬件呢?就是说,这些输送过去的0和1如何控制硬件呢?它通过另外一种神奇的东西“门电路”。首先,什么叫控制?控制就是我们希望,从程序里读取过来的0和1,能不能让它变成1和0,具体来讲就是01序列的变换,这个变换也是用门电路来实现。比方说,有个叫“与门”的电路,他有两个输入,一个输出。你给他输入两个1时,他就输出1,其他情况都输出0。像这样子的输入输出过程其实就是序列变换,也可以说你是在用软件控制硬件了。你可能要问,要输入10个1或0怎么办啊?那就把门电路组合起来呀,设法让门电路变成10个输入,甚至更多就可以了。

3,那“门电路”是如何实现的呢,从物理的角度,他是用晶体管做成的,晶体管他是一种电子开关,这种电子开关就能做出各种各样的“门电路”,比如上面讲的“与门”。简单说,晶体管是利用硅(或锗)这类半导体的一个重要特性来实现门电路,就是硅的参杂特性,利用这个特性可以用一个小电流(或电压)来控制一个硅半导体的“通电”或“断电”,就达到了“电子开关”的目的(实际造电子开关的材料和方法还有很多种,这里是为了举例),而这个小电流就是控制信号。

4,那么,为什么电路一闭合,程序就工作起来了呢?前面我们说了,程序控制硬件(或者叫硬件处理程序中的数据),就是把01序列不断地输入到硬件中去处理的过程(其实处理你硬盘上数据的东西,它本身也是个程序,软硬件本质上是一样的)。那么,数据到底是怎么输入的呢?试想一下,你搭建了一个闭合电路,开头是一个硬盘数据读取装置——》然后是导线——》硬件(电平处理机)——》输出装置,把变换后的序列显示出来(比如做了个加法,把结果显示出来)。这个电路在闭合时(或者是在断开时)会做一次加法,然后显示结果,但是之后他就一直显示那个结果,如果你想要做10次加法,也就是做个乘法怎么办呢?难道你要手动不停地“打开”和“闭合”电路吗?(也就是我们要不断产生控制信号,才能自动让电路开合,这里的开合理解成高低电平,并不是真的让电路断电,控制信号就像上文说的那个小电流),这时我们就需要另一种神奇的电路:振荡器,他会交替产生高低电平(这里边其实非常复杂,涉及到触发器,锁存器,上升沿下降沿等众多概念,不再展开)。振荡器的震荡快慢用频率表示,而频率高电路变化起来就快,就是说做10次加法的速度就快。这就是为什么你会听说很多时候,cpu频率越高运算速度就越快。

4,接下来,既然我们造好了门电路,有了振荡器,就可以造各种各样的更复杂电路了,比如通过复杂的门电路组合起来,再加一些其他的基本电路,就可以做出来锁存器(或者叫锁存电路)。听说过CPU的缓存,还有寄存器吧,这些东西就可以用锁存器来造,锁存器相当于内存一样,可以高速存取数据,也就是存取0和1啦,但是计算机的内存并不是用锁存电路来造的,因为内存需要很大,大则几个G,十几个G,而cpu缓存只需要十几到几十M,或者更小,从工程和商业成本的角度,内存是用比cpu缓存速度更慢的元器件来造的。

5,有了cpu,内存,硬盘,再来个主板,把这些硬件组合到一起就变成电脑咯~~

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