固件工程師到底做的工作是哪個(gè)方面

軟件跟硬件之間的界限已經(jīng)越來(lái)越模糊了，那么處于這個(gè)灰色地帶的，就是固件了。 這就分成三類(lèi)工作者。

1、軟件工程師 一般指做圖形界面的程序員，工作內容就是寫(xiě)C++、JAVA、Web等。

2、硬件工程師 當然是指玩電路板的，工作內容就是畫(huà)原理圖、PCB等。

3、固件工程師 也叫單片機工程師，既寫(xiě)代碼（主要是C語(yǔ)言、匯編）又要畫(huà)電路圖。

玩單片機的人，可能會(huì )有個(gè)疑問(wèn)，為什么我寫(xiě)的C語(yǔ)言能操作到底層的硬件？ 其實(shí)在《計算機組成原理》已經(jīng)有很詳細的介紹了。

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(kāi)始造電腦”，這位叫Steve的大神，就告訴你，用晶體管可以做出CPU（單片機也是CPU）。

當然，我們現在可不會(huì )落后到需要到晶體管來(lái)制造電腦。

接下來(lái)，你可以看一部叫《喬布斯》的電影，劇中就給你展示蘋(píng)果公司的第一臺計算機。

嘿嘿，看到那些黑色的芯片沒(méi)有？ 還有兩個(gè)大大的變壓器。 這說(shuō)明了在大學(xué)玩單片機的時(shí)代，就相當于回到蘋(píng)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、單片機等，來(lái)搭建一個(gè)屬于自己的計算機。 這就是說(shuō)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？ 那就是手機或者臺式機用的多核CPU了。

好，介紹了這些古董之后，就讓你有個(gè)認識，計算機本質(zhì)上是N個(gè)晶體管的組合，也是數字邏輯芯片的組合，更高級的，就是一塊數?；旌系男酒?，具體形式是由你的工藝決定的。 現在回到正題，介紹一下數電的基礎知識。

因為CPU主要功能是計算，也就是可以直接運用數學(xué)知識來(lái)解決問(wèn)題，這里就舉個(gè)例子介紹一下，CPU如何計算加法，也就是用數電里的門(mén)電路搭一個(gè)加法器。

怎樣用晶體管搭這些與、或、非門(mén)就不說(shuō)了，不懂的，可以翻書(shū)。 上圖就告訴你，可以用這些門(mén)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(huà)，可以直接把Ai，Ci接GND，Bi接VCC，就實(shí)現加法了。 而在CPU內部也是一樣可以這樣做的，但是CPU可沒(méi)那么死板，只算常數的加法。

上圖中，藍色箭頭指向的1，就是接VCC的，而紅色箭頭，就是接GND。

在CPU內部，還有ROM，它可以把你要計算的加數和被加數存進(jìn)去（ROM輸出的高低電平，跟你接GND和VCC是一樣的效果），而結果則存在寄存器（先暫存，以備后面使用）。

現在有個(gè)問(wèn)題，如果加完之后還要計算乘法（在信號處理領(lǐng)域的卷積運算的核心單元就是乘加器），怎么辦？ 誰(shuí)來(lái)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(lái)處理這件事情。

這里的控制單元，就把ROM里面的數據取出來(lái)，再用選擇器，來(lái)調用加法器和乘法器，最終把結果存到寄存器中。

如果ROM里面只存數據，那是無(wú)法讓控制單元知道，你要執行加法還是乘法，要解決這個(gè)問(wèn)題，就需要在ROM里面再劃分一個(gè)區域，存放指令碼。

這個(gè)指令碼，跟數據是一樣，都是0、1的二進(jìn)制數，只是用途不同，所以起了不同的名字。

其實(shí)這個(gè)指令碼，對應在單片機里面的匯編語(yǔ)言，就是操作碼（如： MOV）； 而操作數就是數據（如： 01H）。 具體的，可以看看單片機的教材。

根據指令碼的設計方法來(lái)分，有四種，分別是CISC、RISC、VLIW、TTA，具體區別可以看計算機組成原理。

而PC（程序計數器）就是控制ROM的地址，現在你要知道PC是不能出錯的，一旦出錯，就意味著(zhù)單片機不按照你的代碼來(lái)工作。

現在，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(lái)代表加法，而在第二、三個(gè)地址存了加數和被加數，然后在第四個(gè)地址存了0x05代表乘法，在第五、六個(gè)地址存了乘數和被乘數。 那么，按照一定的規則來(lái)設計控制單元（這個(gè)規則可以自己定義的），它就知道0x03是要執行加法。

那么這個(gè)規則如何設計？ 最簡(jiǎn)單的，就是用與門(mén)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(méi)那么簡(jiǎn)陋，它可以使用狀態(tài)機、流水線(xiàn)等，來(lái)控制這些基本單元（如： 加法器、乘法器），如下圖所示。

說(shuō)到這里，你至少應該知道，我們只要改變ROM的內容，就可以操作CPU內部的ALU，從而操作CPU的各個(gè)硬件單元了。

下面給個(gè)相對完整一點(diǎn)的ALU內部結構圖。

ROM的內容本質(zhì)上是一些電荷量（電容上有、無(wú)電荷，代表二進(jìn)制的1和0），也就是固件、軟件工程師寫(xiě)的代碼。 而硬件，就是由晶體管搭建的數字、模擬電路（如： 單片機內部的比較器、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的這種結構，導致了兩種不同類(lèi)型的工作者，我們稱(chēng)他們?yōu)檐浖こ處熀陀布こ處煛?而單片機程序員寫(xiě)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(chēng)之為固件。