如何實現硬體和軟體的統一?(從物理世界到電子電路再到電腦科學)

来源:https://www.cnblogs.com/iron2222/archive/2022/05/21/16295931.html
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如何實現硬體和軟體的統一? 或者說如何把物理世界與電子學和電腦科學聯繫起來的? 寫在前面: 我一直覺得萬事萬物之間都是有聯繫的,我們現在所說的科學,有個這樣的解釋:科學科學,分科而學。以前的那些偉大的科學家們為了更好的理解這個世界,故而把物理世界進行了多層次、多維度的劃分。 今天在一個講座上,有個 ...


如何實現硬體和軟體的統一?

或者說如何把物理世界與電子學和電腦科學聯繫起來的?

寫在前面:

我一直覺得萬事萬物之間都是有聯繫的,我們現在所說的科學,有個這樣的解釋:科學科學,分科而學。以前的那些偉大的科學家們為了更好的理解這個世界,故而把物理世界進行了多層次、多維度的劃分。

今天在一個講座上,有個老師提到了——多學科融合。這個詞大家都不陌生,連我都不知道聽過多少遍了,但這些學科之間究竟是怎麼融合的呢?

運放

這裡我想從運放開始講起:

運算放大器(Operational Amplifier,簡稱OP、OPA、op-amp、運放)大家都不陌生。

在日常的設計工作中,我們只需要知道這個運算放大器的工作特性,比如理想運放中無限大的開環增益(Ad=∞)、無限大的輸入阻抗(Zin/Rin=∞)…………

根據運放的這些特性,我們可以設計出積分器、微分器、施密特觸發器、乘法器等等…………

完全不需要往深了去研究運放是怎麼來的?它的內部結構是什麼?這些特性是怎麼實現的?

當然我這裡也不准備去講,我們今天的任務是去找聯繫

  • 去找運放和我們生活的物理世界之間的聯繫
  • 去找運放和我們現在用的各種軟體編程語言,操作系統之間的聯繫
  • 最後兩者相和,得出硬體與軟體的統一,得出EE和CS的統一

所以下麵我會從運放這個點,分別向兩個方向出發,並且以問題為導向出發。

從運放往前看:

大家知道運放內部的結構嗎?

運放一般是由輸入段、增益段、輸出段等3段電路構成。

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而這3段電路,都是由抽象出來的電阻、電容等元器件組成的,這也就是我們常說的等效電路。

那麼問題又來了,大家覺得電阻,電容這些東西到底是什麼?

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是因為這個世界上本來就有這些東西嗎?我們只是發現它,然後把它拿來用?

很顯然不是的,電阻器,電容器都是我們人類創造出來的。

從本質上來講,電阻和電容是一個物理概念,在電磁學中是這麼定義的:電阻是一個物體對於電流通過的阻礙能力

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從電阻的定義就可以看出,原來電阻電容只是我們抽象出來的一種概念,而電阻器電容器,是我們根據這種抽象出來的概念,加上一些物理學材料學知識,創造出來的電路元件。

而我們抽象出這種概念也不是憑空去想象的,也是按照有一定的規律。

離我們最近,也是最容易讓我們理解的規律,就是——物理學公式和相關定律。

比如,歐姆定律,麥克斯韋方程式……

這些公式和定律則來自於我們對自然界不停的觀察,並通過記錄多組數據進行分析,總結出來的。

以上,就實現了物理世界到電子學的統一。

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物理世界必定是複雜的,但我們仍然有大腦這個利器,可以把複雜問題簡單化,不停的去抽象,封裝,直至一般人在不理解其內部原理的情況下,也能使用這些封裝好的工具,比如用運放搭建各種功能電路。

從運放往後看:

書接上節,在這個坐標軸上,越往右抽象化程度越高,也就越簡潔。

從運放這個起點出發往後看,其實走出來了兩條路。

第一條路:數字領域

在運放的基礎上我們可以搭建出各種門電路。

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並把這些門電路抽象成各種數字門。

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是不是越來越熟悉了呢?沒錯接下來就是讓我們掉盡了頭髮的——組合邏輯電路

輸入,運算,輸出。

我們常見的各種晶元內部就是數不清的組合邏輯電路。而這些邏輯電路都是由數不清的晶體管搭建起來的。

晶體管是一個偉大的發明,在電腦的發展史上,正是晶體管的出現加速了電腦科學與電子的結合。

因為最開始的電腦,可是純機械的,每天就是打點。所以感謝貝爾實驗室的大佬門,感謝肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組。(貝爾實驗室真的是神們待過的地方)。

好了不跑題了,我們接著來看,在組合邏輯電路抽象出來之後,我們為什麼突然又需要各種編程語言了呢?怎麼又需要操作系統了呢?

這兩者之間是怎樣的一種聯繫?

這就不得不提時間這個概念了,在我們安排自己的生活時,不由自主的會以時間為導向,什麼時間做什麼事。

數字時鐘脈衝觸發電路閃亮登場!

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把時間這一概念引入到邏輯電路之後,就相當於把一件又一件的事情,咱們提前給電腦給安排好,電腦按照咱們給的這個時間去做就行。

而這些咱們給電腦安排好的“日程表”,就是我們常說的——機器指令

關於指令集系統,我們也不陌生什麼,像什麼指令集架構X86,ARM,複雜指令集,精簡指令集……

後來為什麼出現彙編語言,C語言,JAVA,Python等語言,大家應該都清楚,就是為了更好的讓人類去接受它,能夠以更接近人的方式去於電腦溝通,下達指令。

記住一句話:電腦進化的最終目的只有一個——與人類更加相近!

到此為止,我們找到了電子學與計運算元科學之間的聯繫。

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第二條路:模擬領域

這條發展道路相對於數字來說,發展沒有什麼出奇的地方,無非是運算放大器,濾波器,調頻器,振蕩器,射頻放大器。

這裡就不多說了,有機會再和大家細聊。

聯繫

把前文找到的兩條線相接的話就會得到下麵這個一維坐標軸。

image

在這條坐標軸上,越是靠左的系統越是貼近物理世界,情況也是越發的複雜。

人類靠著一步一步的思考,把已有規律進行抽象,不斷發展,就像技術的黑盒子,不停的套娃,一層黑盒子套一個黑盒子。

直到我們使用的各種電子產品與生產生活工具。

寫在最後

有時候我就在想,工程到底是什麼?

我們一直在說自己是個工程師,機械工程師,硬體工程師,軟體工程師,往下還可以細分。

那麼究竟什麼是工程?

首先工程最重要的就是應用,也就是——實踐

那麼應用什麼?實踐什麼?

應用我們瞭解到的規律和方法,也就是——科學知識

所以,工程就是對科學知識進行有目的的應用。

各學科之間,當初為了更好的被理解而分開,如今又為了更好的被應用而湊到一起。

以上便是一次突發奇想,但無奈知識面不是很廣,有些角度略顯牽強,望大家見諒。

最後,祝大家早安,午安和晚安!(這兩天學校這邊好像要安排回家,我的研究生生活又半年過去了~)

加油!!!!!!


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