如何实现硬件和软件的统一?(从物理世界到电子电路再到计算机科学)

如何实现硬件和软件的统一?

或者说如何把物理世界与电子学和计算机科学联系起来的?

写在前面:

我一直觉得万事万物之间都是有联系的,我们现在所说的科学,有个这样的解释:科学科学,分科而学。以前的那些伟大的科学家们为了更好的理解这个世界,故而把物理世界进行了多层次、多维度的划分。

今天在一个讲座上,有个老师提到了——多学科融合。这个词大家都不陌生,连我都不知道听过多少遍了,但这些学科之间究竟是怎么融合的呢?

运放

这里我想从运放开始讲起:

运算放大器(Operational Amplifier,简称OP、OPA、op-amp、运放)大家都不陌生。

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在日常的设计工作中,我们只需要知道这个运算放大器的工作特性,比如理想运放中无限大的开环增益(Ad=∞)、无限大的输入阻抗(Zin/Rin=∞)…………

根据运放的这些特性,我们可以设计出积分器、微分器、施密特触发器、乘法器等等…………

完全不需要往深了去研究运放是怎么来的?它的内部结构是什么?这些特性是怎么实现的?

当然我这里也不准备去讲,我们今天的任务是去找联系:

  • 去找运放和我们生活的物理世界之间的联系
  • 去找运放和我们现在用的各种软件编程语言,操作系统之间的联系
  • 最后两者相和,得出硬件与软件的统一,得出EE和CS的统一

所以下面我会从运放这个点,分别向两个方向出发,并且以问题为导向出发。

从运放往前看:

大家知道运放内部的结构吗?

运放一般是由输入段、增益段、输出段等3段电路构成。

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而这3段电路,都是由抽象出来的电阻、电容等元器件组成的,这也就是我们常说的等效电路。

那么问题又来了,大家觉得电阻,电容这些东西到底是什么?

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是因为这个世界上本来就有这些东西吗?我们只是发现它,然后把它拿来用?

很显然不是的,电阻器,电容器都是我们人类创造出来的。

从本质上来讲,电阻和电容是一个物理概念,在电磁学中是这么定义的:电阻是一个物体对于电流通过的阻碍能力

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从电阻的定义就可以看出,原来电阻电容只是我们抽象出来的一种概念,而电阻器电容器,是我们根据这种抽象出来的概念,加上一些物理学材料学知识,创造出来的电路元件。

而我们抽象出这种概念也不是凭空去想象的,也是按照有一定的规律。

离我们最近,也是最容易让我们理解的规律,就是——物理学公式和相关定律。

比如,欧姆定律,麦克斯韦方程式……

这些公式和定律则来自于我们对自然界不停的观察,并通过记录多组数据进行分析,总结出来的。

以上,就实现了物理世界到电子学的统一。

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物理世界必定是复杂的,但我们仍然有大脑这个利器,可以把复杂问题简单化,不停的去抽象,封装,直至一般人在不理解其内部原理的情况下,也能使用这些封装好的工具,比如用运放搭建各种功能电路。

从运放往后看:

书接上节,在这个坐标轴上,越往右抽象化程度越高,也就越简洁。

从运放这个起点出发往后看,其实走出来了两条路。

第一条路:数字领域

在运放的基础上我们可以搭建出各种门电路。

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并把这些门电路抽象成各种数字门。

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是不是越来越熟悉了呢?没错接下来就是让我们掉尽了头发的——组合逻辑电路

输入,运算,输出。
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我们常见的各种芯片内部就是数不清的组合逻辑电路。而这些逻辑电路都是由数不清的晶体管搭建起来的。

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晶体管是一个伟大的发明,在计算机的发展史上,正是晶体管的出现加速了计算机科学与电子的结合。

因为最开始的计算机,可是纯机械的,每天就是打点。所以感谢贝尔实验室的大佬门,感谢肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组。(贝尔实验室真的是神们待过的地方)。

好了不跑题了,我们接着来看,在组合逻辑电路抽象出来之后,我们为什么突然又需要各种编程语言了呢?怎么又需要操作系统了呢?

这两者之间是怎样的一种联系?

这就不得不提时间这个概念了,在我们安排自己的生活时,不由自主的会以时间为导向,什么时间做什么事。

数字时钟脉冲触发电路闪亮登场!

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把时间这一概念引入到逻辑电路之后,就相当于把一件又一件的事情,咱们提前给计算机给安排好,计算机按照咱们给的这个时间去做就行。

而这些咱们给计算机安排好的“日程表”,就是我们常说的——机器指令。

关于指令集系统,我们也不陌生什么,像什么指令集架构X86,ARM,复杂指令集,精简指令集……

后来为什么出现汇编语言,C语言,JAVA,Python等语言,大家应该都清楚,就是为了更好的让人类去接受它,能够以更接近人的方式去于计算机沟通,下达指令。

记住一句话:计算机进化的最终目的只有一个——与人类更加相近!

到此为止,我们找到了电子学与计算子科学之间的联系。

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第二条路:模拟领域

这条发展道路相对于数字来说,发展没有什么出奇的地方,无非是运算放大器,滤波器,调频器,振荡器,射频放大器。

这里就不多说了,有机会再和大家细聊。

联系

把前文找到的两条线相接的话就会得到下面这个一维坐标轴。

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在这条坐标轴上,越是靠左的系统越是贴近物理世界,情况也是越发的复杂。

人类靠着一步一步的思考,把已有规律进行抽象,不断发展,就像技术的黑盒子,不停的套娃,一层黑盒子套一个黑盒子。

直到我们使用的各种电子产品与生产生活工具。

写在最后

有时候我就在想,工程到底是什么?

我们一直在说自己是个工程师,机械工程师,硬件工程师,软件工程师,往下还可以细分。

那么究竟什么是工程?

首先工程最重要的就是应用,也就是——实践。

那么应用什么?实践什么?

应用我们了解到的规律和方法,也就是——科学知识。

所以,工程就是对科学知识进行有目的的应用。

各学科之间,当初为了更好的被理解而分开,如今又为了更好的被应用而凑到一起。

以上便是一次突发奇想,但无奈知识面不是很广,有些角度略显牵强,望大家见谅。

最后,祝大家早安,午安和晚安!(这两天学校这边好像要安排回家,我的研究生生活又半年过去了~)

加油!!!!!!

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