現如今，軟件和硬件之間的界限已經越來越模糊了，那么處于這個灰色地帶的，就是固件。于是，這就分成了三類工作者：

一是，軟件工程師一般指做圖形界面的程序員，工作內容就是寫C++、JAVA、Web等。 二是，硬件工程師當然是指玩電路板的，工作內容就是畫原理圖、PCB等。 三是，固件工程師也叫單片機工程師，既寫代碼（主要是C語言、匯編）又要畫電路圖。

玩單片機的人，可能會有個疑問，為什么我寫的C語言能操作到底層的硬件？其實在《計算機組成原理》已經有很詳細的介紹了。 我這里粗略地介紹一下，這個原理。 首先，你可以搜索一下“從零開始造電腦”，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，我們現在可不會落后到需要到晶體管來制造電腦。 接下來，你可以看一部叫《喬布斯》的電影，劇中就給你展示蘋果公司的第一臺計算機。 嘿嘿，看到那些黑色的芯片沒有？還有兩個大大的變壓器。這說明了在大學玩單片機的時代，就相當于回到蘋果公司的初始時期！是不是很激動人心？

其實你可以用74系列的邏輯IC、單片機等，來搭建一個屬于自己的計算機。這就是說人們把若干個晶體管集成為一塊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，就讓你有個認識，計算機本質上是N個晶體管的組合，也是數字邏輯芯片的組合，更高級的，就是一塊數模混合的芯片，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知識來解決問題，這里就舉個例子介紹一下，CPU如何計算加法，也就是用數電里的門電路搭一個加法器。

怎樣用晶體管搭這些與、或、非門就不說了，不懂的，可以翻書。上圖就告訴你，可以用這些門電路搭一個加法器。 怎樣輸入Ai=0，Bi=1，Ci=0？用74系列的IC的話，可以直接把Ai，Ci接GND，Bi接VCC，就實現加法了。而在CPU內部也是一樣可以這樣做的，但是CPU可沒那么死板，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）。 現在有個問題，如果加完之后還要計算乘法（在信號處理領域的卷積運算的核心單元就是乘加器），怎么辦？誰來自動完成這個動作？幸好，CPU里面有個叫ALU（算術邏輯單元）來處理這件事情。

這里的控制單元，就把ROM里面的數據取出來，再用選擇器，來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，那是無法讓控制單元知道，你要執行加法還是乘法，要解決這個問題，就需要在ROM里面再劃分一個區域，存放指令碼。

這個指令碼，跟數據是一樣，都是0、1的二進制數，只是用途不同，所以起了不同的名字。 其實這個指令碼，對應在單片機里面的匯編語言，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，就意味著單片機不按照你的代碼來工作。 現在，我在8位的CPU的ROM里面，第一個地址存了0x03這個指令碼來代表加法，而在第二、三個地址存了加數和被加數，然后在第四個地址存了0x05代表乘法，在第五、六個地址存了乘數和被乘數。

那么，按照一定的規則來設計控制單元（這個規則可以自己定義的），它就知道0x03是要執行加法。 那么這個規則如何設計？最簡單的，就是用與門了，然后輸出一個使能信號，讓加法器工作，就跟上面的74LS160差不多。 但是CPU可沒那么簡陋，它可以使用狀態機、流水線等，來控制這些基本單元（如：加法器、乘法器），如下圖所示：

說到這里，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的各個硬件單元了。 下面給出相對完整一點的ALU內部結構圖：

ROM的內容本質上是一些電荷量（電容上有、無電荷，代表二進制的1和0），也就是固件、軟件工程師寫的代碼。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，導致了兩種不同類型的工作者，我們稱他們為軟件工程師和硬件工程師。而單片機程序員寫的代碼，跟硬件密切相關，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），我們稱之為固件。

編輯：jq