孩子也能懂硬件之硬件是个啥?

2019年5月18日 FireSu 1187  0  0
你知道软件是如何诞生的么?你知道数字电路中的数字代表什么吗?

电学方法论之硬件是个啥

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“电学方法论,电路的方向感,通信总线,高速PCB以及CAD工具,被称为硬件工程师的5大必备技能。而每一项技能所覆盖的知识范围之广,足以让很多人望而却步。但是从根本上了解每个技能背后的潜藏的原理后,我们都会忍不住感叹:原来我们最大的阻力,并非来自玄妙的知识点,而是来自我们内心的恐惧。”---某电子工程师。

 

你知道硬件吗?

可能说道“IT”行业,很多人首先联想到的是“软件”、程序员。而对于硬件这个词汇非常陌生,而事实上硬件在我们生活中无处不在,只不过很“低调”而已。

 

毕业时,我就与刚出生的孩子一样,对“硬件”心里充满了迷茫,压根不知道硬件是干啥的,尽管我对电路有很强烈的兴趣,那时的我,天真的以为电路就是“电子工程师”做出来的。

 

记得毕业找工作时,有HR问到,“你想从事什么工作呢?”。

我腼腆地说:“我想做一名电子工程师。”

然后半低着头,羞涩地欣赏着HR一脸“懵逼”的表情。其实为啥要做电子工程师,我自己也不知道,可能所学专业中带个“电子”吧。

 

然后HR说:“你想做硬件?软件?测试还是采购?”,我赶紧补充道:“我就是想做一名电子产品工程师”。心中自然觉得,电子产品肯定是电子产品工程师做出来的。

 

就这样,傻乎乎的我拿到了傻乎乎的offer。然后傻乎乎地成为了一名“电子产品工程师”。然后我被派往工厂,专门负责测试和维修电子产品,直到我慢慢意识到,原来我TM选错了岗,做电路的岗位,其实叫硬件研发工程师,而非电子产品工程师

 

虽经过不断地努力,我如今已转岗成为了一名硬件工程师多年,但每每回家时,有亲朋询问我职业时,我还是会支吾半天,不知道该怎么说,因为我知道,即使我说我是做“硬件”的,只会让他们更加懵逼。 所以我就搪塞他们,“我就做电子产品的”。然后亲朋总会心疼地看着我说:“做这玩意儿辛苦啊,很辛苦“。然后转过头告诉我父母,他的某侄子也在深圳做电子产品,白班夜班轮流干,要磨破好几双手套,真的很辛苦。

 

其实,不知道硬件是什么的人,不在少数,相信很多非电子产品领域的人都不知道“硬件”是个啥?

 

那硬件到底是个啥呢?说简单点,硬件就是电路。在以前,设计电路的工程师叫“电子工程师”,现如今已经改名为硬件工程师,那为什么要改名呢?就要从我们电子产品的发展历史开始说了。

 

奥,原来如此!

在爱迪生发明灯泡的年代,灯泡在通上电后开始发光,灯泡就是个纯粹的电子产品,如今,这个灯泡也是个纯粹的硬件产品。只不过当时不叫硬件产品。

 

随着电子行业的发展,在晶体管(电子行业的分水岭器件)问世之后,出现了数字逻辑电路。数字逻辑电路应用到电子产品中后,从此将电子产品划分成了两个领域,分别称为“硬件”和“软件”。要理解硬件和软件,就要先理解数字逻辑电路。

 

数字逻辑电路有两个关键词,“数字”和“逻辑电路”。这是两个划时代的概念。

 

什么是数字

我们都知道,1根电线上有“没电”和“有电”两种状态,如果用A表示“没电”,用B表示“有电”,1根电线的两种状态就可以分别表示为AB。当然A也可以表示为数字0B也可以表示为数字1.

那如果2根电线组合起来,每根电线都有“没电”和“有电”两种状态,若同样用AB表示,那2根电线组合起来,我们就可以表示出来4种状态,分别是AA,AB,BA,BB

如果我们把这4种状态也用数字表示:

AA代表数字0,

AB代表数字1,

BA代表数字2,

BB代表数字3.

我们发现。2根导线的状态可以表示的数字范围是0-3.

那如果有3根电线呢?同样每根电线的状态用AB表示,那么3根电线组合起来后,我们就可以表示出8种状态,分别是AAA,AAB,ABA,ABB,BAA,BAB,BBA,BBB。我们重新把这8种状态也对应成数字:

AAA代表数字0.

AAB代表数字1.

ABA代表数字2.

ABB代表数字3.

BAA代表数字4.

BAB代表数字5.

BBA代表数字6.

BBB代表数字7.

我们发现,3根电线,可以表示的数字范围为0-7.

如果电线的数量继续增加,我们会发现,多根电线组合起来,可以代表更多的数字了。如果用16根电线组合起来,表示的数字范围竟然可以到0-65535,这就是数字思维,虽然每根导线只有2种状态,但是多根导线组合起来后,表示的东西就很多了。我们把电线状态表示为数字的过程称为“编码”。反过来,每个数字也对应特定的导线状态,我们把通过数字对应导线状态的过程,称为解码

当然,多根导线组合的状态,不仅可以编码为数字,也可以表示别的东西,比如:

1根导线没电,第2根导线没电,可以编码为汉字“关”。

而看到,我们就知道第1根导线没电,第2根导线没电。

1根导线没电,第2根导线有电,可以编码为汉字“注”。

而看到,我们就知道第1根导线没电,第2根导线有电。

1根导线有电,第2根导线没电,可以编码为汉字“下”。

而看到,我们就知道第1根导线有电,第2根导线没电。

1根导线有电,第2根导线有电,可以编码为汉字“我”。

而看到,我们就知道第1根导线有电,第2根导线有电。

所以2根导线就可以表示关注下我4个汉字,“数字”代表的不是方法,而是一种“智慧”。不得感叹,前辈们思维真是妙哉。1根导线只能表示2种状态,所以数字逻辑也叫做二进制”。二进制是电子产品的灵魂。电报就是基于以上原理制作的。

 

此时,电线上加电,则电线有电,电线上不加电,则电线没有电。“有电”和“没电”两种状态需要我们手动给电线“上电”或者“下电”,很不方便。所以电报仍然是个纯粹的电子产品,也是个纯粹的硬件产品。

 

而半导体材料的诞生,成功地改变了这一格局,所以接下来我们了解下半导体材料组成的“逻辑电路”。

 

那什么是逻辑电路呢?

说逻辑电路之前,我们需要先了解下二极管和三极管这两种“半导体”材料,我们都知道在一根金属线两端加上电压,金属线上就会产生电流,产生电流的这种状态我们称为“导电”或者“导通”,能导电的材料我们称为导体。而在塑料线两端加上大电压,产生电流也几乎为0,不能导电,“不能导电”我们又称为“绝缘”或者“截止”,像塑料一样的材料我们称为绝缘体。

 

此时,一根线能否导电,完全取决于它是什么材料。但是半导体材料就奇妙了,半导体材料在满足某种条件后,它会导通,不满足某条件,它就绝缘,不导通。同样的一根线,能否导电,尽然可以靠改变外界条件来改变。这个特性改变了世界。

 

典型的半导体代表性材料有二极管和三极管。

二极管可以理解成这样一种导线,如果A端电压大于B端电压,则AB之间“导通”,如果A端电压小于B端电压,则AB之间“绝缘”。

三极管可以理解成是3根接在一起的导线,如果在C端加上电压后,AB之间“导通”。在C端不加电,AB之间“绝缘”。

从单个器件看,我们看不出它的奇妙之处,但是多个器件组合起来,配合“欧姆定律”与“二进制”时,就奇妙了。我们发现,用这些材料搭建起来一个电路后,竟然可以存储某个数字,于是存储器电路诞生了。同样用这些材料搭建起来一个电路后,这个电路竟然自己实现了从0数到100的累加,于是,加法器电路诞生了。如果用存储器电路来控制1个三极管电路,我们发现同样的材料组成的电路,能不能导电,不再取决于你是否给他“上电”或者“下电”,而是取决于往存储器中写的数字,这下子,这个电路用途不再单调了,我可以在存储器中写0,你可以在存储器中写1。同样的一个电路,通过写不同的东西,竟然有了不同的功能。

 

从此之后,电子产品的功能不再受限于电路了,同样的一套电路,往存储器写不同的01,竟然可以实现不同的功能。于是“电子行业”也分成了两派,一派称为“硬件”,他们继承老本,负责搭建电路。另外一派称为“软件”,他们负责往存储器中写不同的数字,来控制同一套电路实现用户所需要的功能。比如手机,我们做了同样一套电路,软件通过写存储器控制,就可以让手机实现电视功能,打电话功能,视频聊天功能。从此开启了智能电子产品的新纪元。

 

至此,硬件是什么?想必大家心里有概念了。硬件就是指电路,而软件指的是电路存储器中,用于实现某特定功能的一堆01

 

而如今,随着电路越来越复杂,功能越来越强大,做一款电子产品需要的东西越来越多。用传统的的手指粗的电线,已经做不出功能强大的电子产品了。所以前辈们想了更简单的办法,把导线铺到某种板子上来替代电线,这种板子就叫PCB

PCB上贴上半导体材料组成的各种器件后,就是硬件工程师的最终产品,我们称为“电路板“。

 

所以,硬件是个啥呢?硬件就是现代电子产品的电路部分。设计电路的岗位称为硬件研发工程师。而目前电子产品电路的存在形式主要有2种:

A.集成电路。使用硅材料做器件和电路,岗位称为“IC硬件研发工程师

B.单板电路。使用继承电路和PCB板搭建电路,岗位称为单板硬件研发工程师

 

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