嵌入式中固件(firmware)是什么？

現(xiàn)如今，軟件和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。于是，這就分成了三類(lèi)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(nèi)容就是寫(xiě)C++、JAVA、Web等。

二是，硬件工程師當(dāng)然是指玩電路板的，工作內(nèi)容就是畫(huà)原理圖、PCB等。

三是，固件工程師也叫單片機(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)組成原理》已經(jīng)有很詳細(xì)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(jī)也是CPU)。

當(dāng)然，我們現(xiàn)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(tái)計(jì)算機(jī)。

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(jī)的時(shí)代，就相當(dāng)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(jī)等，來(lái)搭建一個(gè)屬于自己的計(jì)算機(jī)。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(jī)或者臺(tái)式機(jī)用的多核CPU了。

好，介紹了這些古董之后，就讓你有個(gè)認(rèn)識(shí)，計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是N個(gè)晶體管的組合，也是數(shù)字邏輯芯片的組合，更高級(jí)的，就是一塊數(shù)?；旌系男酒?，具體形式是由你的工藝決定的?，F(xiàn)在回到正題，介紹一下數(shù)電的基礎(chǔ)知識(shí)。

因?yàn)镃PU主要功能是計(jì)算，也就是可以直接運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題，這里就舉個(gè)例子介紹一下，CPU如何計(jì)算加法，也就是用數(shù)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(xiàn)加法了。而在CPU內(nèi)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(shù)的加法。

上圖中，藍(lán)色箭頭指向的1，就是接VCC的，而紅色箭頭，就是接GND。

在CPU內(nèi)部，還有ROM，它可以把你要計(jì)算的加數(shù)和被加數(shù)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(jié)果則存在寄存器(先暫存，以備后面使用)。

現(xiàn)在有個(gè)問(wèn)題，如果加完之后還要計(jì)算乘法(在信號(hào)處理領(lǐng)域的卷積運(yùn)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(shù)據(jù)取出來(lái)，再用選擇器，來(lái)調(diào)用加法器和乘法器，最終把結(jié)果存到寄存器中。

如果ROM里面只存數(shù)據(jù)，那是無(wú)法讓控制單元知道，你要執(zhí)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(qū)域，存放指令碼。

這個(gè)指令碼，跟數(shù)據(jù)是一樣，都是0、1的二進(jìn)制數(shù)，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(duì)應(yīng)在單片機(jī)里面的匯編語(yǔ)言，就是操作碼(如：MOV);而操作數(shù)就是數(shù)據(jù)(如：01H)。具體的，可以看看單片機(jī)的教材。

根據(jù)指令碼的設(shè)計(jì)方法來(lái)分，有四種，分別是CISC、RISC、VLIW、TTA，具體區(qū)別可以看計(jì)算機(jī)組成原理。

而PC(程序計(jì)數(shù)器)就是控制ROM的地址，現(xiàn)在你要知道PC是不能出錯(cuò)的，一旦出錯(cuò)，就意味著單片機(jī)不按照你的代碼來(lái)工作。

現(xiàn)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(shù)和被加數(shù)，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(shù)和被乘數(shù)。

那么，按照一定的規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)控制單元(這個(gè)規(guī)則可以自己定義的)，它就知道0x03是要執(zhí)行加法。

那么這個(gè)規(guī)則如何設(shè)計(jì)?最簡(jiǎn)單的，就是用與門(mén)了，然后輸出一個(gè)使能信號(hào)，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(jī)、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(yīng)該知道，我們只要改變ROM的內(nèi)容，就可以操作CPU內(nèi)部的ALU，從而操作CPU的各個(gè)硬件單元了。

下面給出相對(duì)完整一點(diǎn)的ALU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖：

ROM的內(nèi)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(shù)字、模擬電路(如：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)，導(dǎo)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?。而單片機(jī)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。