代码是如何控制硬件的？

既然楼主提到“低电平”，看来对数字电路是有一点了解的。

那么，翻开数字电路相关教材，最前面几页。

一般它都会告诉你，三极管/场效应管类似继电器（一种通过线圈产生磁场、然后用磁场控制物理开关的通断与否的设备）；在它一个管脚上输入/切断电压信号，另一个管脚就会出现高/低电平。


这东西，就是数字电路的基础。


你敲入的任何东西，最终就是通过类似的东西/机制储存的；所谓“指令”，其实就是“某个命令码“（一般叫机器码），这个”命令码”会改变CPU内部一堆“开关”的状态，以激活不同的电路；然后数据（前面提到过，它也是用三极管/场效应管的导通与否“记忆”的）利用类似的机制，被送入这个被“指令”激活的电路——这些电路是工程师们利用最最基础的三极管控制原理，用一大堆三极管组合出来的：当数据（某种高低电平的组合）经过这些电路后，就会变成另外一组高低电平的组合：这个组合刚好和“指令”代表的功能所应该给出的结果一致。

这段话可能有点难以理解。那么，看下最简单的与门吧：数据有两个，分别通过两条不同的线路进入与门；输出只有一个，必须给它输入两个高电平，它才会输出高电平；否则就输出低电平（这一般简化表述为：只有输入两个1，它才输出1，否则输出0）。

——这就是所谓的“与”逻辑；一组这样的“与”逻辑就与计算机指令/高级语言里的“按位与”直接对应。
——而按位与这个指令，意思就是选择一组线路，把数据导通到这组“与”逻辑电路之上；然后这组与逻辑电路就会输出两组数据的按位与的结果。



——类似的，二进制加法，1+1=0（同时进位）；1+0=1；0+1=1；0+0=0：这可以用一个异或电路来模拟（因为异或电路的规则就是1+1=0、1+0=1、0+1=1、0+0=0）；但这样（同时进位）这个说明就会丢失了，所以需要同时用一个与门模拟高位进位（前面说过，与门就是只有两个1才会输出1，其它输出0；综合异或的说明：这是不是就和二进制加法的规则刚好一致了呢？）

然后更高一位就成了两根输入线上的数据相加、再加上进位数据……依此类推：这就是用开关做加法的思路。而这样堆起来的一组开关，就叫加法器。

——add指令呢，就是选中上面做的那一堆用来做加法的开关们；然后给它们输入数据（不要忘了，两组高低电平而已），这些数据就驱动着构成加法器的那些开关们，噼里啪啦一阵乱响之后（嗯，如果是老掉牙的继电器计算机的话：还记得BUG的故事吗？），电路就稳定在某个状态了：此时，加法器的输出，恰恰就是输入数据的和（当然是这样了。前面讲过，我们是刻意用异或门和与门精心组合，让它们刚好和加法的效果一致）。



——其它种种指令，莫不大同小异（更复杂/高级的时钟、流水线啥的……暂时就无视吧）


你可以翻翻课本。上面讲过加法器的实现。

而加法器和另外一些逻辑电路加起来，就是所谓的ALU（算术逻辑单元，一下子就高大上了有木有）。


简而言之，代码在计算机内部，本身就是一组特定的高低电平组合；而计算机是精心设计的、海量的、用高低电平控制通断的开关组；当给这个开关组输入不同的电平组合时，就会导致它内部出现复杂的开关动作，最终产生另外一组高低电平的组合作为输出；这些开关动作经过精心设计，使得它的行为是可解释、可预测的——解释/预测的规则，就是CPU的指令集。

——换言之，在机器内部，一切本来就是高低电平，不存在转换问题。
——反而是键盘/鼠标/mic的输入要经过模数转换；而视频、音频之类的输出，要经过数模转换




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我知道，很多人困惑的，可能并不是开关的原理；而是：如果CPU不过是一堆开关的话，它为什么能“听懂”类似“加法”“do...while”这类高大上的复杂指令、甚至做出office、photoshop甚至人工智能这样神奇的东西呢？这些高大上的语义，是怎么被电路所理解的呢？



加法之类简单指令，前面已经介绍过了；而提到更复杂的东西……这就不得不说说图灵的贡献了。


还是从最小儿科的题目开始。假设你从来没听说过乘法表；那么，你怎么算8×9呢？

我们知道，A x B就是B个A相加或A个B相加的意思。那么，要算8×9，我们只要把8个9加起来就够了：8次加法而已。


换句话说，这里有个很好的思想，即： 很多“高级”数学计算（如乘法），其实用“低级”方法（如加法）一样是可以算的。


图灵的贡献就是，他证明了，如果一台机器，可以接受一系列的输入、并按输入指示完成运算；那么，当这台机器可支持的操作满足“图灵完备”的要求时，它就可以模拟任何其它数学/逻辑运算！

——比如说，一台只会做加法的机器，只要能想办法它实现“连续做指定次数加法”，那它就可以模拟一台乘法机。而能够模拟任何数学/逻辑运算的机器，并不比加法机复杂太多。

换句话说，要搞出一台“无所不能”的计算机器，并不需要穷尽一切可能，而是只要支持少的令人发指的几条指令，就可以办到了。



比如说，CPU，它根本上其实只会三招：与、或、非。

与就是全为真，则输出真；或是只要一个为真，则输出真；非则是输入真它就输出假、输入假就输出真——所谓的真假，一般写作1、0，在计算机内部就是高低电平。


别看CPU只会这三板斧；可当它们巧妙的组合起来后（构造成计数器、指令寄存器等等等等再组合成CPU），就达到了图灵完备的要求，产生了质变。



具体是怎么做的，这就不是三言两语能说清楚的了。还是仔细看看自己的数字电路这本书吧。

——数字电路研究的，就是如何用与或非这三板斧，来实现各种高级运算甚至CPU指令集这么复杂的事物
——而CPU指令集呢，则形成了另外一个强大得多的图灵机，这就是机器码（和汇编指令几乎一一对应）；然后呢，诸如c/c++、java等高级语言，就是利用CPU指令集形成的、另一个更加强大的图灵机（编译器/解释器负责两种图灵机之间的翻译工作）。
——而程序员们研究的，就是如何用编程语言这样一个强大的图灵机，去实现office、photoshop、wow甚至人工智能这样复杂的事物。
——这也是一个层层模拟的过程。




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总之，开关的通断是基础；而各种神奇的功能是如何用这么简单的东西组合出来的呢，那就必须理解“程序”原理（也就是图灵机原理）了。

如果说，计算机是一个人，那么，软件就是他掌握的知识。这个知识使得他不仅能掰这手指头数数，甚至还可以去洞悉宇宙的奥秘。


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具体一些，人是怎样开车的呢？

首先，他要知道车的控制原理（知识/软件）；然后，基于这些知识，大脑向他的四肢肌肉发出神经冲动，驱使他完成转方向盘、挂挡、踩离合器/油门等种种动作，最终达到开车这个目的。


软件控制硬件，也是类似的原理。

前面说过，程序本身就是高低电平的组合；它通过在CPU上执行来模拟各种决策过程；同时，计算机就是一堆开关；那么，通过指令向某些地址写出数据（访问特定地址是通过各种寻址机制/指令完成的，归根结底也可以说是通过开关切换，改变了电路拓扑），就等于开启/关闭了对应地址上的某个开关；这个开关可以是类似CPU内部那样的一组三极管，也可以是通向另外一个继电器的信号线——这个信号就促使继电器闭合，于是电机导通……

就好象人开汽车一样，神经发出的微不足道的电脉冲经过肌肉放大，影响了发动机/变速箱的运转，然后汽车就开走了。
计算机也一样：它通过向控制特定地址上的开关输出0/1（高低电平），就可以通过事先准备的物理设施驱动诸如航模电机、舵机等等机构，这就完成了航模控制。


完整的控制回路甚至可以是：
航模上的传感器采集飞行姿态、地形、位置等等数据（最终转换成高低电平构成的信号）----信号通过某些端口送到CPU-----CPU执行程序，程序读取传感器发来的信号，决定下一步的行动-----经过智能判断后，通过控制特定地址上的开关（前面提过，向这个地址发一组高低电平构成的数据就行了），驱动诸如航模电机、舵机等等机构，完成航模控制。

这，就是所谓的“机器人”（当然，只是最简化的机器人原理而已）。

— 完 —
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【知乎日报】 你都看到这啦，快来点我嘛 Σ(▼□▼メ)

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