软件是如何做到控制芯片电路的闭合的？

一切用电设备的使用结果，都是由电路的闭合通电得到的，芯片也不例外，只是在晶圆上制造了数亿个电路开关而已，然后把这些导电结果输出到其它元件上。我们把电路的闭合开关描述成0和1，0和1只是我们便于编程式及交流人为描述的，但芯片它本身又不认识0和1，那么芯片是怎样存储程序的，程序是怎样控制芯片的电路开关闭合的？

软件归根结底，就是二进制代码01，而在电路上的确是没有直接的01的，电路上只有高低电平，所谓的01，是通过显示器显示出来的一种给人看的，方便你理解的东西，电路上并没有什么0和1这个代码，本质上它在硬件电路上还是高低电平，比如可以规定TTL电路高电平是:2.4V-5.0V；而低电平是:0.0V-0.4V。也就是电路上的电压在某个数值范围代表1，某个数值范围代表0，请关注：容济点火器

然后电路上的这些高低电平这些东西，一般是通过触发器这些电路来存储的，比如RS触发器，它是最基本的，可以通过阻容和三极管这些器件来组成，你在电脑上看到的所谓1或者0，在实际电路上它就是电压不同而已。

然后多个触发器组合成移位寄存器这些，通过硬件的晶振发出脉冲来让这些寄存器移位，这样寄存器的状态就可以改变了，你在键盘上下某个命令，就相当于触发某个开关，开关导通了，当然会直接让某个电路状态变化，移位寄存器的01状态也跟着改动，这样电路上就会达到你需要的功能，然后电路状态变化后，又通过液晶这些，把这种变化的状态，显示出来所谓的01给你看，你看到的只是一个符号而已，实际上电路上变化的，还是电压。

然后很多个寄存器再组合起来，就形成了所谓的芯片，讲白了，就是把这些硬件电路做得非常小，集成到一块硅片上去了。

芯片是通过半导体晶体管中的PN结实现电路开关状态变化的，存储程序是通过存储芯片对存储介质进行读写的。我们用的软件，在存储介质上其实就是磁针的不同状态（机械硬盘）或者浮置栅极存储的状态（SSD）。

1、半导体晶体管是如何忠实地执行软件的？

众所周知，芯片就是半导体材料做成上亿的晶体管排列组合而成。晶体管最重要的控制开关也就是PN结。由于PN结的存在，才有了半导体的说法。就是正向电压导通，反向电压断开。原理如下：

①、半导体的特性

所谓的PN结就是采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结。PN结具有单向导电性：

正向导通：我们的电源一端接P区（空穴较多的P型半导体这一边），一端接N区（自由电子较多的N型半导体这一边）。如果这个时候加载一个合适的正向电压在PN节上，也就是P区电压高于N区电压，那么P区的空穴和N区的电子都会向中间的沟道（耗尽层）运动，沟道就会变小，电阻相应就变得很小了，电路就接通了。
反向断开：如果在PN结加载一个合适的反向电压，即N区电压高于P区电压。那么，N区的电子都向电源的正极运动，P区的空穴都向电源的负极运动。所以，导致中间的沟道就会变得更宽。电阻就变大了，电路就无法接通了。

芯片上的晶体管正是利用这个特性来做的，比如：二极管、三极管、场效应管。

②、计算机芯片执行程序

计算机芯片我们看起来很聪明，但追踪到二进制层面，其实它只是做简单的数学运算（加减乘除）。其他操作都是通过转化成数学运算来实现的。在晶体管里面是如何实现的呢？它就是通过CMOS电路中的与非门电路来实现的。我们都知道与非门可以实现以下功能：

与门：只有两个输入都是高电位时，输出端才有高电位。也就可以实现计算机的与运算“&”。即：0&0=0;0&1=0;1&0=0;1&1=1；
非门：输出电位始终和输入电位相反，输入是高电位，输出就是低电位。这就实现了计算机需要的非运算“~”，即：0~=1;1~=0；
或门：只要输入端有1个是高电位，输出端就是高电位。也就实现了计算机的或运算“|”，即：0|0=0；0|1=1；1|0=1；1|1=1；

以上是三个最基本的逻辑运算和晶体管组成的与非门的关系。更多的运算都是通过这三种基本运算组合而来。

2、计算机系统是如何从加电开始运行的？

我们购买回来的计算机通常包含了CPU、内存、主板、硬盘、外设等。这些硬件里面都内置了控制硬件的微码。

CPU：里面包含CPU的基础指令集，要想在该CPU上运行的软件，最终都必须编译成该CPU支持的指令集。同时
内存：内存里面有SPD芯片，它里面存储了这条内存的参数，以便和CPU、主板协同工作。
主板：X86架构都有南桥和北桥两大主要芯片，还有FSB总线。这里负责控制外设、负责数据传输给CPU。里面集成了微系统。
硬盘：硬盘的电路板上有主控芯片和缓存，控制数据到达硬盘后该如何存储，也控制读取指令该如何去读数据。

有了这些微码程序，计算机硬件就是非常顺畅地协同工作了。当我们接通电源，并按下开机按钮，计算机主板的启动电路会触发主板开始按照微码工作。当自检各硬件正常后，按顺序加载硬盘启动分区的数据，操作系统就放置在这里。操作系统也就顺利被载入内存，开始工作。后面就不多说了，大家都清楚。

3、硬盘是如何存储软件的？

软件在计算机看来就是0和1组成的数据。我们现在用的很多都是固态硬盘，但早年用的是机械硬盘。他们存储数据的方式有些许不同。

①、机械盘存储读写数据

机械硬盘由电机、磁头、盘片和控制电路组成。控制电路负责和主板进行通讯，包括接收请求、读写缓存等。盘片上布满微小的磁针，它是存储数据的最小颗粒，磁针指向北就是1，磁针不指向北就是0。磁头就是磁感应头，电机负责盘体的转动和磁头的移动。

读操作时：磁盘控制器接收到指令，首先看看高速缓存中有没有，如果没有，磁盘就会开始高速旋转，磁头则在盘片上方以固定半径扫描盘片。按照指令要求进行寻道，当找到相应地址后，磁头感应到盘片上的磁针状态，并将它转化为电信号由硬盘控制芯片传导给内存。
写操作时：磁盘控制器接收到指令，首先将数据写入高速缓存，得到磁盘响应时，盘体开始旋转，磁头寻找到对应位置。找到位置后，磁头开始磁化改变磁针的状态。按要求全部改完后，将写完状态反馈给控制器。

②、SSD盘存储读写数据

SSD盘主要有主控制器、存储单元、缓存等组成。主控制器有嵌入式处理器，负责做ECC校验、磨损平衡、坏块映射、缓存控制、垃圾回收等等。存储单元主要采用的是NAND闪存，NAND存储数据的方式就是通过控制器对浮置栅极存储进行加压，当浮置栅极存储电荷增多，达到4V以上，则表示已编程，当没有充电或者电压阀值低于4V时，就表示已擦除。同时，已编程的单元，又以相位状态不同或者电压高低不同来表示数据的0,1。

读操作时：只需要对相应的存储块进行加电压，感应电压或者相位就可以读取数据。
写操作时：也是通过对相应的存储块进行加电压，改变相应块的相位或者电压就可以完成写入。

因为SSD盘不需要机械转动，速度比机械盘快了很多。所以，现在更多人使用的是SSD盘。

总结

总之，软件在计算机底层就是0和1组成的指令集合。而0和1的指令集合是通过CPU芯片里面的晶体管来实现运算和控制的。晶体管最重要的组件就是半导体PN结，它帮计算机实现了各种逻辑运算。至于存储数据，无论是机械盘还是SSD，最终都是将数据0和1对应物理介质的磁针状态或者浮置栅极存储状态来对应表示。