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軟件和硬件在電路中的本質和作用

軟件也是過程中的一個實體。軟件的本質是電信號、中低壓和不同的數據。這些電流信號控制著邏輯電路的關斷，通過關閉邏輯電路來控制硬件的工作。歸根結底，軟件起到的是開關信號的作用，當開關工作時，要保證設備帶電而不開機，硬件是不能被軟件控制的。就像一個燈泡如果不接電源，按下開關就不會亮。任何軟件都必須通過物理方式轉換成電流信號，你寫在紙上的軟件永遠無法控制硬件。以我們每天使用的電腦為例，軟硬件工作原理圖如下圖所示：

以前，我們使用的是軟盤，硬盤通過磁頭將程序碼轉換成電信信號，光盤需要光頭將程序碼轉換成電信碼，等等。

在指令存儲器中發送信息時，計算機存儲器中的軟件會顯示出電流和電流的變化情況。在軟件中，電壓和高度的存在可以理解為1和0，0和1的各種組合相當于實現控制硬件目標的新指令。一個簡單的電路甚至需要多個電流。硬件控制功能，軟件是復雜的，可以理解為復雜的電信號。

軟件是怎樣控制硬件的？

當處理器準備好后，處理器中的指令寄存器會從存儲器中檢索指令，執行指令后，會對指令進行解碼，查看命令、計劃工作、設備等需要什么。然后，控制器就可以根據計劃的訂單，開始所有參與生產的設備的工作。在調試過程中，數據寄存器會將處理后的數據從存儲器中輸出，并傳送到算術邏輯單元。算術邏輯單元包括累加寄存器和程序狀態寄存器。積累寄存器相當于草稿墨水。運行過程中的一些數據和結果會暫時存放在這個位置，程序狀態寄存器專門負責記錄運行過程中是否有傳輸、溢出等信息。從內存中檢索結果并保存到硬盤后的點擊數。

上圖是軟件，也就是客戶端訪問硬件時候的過程圖。可以幫助我們很好地理解軟件控制硬件的原理。

如何理解通俗理解軟件控制硬件的過程？

軟件是指為實現特定目的而具有特定邏輯功能的可執行代碼，通常以符號字母或特殊圖形框等包裝形式出現。但這些設備無法識別。控制硬件是指由各種驅動控制器（如變頻器、服務器、屏幕驅動器、單片機、工業可編程自動控制器等）控制的執行器，它可以根據提供的命令直接控制軟件......

在存儲器和硬盤之間進行數據傳輸，并將采集到的二進制代碼寫入存儲器中。存儲器讀取存儲的數據，即通過不同的磁化方向，將0和1轉換成不同高度、不同電壓的電信號，然后處理器通過數據總線搜索存儲器，找到存儲器中的數據。要執行的指令，再將相應的指令發送給處理器，同時執行指令，輸出的結果也是與高度相連的電壓信號。

最后，通過驅動器開辟的接口，將指令結果傳送給硬件控制芯片，對機器進行控制。硬件控制芯片事先切入控制指令集，然后通過指令集分析進入控制器的縱橫電壓信號的順序。只要命令結果與控制命令一致，就會采取相應的措施。

答案寫到這里，我想您應該明白了軟件是怎樣控制硬件的原理。軟件就是一串串代碼，將相應的代碼轉變為特定的計算機硬件可以識別的信息后，硬件就可以正常工作了。

以上便是我的一些見解和回答，可能不能如您所愿，但我真心希望能夠對您有所幫助！不清楚的地方您還可以關注我的頭條號“每日精彩科技”我將竭盡所知幫助您！

碼字不易，感覺寫的還行的話，還請點個贊哦！

我覺得你是想問，軟件是怎么控制一個設備，如機器人、數控機床，讓它們執行設定的動作的。不論怎么變化，軟件控制硬件，都離不開計算機的中央處理器CPU，或者單片機MPU。因為只有處理器才能把控制軟件的指令，傳遞到接口電路，最終控制目標設備的動作。

以下介紹幾種我用過的控制方式。

通過I/O口進行控制

CPU有GPIO接口，MPU有P0~P4及更多的IO接口。這些接口，可以通過軟件設置，做為輸出、輸入口。

從CPU，MPU出來的控制信號，一般不能直接控制目標對象，比如最簡單的LED燈，電機等，必須經過一些鎖存芯片、光電隔離芯片、繼電器、接觸器、信號驅動等電路，才能控制目標的動作。一些成熟的電機驅動器，也可直接接收從處理器出來的輸出信號，只要用一些芯片進行信號轉換即可。

通過內存擴展地址，用可編程芯片如PLC，CPLD，FPGA等對目標進行控制。

有的控制對象需要幾十、幾百個控制點，這樣P口就不夠用了。

解決的方法，就是用擴展外部存儲器地址的方法，如使用E200H，E300H......這樣的擴展地址線，通過PLC、CPLD、FPGA等可編程器件，可以擴展出需要數量的控制輸出。

很多硬件從業者，很擅長用PLC、CPLD、FPGA等芯片，以至于單片機最直接的P口被束之高閣，只完成看門狗Watchdog最簡單的監視作用。

通過CAN，EtherCAT，ISA，PCIE等總線接口傳遞控制指令

隨著外部控制器件的日益智能化、處理器化，各種總線應運而生。

如上位機為高速的PC機，下位機為控制各種動作的單片機，那么PC104的ISA總線接口、PCIE接口、CAN總線接口等，就是最好的選擇。或者下位機直接就是一個支持EtherCAT總線的電機驅動器。

通過這些總線接口，可以快速地傳遞上位機的控制信號到控制單元中。

總結：軟件對硬件的控制，有很多種實現方式，IO直接控制；擴展地址外加PLC，CPLD，FPGA可編程芯片控制；CAN，EtherCAT，ISA，PCIE等總線接口控制方式。根據需要，靈活運用。

我們國家自動控制的實力還是很歷害的，控制系統也是非常可靠智能的，相信你的所有想法都會通過控制系統變為現實。

（以上圖片來自網絡，僅為示意）

關于這個問題，已經寫成一篇文章，內容如下，要想深入了解計算機，先學一下操作系統和微機原理吧！

軟件怎么控制硬件的，不是一言半語就能說的清楚的，其過程是很復雜的，這里就簡單說一下原理吧，沒有看過微機原理和操作系統相關的介紹聽起來應該會比較吃力。我們所說的軟件，其實就是一套操作計算機運行的機制，里面的所有功能，不論大小，都是需要硬件配合才會展示出來的。在軟件中，需要編程語言，這些編程語言都是高級語言，這些高級語言是為了我們更容易編譯操作而編寫的，硬件是看不懂的，是需要經過翻譯，翻譯成為機器語言，然后計算機才看的懂，進而執行簡單的操作。無數簡單的操作就成了軟件所需要的功能，然后通過機器展示出來。

機器語言是非常簡單的，因為機器的每個部件的功能都是固定的，所以要完成一個復雜的動作，需要把相關的部件按一定的規律有序完成才行，這其中有多復雜想想也應該知道。機器能接受的指令就只有有2個，固定一個動作，做或不做，在計算機中是以2進制標記的，也就是1和0,指令為1，就做該動作一次，指令為0，就不做該動作。大量固定的動作根據一定的規律有序的成功做完，就組成軟件中所需要完成的一個功能。這就和彈鋼琴是一樣的，每一個音符需要你按一個鍵，每按一次就是一次動作，大量有序的按鍵就展示出了一首曲子，計算機的動作和鋼琴的琴鍵是一樣的道理。

最早的時候，軟件編程就是大量的機器指令堆砌，工作量非常龐大，且內容復雜無比，維護起來非常麻煩，所以才有機器語言的誕生，就是計算機出廠前計術人員已經把固定的指令操作打包了組成了一個又一個的相對復雜功能，只要計算機軟件調用觸發這些功能就可以展示相應的功能了，這一層的語言就是計算機語言了，匯編語言就是這一層面的，匯編編程是非常麻煩的，代碼量大，工作量也嚇人，但是，功能和運行速度也強悍的嚇人，任何高級語言都無法比擬，算是軟件開發真正的核心技術所在。

我們現在所說的軟件編程，用的就是比計算機語言高一層的語言，也就是高級語言，像如今流行的語言C/C++、Java、PHP、js等都是高級語言。用這些高級語言幾行代碼展示的功能，在計算機執行的時候仍然是非常復雜的行為，所以不要認為會編程就認識了計算機，真正深究，核心技術的復雜程度絕對超乎你的想象。

看到這里，心理是不是已經有了答案，硬件是不可能完成你所有想要的功能的，軟件可以展示的功能都是計算機固有的功能，功能有多強大主要取決于計算機的硬件。簡單來說，軟件就像是人的思想，硬件就是人的身體，身體的所有動作都是思想賦予的。但不合實際的想法身體是不可能完成的。

文章原文：http://www.toutiao.com/i6419069886462427649/

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軟件是怎樣控制硬件的？

★當你往計算機設備里看時，能看到一大推電路、芯片、電線，揚聲器、接口和其他東西，這些都是硬件，你看不見摸不著的就是軟件。

軟件是計算機上所有的程序，或運行在機器上的代碼。軟件可以是任何形式，從應用程序和游戲到網頁，以及在網站上給客戶行為的數據科學軟件。

但是軟件和硬件是如何結合起來起作用的呢？讓我們從計算機的中央處理器，即CPU開始說起。CPU是控制計算機其他部分的主芯片，CPU需要做不同的事情，因此它內部有很多小的電路來處理特定的任務，它有電路來做簡單的數學和邏輯計算。其他電路用來從計算機的不同部分發送和接收信息。CPU最神奇之處在于它知道使用哪個電路，什么時候用。

CPU會接收簡單的命令來告訴它用哪個電路來執行特定的任務。例如，一個“加”的命令告訴CPU用外部電路來計算新數字，然后用“存儲”命令告訴計算機用不同的電路來將結果存到存儲器中。和數字一樣，所有的這些簡單的命令都用二進制的1和0表示，或者ON/OFF的電路信號。

二進制命令存在存儲器中，CPU將它一條條的取出來執行。實際上，這一系列的命令就是一個非常簡單的計算機程序。

二進制代碼是軟件的基本形式，它控制了計算機上的所有硬件。現在沒有人用二進制寫程序了，因為這樣太慢了。現在程序員寫的軟件更像是PYTHON或這樣RUBY，甚至是這樣BLOCKLY。像這樣的編程語言，用非常像英語的方法來輸入命令。只需要一條命令就能在屏幕上畫一個正方形。這條高級命令會被轉換為成百上千CPU能理解的簡單二進制命令。

軟件告訴硬件CPU做什么，當你聽音樂時，又瀏覽網頁，并和朋友聊天，你的計算機會同時運行多個軟件。那么這些程序是如何到計算機上，CPU又如何一起運行它們的呢？為了尋找答案，我們要看一看操作系統。

操作系統是計算機的主程序，它負責管理軟件如何使用硬件、管理軟件資源使計算機有效地利用這些資源的程序集合。操作系統的任務是：管理處理器、管理存儲器、管理設備、管理文件和管理最終輸出作業。例如大多數人個人計算機的Windows操作系統。

操作系統是一種能控制計算機上其他軟件的特殊應用程序。它讓你能通過將程序讀取到內存中來安裝新程序。它決定了什么時候程序運行在CPU上，程序是否能操作輸入和輸出設備。你可能認為計算機在同時運行多個程序，實際上并非如此，操作系統能在一秒鐘內非常快速的切換程序好多次，從而共享CPU。

知足常樂2021.9.7日

硬件就是電路，軟件和硬件所存儲的信息的本質其實就是電路上一些開關的狀態，只不過現代計算機的集成電路規模之大使其產生質的轉變。

就最簡單的舉例，家里走廊一盞燈有兩個開關，按其中任何一個，無論另一個開關的狀態如何，都會改變燈的狀態（開的就關，關的就開）。或者說必須兩個都是關的，燈才會關，否則就是開的。這就是一個簡單的邏輯電路，電腦就是上億個這種電路的結合體。軟件和任何存儲的信息就是這些開關的狀態，開還是關。

以廊燈的例子來說，硬件的功能是受到物理法則約束的，它的可能性只有開合關。無論你怎么按動開關都不可能造成開燈和關燈以外的狀態。電腦也是一個道理，任何被物理法則允許的硬件行為理論上都有可能用軟件實現。比如說手機的顯示屏理論上可以顯示任何畫面，閃光燈可以用來發光（到一定的亮度），揚聲器可以用來說話等。但是沒有軟件可以讓手機飛起來變成無人機。

軟件和信息本身也是沒有明確分界線的，現代操作系統因為內存很大所以可以人為劃分哪些信息是用來定義邏輯關系，哪些是要用來運算的。幾十年前電腦剛發明的時候內存受限制，軟件和信息都是混合在一起錄入的以節省內存和帶寬。現代的劃分只是方便人類程序員去理解程序的工作方式。

軟件和硬件的關系，我不認為是簡單的誰控制誰的問題，而是相互依存的關系。

如果把軟件和硬件作為一個整體的話，用人來做一個對比，自認為可以說清這種關系。

軟件基本上就是一些人為定義好的邏輯，它是一種思想，就像人的思想一樣，所以CPU是人的大腦，而CPU里寫的軟件就是人腦中的思想。

我們這里說的硬件是一些CPU以外的各種電路，這些電路連接到CPU。有些電路是用來采集外界的信息，比如溫度、濕度、電壓、電流、光線、圖像、聲音、氣味等等，將這些信息傳遞給CPU。而有些電路是接收CPU發出的指令，按不同的電路實現不同的功能。比如，發出一個關燈的指令，相應電路接收到該指令后實施關燈的動作。

下面用開燈的過程分別用人和軟件硬件來作一個對比:

• 人: 我在家里看書，太陽落山了，天漸漸變黑，我發現看不清字了，這時我想到要去把燈打開，所以我走到開關邊上，伸出手按下開關，這時燈亮了，我又可以繼續快樂的看書。
  
• 軟件硬件: 我家里有一套電燈控制系統，工作原理是，光線檢測電路檢測到光線變暗了，它發出一個信號告訴CPU光線已經較暗了，CUP收到該信息后，其軟件邏輯為需要把燈打開，所以CPU輸出開燈的指令，電燈控制電路接到指令后接通電燈的開關，這時燈亮了。
  

該對比我們可以發現下面的對應關系:

口口木的筆記 2019-2-16

哈哈，我也被這個問題困擾了很久。

其實從本質上來說并沒有軟件去控制硬件，而是硬件自己的循環控制。簡單來說就是你在鍵盤上按一下按鍵，產生高低電壓（簡單的就是這么說了，當然還有一堆的編碼什么的），然后這個電壓被存儲在ROM（只讀寄存器）。然后處理器加載存儲的這個高低電壓，執行工作。想象一下，如果cpu只是一個n-mosfet,當g極讀取到高電壓時，產生一個大于閾值電壓的vgs，那么ds導通，就可以控制一個燈亮，當讀取到低電壓燈就滅。當然處理器的處理能力遠遠不止于此，所以就產生了軟件這個概念，讓我們可以輸入更復雜的控制內容。請記住你看到的在電腦屏幕上密密麻麻的字母并不是軟件，而是一段助記符，真正的軟件是你在按下鍵盤的時候產生的高低電壓。

處理器最基本的是架構，比如酷睿，奔騰，這個就是架構，如果把一個處理器比喻為一個工廠，那么這個架構就是工廠的整體框架，幾個進料口（單核，雙核，四核等等），倉庫有多大，取料的方式等等。然后到指令集，這個是由一堆門電路硬件構成的最小功能執行單元，也是所謂的軟件和硬件的接口，目前分為復雜指令集CISC和精簡指令集RISC。x86就是CISC，ARM就是RISC。正因為這是軟件和硬件的接口，導致了同一套系統Windows不能同時在兩個指令集平臺運行。Intel 和AMD雖然架構不同，但是指令集是兼容的，所以我們安裝Windows的時候基本是同一套。關于指令集，在微機原理里面有介紹。

好了因為指令集是軟件和硬件的接口，軟件的編程就必須按照這個接口規范來編寫了。當然現在的高級語言編程并不用知道這些，你只要關心編程的語法和你的邏輯就可以，因為編譯器已經幫你做好了這個工作，一系列的編譯，匯編，鏈接之后，你就獲得了一個包含01的可執行文件，在存儲里面就是表現為高低電壓。然后這段高低電壓送入處理器，經過處理器后就輸出你想要的結果，達到軟件控制硬件的目的。

請記住，本質并沒有軟件控制硬件，你是不能用意念控制一個東西一個道理，而是硬件控制硬件。軟件是為了高效的輸入你的控制指令而發展起來的一套系統化的東西。

我認為簡單點，計算機軟件就是通過接口編程來控制硬件的，而我經常用到的接口有串行通訊口RS232和RS485及網線接口，主要用來采集生產設備的參數到ERP系統里進行記錄及數據分析。

但有接口通訊還不夠，計算機軟件編程的時候還要知道設備的通訊協議，簡單點就是硬件定時回傳一些標準的字符串，例如我編程采集稱的重量時，稱會回傳如下圖的字符串，這個就是硬件的通信協議。

有了通信協議，程序員還要明白協議里的內容字符代表什么意思。

一般地，如果是串口通訊協議，可以用微軟操作系統的超級終端查看，但協議的內容代表什么意思就要問硬件供應商了。

總結：計算機軟件編程控制硬件，每個硬協議千變萬化，就算同一類型的硬件設備，因制造商不同，通訊協議也不同。

因此如果硬件制造商能標準化通訊協議，計算機軟件編程控制硬件更容易，對制造業的自動化之路具有積極作用。

計算機系統有個基本的原理，很多人沒有聽說過或者不理解，那就是軟硬件等效原理，即：計算機硬件和軟件在邏輯功能上是等效的，一個邏輯功能既可以用硬件實現，也可以用軟件實現。所謂用硬件實現就是利用各種邏輯電路來完成相關的邏輯功能，軟件實現則是利用硬件的基本功能提供的指令編碼編程實現的。由于用硬件實現一個邏輯功能非常困難，所以，人們一般將要求速度快的、相對固定的、簡單的功能用邏輯電路來實現（具體為集成電路芯片等元器件），如CPU中的ALU（算數邏輯單元），一般也就是實現加法功能和邏輯運算功能，其他的復雜的功能都由軟件來實現，在這個前提下，硬件實現就相對簡單，部分實現了自動化生產（摩爾定律），而軟件設計隨著人類對計算機功能的需求不斷擴大而愈來愈困難（軟件危機），也促使軟件產業也更加蓬勃發展（造就了比爾蓋茨二十多年的首富）。 這樣一來計算機系統的軟硬件的關系就好理解了，硬件提供基礎的功能，其他功能的擴充則由軟件來實現，首次功能的擴充是由系統軟件來實現的，操作系統是典型的代表，其次是相關的支撐軟件，如語言處理軟件等，再就是各種應用軟件，包括人工智能軟件等。

用鋼琴的例子很好理解計算機軟硬件的關系，略知樂理（以簡譜為例）的人都知道，鋼琴的基本發音為1234567，這就相當于計算機硬件只有這7個基本功能，每個基本分發音功能都賦予了一個數字編碼，簡譜中的數字1234567相當于七個基本指令（什么是指令，指令：CPU基本功能的二進制編碼，很多教科書都在回避指令的定義，大家可以查查），顯然這七個音單獨的彈奏沒有什么好聽的，只有作曲家利用七個基本的音組合起來寫成樂曲，演奏起來就說美妙動聽的音樂了，鋼琴的功能就得到擴充了。因此，作曲就類似計算機的程序設計（用機器語言進行的編程）！

還有就是計算機作為一個計算工具，其理論接觸來自于數學，把其制造為具體的計算工具則由物理學科來實現，比如為什么計算機使用二進制，原因之一就是找到能表示兩種穩定狀態的物理材料（器件）較容易，這樣就可以表示0和1，如，磁性材料、開關電路、電容等!

軟件是控制不了硬件的 但是給軟件留了一個調用硬件功能的接口代碼 軟件代碼最終都是轉成了硬件設定的機器功能碼 軟件與硬件的隔離層就是一個編譯器 軟件要通過編譯器告訴硬件告訴CPU它想做什么 電腦 尤其是我們當下使用的電腦就是一堆 開關 一堆的功能開關 開關的核心則是加法器 就是所謂的邏輯門電路 所有計算機功能的實現 都是由門實現的 這個門有三種基本的連接方法 中聯 并聯 和反接 當開關被晶體管替代時 就實現了大規模的功能實現 代碼的分類是在寄存器里 代碼的數據到了加法器里要進行一次識別轉換 經過識別轉換之后通過總線發到相應的硬件進行命令的執行 每一代新的處理器最核心的就是內部的門電路的代碼 這些代碼是處理器的靈魂 也是CPU廠家的絕對商業機密 如果你的老師或者是師傅教你多少處理器的核心代碼 你就有多少把控計算機的能力