软件如何驱动硬件？01如何变成电平？

Question

一直无法理解。
软件是思想上的东西，硬件是现实中的东西。那么软件和硬件到底是如何产生联系的？
比如我们开关一个灯，我们用手打开开关，电路就联通了，灯就亮了，反着等就灭了。但是整个过程，人的大脑就像cpu，人的想法就像编程程序，但最后依然要靠物理层面的手去主动的控制开关！
那么如果编写一段程序，编译后形成了01机器语言，那么cpu接收到这些01后又是如何在物理层面主动去控制电路里面的开关的呢？在最底层高低电平是如何产生的呢？难道是说我们启动了执行（不管是双击程序或者是开关电脑），本身这一个操作就会产生相应的物理电平变化，然后又引起cpu内电平的连锁反应，从而执行程序吗？也就是我们每一次开关机实际也是编写了一段程序，只不过这段程序就是从0变到1，也就是从物理开关的断开到闭合？
还有一个问题就是fpga里面，程序到改变硬件链接结构具体是如何实现的？
我真的不知道如何理解，希望给予指点。

Answer 1

引自强大而免费的微信小程序：皆我百晓生。

软件如何驱动硬件？从编程到电平变化的探索：
软件和硬件之间的联系对于理解计算机的工作原理至关重要。本文将详细讨论软件如何驱动硬件，从编程到电平变化的过程，并解答你提出的问题。

软件和硬件之间的联系

计算机的硬件由各种各样的电子元件组成，例如：集成电路、电位器、电容和电阻等。它们通过电路连接在一起，形成复杂的电子系统。而软件是一种指令集合，用于指导计算机硬件的工作。

软件和硬件之间的联系主要通过中央处理器（CPU）来实现。CPU是计算机的核心，负责执行指令并控制硬件的操作。当计算机运行软件时，CPU会将指令加载到其内部的寄存器中，并按照指令的要求执行相应的操作。

编程和机器语言

编程过程中，我们使用高级编程语言（如C、C++和Java等）编写代码，这些代码通过编译器转换成机器语言（01二进制码）。机器语言是CPU能够理解和执行的指令形式。

编译器会将高级语言代码转换成机器语言的指令序列。这些指令包含操作码和操作数等信息，告诉CPU要执行的具体操作。例如，将一个数值存储到内存的特定位置，或者执行一系列算术运算。

机器语言的执行

CPU接收到机器语言指令后，需要将其转换成物理层面的电平信号来控制硬件的操作。这个过程涉及到CPU内部的电子电路和寄存器。

CPU内部的逻辑电路会根据指令中的操作码和操作数来判断应该执行的具体操作。通过运算器、控制器和寄存器等组件，CPU能够完成指令的解析、数据传送以及逻辑运算等操作。

在最底层，CPU通过控制总线向其他硬件组件发送信号，这些信号包括读写数据、传输地址、控制时钟频率等。这些信号会被解释为高低电平（例如0和1）。

高低电平的产生和控制

高低电平是在电子电路中通过电压差异产生的。一般情况下，当电压高于一定阈值（通常为0.7V）时，被认为是高电平。反之，当电压低于另一个阈值（通常为0.3V）时，被认为是低电平。

CPU通过逻辑门电路来产生高低电平。逻辑门电路由晶体管组成，晶体管可以根据电压信号的变化来控制电流的流动。当逻辑门输入的电压满足特定条件时，晶体管将导通或断开，从而改变输出端电平的状态。

CPU通过控制逻辑门来控制电平的变化。例如，通过使某个逻辑门导通，CPU可以向外部设备发送高电平信号，从而控制硬件的操作。反之，当逻辑门断开，CPU可以发送低电平信号。

开关机操作的物理实现

在计算机开关机的操作中，确实涉及了物理电平的变化。单纯的按下按钮并不足以启动或关闭计算机。在开机操作中，当你按下电源按钮时，电源供应单元会提供稳定的电压给CPU和其他硬件组件。这个过程中涉及到电压的变化，以及CPU对电压变化的感知和处理。

当电源按键被按下后，电路会将电源信号转换为高电平信号，从而通知CPU启动。CPU在收到启动信号后，会执行内部的启动程序，加载操作系统等软件。

在关机操作中，CPU会执行相应的指令将计算机关闭。这个过程涉及到向电源供应单元发送信号，要求其切断电源。

结论

软件和硬件之间的联系是通过CPU来实现的。编程过程中，高级语言被编译成机器语言指令，CPU接收并解析这些指令后，通过逻辑电路产生高低电平信号来控制硬件的操作。

在计算机开关机等操作中，涉及到物理电平的变化。CPU通过控制硬件产生电平变化来控制计算机的启动和关闭。