电子之路：从模拟电路到C语言编程

​1897年，英国物理学家汤姆生发现了电子，拉开了现代科技的开端和信息时代的序幕。,随后出现的电子三极管，让人们构造复杂的电子电路成为了可能。,电子三极管是一种真空的玻璃管，它的一端在高温下可以放出电子（负极），另一端是可以接收电子的金属板（正极）。,在管子的中间有一个栅极（基极），可以调节正负极之间的电子通量，从而影响电流的大小。,,电子三极管的原理,上图是简单的原理图：,电子带负电，所以它只能飞向正极，而不能反着。,如果没有栅极，那么它就是个电子二极管。,在晶体三极管发明之前，人们就是用这种三极管来制作电子电路的。,俄罗斯在电子管领域应该是很强的。,电子管设备的特点就是大，而且工作电压高，笨重。,据说，米格25的雷达功率大到可以烤熟兔子​,1947年，美国的肖克利发明了晶体管，让电子电路的体积重量都迅速变小。,从这之后，电子设备携带更方便，使用更广泛。,例如，过去老人们爱拿来听小说的收音机，也就一巴掌大小，它的核心元器件就是晶体三极管。,不过，这些电路都是模拟电路。,模拟电路的特点就是，功能很强大，但精度不一定多高。,如下图，一个电容卡在那里，就可以高通滤波！,,电容的特点是通交流、阻直流，通高频、阻低频。,直流信号会被阻断，而低频信号和高频信号的容抗不一样，被削弱的程度也不一样。,所以，一个电容就可以把不同频率的信号分开。,要是写代码去滤波，至少也得写个快速傅立叶变换（FFT）：,1）傅立叶变换之后，数字信号就从时域变到频域了，,2）然后，把需要的频率选出来，不用的频率对应的系数清零，,3）再变回时域，,4）反正要写几百行的代码，比一个电容一个电阻麻烦多了。,如果要低通滤波，就把电容和电阻的位置互换就行：,高频信号的容抗很小，都通过旁路电容流走了，剩下的低频信号通过电阻传递到下一级。,如果写代码去滤波，也要先FFT，然后把不用的频率清零，再反FFT变回时域，一样的麻烦。,,所以，模拟电路的功能是很强大的，但是精度不够，因为单个元器件的精度受制于当前的工艺。,并且，精度越高的模拟电路，越容易受到导线长度的影响。,三极管的工作状态一旦漂移了，那调试起来肯定非常的酸爽​,然后，人们就发明了数字电路。,数字电路，只使用三极管的2个状态：导通和截止，不使用三极管的放大。,这样，三极管的状态就很难漂移了。,毕竟，三体问题很难搞，但二体问题还是很好搞的。,所以，数字电路的远比模拟电路更稳定，整个电路系统的正常工作范围更大，抗干扰能力更强。,,数字电路，非门,如图：,1）三极管只要导通的时候，输出就是低电压，被认为是0，,2）三极管截止的时候，输出就是高电压，被认为是1，,3）三极管的基极与发射极之间的电压 Vbe > 0.7v 就导通，低于0.7v就截止。,在电子电路中，0.7v 是个很大的电压范围，它实际上就是电路状态的一个容错区间。,只要输入误差别大到跟 0.7v 是一个数量级，那么电路的状态就是正常的。,可以要求输入信号的电压波动范围只能是0.1v，也就是4.9-5为高电位，0-0.1为低电位，那么就算有点误差，三极管的状态也不至于就漂移了。,至于更复杂的功能，当然用更多组这样的电路累积出来。,这样，人们在设计电路时就突破了工艺的限制。,既然是数字电路，可以进行逻辑运算，那它当然是可编程的！,然后，软件就诞生了！,数字电路可以编程，是它相较于模拟电路的一个巨大的优点。,想改功能的时候可以不用改硬件，只改代码就行了​,这在灵活度上，远不是模拟电路可比的！,这时可以认为计算机和编程语言就出现了！,最早的编程语言，是在纸带上打孔的机器语言：有孔或没孔就表示0或1。,这种编程方式还是非常让人头疼的。,然后就有了汇编器，可以把简单的英文单词或数字转化成机器码：这就是汇编语言。,汇编语言比机器语言倒是有了很大的进步了，但一样让人头疼。,汇编语言只能用寄存器名字表示数据，没法给每个数据起个有明显含义的变量名字。,调过汇编代码的都知道，函数大了之后跟踪哪个寄存器里存的是哪个变量，非常的困难。,总之一句话，汇编代码的可读性很差。,然后，人们发明了很多高级语言，可以统称为C前语言！,pascal, basic, 都是C语言出现之前就有的编程语言，但是说实话，真不如C语言好用。,1970年，丹尼斯-里奇和肯-汤普森估计是受够了这些老语言了，他们发明了C语言！,“物理学的大厦建成了，后人所能做的只是修修补补。”​