说在开头：关于缘起

19年前的春天，非典猖獗正如现在新冠，人人谈非典色变;经此一疫，虽然对非典没有什么深入了解，但我对中药倒是有了更深入的体会(可能是板蓝根采购不到，每天中午食堂供应免费中药汤，天天喝中药)：发现这东西虽然刚开始喝着挺苦，但喝着喝着就习惯了，后来不喝了还挺想念。那段时间，我跟老朱每天走在往返西溪校区的路上，看着穿梭在空空荡荡街道上的空空荡荡公交车，非常犹豫：要不要坐公交车?坐公交车5分钟，走路20分钟。非典这货到底是啥玩意?能在空无一人的公交车上还能传染么?

后来也释怀了：我们是差这20分钟时间的人么?另外，我们也不想让公交司机的压力太大。

我们坚持每天花40分钟往返西溪校区西三楼做毕设，能去西溪校区是一件让人兴奋的事情，不仅是在于走路锻炼之后的心跳加速，更在于那里女生的数量和质量。毕设导师当时在深造(读博)，同时还带了两个研究生：小新和大壮师兄;实在抽不出时间来指导我们，扔给我们一台电脑和一个画图软件：Protel 99se(现在已升级为：Altium Designer)，让我们有什么不懂就去问他的两员爱将。那时啥都不懂，连自己有啥不懂的都不懂(不知道有多少人能理解我当时的心情)，师兄们估计当年也是这么过来的，很能理解我和老朱的处境：手把手教了怎么用Protel 99se画原理图和PCB，剩下的就能自己看着办了。

我的毕业设计是做一个实验室用工具板：用CPLD作为主芯片，外围使用逻辑门器件、按键、插针和指示灯等;那时没有任何电路设计概念，没有器件封装、PCB布局、布线概念，没听过单板生产加工居然还需要啥子工艺，看不懂器件资料(英语六级多年考不过)，对电阻器、电容器的认知还停留在高中物理阶段。打了大半学期的酱油，当老师突然发现我们路走歪的时候，我已经快偏离到月球轨道上，地球引力都差点不能将我拉回来：PCB图都已经画好，正兴致勃勃地准备投板。他看得眼睛发直，声音发抖：你这是啥啥啥玩意啊?虽然最终没有将设计变成实物，但我好歹画了原理图和PCB，对硬件设计工具也了解了一二。本以为硬件对于我来说只是完成毕业设计的工具，想不到读研时导师一看我的毕设：哟，还画过板子啊，来来来，这里刚好有个好方向。看着其它同学都去学C、C++、Java，我当年还P颠P颠地乐的不行：看来还是我的硬件技术实力征服了导师。

如大家所看到的那样，我同大多数硬件工程师一样，最初接触硬件设计是从做项目开始的，主要工作是“拉线”：原理图“拉线”和PCB“拉线”，这纯粹是一体力活，唯一需要动脑的是你得认识管脚号，不要拉错。我继续着打酱油和摸鱼这两项重要的事业，研二时有本科同学回来咨询一个硬件电路的问题，我不屑地跟做软件的同学讨论了半天，发现自己的硬件知识居然还稍逊一筹，这让我一头懵逼。我第一次意识到这几年“做”硬件设计只是在“操作”硬件设计：仅仅跟着走了一遍硬件设计流程、粗略学会了画图工具操作(升级到Cadence了)、知道了一些器件是干嘛的、了解了一些粗浅的PCB设计规则。对于硬件本身的知识，还是全然无知，如果让我从零开始一个项目，就会被打回原形;在这次事情之后，我第一次抬起头“看”到了硬件门槛：哦，它就在那里，不增不减。

硬件所涉及内容之繁杂超过了我的想象，一眼扫过去都是不懂的，唯一值得欣慰的是：我已经知道了自己的无知。既然真心地承认自己不懂，那就开始好好学习吧，然后就发现看资料看不懂：一大堆专业术语和缩写;看原理图和PCB设计看不懂：一大堆看不懂的器件和设计。看得我一个头两百个大，到处都在跟我打哑语，如同一种无形的力量阻挡着我，不!我要结丹，修成元婴，我要升仙~ 好，Stop，扯远了。甚至有一段时间，我怀疑自己的智商是否能够最终敲开硬件设计的大门，直到进了大厂做完两个硬件项目之后，突然感觉自己跨过了那道门槛;此时距离我第一次接触硬件，已经过去了5年时间。

我相信大多数硬件工程师(包括我自己)局限于自己有限的项目经验，前人总结的checklist，还有很多神乎其神的道听途说，始终谨小慎微，生怕自己犯一点点错误却一而再的踩坑(老婆：好好想想自己犯了什么错误!)。那我们怎么能从这些局限中脱离出来呢?我觉得正确的概念和理论是正确行为的前提，对于硬件设计来说更是如此，硬件设计并非是玄而又玄的玄学，它是科学。但它涉及到理论知识是如此之多：每一种器件、每一条PCB走线、每一个焊盘、每一个通信协议，每一种加工方式…… 都有其不同的物理原理和法则。我们需要从原理层面来理解为何要如此设计，才是根本之道。

当年的迷茫似乎就在眼前，我什么都想看却又什么都看不懂：看任何一个技术资料，都有很多我不懂的背景知识、基础概念、专业术语，像一道墙拦着我。这让我左右为难：去了解这些背景技术概念吧，那接着还有更加基础的概念，一路探下去深不见底;不去深入了解吧，所学的知识点都流于表面，零零星星而不能融会贯通(这牛吹的，我自己现在也还做不到。哈哈)。没有人指导你怎么开始学习硬件，似乎所有硬件工程师都是通过项目实践，各自零零星星积累起来的经验(实践经验非常重要)。所有的硬件相关技术知识并不是相互独立的一个个点，而是一张大网，相互连接和贯通，我想做的便是从基本的概念和原理进行梳理，将硬件涉及的知识一点点梳理开来(更准确的说，应该是做了学习笔记)。

好，接下来就是第一篇学习笔记：宇宙起源(净扯淡)。“阻容感”是我所能找到的硬件最基础、最重要的，是拉网中的那根拖网线(有喜欢赶海的同学么~)，它将所有其它的网点连接在一起。那现在就让我们从阻、容、感的宇宙起源开始，开启硬件基础知识的学习之旅。

一，宇宙历史篇

如果说哪一个时间对我来说最重要，我觉得是我出生的那刻，因为传说生辰八字将决定我一生的命运。那我们从宇宙的角度来看，对宇宙来说最重大的事件发生在大约138亿年前：它诞生的那一刻——宇宙大爆炸。科学家们说宇宙出生这一刻决定了宇宙这一生的命运(决定论)，并且在宇宙诞生过程中产生了其最重要的东西：四种基本力。

1.在大爆炸后10-43秒(温度约1032度)：“引力”从原始力中分离出来独立存在;

2.大爆炸后10-35秒(温度约1027度)：随宇宙温度下降，“强核力”分离了出来，而“弱核力”和“电磁力”仍然统一于“电弱相互作用力”;

3.大爆炸后10-12秒(温度约1015度)：“电弱相互作用力”分解为“弱核力”和“电磁力”;至此宇宙作用力和物理规律完全确定;

4.大爆炸后38万年(温度约2700度)：原子核开始捕获电子形成原子;电子被束缚，所以光子能够逃逸出来并在宇宙中传播，宇宙从“一锅粥”状态开始变透明，形成了目前可观测宇宙。

——无中生有的世界终于基本成型了，大家都来看看吧。

宇宙大爆炸后的1ns内诞生了上帝的4大护法：强核力，弱核力，电磁力和引力;由此确定了宇宙基本物理规律，至此宇宙在这四种基本力的作用下进行着有规律的演化。下面让我们来看下四种宇宙基本力到底是怎么作用的：

1， 强核力：作用于夸克之间，让夸克结合成质子或中子，并将带正电荷的质子束缚在原子核内，不会被正电荷相互排斥(电磁力)而相互拆散，是4种基本作用力中最强的(作用距离第二短，与距离4次方成反比)，核聚变/裂变正是运用了强核力的理论;

2， 弱核力：造成放射性原子核或自由中子衰变的短程力(作用距离最小)，决定了部分放射性物质的衰变形态;氢生产重氢和氦(恒星热核反应)过程以及放射性碳定年法运用了弱核力的理论;

3， 引力：任意两个物体或两个粒子间的与其质量乘积相关的吸引力(作用距离无限远)，是支配天体运动唯一的力，形成这种引力的原因是有质量物体对于其周边时空的扭曲(广义相对论);

4， 电磁力：指带电的粒子或带电的宏观物体间的作用力;静止的点电荷相斥或相吸，力的大小与两个点电荷的电量的乘积成正比，而与距离的平方成反比;电荷之间的电磁力是以光子作为传递媒介;磁力实际上是电力的一种表现，电场和磁场之间的关系可由麦克斯韦方程组来表示。

量子理论是原子物理的基础，而广义相对论是宇宙学和天体物理学的起源，这两个理论带来了非常丰硕的成果，奠定了当代科技的基石;但是这两颗20 世纪物理学的明珠：量子理论与广义相对论却互不相容。

在第五次索尔维会议上，爆发了物理史上最著名的爱因斯坦-玻尔两大阵营论战，也最终确定了量子力学的王霸地位。而在此之前，爱因斯坦写信给玻尔说“上帝不会掷骰子”，而玻尔反驳道“老爱，不要告诉上帝怎么做!”，这其实已经不是物理之争，而是他们之间的哲学理念之争，是对这个宇宙的本源之争：争论的结果将决定我们生活在怎样的一个世界中。这场大战在此之后一直断断续续打了几十年，直到一代天王爱因斯坦和玻尔去世，也没能被说服;不过是谁最终赢得了这场论战的最后胜利呢?爱因斯坦的小迷弟贝尔(贝尔不等式)最终为我们揭开了答案(2022年的诺奖颁给了三位验证“贝尔不等式”的实验物理学家)。虽然量子理论统一了：强力、弱力、电磁力，但始终无法统一引力;而广义相对论完美地解释了引力。那到底谁能成为大统一理论呢?爱因斯坦晚年致力于大一统理论，但是他的相对论在统一电磁力时就遇到了极大阻碍，更不用说弱力和强力了，最终没有迈过那一道坎就驾鹤西去了。后来，弦理论死灰复燃，重新得到物理学界的关注(BigBang中的谢耳朵就是研究弦论的理论物理学家)，最终发展出了集大成者：M理论。那M理论又是嘛玩意啊?……(后面再慢慢再讲~)

二，电磁力历史篇

跑题了，我们再次回归到老本行，来讲讲电磁学。所有电子相关的理论，包括电子电路、电子信息、信息通信等等都是基于电磁学理论;量子理论将古典电磁场论推向一个新的高峰：电磁量子论，得到更加广泛应用，并因此产生了半导体技术(所以不要以为量子理论只有量子计算和量子通信，其实我们现在生活的方方面面都受益于量子论的应用，远超我们的想象。)。再让我们大致看看经典电磁学的发展历程：

1.1650年，德国物理学家格里凯在对静电研究的基础上，制造了世界上第一台摩擦起电机。

2.1777年，法国物理学家库仑测量了电荷之间的作用力，并发现了库仑定律：F = k**er，即真空中两个静止的点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们的距离的二次方成反比，作用力方向在它们的连线上，同性相斥、异性相吸。

3.1826年，欧姆提出欧姆定律：在同一电路中，通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比：I=U/R。

4.1820年，奥斯特在给学生讲课时，意外地发现了当导线通电流时，小磁针产生了偏转。

5.1822年，安培在奥斯特实验的基础上，以严密数学形式表述了电流产生磁力的基本定律;认为磁铁的磁力在本质上和电流的磁力是一样的，提出了分子电流假说(天才的想象力真是惊人!)。

6.1831年，法拉第发现电磁感应现象，进而得到产生交流电的方法，并创造出第一个发电机。

7.1873年，大宗师麦克斯韦总结前人的研究成果，完成了电磁理论的经典著作《电磁学通论》，建立了著名的麦克斯韦方程组，标志着完整的电磁学理论体系的建立，达到经典电磁场理论的巅峰，在牛顿经典力学大厦边上又建立经典电磁学大厦，成为经典物理学坚实的双子大厦。积分形式麦克斯韦方程组如下：

麦克斯韦方程组完美解释的解释了经典电磁理论，是阻、容、感元件的物理理论基础。