第8章 嵌入式系统硬件设计基础与标准.ppt

第8章嵌入式系统硬件设计基础与标准 第八章嵌入式系统硬件设计基础与标准 对于嵌入式Linux系统来说 跟硬件相关的程序设计离不开硬件基础知识 本章作为硬件方面的补充 主要讲述了嵌入式系统的硬件组成 硬件设计基础知识与注意事项等内容 通过实验 读者能够基本掌握看懂简单电路图与芯片数据手册能力 并理解从基本器件到系统核心设计的过程 对于嵌入式Linux纯软件开发人员来说 本章可以略读 对于驱动开发和与硬件打交道密切人员 需要加强则 基于OMAP的加密终端硬件设计实验给出了系统硬件上所需要考虑的问题样例 主要内容第一节嵌入式系统的硬件组成第二节硬件设计基础知识第三节硬件设计中应注意的一些问题 1 一个完整的嵌入式系统包括硬件部分和软件部分 硬件是嵌入式系统底层的 基础的部分 对于不同的嵌入式系统 其硬件的实现基本不同 但是 一般的嵌入式系统硬件可分为如下几个部分 嵌入式微处理器 存储器 输入 输出设备 通信及扩展接口 一 嵌入式微处理器二 存储器三 输入 输入设备四 通信与扩展接口 第一节嵌入式系统的硬件组成 2 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件 是决定嵌入式系统功能的主要因素 也决定了嵌入式系统的应用范围和开发复杂度 嵌入式微处理器与通用处理器的最大区别在于 嵌入式微处理器一般工作于特定的系统中 通常把通用处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部 从而有利于实现嵌入式系统设计小型化 高效率 高可靠性等特点 有时 为了满足嵌入式应用的特殊要求 嵌入式微处理器还会在工作温度 抗电磁干扰 可靠性等方面加以增强 3 第一节嵌入式系统的硬件组成 一 嵌入式微处理器 一般来说 嵌入式微处理器具有以下特点 具有较强的实时多任务处理能力 能完成多任务并且中断响应时间较短 从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低程度 具有强大的存储区保护功能 这是由于嵌入式系统的软件结构已实现模块化 为了避免在软件模块之间出现错误操作和不必要的交叉作用 需要设计强大的存储区保护功能 同时也有利于软件诊断 可扩展的处理器结构 一般在处理器内部都留有很多扩展接口 以便对应用进行扩展 提供丰富的调试功能 嵌入式系统的开发过程大部分使用交叉编译 丰富的调试接口可以使嵌入式系统的开发更加方便 嵌入式微处理器必须功耗很低 对于那些靠电池供电的便携式系统更是如此 有的系统要求功耗达到mW甚至 W级 许多嵌入式微处理器提供几种工作模式 如正常工作模式 备用模式 省电模式等 从而为嵌 4 第一节嵌入式系统的硬件组成 一 嵌入式微处理器 存储器是嵌入式系统的 记忆 部件 是嵌入式系统的另一个重要的组成部分 在嵌入式系统中 按照信息的易失性 把存储器分为易失性存储器和非易失性存储器 易失性存储器是指存储器中的信息掉电即消失 不能持久保存 相比之下 非易失性存储器中的数据则不会在掉电后消失 可以持久保存 下面来详细介绍嵌入式系统中常用的易失性和非易失性存储器 1 易失性存储器在嵌入式系统中 最常用的易失性存储器是随机存储器 RandomAccessMemory 简称RAM 按照存储机理的不同 RAM又可分为动态RAM DynamicRAM DRAM 和静态RAM StaticRAM SRAM 2 非易失性存储器在嵌入式系统中 常用的非易失性存储器有只读存储器 ROM Flash和微硬盘 MicroDrive 第一节嵌入式系统的硬件组成 二 存储器 5 1 输入设备计算机要按人的要求进行工作 就必须能够接受人的命令 将完成各种工作所需要的原始数据送入计算机系统内 承担这些任务的就是计算机的输入设备 输入设备的功能是输入程序 数据 指令及各种字符信息 操作者通过输入设备可对系统发出指令 与系统 对话 是人与系统之间进行信息交换的主要装置之一 嵌入式系统同样也离不开输入设备 通用计算机系统的输入设备种类不是很多 比较常用的有键盘 鼠标 触摸屏和扫描仪等 相比之下 嵌入式系统的输入设备就是五花八门了 比较常见的有按键 键盘 鼠标 手柄 触摸屏 声控 光控开关等 按照输入设备实现机理的不同 嵌入式系统的输入设备可分为机械式 触控式 声光式三类 第一节嵌入式系统的硬件组成 三 输入 输入设备 6 2 输出设备输出设备是计算机系统向用户传送计算 处理信息结果的部件 输出设备的功能是输出处理结果 把系统对信息进行加工 处理的结果显示或打印出来 通用计算机系统中常见的输出设备有显示器 打印机 绘图仪等 在嵌入式系统中除了以上几种之外 还有LED指示灯以及扬声器等音频设备 显示器是最常用的输出设备 可分为球面显示器和平板显示器两类 球面显示器中最常见的就是传统的CRT显示器 由于球面显示器的体积都比较大 因此不适合用于嵌入式系统的显示 在嵌入式系统中通常使用平板显示器来输出 显示数据 在平板显示技术中最重要的就是液晶显示技术 现在 液晶显示器 LiquidCrystalDisplay LCD 已广泛用于嵌入式系统 第一节嵌入式系统的硬件组成 三 输入 输入设备 7 嵌入式系统与外设及其他计算机系统通信时 若要进行功能扩展 就离不开通信和扩展接口 接口是在主板和某一类外设之间的适配电路 可以解决主板和外设之间在工作速度 数据格式和电压等级上的相互匹配问题 接口在嵌入式系统中扮演着沟通外部世界的 桥梁 作用 嵌入式系统中接口的形式和方法多种多样 嵌入式系统的通信接口可分为有线接口和无线接口两种 有线接口在设计上必须考虑以下几个因素 首先是电位匹配 就是嵌入式系统微处理器所提供与接收信号的点位必须与相连接的外围装置相同 否则会发生一方点位较高 导致电路的毁损 或者是电位不同 无法准确判断所代表的正确信号 其次就是要防止连接时干扰的产生 当接口连接时 若是连接不完全 会出现信号传递受阻的问题 还要考虑驱动电位的问题 有的外设需要比较大的功率来驱动 若功率太低 则外设无法正常操作 在嵌入式系统中比较常用的有线接口有RS 232接口 USB接口 IEEE 1394接口及RJ 45接口等 第一节嵌入式系统的硬件组成 四 通信与扩展接口 8 要进行嵌入式系统硬件设计 必须掌握一些硬件设计的基础知识 要理解计算机的体系结构 同时还要掌握电子学方面的知识 例如电子技术 抗干扰技术以及印制电路板技术等等 当然 针对不同的嵌入式系统硬件 还会涉及很多更专业的技术 本节只简单地介绍一些基本的 通用的技术一 计算机体系结构二 电子技术三 抗干扰技术四 印制电路板 第二节硬件设计基础知识 9 1 冯 诺依曼体系结构1945年 冯 诺依曼首先提出了 存储程序 的概念和二进制原理 后来 人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为冯 诺依曼机 冯 诺依曼机最大的特点是将指令和数据都存储在一个存储器中 其计算系统由一个中央处理单元 CPU 和一个存储器组成 存储器存有指令和数据 并且可以根据所给的地址对这些指令和数据进行读或写 如右图所示 例如Intel8086 ARM7 MIPS等处理器都是采用冯 诺依曼体系结构 第二节硬件设计基础知识 一 计算机体系结构 10 2 哈佛体系结构随着计算机技术的不断发展 冯 诺依曼体系结构的一些缺点开始暴露出来 例如不能同时取指令和取操作数 从而形成传输过程的瓶颈 针对这一缺点 提出了哈佛体系结构与冯 诺依曼体系结构比较 哈佛体系结构有两个明显的特点 使用两个独立的存储器模块分别存储指令和数据 每个存储模块都不允许指令和数据并存 使用独立的两条总线 分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径 而这两条总线之间毫无关联 采用哈佛体系结构的处理器有摩托罗拉公司的MC68系列 Zilog公司的Z8系列 ARM9和ARM10系列等 第二节硬件设计基础知识 一 计算机体系结构 11 电子技术是研究电子器件 电子电路及其应用的科学技术 其中 电子器件用来实现信号的产生 放大 调制及探测等功能 常见的电子器件有电子管 晶体管和集成电路等 电子电路是组成电子设备的基本单元 由电阻 电容 电感等电子元件和电子器件构成 具有某种特定功能 奠定电子技术的两大基石是模拟电子技术和数字电子技术 1 模拟信号和数字信号信号是信息的载体 在人们周围的环境中 存在着电 声 光 磁 力等各种形式的信号 电子技术所处理的对象是载有信息的电信号 目前 对于电信号的处理技术已经比较成熟 但是 在通信 测量 自动控制以及日常生活等各个领域也会遇到非电信号的处理问题 在实际中经常需要把待处理的非电信号转变成电信号 经过处理后再还原成非电信号 在电子技术中遇到的电信号按其不同特点可分为模拟信号和数字信号 第二节硬件设计基础知识 二 电子技术 12 1 模拟信号在时间上和幅值上均连续的信号叫做模拟信号 此类信号的特点是在一定动态范围内幅值可取任意值 许多物理量 例如声音 压力 温度等 均可通过相应的传感器转换为时间连续 数值连续的电压或电流 2 数字信号与模拟信号相对应 时间和幅值均离散 不连续 的信号叫做数字信号 数字信号的特点是幅值只可以取有限个值 对于同一个物理量 既可以采用模拟信号进行表征 也可以采用数字信号进行表征 例如 传统的录音磁带是以模拟形式记录声音信息的 而CD光盘 compactlaserdisk 则是以数字形式记录声音信息的 第二节硬件设计基础知识 二 电子技术 13 2 模拟电路与数字电路由于模拟信号和数字信号的特点不同 处理这两种信号的方法和电路也有所不同 一般地 电子电路可分为模拟电路和数字电路两大类 1 模拟电路处理模拟信号的电子电路称为模拟电路 模拟电路研究的重点是信号在处理过程中的波形变化以及器件和电路对信号波形的影响 主要采用电路分析的方法 2 数字电路处理数字信号的电子电路称为数字电路 数字电路着重研究各种电路的输入和输出之间的逻辑关系 分析时常利用逻辑代数 真值表 卡诺图和状态转换图等方法 第二节硬件设计基础知识 二 电子技术 14 模拟电路和数字电路的分析方法有很大的差别 这是由模拟信号和数字信号的不同特点决定的 由于电子电路分为模拟电路和数字电路两部分 因此电子技术也被人们分为模拟电子技术和数字电子技术 但是这两种技术并不是孤立的 在许多情况下往往会两种技术并用 随着电子技术的不断发展 数字电路的应用越来越广泛 在很多领域取代了模拟电路 其主要原因是 数字电路更易采用各种算法进行编程 使其应用更加灵活 数字电路可以提供更高的工作速度 采用数字电路 数字信息的范围可以更宽 表示精度可以更高 数字电路可以采用嵌入式纠错系统 数字电路比模拟电路更易做到微型化 等等 第二节硬件设计基础知识 二 电子技术 15 1 电磁干扰的形成因素我们把设备或系统中有用信号以外的所有电磁信号称为电磁噪声 简称噪声 电磁噪声会引发不期望得到的结果 称为电磁干扰 简称干扰 电磁干扰由电磁干扰源发射 经过耦合途径传输到被干扰设备 敏感设备 因此 形成电磁干扰必须具备下列三个基本要素 称为干扰的三要素 1 电磁干扰源 任何形式的人工电子 电气设备或自然现象所发射出的电磁能量 使处于相同环境的其他设备 人和其他生物受到危害 导致不期望的后果 这种发射电磁能的装置或自然现象即称为电磁干扰源 2 传输通道 传输通道又称耦合途径或耦合通道 是指把电磁能量从干扰源传输 或耦合 到敏感设备上 即传送电磁干扰的通路或媒介 3 敏感设备 敏感设备又称为被干扰设备 指当在电磁干扰源发射的电磁能量发生电磁危害时 导致性能降低的器件 设备或系统 以及受到危害的人或其他生物 许多器件 设备或系统既是电磁干扰源又是敏感设备 第二节硬件设计基础知识 三 抗干扰技术 16 2 电磁兼容性1 电磁兼容性定义电磁兼容性 ElectroMagneticCompatibility EMC 的定义是 设备或系统在其电磁环境中能正常工作 且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力 2 电磁兼容性设计电磁兼容性设计主要包括两方面内容 对周围电磁干扰物理特性进行估算与测定 对设备承受电磁干扰能力 即抗干扰裕度进行分析或试验测定 前者要求对电子 电气设备所处电磁环境进行评估 需要研究电磁干扰源的特性及干扰传播途径 估算和测定出在现有环境条件下可能出现的最大干扰强度 在此基础上 采取必要的措施抑制干扰源或者阻断干扰的传播途径 使干扰强度不致于影响整个系统或设备的正常工作 后者要求对可能受干扰影响的设备或系统的抗干扰能力做出评价 利用分析计算方法或者试验测量求得设备承受电磁干扰的极限值和噪声敏感度 提高信噪比等 第二节硬件设计基础知识 三 抗干扰技术 17 3 电磁干扰控制的一般方法1 精心选择元器件 元器件是构成部件或系统的基础 要选择集成度高 抗干扰能力强 功耗小的电子器件 2 元部件要精密调整 元器件的精度是系统完成既定功能的重要保证 因此 在使用前或经过一段运行时间之后 都应对元器件及部件进行精确调整 如A D芯片的调零及满量程调整等 3 采用硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术是设计系统是首选的抗干扰措施 它能有效印制干扰源 阻断干扰传输通道 只要合理地布置与选择有关参数 硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰4 采用软件抗干扰技术 尽管采取了硬件抗干扰措施 但由于干扰信号产生的原因很复杂 且具有很大的随机性 难以保证系统完全不受干扰 因此 往往在硬件抗干扰措施的基础上 采取软件抗干扰技术措施加以补充 软件抗干扰方法具有简单 灵活方便 耗费硬件资源少的特点 在微机测控系统中获得了广泛应用 常用的软件抗干扰技术有 数字滤波 信息传送过程的自动检验 系统运行状态监视与发生故障时的自动恢复等 第二节硬件设计基础知识 三 抗干扰技术 18 在绝缘基材的敷铜板上 按预定设计用印制的方法制成印制线路 印制元件或两者组合而成的电路称为印制电路板 PrintedCircuitBoard PCB 不断发展的PCB技术使电子产品设计和装配走向标准化 规模化 机械化和自动化 并使电子产品体积减小 成本降低 可靠性 稳定性提高 装配 维修变得简单等 PCB是电子设备设计的基础 是电子工业重要的电子部件之一 它的功能如下 提供集成电路等各种元器件固定 装配的机械支撑 实现集成电路等各种元器件之间的布线和电气连接或电绝缘 提供所要求的电气特性 特性阻抗 电磁屏蔽及电磁兼容性等 为自动锡焊提供阻焊图形 为元器件插装 检查 维修提供识别字符和图形 第二节硬件设计基础知识 四 印制电路板 19 一 IC元件的选择二 元件封装设计三 PCB设计精度四 分离元件的正确使用五 高速PCB设计方法六 PCB设计的一般原则 第三节硬件设计中应注意的一些问题 20 在选择IC元件的时候 要注意对于无铅及有铅元件的选择 全球都已经开始提倡电子产品的无铅化 而我国也正处于有铅工艺向无铅工艺转换的过渡时期 因此 大部分元器件厂商提供的元器件也就出现了无铅与有铅两种规格 有的厂商甚至已经停止有铅元件的生产 所以当一个产品设计完成后 设计人员需要确认选择的元器件是采用无铅工艺的还是有铅工艺的 如果在整个电路板上同时使用有铅元件与无铅元件 不仅会给SMT生产工艺带来一定的困难 还可能带来整板一致性的缺陷 无铅元件的回流焊峰值温度在255 左右 而有铅元件的回流焊峰值温度最高不超过235 而且两种工艺的温区数量也可能不同 因此 如果混用两种材料 有可能导致有铅元件被高温损坏或无铅元件 特别是BGA封装的元件 所附锡球未达到熔点 从而出现虚焊或抗疲劳度下降等问题 针对这个工艺问题 在PCB板加工时也要做相应选择 一个方面配合无铅工艺 让无铅锡膏的焊接性得到加强 另一方面应用于有铅制成的PCB板也无法承受过高的温度 易造成板翘等不良现象 第三节硬件设计中应注意的一些问题 一 IC元件的选择 21 除了上面提到的进行元器件的有铅与无铅的选择外 在实际的硬件PCB设计中还需要关注IC元件的PCB封装 1 有关PIN引脚焊盘通常 在设计PCB上的元件封装的时候 封装上的PIN引脚的焊盘最好比元件的实际焊盘大一些 这样有利于焊接与调试 尤其是QFN或QPF的元件 因为其引脚基本上扣在芯片的底部 如果焊盘和芯片的实际焊盘大小一样的话 一旦发生虚焊 就很难进行补救了 因为这个时候从外面很难进行焊接 2 有关器件散热一些发热量大的芯片的封装也需要加以关注 TPS65010的封装 其底部有一个面积较大的焊盘 其实是用来给芯片散热用的 而且这个焊盘通常都是接到芯片的地信号 对于这样的芯片 在实际设计器封装的时候 底部的这个焊盘一定要设计进去 在芯片良好散热的同时还要保证良好接地 第三节硬件设计中应注意的一些问题 二 元件封装设计 22 所谓的PCB设计精度也就是设计PCB时的最小线宽 最小线间距及最小过孔尺寸等 在进行布局设计时首先需要考虑PCB厂家可以进行生产的一些技术指标 比如国内现在一般整板的最小线径和线间距是4mil 过孔的内径是6mil 外径是8mil 而如果要设计盲孔和埋孔的话 也需要和厂家确认可以加工的技术指标 其次还要考虑SMT机器贴片的精度 最好不要让元器件之间间距过小 如果元器件间距小于SMT机器的最小精度 将会导致元器件在贴片时碰飞 另外 需要考虑器件和板子边缘的距离 不要和板子边缘靠得太近 如果双面贴元器件的话 还要考虑元器件的高度 以免引起安装问题 第三节硬件设计中应注意的一些问题 三 PCB设计精度 23 在设计电路时不可避免地要使用到一些分离元件 那么就必须考虑分离元件的误差精度 不要误差过大 比如 有些地方选择上拉电阻 这时可以综合考虑下面一些因素 当TTL电路驱动COMS电路时 如果TTL电路输出的高电平低于CMOS电路的最低高电平 一般为3 5V 就需要在TTL的输出端接上拉电阻 以提高输出高电平的值 OC门电路必须加上拉电阻才能使用 为加大输出引脚的驱动能力 有的I O管脚上也常使用上拉电阻 在COMS芯片上 为了防止静电造成的损坏 不用的管脚不能悬空 一般接上拉电阻来降低输入阻抗 芯片的管脚加上拉电阻可以提高输出电平 从而提高芯片输入信号的噪声容限 增强抗干扰能力 提高总线的抗电磁干扰能力 管脚悬空会比较容易接收外界的电磁干扰 长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰 加下拉电阻达到电阻匹配 可有效地抑制反射波干扰 第三节硬件设计中应注意的一些问题 四 分离元件的正确使用 24 高速PCB设计 不仅意味着在生产工艺允许的情况下 用尽量短的敷铜线把器件互连就算完成 而是要从选择高速器件开始 对关键网络 走线方式 长度进行控制 以及对PCB设计前的预设置 在PCB设计的同时进行仿真与分析 最后达到设计的要求 一个PCB上的信号是否作为高速信号来处理 取决于上升时间 导线长度和传输速率三个因素 所以高速PCB的设计的关键就是如何控制信号传输时间和信号的完整性 信号完整性可以从反射 地弹 串扰三个方面来分析 1 反射源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射 reflection 负载将一部分电压发射回源端 如果负载阻抗小于源阻抗 反射电压为负 反之 如果负载阻抗大于源阻抗 反射电压为正 在高速系统中 反射会导致振铃 很可能引起无效触发或延迟触发 使逻辑状态不定 反射可以通过使印制导线的长度短于1 2上升时间的传输长度 或者在印制导线的终端使输入电导与特性电导相匹配来加以控制 还可以通过在印制导线终端接入匹配电阻的方法来控制信号反射 匹配电阻是常用的控制反射的方法 匹配电阻有并联和串联两种方式 第三节硬件设计中应注意的一些问题 五 高速PCB设计方法 25 2 串扰串扰 crosstalk 就是指相邻或相近的导体间不应有的能量耦合 在PCB设计中 典型的串扰发生在同一层印制导线间 但也可能发生在相邻层的导线间 一般在设计PCB时 相邻的两层的走线应该是垂直的 串扰引起在第一个导体上的能量损失和在第二个导体上的信号干扰 串扰的大小取决于源信号的频率或上升时间 导线的几何形状 与邻近导线的距离 以及网络的拓扑结构等 PCB中一般有两类串扰 电容性串扰和电感性串扰 电容性串扰是源于信号电压与耦合电流在两个方向上 电感性串扰是源于信号电源与耦合电压在同一个方向上 电容性串扰可以用分离电路的方法减小 信号线距离越远 电容越小 干扰越小 由于印制板空间的因素限制了两条信号线之间的距离不可能太远 另一个解决方案是在两条相邻的信号线之间加入一条地线 这个地线最好是实地 3 地弹 groundbounce 在电路中有大的电流涌动时会引起地弹 如大量芯片的输出同时开启时 将有一个较大的瞬时电流在芯片和板子的电源平面流过 芯片封装与电源平面的电感和电阻会引起电源噪声 这样会在真正的地平面 0V 上产生电压波动和变化 形成地弹 这个噪声会影响其他元器件的动作 负载电容的增大 负载电阻的减小 地电感的增大 同时开关器件数目的增加均会导致地弹增大 第三节硬件设计中应注意的一些问题 五 高速PCB设计方法 26 1 布局首先要考虑PCB尺寸大小 PCB尺寸过大时 印制线条长 阻抗增加 抗噪声能力下降 过小则散热性不好 在确定PCB尺寸后 要确定特殊元件的位置布局 最后根据电路的功能单元 对电路全部元器件进行布局 在布局的时候一般都要注意下面几个问题 尽量缩短高频元器件之间的连线 设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰 易受干扰的元器件不能相互靠得太近 输入和输出的元件应尽量远离 某些元器件或导线之间可能有较高的电位差 应加大它们之间的距离 带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方 又大又重 发热量大的元器件不适宜装在印制板上 而应装在整