博创嵌入式培训PPT——第8章 嵌入式系统硬件设计基础与标准( 模板).ppt

1、第八章嵌入式系统的硬件设计基础和标准。对于嵌入式Linux系统，硬件相关的编程离不开硬件基础知识。作为硬件的补充，本章主要介绍了嵌入式系统的硬件组成、硬件设计的基本知识和注意事项。通过实验，读者可以基本掌握理解简单电路图和芯片数据手册的能力，了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，这一章可以浏览；对于那些推动开发并与硬件紧密合作的人来说，他们需要得到加强。基于OMAP的加密终端硬件设计实验给出了系统硬件需要考虑的一些问题的例子。主要内容第1节嵌入式系统的硬件组成第2节硬件设计的基本知识第3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和软件部分。

2、硬件是嵌入式系统的底层和基础部分，对于不同的嵌入式系统来说，其实现方式基本上是不同的。然而，一般的嵌入式系统硬件可以分为以下几个部分：嵌入式微处理器、存储器、输入输出设备、通信和扩展接口。1.嵌入式微处理器2。记忆3。输入/输出设备4。通信和扩展接口。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在特定的系统中，通常将通用处理器中的板卡完成的许多任务集成到芯片中，这有利于实现嵌入式系统设计的小型化、高效率和高可靠性的特点。有时，为了

3、满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器将在工作温度、抗电磁干扰和可靠性方面得到提高。第一节嵌入式系统的硬件组成1。嵌入式微处理器一般来说，嵌入式微处理器具有以下特点：实时多任务处理能力强，能够完成多任务，中断响应时间短，从而将内部代码和实时内核的执行时间降低到最低程度。它具有强大的存储区域保护功能。这是因为嵌入式系统的软件结构已经模块化。为了避免软件模块之间的错误操作和不必要的交叉操作，有必要设计一个强大的内存区域保护功能，这也有利于软件诊断。可扩展的处理器架构。通常，处理器中有许多扩展接口来扩展应用程序。提供丰富的调试功能。交叉编译主要用于嵌入式系统的开发过程，丰富的调试界面可以使嵌入式系

4、统的开发更加方便。嵌入式微处理器必须具有低功耗，特别是对于电池供电的便携式系统。有些系统要求功耗达到兆瓦级甚至瓦级。许多嵌入式微处理器提供几种工作模式，如正常工作模式、待机模式、省电模式等。它们是嵌入式的。第四部分：嵌入式系统的硬件组件。嵌入式微处理器中，内存是嵌入式系统的“内存”组件，也是嵌入式系统的另一个重要组件。在嵌入式系统中，根据信息的易失性，存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器是指当电源切断时，存储器中的信息消失，不能永久存储；相反，非易失性存储器中的数据在断电后不会消失，而是可以永久存储。下面将详细描述嵌入式系统中常用的易失性和非易失性存储器。1.在嵌入式系统中，最

5、常用的易失性存储器是随机存取存储器。根据不同的存储机制，内存可以分为动态内存和静态内存。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、闪存和微驱动器。第一节嵌入式系统的硬件组成2。记忆5。1.输入设备如果计算机要按照人们的要求工作，它必须能够接受人们的命令，并将完成各种工作所需的原始数据发送到计算机系统中。承担这些任务的是计算机的输入设备。输入设备的功能是输入程序、数据、指令和各种字符信息。操作员可以向系统发送指令，并通过输入设备与系统“交谈”，输入设备是人与系统之间信息交换的主要设备之一。嵌入式系统也离不开输入设备。在一般的计算机系统中，输入设备的种类并不多，但常用的有

6、键盘、鼠标、触摸屏和扫描仪。相比之下，嵌入式系统的输入设备多种多样，如按钮、键盘、鼠标、手柄、触摸屏、语音/灯光开关等。根据输入设备的不同实现机制，嵌入式系统的输入设备可以分为三种类型：机械式、触敏式和声光式。第一节嵌入式系统的硬件组成。输入/输入设备6。2.输出设备输出设备是计算机系统的一部分，它将计算结果和处理信息传送给用户。输出设备的功能是输出处理结果，显示或打印出系统的处理和处理结果。通用计算机系统中常见的输出设备包括监视器、打印机、绘图仪等。在嵌入式系统中，除上述之外，还有音频设备，如发光二极管指示灯和扬声器。显示器是最常用的输出设备，可分为球形显示器和平板显示器。最常见的球形显示器

7、是传统的阴极射线管显示器。球形显示器不适合显示嵌入式系统，因为它们体积大。在嵌入式系统中，平板显示器通常用于输出和显示数据。在平板显示技术中，最重要的是液晶显示技术。目前，液晶显示器已经广泛应用于嵌入式系统中。第一节嵌入式系统的硬件组成。输入/输入设备7。当嵌入式系统与外围设备和其他计算机系统通信时，如果要扩展功能，就必须打开通信和扩展接口。接口是主板和某类外设之间的适配电路，可以解决主板和外设在工作速度、数据格式和电压电平方面的匹配问题。在嵌入式系统中，接口在与外界的交流中起着“桥梁”的作用。嵌入式系统中有各种形式和方法的接口。嵌入式系统的通信接口可分为有线接口和无线接口。在设计有线接口时，

8、必须考虑以下因素。第一是电位匹配，即嵌入式系统微处理器提供和接收的点必须与连接的外围设备相同，否则，一个点会更高，导致电路损坏，或者电位会不同，无法准确判断所代表的信号是否正确。第二是防止连接过程中的干扰。当接口连接时，如果连接不完整，信号传输将被阻断。还应考虑驱动潜力。一些外设需要相对较大的功率来驱动。如果电源过低，外设将无法正常工作。嵌入式系统中常用的有线接口包括RS232接口、USB接口、IEEE-1394接口和RJ-45接口。第一节嵌入式系统的硬件组成4。通信和扩展接口8。要设计嵌入式系统硬件，必须掌握一些硬件设计的基础知识。要理解计算机体系结构，我们还应该掌握电子学的知识，如电子技术

9、、抗干扰技术和印刷电路板技术。当然，对于不同的嵌入式系统硬件，将涉及更多的专业技术。本节仅简单介绍一些基础和通用技术，即计算机体系结构、电子技术、抗干扰技术、印刷电路板、硬件设计基础，第2、9、1节。冯诺依曼架构1945年，冯诺依曼首次提出了“存储程序”的概念和二进制原理。后来，人们把利用这一概念和原理设计的电子计算机系统称为冯诺依曼机器。冯诺依曼机器的最大特点是它把指令和数据存储在存储器中，它的计算系统由中央处理器和存储器组成。存储器存储指令和数据，并且可以根据给定的地址读取或写入这些指令和数据，如右图所示。例如，英特尔8086、ARM7、MIPS和其他处理器都采用冯诺依曼架构。2.硬件设计

10、基础知识1。计算机体系结构10。哈佛建筑随着计算机技术的不断发展，冯诺依曼建筑的一些缺点开始暴露出来。例如，不可能同时获取指令和操作数，从而在传输过程中形成瓶颈。针对这一缺点，与冯诺依曼架构相比，哈佛架构有两个明显的特点：两个独立的存储模块分别用于存储指令和数据，每个存储模块不允许指令和数据共存。两条独立的总线被用作中央处理器和每个存储器之间的专用通信路径，并且这两条总线之间没有相关性。哈佛架构的处理器包括摩托罗拉的MC68系列、Zilog的Z8系列、ARM9和ARM10系列等。第二节硬件设计基础知识1。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，电子器件用于

11、实现信号产生、放大、调制和检测的功能，常见的电子器件包括电子管、晶体管和集成电路等。电子电路是电子设备的基本单元，由电子元器件和电阻、电容、电感等电子器件组成，具有一定的特定功能。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是信息的载体。在人类周围的环境中，有各种形式的信号，如电、声、光、磁和力。电子技术处理的对象是携带信息的电信号。目前，电信号的处理技术已经成熟。然而，在通信、测量、自动控制和日常生活等各个领域，也会遇到非电信号的处理问题。在实践中，经常需要将待处理的非电信号转换成电信号，然后在处理后将其恢复为非电信号。电子技术中遇到的电信号根据其不同的特性可以分为

12、模拟信号和数字信号。2.硬件设计基础知识。电子技术。1)模拟信号在时间和振幅上连续的信号称为模拟信号。这种信号的特点是振幅在一定的动态范围内可以取任意值。许多物理量，如声音、压力、温度等。可以通过相应的传感器转换成具有连续时间和数值的电压或电流。2)数字信号对应于模拟信号，时间和幅度离散(不连续)的信号称为数字信号。数字信号的特点是振幅只能取有限的数值。相同的物理量可以用模拟信号或数字信号来表征。例如，传统的录音带以模拟形式记录声音信息，而激光唱片以数字形式记录声音信息。2.硬件设计基础知识。电子技术。2.模拟电路和数字电路具有不同的模拟信号和数字信号的特性，所以处理这两种信号的方法和电路也是

13、不同的。一般来说，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。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。数字电路关注各种电路输入和输出之间的逻辑关系，经常使用逻辑代数、真值表、卡诺图和状态转移图。2.硬件设计基础知识。电子技术。模拟电路和数字电路的分析方法有很大的不同，这是由模拟信号和数字信号的不同特性决定的。因为电子电路分为模拟电路和数字电路，所以电子技术也分为模拟电子技术和数字电子技术。然而，这两种技术并不是孤立的，在许多情况下它们经常一起使用

14、。随着电子技术的不断发展，数字电路得到了广泛的应用，在许多领域取代了模拟电路。主要原因是数字电路更容易通过各种算法进行编程，这使得它们的应用更加灵活。数字电路可以提供更高的工作速度。有了数字电路，数字信息的范围可以更广，表示的精度可以更高。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容易小型化，等等。2.硬件设计基础知识2。电子技术，15，1。电磁干扰的形成因素我们把除了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。电磁噪声会导致不良结果，这被称为电磁干扰。电磁干扰由电磁干扰源发出，通过耦合传递到被干扰设备(敏感设备)。因此，电磁干扰的形成必须具备以下三个基本要素(称为干扰三要素

15、):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出的电磁能量都会对同一环境中的其他设备、人和其他生物造成伤害，造成不良后果。这种发射电磁能量的装置或自然现象称为电磁干扰源。2)传输通道。传输通道，又称耦合通道或耦合通道，是指电磁能量从干扰源向敏感设备的传输(或耦合)，即传输电磁干扰的通道或介质。3)敏感设备。敏感设备，也称为受干扰设备，是指当电磁干扰源发射的电磁能量造成电磁危害时，其性能下降的装置、设备或系统，以及人或其他生物。许多装置、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3。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(EMC)是指设备或系

16、统在其电磁环境中正常工作而不会对环境中的任何事物造成无法忍受的电磁干扰的能力。2)电磁兼容设计电磁兼容设计主要包括两个方面：估算和测量周围电磁干扰的物理特性。分析或测试设备承受电磁干扰的能力，即抗干扰能力。前者要求评估电子电气设备的电磁环境，研究电磁干扰源和干扰传播路径的特征，并估计和测量现有环境条件下可能的最大干扰强度。在此基础上，采取必要措施抑制干扰源或阻断干扰传播路径，使干扰强度不影响整个系统或设备的正常运行。后者要求评估可能受干扰影响的设备或系统的抗干扰能力，通过分析计算方法或测试测量获得受电磁干扰设备的限值和噪声灵敏度，提高信噪比等。第二节硬件设计基础知识。抗干扰技术。电磁干扰控制的一般方法因此，在使用前或运行一段时间后，应准确调整元器件，如调零和满量程调整模数芯片。3)采用硬件抗干扰技术：硬件抗干扰技术是系统设计的第一个抗干扰措施，可以有效地打印干扰源，阻断干扰传输通道。只要合理安排和选择相关参数，硬件抗干扰措施可以抑制系统的大部分干扰。4)采用软件抗干扰技术：虽然采用了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号的复杂性和随机性，很难保证系统完全不受干扰。因此，经常采取软件抗干扰技术措施来补充硬件抗干扰措施。软件抗干扰