嵌入式系统硬件设计SI基础
嵌入式物联网系统软硬件基础知识大全
嵌入式物联网系统软硬件基础知识大全本文主要介绍嵌入式系统的基础知识，涉及嵌入式软件和硬件的方方面面，希望对各位有帮助。
嵌入式系统基础1、嵌入式系统的定义（1）定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
（2）嵌入式系统发展的4个阶段：无操作系统阶段、简单操作系统阶段、实时操作系统阶段、面向Internet阶段。
（3）知识产权核（IP核）：具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现系统芯片（SOC）的基本构件。
（4）IP核模块有行为、结构和物理3级不同程度的设计，对应描述功能行为的不同可以分为三类：软核、固核、硬核。
2、嵌入式系统的组成嵌入式系统包含:硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。
嵌入式核心模块＝微处理器＋电源电路＋时钟电路＋存储器Cache: 位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。
它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。
（1）硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。
（2）中间层(也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP)。
它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。
BSP具有硬件相关性和操作系统相关性。
设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：A、 嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。
片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。
板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。
系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。
B、 设计硬件相关的设备驱动。
（3）系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。
嵌入式系统的硬件设计
嵌入式系统的硬件设计嵌入式系统是一种应用广泛的计算机系统，它以特定功能为目的，集成在其他设备或系统中，常常被用于控制、监测、通信等各个领域。
而硬件设计是构建嵌入式系统的关键步骤之一，它负责设计和实现系统的硬件部分，包括电路设计、板级设计以及系统级设计。
本文将以嵌入式系统的硬件设计为主题，探讨其相关内容。
一、嵌入式系统硬件设计的概述嵌入式系统硬件设计是指根据系统的需求和功能，设计和实现系统所需要的电路、存储器、接口等硬件部分。
与传统计算机硬件不同，嵌入式系统硬件设计需要考虑功耗、成本、尺寸和可靠性等方面的要求。
同时，嵌入式系统硬件设计还需要与软件开发密切配合，确保硬件和软件之间的良好配合，提高系统的整体性能和效率。
二、嵌入式系统硬件设计的关键技术1. 电路设计电路设计是嵌入式系统硬件设计的基础，它涉及到电路的原理图设计、布局设计、引脚分配等方面。
在电路设计中，需要选择合适的元件和器件，优化电路的结构和性能，满足系统对电路的要求。
此外，电路设计中还要考虑信号完整性、抗干扰能力、电磁兼容性等因素，以提高系统的可靠性和稳定性。
2. 存储器设计存储器在嵌入式系统中起到重要的作用，用于存储和读取数据、指令等信息。
在存储器设计中，需要选择合适的存储器类型，如SRAM、DRAM、Flash等，并进行存储器的容量规划和接口设计。
此外，存储器的访问速度、功耗和可靠性也是存储器设计中需要考虑的重要因素。
3. 接口设计嵌入式系统通常需要与外部设备或系统进行交互，因此接口设计是嵌入式系统硬件设计的重要组成部分。
在接口设计中，需要选择合适的接口标准和协议，并设计相应的接口电路和信号传输线路。
接口设计不仅要考虑数据传输的可靠性和速度，还需要考虑系统的兼容性和扩展性。
三、嵌入式系统硬件设计的流程嵌入式系统硬件设计的流程通常包括需求分析、系统架构设计、电路设计、布局设计、硬件调试和验证等阶段。
在需求分析阶段，需要明确系统的功能和性能要求，确定硬件设计的目标和约束条件。
嵌入式系统设计的基础知识
嵌入式系统设计的基础知识嵌入式系统是指嵌入到其他设备中，完成特定功能的计算机系统。
常见的嵌入式系统包括智能手机、数字电视机顶盒、汽车电子、工业自动化等领域。
因为嵌入式系统通常空间、能耗、成本要求都非常严苛，所以它们和通用计算机相比有很多不同之处。
本文将从嵌入式系统设计的角度，介绍嵌入式系统设计的基础知识。
一、嵌入式系统的硬件设计基础知识嵌入式系统的硬件设计是指对嵌入式系统的各个硬件组成部分进行设计、选型、集成、排布的过程。
嵌入式系统的硬件设计必须考虑以下几个方面。
1.芯片选型单片机（MCU）是嵌入式系统常用的芯片，由于嵌入式系统对芯片的集成度要求很高，常用的MCU都集成了很多模拟和数字外设如模数转换器（ADC）、通用异步收发器（UART）、同步串行收发器（SPI）、I2C接口等，可以很方便地与外部设备进行通讯。
当然，其他器件如FPGA、DSP等也可以作为嵌入式系统的芯片。
2.电源选择嵌入式系统的电源选择不仅要考虑芯片的输入电压特性，还要考虑嵌入式系统的整体功耗和稳定性，特别是对于多电压需求的系统更要注意电源的设计。
3.尺寸和布局嵌入式系统的尺寸和布局既要考虑外部尺寸限制，又要考虑内部线路的布局和信号的传输特性。
因为一旦系统原型被制作出来，改动就会变得十分困难，这就要求硬件设计人员对布局的精确把握和对参数的准确计算。
4.时钟电路嵌入式系统内的各个部件需要同步，通常需要一个精确的时钟电路驱动。
在时钟电路的设计中，要考虑功耗、抗干扰性等因素。
二、嵌入式系统的软件设计基础知识嵌入式系统的软件设计是指嵌入式系统的固件设计、操作系统选择和软件架构的设计等多个方面。
在开发嵌入式系统时，软件设计是非常重要的一个环节。
1.固件设计在开发嵌入式系统时，需要编写固件程序，这是嵌入式系统的基础软件。
固件程序通常被编写在C语言或某些汇编语言中。
编写固件程序时，需要考虑程序的规模、执行速度、可维护性、代码安全性等多重因素。
嵌入式硬件设计基础
嵌入式硬件设计基础嵌入式硬件设计是一门综合性较强的学科，主要涉及电子学、计算机科学和工程学等多个领域。
嵌入式硬件设计师需要具备深厚的电子技术背景，熟悉各类硬件器件和系统的工作原理，并能将软件和硬件相互配合，完成系统的设计与开发。
嵌入式硬件设计的基础包括电子学基础、计算机组成原理、模拟电路、数字电路、微处理器体系结构、互联技术等。
首先，要了解电子学的基本概念和原理，包括电流、电压、电阻等基本电路元件的作用和关系，熟悉电路分析和设计的方法。
其次，需要了解计算机组成原理，包括中央处理器、存储器、输入输出设备等基本组成部分的功能和工作原理。
进一步，要学习模拟电路的设计和分析方法，包括放大器、滤波器、功率放大器、运算放大器等模拟电路的基本原理和设计方法。
还需要学习数字电路的设计和分析方法，包括逻辑门、触发器、计数器、寄存器等数字电路的基本原理和设计方法。
此外，还要学习微处理器体系结构的知识，包括指令集、寄存器、数据通路、控制器等微处理器的基本组成和工作原理。
最后，要学习互联技术的知识，包括总线技术、串口通信、并口通信、以太网、USB等各种互联技术的工作原理和应用。
在学习嵌入式硬件设计的过程中，需要进行实际的设计和开发实践，以提升自己的能力。
可以选择一些小型项目，如设计一个LED灯控制器，或一个温度监测系统等。
在设计过程中需要进行器件的选型、电路的设计、PCB的布局和布线、硬件和软件的调试等。
通过实践锻炼，可以更好地理解理论知识，并积累丰富的经验。
此外，嵌入式硬件设计师还需要具备一定的软件开发能力，熟悉一些常用的编程语言，如C、C++等。
在嵌入式系统开发过程中，需要通过编写软件来控制硬件的运行。
因此，掌握一定的软件开发能力可以更好地配合硬件设计。
总之，嵌入式硬件设计是一门综合性较强的学科，需要掌握电子学、计算机科学和工程学等多个领域的知识。
通过深入学习和实践，可以掌握基础的嵌入式硬件设计技能，并能在实际项目中进行硬件系统的设计与开发。
嵌入式系统教学大纲
嵌入式系统教学大纲嵌入式系统教学大纲嵌入式系统是当今科技领域中的一个重要分支，它涵盖了硬件、软件、通信和控制等多个领域。
随着物联网和人工智能的快速发展，嵌入式系统的应用范围越来越广泛。
为了培养具备嵌入式系统设计和开发能力的专业人才，制定一份完善的嵌入式系统教学大纲至关重要。
第一部分：嵌入式系统基础知识在这一部分，学生将学习嵌入式系统的基本概念、发展历程以及相关技术。
包括嵌入式系统的定义、特点、分类和应用领域等内容。
同时，还将介绍嵌入式系统的硬件平台、软件开发环境和通信技术等基础知识。
第二部分：嵌入式系统硬件设计这一部分将重点介绍嵌入式系统的硬件设计原理和方法。
学生将学习数字电路设计、模拟电路设计以及嵌入式系统的电源管理和时钟设计等内容。
通过实践项目，学生将掌握基本的电路设计和PCB布局技术。
第三部分：嵌入式系统软件开发在这一部分，学生将学习嵌入式系统的软件开发技术。
包括嵌入式操作系统、驱动程序设计、实时系统和嵌入式软件测试等内容。
通过实践项目，学生将了解嵌入式系统软件开发的整个流程，并掌握常用的开发工具和技术。
第四部分：嵌入式系统通信与网络这一部分将介绍嵌入式系统的通信和网络技术。
学生将学习串行通信、并行通信、无线通信以及网络协议等内容。
通过实验项目，学生将了解嵌入式系统与外部设备的通信方式，并能够进行网络编程和数据传输。
第五部分：嵌入式系统应用与案例分析在这一部分，学生将学习嵌入式系统在各个领域的应用案例。
包括智能家居、智能交通、医疗设备和工业自动化等领域。
通过案例分析，学生将了解嵌入式系统的实际应用和解决方案，并能够进行系统设计和优化。
第六部分：嵌入式系统实践项目这一部分将组织学生进行嵌入式系统的实践项目。
学生将根据自己的兴趣和专业方向选择合适的项目，并在指导老师的指导下完成项目设计、开发和测试。
通过实践项目，学生将综合运用所学的硬件设计和软件开发技术，提升解决实际问题的能力。
第七部分：嵌入式系统设计与创新在这一部分，学生将学习嵌入式系统的设计原则和创新思维。
嵌入式系统基础了解嵌入式硬件与软件开发
嵌入式系统基础了解嵌入式硬件与软件开发嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它被嵌入到了各种设备中，如家用电器、汽车、医疗设备等。
嵌入式系统既包括硬件部分也包括软件部分，是一门综合性的学科。
本文将介绍嵌入式系统的基础知识，包括嵌入式硬件和软件开发。
一、嵌入式硬件嵌入式硬件是嵌入式系统中的物理部分，它包括处理器、内存、输入输出设备、外围接口等。
下面将逐一介绍这些硬件组成部分。
1. 处理器：嵌入式系统中的处理器通常是一款低功耗、高性能的芯片，如ARM架构的处理器等。
处理器是嵌入式系统的核心，负责执行指令和控制其他硬件设备的工作。
2. 内存：嵌入式系统的内存通常包括RAM和ROM两种。
RAM是用来存储程序和数据的临时存储器，而ROM则是用来存储固化的程序和数据的只读存储器。
3. 输入输出设备：嵌入式系统的输入输出设备可以是触摸屏、键盘、麦克风、摄像头等。
这些设备可以让用户与嵌入式系统进行交互，并获取用户输入的信息。
4. 外围接口：嵌入式系统通过外围接口与外部设备进行通信，如串口、SPI接口、I2C接口等。
外围接口可以连接传感器、执行器等外部设备，实现各种功能。
二、嵌入式软件开发嵌入式软件开发是指在嵌入式硬件上运行的程序的开发过程。
嵌入式软件通常是实时系统，要求对响应时间有很高的要求。
下面将介绍嵌入式软件开发的基本流程以及常用的开发工具。
1. 基本流程：嵌入式软件开发的基本流程包括需求分析、系统设计、编码、调试和测试等步骤。
需求分析是确定系统功能和性能要求的过程，系统设计是根据需求设计软件架构和模块划分，编码是将设计的模块实现成具体的代码，调试和测试是验证软件的正确性和性能是否满足要求。
2. 开发工具：常用的嵌入式软件开发工具有编译器、调试器和仿真器等。
编译器用来编译源代码生成可执行文件，调试器用来调试程序的运行过程，仿真器可以模拟出硬件环境，方便软件的开发和测试。
三、嵌入式系统的应用领域嵌入式系统广泛应用于各个领域，下面将介绍几个典型的应用领域。
第8章嵌入式系统硬件设计基础与标准
第一节 嵌入式系统的硬件组成 —— 三、输入/输入设备
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
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（Liquid Crystal Display，LCD）已广泛用于嵌入式系统。
地址 指令寄存器 控制器 指令
存储器 程序 指令0 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5
地址 数据通道 中央处理器 数据 数据 数据0 数据1 数据2 数据3
嵌入式系统的基础知识
嵌入式系统的基础知识嵌入式系统是一种特殊类型的计算机系统，它的设计是为了执行特定的功能，例如：控制家电、汽车系统，医疗设备、工业控制等。
它们通常集成了控制器、传感器、执行器等电子元件与软件，并且运行在嵌入式操作系统下。
在这篇文章中，我们将探讨嵌入式系统的基本知识。
一. 嵌入式系统的构成嵌入式系统的构成主要包含三部分：硬件、软件和操作系统。
硬件：主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入输出（IO）接口、通信接口、传感器、执行器等组成。
软件：它们是嵌入式系统中最重要的部分。
在嵌入式系统中，软件被分为两部分：应用软件和系统软件，其中，应用软件是用来实现用户需求的，而系统软件则是用来管理、控制硬件并协调应用软件的。
操作系统：嵌入式操作系统通常是针对特定应用的，尺寸小、运行速度快，它们与通用操作系统（如Windows或Linux）不同，通常不提供完整的文件系统和图形用户界面（GUI）。
二. 嵌入式系统的特点1. 实时性要求高嵌入式系统通常需要在非常短的时间内完成各种操作。
举例来说，医疗设备必须在极短的时间内提供准确的心电图，汽车防抱死刹车系统必须能够在几毫秒内对车轮做出反应。
实时性是嵌入式系统在市场上成功的关键。
2. 多种输入输出接口输入输出接口是嵌入式系统最重要的组成部分之一，因为这些接口是用来控制硬件和与外部世界联系的。
嵌入式系统通常具有不同类型的接口，例如：数字和模拟输入输出，以及通信接口如UART、I2C、SPI和网络接口等。
3. 尺寸小、功耗低由于嵌入式系统通常被集成到产品中，所以它们的尺寸必须小，并且需要耗电少以保证长时间的运行。
4. 稳定性高嵌入式系统通常需要持续运行数年，同时必须保证稳定性和可靠性，因为它们的系统组成部分与生产过程紧密相关，而崩溃会导致成本大幅增加。
三. 嵌入式系统的设计过程1. 需求分析在嵌入式系统的开发过程中，需求分析是最重要的阶段，因为只有正确地定义了所需求，才能有效地设计嵌入式系统。
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前言
SI挑战
现代电路设计不断朝高速、高密度、低电压、大电流趋势 发展，信号完整性（Signal Integrity，SI）、电源完整性 （Power Integrity，PI）和电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）问题日益突出。传统设计方法显得力不 从心，需综合三者间相互影响进行协同设计.
Complex transient behavior related to the reflection coefficient on each extremities and transmission line discontinuities
反射解决方法
反射问题主要通过端接匹配解决，使信号在传输过程 中感觉不到瞬态阻抗突变。
Resistance at higher frequencies
When the conductor is much thicker than the skin depth one have to substitute the skin depth for the thickness in the resistance formula:
1.5
FFT(V(1))
1.5
FFT(V(1))
1.0
0.5
Y Axis Title [Volt]
0.2G 0.4G 0.6G 0.8G 1.0G
1.0
Amplitude [Volt]
0.5
0.0 0.0G
FREQ [Hz]
0.0 0.0G
0.2G
0.4G
0.6G
0.8G
1.0G
FREQ [Hz]
The effect of missing harmonics
At generator side (input): At generator side (input):
V z 0, t V t V t V 0, t 1 G
L L V z L, t V t V t V L, t 1 L v v
1.5
out1 l2out
1.0
Y Axis Title [Volt]
0.5
0.0
-0.5
-1.0 0.0n
10.0n
20.0n
30.0n
time [sec]
A digital signal
6.0
out
• Frequency 50MHz
• Risetime 1ns ( 10% 90% ) • Falltime 1ns ( 10% 90% )
1 0.75 0.5 0.5 0.25 0 0 -0.25 -0.5 -0.5 -0.75 -1
1st harmonic only
0.75 0.5 0.25 0 -0.25 -0.5 -0.75 0 2.5 5 7.5 10
0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
1st to 5th harmonic
d s=
1 µf
[m]
Skin depth ( ds )
0.75 0.5 0.25 0 -0.25 -0.5 -0.75
0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
1st and 3rd harmonic only
12.5
15
17.5
0
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
1st to 21st harmonic
反射
Signal integrity (SI) issue
Z0 =
R +L j G +C j
[ohm]
For a loss less line this simplifies to:
Z0 =
L C
[ohm]
Loss ( a )
Loss a is measured in dB / m Loss is the reduction of signal voltage along a line due to resistance and leakage The resistive losses is due to resistance in conductor and ground plane. The dielectric losses is due to the energy needed to change polarization of the dielectric material. The radiation losses is the energy sent from the conductor acting as an antenna.
Aplitude [Volt]
0.2
0.2
0.1
0.1
0.0 0.0M
50.0M
100.0M
150.0M
0.0 0.0M
50.0M
100.0M
150.0M
200.0M
FREQ [Hz]
FREQ [Hz]
10 ns risetime
1 ns risetime
Spectrum of a pulse train
抖动-实际信号与理想信号间的时序波动， 由系统内在噪声和外在噪声共同引起。
串扰
串扰-串扰是指多信号网络间边缘场耦合效应导致的噪声干扰现象。
串扰
高速电路中需要控制串扰的布线网络 主要包括：高速并行总线、高速时钟总 线、高速接插件等。常用的减小串扰措 施包括：减小平行走线长度、增大线间 距、采用平面作返回路径、减小互连特 性阻抗以及采用防护布线等。
R=
1
ds
1
[ohm]
R=
1 µf
The resistance has now become frequency dependent !
Skin depth ( ds )
At higher frequencies only a thin layer of the conductor transport the current. The thickness where the current density is reduced to 1/e is called the skin depth ds.
SI挑战
SI问题是电路高速化的产物，电路高 速化指电路中信号的有效带宽增加，主 要表现在系统工作频率提高和数字信号 边沿率加快两方面。高速电路常见的SI 问题包括：反射（Reflection）、串扰 （Crosstalk）、同时开关噪声（SSN， Simultaneous Switching Noise）、时序 错位与抖动（Timing Skew & Jitter）等
z z V z, t V t V t v v 1 z 1 z I z, t V t V t ZC v ZC v 1 1 v lc
The voltage at each point of the line depends on the reflection coefficient at each line terminals:
Impedance ( Z0 )
Impedance is measured in Ohms Impedance describes the AC resistance a driver will see when driving a signal into a indefinitely long transmission line.
0
L
z
ZG
I(z,t)
++++++Interconnect
VG
l ZC ------- c
I(z,t)
Load
ZL
Thevenin generator
Transmission line
The voltage and current on each point of the line is superposition of a forward and backward voltage, travelling in opposite directions.
5.0
Voltage [Volt]
3.0
• Bandwidth 350MHz
1.0
-1.0 0.0n
10.0n
20.0n
30.0n
time [sec]
Spectrum of a single pulse
0.4
FFT(V(1))
0.4
FFT(V(1))
0.3
0.3
Y Axis Title [Volt]
L V t v Z L ZC L L Z L ZC V t v
V t ZG ZC G V t ZG ZC
Transient behavior of voltage at each line terminals:
Basic transmission line
Driver
Transmission line
Termination resistor
The four describing parameters
R C L G