嵌入式硬件基础
成为嵌入式硬件工程师需要学习的内容
成为嵌入式硬件工程师需要学习的内容第一：掌握硬件总体设计掌握硬件总体设计所必须具备的硬件设计经验与设计思路1) 产品需求分析2) 开发可行性分析3) 系统方案调研4) 总体架构，CPU选型，总线类型5) 数据通信与电信领域主流CPU：M68k系列，PowerPC860,PowerPC8240,8260体系结构，性能及对比;6) 总体硬件结构设计及应注意的问题;7) 通信接口类型选择8) 任务分解9) 最小系统设计;10) PCI总线知识与规范;11) 如何在总体设计阶段避免出现致命性错误;12) 如何合理地进行任务分解以达到事半功倍的效果?13) 项目案例：中、低端路由器等第二：学习硬件原理图设计技术，嵌入式之路不可或缺的一部分目的：通过具体的项目案例，详细进行原理图设计全部经验，设计要点与精髓揭密。
1) 电信与数据通信领域主流CPU(M68k,PowerPC860,8240,8260等)的原理设计经验与精华;2) Intel公司PC主板的原理图设计精髓3) 网络处理器的原理设计经验与精华;4) 总线结构原理设计经验与精华;5) 内存系统原理设计经验与精华;6) 数据通信与电信领域通用物理层接口的原理设计经验与精华;7) 电信与数据通信设备常用的WATCHDOG的原理设计经验与精华;8) 电信与数据通信设备系统带电插拔原理设计经验与精华;9) 晶振与时钟系统原理设计经验与精华;10) PCI总线的原理图设计经验与精华;11) 项目案例：中、低端路由器等第三：精通硬件PCB图设计目的：通过具体的项目案例，进行PCB设计全部经验揭密，使你迅速成长为优秀的硬件工程师1) 高速CPU板PCB设计经验与精华;2) 普通PCB的设计要点与精华3) MOTOROLA公司的PowerPC系列的PCB设计精华4) Intel公司PC主板的PCB设计精华5) PC主板、工控机主板、电信设备用主板的PCB设计经验精华;6) 国内着名通信公司PCB设计规范与工作流程;7) PCB设计中生产、加工工艺的相关要求;8) 高速PCB设计中的传输线问题;9) 电信与数据通信领域主流CPU(PowerPC系列)的PCB设计经验与精华;10) 电信与数据通信领域通用物理层接口(百兆、千兆以太网，ATM等)的PCB设计经验与精华;11) 网络处理器的PCB设计经验与精华;12) PCB步线的拓扑结构极其重要性;13) PCI步线的PCB设计经验与精华;14) SDRAM、DDR SDRAM(125/133MHz)的PCB设计经验与精华;15) 项目案例：中端路由器PCB设计第四：硬件调试目的：以具体的项目案例，传授硬件调试、测试经验与要点1) 硬件调试等同于黑箱调试，如何快速分析、解决问题?2) 大量调试经验的传授;3) 如何加速硬件调试过程4) 如何迅速解决硬件调试问题5) DATACOM终端设备的CE测试要求第五：软硬件联合调试1) 如何判别是软件的错?2) 如何与软件进行联合调试?3) 大量的联合调试经验的传授;。
嵌入式系统及应用研究方向
嵌入式系统及应用研究方向嵌入式系统是指将计算机技术应用于各种终端设备中，通过嵌入的方式实现特定功能的计算机系统。
嵌入式系统广泛应用于家用电器、通信设备、医疗设备、交通工具等各个领域，并且随着科技的发展，嵌入式系统的研究方向也不断拓展。
以下是对嵌入式系统及应用研究方向的探讨。
一、嵌入式系统的基础研究方向：1. 硬件设计与控制：嵌入式系统的硬件设计是其基础，包括电路设计、片上系统设计、芯片设计等。
在硬件控制方面，研究人员不仅需要了解各种传感器、执行器等硬件设备的工作原理，还需考虑如何设计高效稳定的控制算法和电路设计，以实现设备的自动化控制。
2. 嵌入式操作系统与驱动开发：嵌入式系统通常需要使用专门的操作系统和驱动程序来管理和控制硬件设备。
研究方向主要包括操作系统的内核设计与实现、驱动程序的开发与优化，以及嵌入式操作系统与硬件设备的兼容性研究等。
3. 实时系统与软件可靠性：嵌入式系统中许多应用要求对系统的实时性能和可靠性有较高的要求。
研究方向主要包括实时任务调度算法的设计与优化、系统实时性能的测评与测试、软件工程与可靠性设计等。
4. 嵌入式软件开发：嵌入式软件开发是嵌入式系统的核心内容之一。
研究方向主要包括嵌入式软件架构设计、嵌入式编程语言和工具的研发、嵌入式软件测试与调试等。
5. 网络与通信技术在嵌入式系统中的应用：随着互联网的普及和物联网的兴起，嵌入式系统越来越多地与外界进行数据交互和通信。
研究方向主要包括网络协议的适配与性能优化、嵌入式系统的远程监控与管理、嵌入式系统的安全性与隐私保护等。
二、嵌入式系统的应用研究方向：1. 智能家居与物联网：智能家居是指通过嵌入式系统和物联网技术实现家庭设备的智能化管理和控制。
研究方向主要包括家庭设备的集成与互操作、智能家居系统的安全性与可靠性、以及智能家居与能源管理、健康监测等领域的结合等。
2. 智能交通与车联网：智能交通系统以及车联网是嵌入式系统的另一个重要应用领域。
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。
嵌入式开发的基础步骤
嵌入式开发的基础步骤1.需求分析在进行嵌入式开发之前，首先要明确系统的需求。
这包括确定系统的功能、性能和可靠性要求，以及与外部设备和用户进行交互的接口要求。
2.系统设计系统设计是嵌入式开发的关键步骤之一、在系统设计阶段，开发人员需要确定系统的整体架构和硬件和软件的组成部分。
这包括选择适合的处理器、内存和其他外围设备，并设计系统的电路板布局。
3.硬件设计硬件设计是嵌入式开发中的重要环节。
在硬件设计阶段，开发人员需要根据系统设计的要求设计电路板，并确定各个芯片和接口的连接方式。
硬件设计还包括选择适当的传感器和执行器，并确定它们的接口和控制方式。
4.软件设计软件设计是嵌入式开发的核心步骤之一、在软件设计阶段，开发人员需要根据系统设计的要求编写软件代码。
这包括编写驱动程序、控制算法和用户界面等。
一般来说，嵌入式软件开发使用的编程语言包括C、C++和汇编语言等。
5.软硬件集成软硬件集成是将软件和硬件组合在一起，使其能够共同工作的过程。
在软硬件集成阶段，开发人员需要将编写的软件代码加载到嵌入式系统中，并通过调试和测试来确保软硬件的正确集成和协同工作。
6.系统测试系统测试是确保嵌入式系统按照设计要求正常运行的重要步骤。
在系统测试阶段，开发人员需要进行功能测试、性能测试和可靠性测试等。
这包括测试系统的输入输出功能、处理能力和稳定性等。
7.调试和优化在嵌入式开发的过程中，可能会遇到各种问题，例如软件错误、硬件故障和性能不足等。
在调试和优化阶段，开发人员需要通过分析和调试系统来解决这些问题，并进行性能优化以提高系统的稳定性和效率。
8.生产和部署在开发完成并经过测试后，嵌入式系统可以进入生产阶段。
在生产和部署阶段，开发人员需要将系统的硬件和软件复制到相应的设备中，并进行部署和安装。
这通常包括制造设备、编写用户手册和提供技术支持等。
总结起来，嵌入式开发的基础步骤包括需求分析、系统设计、硬件设计、软件设计、软硬件集成、系统测试、调试和优化以及生产和部署。
《嵌入式硬件基础》PPT课件
把一些原来由软件实现的、常用的功能改用 硬件的〔微程序〕指令系统来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格 式不固定，指令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自存放器， 也可来自存储器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一 个微指令序列 CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
指令使用频度不C均IS衡C。的主要缺点
高频度使用的指令占据了绝大局部的执行时间，扩 大的复杂指令往往是低频度指令。
大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺
VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联 逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用 反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢 5-10倍)。
取指
时间
译码 取指
执行add
译码 执行sub
取指
译码 执行cmp
指令流水线—以ARM为例
为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水线. 允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。
ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令
PC - 4 PC2
PC - 8 PC - 4
Decode Execute
数据
数据0 数据1 数据2
哈佛体系构造
地址
指令存放器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
地址
CPU
数据
程序存储器
指令0 指令1 指令2
数据存储器
数据0 数据1 数据2
流水线技术
流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 • 提高了CPU的运行效率 • 内部信息流要求通畅流动
嵌入式系统：硬件基础单元测试与答案
一、单选题1、上拉电阻的作用是（）A.吸收引脚输出的电流。
B.将引脚钳位在高电平。
C.为芯片存储电荷能量。
D.消除输出引脚的噪声。
正确答案：B2、开放收集器（OC）的特点是（）A.不能输出低电平B.不能输入高电平C.不能输出高电平D.不能输入低电平正确答案：C3、RS-232电平中，逻辑0和1的电压范围为（）A.负电平-3～-5V为逻辑“1”，正电平+3～+5V为逻辑“0”。
B.高于2.4V为逻辑1，低于0.8V为逻辑0。
C.负电平-3～-12V为逻辑“1”，正电平+3～+12V为逻辑“0”。
D.高于10.8V为逻辑1，低于1.2V为逻辑0。
正确答案：C二、多选题1、对器件进行封装的意义在于（）A.增强电气性能B.增强机械性能C.增强化学稳定性D.增强散热性能正确答案：A、B、C、D2、如下有关TTL、CMOS、RS-232接口电路的电平特性描述正确的有（）A.三类电平可以互相转换。
B.三类器件可以直接互连。
C.三者都是正逻辑电平。
D.前两者是正逻辑电平，后者是负逻辑电平。
正确答案：A、D4、嵌入式系统的典型设计形式有（）A.基于高性能服务器设计B.基于嵌入式处理器专门设计C.基于单板计算机设计D.基于通用计算机设计正确答案：B、C、D三、判断题1、根据嵌入式系统的特点，基于通用计算机是无法构建嵌入式系统的。
正确答案：×解析：通过对通用计算机的接口进行扩展，可以连接到特定的物理对象，形成通用计算机型的嵌入式系统。
2、三态门具有高电平、低电平和高阻抗三种输出状态，所谓高阻抗状态就是既不提供电流也不吸收电流的浮动状态。
正确答案：√四、填空题1、上拉电阻的阻值越大，其上拉能力越（），产生的功耗越（）。
正确答案：大或强，小或低2、为了解决芯片引脚的信号浮动问题，可以在引脚连接一个（）。
正确答案：上拉电阻或下拉电阻。
嵌入式硬件设计
嵌入式硬件设计嵌入式硬件设计是一种专门用于嵌入式系统的硬件开发方法。
通过硬件设计，可以实现各种嵌入式设备，如智能手机、平板电脑、路由器等的功能。
本文将介绍嵌入式硬件设计的基本概念、流程和技术。
一、嵌入式硬件设计的基本概念嵌入式硬件设计是指在嵌入式系统中设计硬件的过程。
嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，它通常用于特定的应用领域，如汽车、医疗设备、工业控制等。
嵌入式系统与普通的计算机系统相比，具有体积小、功耗低、价格低廉等特点。
嵌入式硬件设计主要包括以下几个方面的内容：1.硬件架构设计：确定嵌入式系统的硬件架构，包括处理器选择、内存设置、输入输出接口的设计等。
2.电路设计：根据硬件架构设计，设计嵌入式系统所需的电路，包括电源电路、时钟电路、信号处理电路等。
3. PCB设计：根据电路设计，进行PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）的设计，将电路图布局到电路板上，并进行线路连接。
4.元器件选型：选择适合嵌入式系统的元器件，包括处理器、存储器、传感器等，以满足系统的性能要求。
5.系统调试与测试：对嵌入式系统进行调试和测试，确保系统的稳定性和功能完整性。
二、嵌入式硬件设计的流程嵌入式硬件设计的流程主要包括需求分析、系统设计、电路设计、PCB设计、系统集成等几个阶段。
下面将对每个阶段进行详细介绍。
1. 需求分析：首先，需要明确嵌入式系统的需求，包括功能需求和性能需求。
通过与客户沟通，了解系统的使用场景和用户的需求，进而确定系统的功能和性能指标。
2. 系统设计：在需求分析的基础上，进行系统设计。
系统设计包括软硬件的划分、硬件架构设计和接口定义。
通过系统设计，确定系统所需的硬件资源和软件功能。
3. 电路设计：根据系统设计，进行电路设计。
电路设计包括电路原理图设计和电路板布局设计。
在电路设计中，需要根据硬件资源和接口定义，选择合适的元器件，并设计电路图和布局。
4. PCB设计：根据电路设计，进行PCB设计。
第2章 嵌入式系统硬件开发平台(新)1
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
在32位RISC芯片中占据了领导地位。
合作伙伴包括了许多世界顶级的半导体公 司
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
i.MXL/MX21
LPC2000/300 0
PXA255/270
S3C2410/2440
AT91RM9200
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
而且ARM体系还采用了一些特别的技术，在保证高 性能的同时尽量减小芯片的体积，降低芯片的功 耗。这些技术包括： 在同一条数据处理指令中包含算术逻辑处理单元 处理和移位处理。 MOV R0，R1，LSL #3 //R0=R1<<3 使用地址自动增加（减少）来优化程序中循环处 理。 LDR R0，[R1，R2，LSL #2] //将内存单元（R1+（R2<<2)）中的数据读取到 R0中，同时R1=R1+（R2<<2)
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
3、JTAG接口
• JTAG（Joint Test Action Group，联合 测试行动小组）是一种国际标准测试协议 （IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部 测试。
嵌入式系统及其应用
• 我们经常用简易 JTAG接口直接烧写 嵌入式系统Flash存 储器。这种烧写方式 是通过一根并口电缆 和一块信号转换集成 电路板以建立PC机与 开发板之间的通信。
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
2、嵌入式系统中的存储设备
（1）RAM、SRAM、DRAM • RAM即是我们通常所说的内存。RAM又可 分为SRAM（静态存储器）和DRAM（动 态存储器）。 （2）Flash • Flash是一种非易失闪存，它具有和ROM 一样掉电后数据不会丢失的特性。Flash是 目前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器， 它的主要特点是按整体/扇区擦除和按字节 编程，具有低功耗、高密度、小体积等优 点。