嵌入式硬件设计基础
《嵌入式硬件基础》课件
输入/输出接口
用于与外部设备进行通信和控 制。
其他组件
如时钟、复位电路等。
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CATALOGUE
ARM处理器基础
ARM处理器简介
ARM处理器是一种低功耗、 高性能的嵌入式处理器，广泛 应用于移动设备、物联网、智
能家居等领域。
ARM公司设计并授权ARM处 理器知识产权，许多半导体 公司根据ARM架构设计自己
UART接口
总结词
支持多种数据格式
详细描述
UART接口可以支持多种数据格式，如8位数据位、1位停止位、无奇偶校验等。用户可 以根据需要进行配置，以满足不同的通信需求。
SPI接口
总结词
同步串行通信接口
VS
详细描述
SPI（Serial Peripheral Interface）接口 是一种同步串行通信接口，常用于连接嵌 入式系统中的各种外设，如传感器、存储 器等。它支持全双工通信，数据传输速率 较高。
仿真与调试集成
将硬件仿真器和调试工具集成在一起，提高开发效率 。
嵌入式操作系统与开发环境
嵌入式操作系统
如Linux、RTOS等，用于管理嵌入式系统的软硬件资源，提供应 用程序接口。
开发环境
包括IDE、编译器、调试器等，用于编写、编译和调试嵌入式应用 程序。
操作系统与开发环境集成
将嵌入式操作系统和开发环境集成在一起，提供完整的嵌入式应用 程序开发解决方案。
嵌入式存储器系统
存储器概述
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存储器是嵌入式系统中 用于存储数据的硬件设 备，包括程序代码、数
据和文件等。
存储器按照读写速度和 容量可以分为高速缓存 、主存和辅助存储器等
类型。
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。
嵌入式硬件设计必备基础知识
嵌入式硬件设计必备基础知识
一、嵌入式计算机体系结构
计算机能用来干什幺？它必须完成什幺任务？它是如何实现与人和其他系统交互的？这决定了这台计算机的功能，进而决定了其体系结构、存储器和I/O。
计算机系统大致分为两类。
第一类就是您目前手上用的计算机，最常见的台式计算机。
再就是，您最近有没有用全自动洗衣机洗衣服，把衣服往里面一扔（别忘了放洗衣粉，我就常常忘），只消按一个键便高枕无忧了，这里面就有一个第二类计算机：嵌入式计算机，这种计算机往往作为控制和/或监控目的的而集成到另外的系统中（比如洗衣机）。
那这样说来我们身边岂不满是计算机？电视机、DVD、遥控器、手机、甚至玩具？就是他们!
一台专用的台式计算机（不一定是PC）有很大的主内存来支持操作系统、应用程序和数据，以及一个大容量存储设备（硬盘、DVD/CD-ROM等）的接口。
这种台式计算机带有各种各样的I/O设备以便用户输入（键盘、鼠标和话筒）、输出（显示器及耳机）以及互联（网络和外设）。
快速的处理器需要一个系统管理器来监视其核心温度、供给电压以及进行系统重启。
大规模嵌入式计算机也可能采用上述的形式。
例如，它可能作为一个网络路由器或网关从而需要一个或多个网络接口、大容量内存以及快速操作。
它们也可能需要某种形式的用户界面来作为嵌入式应用的一部分。
或者在许多情况下，它们也可能只是专用于某一特定任务的常规计算机。
因此，单就硬件而言，许多高性能嵌入式系统与常规台式机没有什幺大的差别。
较小的嵌入式系统使用微控制器作为它们的处理器，这样做的优点在于处理器可以将很多的计算机功能包含在一个芯片上。
ARM9嵌入式系统设计基础教程
ARM9嵌入式系统设计基础教程嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，通常由处理器、存储器、外设和操作系统等组成，用于控制和管理各种设备和系统。
ARM9是目前应用最广泛的一种嵌入式处理器，具有低功耗、高性能和低成本等优势。
本教程将介绍ARM9嵌入式系统的设计基础，包括硬件和软件方面的内容。
一、硬件设计基础1.处理器选择：ARM9嵌入式系统的核心是处理器，我们需要选择合适的ARM9处理器作为系统的处理器，常用的有ARM926EJ-S、ARM966E-S 和ARM968E-S等。
选择处理器时需要考虑处理能力、功耗和接口等因素。
2. 外设选择：嵌入式系统的外设通常包括存储器、输入输出接口、通信接口和传感器等。
我们需要选择合适的外设来满足系统的功能需求，常用的有SDRAM、NOR Flash、NAND Flash、UART、SPI、I2C、USB和Ethernet等。
3.PCB设计：嵌入式系统的PCB设计需要考虑信号完整性、电磁兼容性和功耗管理等因素。
我们需要合理布局和布线，进行必要的层间隔离和信号屏蔽，以保证系统的稳定性和可靠性。
4.供电设计：嵌入式系统的供电设计需要考虑电源的稳定性和效率，以及功耗的管理和优化。
我们需要选择合适的电源芯片，并进行必要的电源管理和电池管理等设计。
5.调试和测试：嵌入式系统的调试和测试是设计过程中的重要环节。
我们需要选择合适的调试和测试工具，例如ICE、JTAG和仿真器等，通过硬件和软件的调试手段来验证系统的正确性和稳定性。
二、软件设计基础1. 操作系统选择：嵌入式系统的操作系统是软件开发的基础，常用的操作系统有Linux、Windows CE和RTOS等。
我们需要根据系统的需求选择合适的操作系统，并进行必要的移植和配置。
2.驱动程序开发：嵌入式系统的外设和接口需要编写相应的驱动程序来完成硬件的初始化和控制。
我们需要掌握设备驱动程序的开发方法和技巧，例如寄存器编程、中断处理和DMA等。
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。
嵌入式硬件基础
4K系列对应于SOC应用设计； M4K系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越
来越受欢迎的多CPU SOC所设计； 4KE系列具有目前32位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHz
性能指标； 4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS体系结构，特别适用于
Execute
解码指令
寄存器读（从寄存器Bank） 移位及ALU操作 寄存器写（到寄存器Bank ）
PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令
最佳流水线
周期
操作
ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSB
1
2
3
4
5
6
Fetch
Decode Execute Fetch Decode Execute
之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入 式系统。
1999年，MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体系结 构标准，集成了原来所有的MIPS指令集，并且增 加了许多更强大的功能。
此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32 位和64位处理器内核。
MIPS RISC
MIPS
控
制
地址
器
数据
总线和总线桥
CPU
高速总线
低速设备
低速总线
桥
存储器
高速设备
数据
键盘
ARM公司提出的AMBA总线标准
嵌入式处理器体系结构
按体系结构的不同可分为五大类
ARM MIPS POWER PC X86 SH系列
ARM RISC
MIPS RISC
EMBEDDED MICROPROCESSOR UNIT (EMPU)
嵌入式系统设计基础
嵌入式系统设计基础嵌入式系统是一种专用计算系统，内嵌于其他设备或机器中，用于控制、监测或操作该设备。
这些系统通常包含一个或多个微处理器或微控制器，并且具有高度定制化的硬件和软件。
在如今数字化时代的浪潮下，嵌入式系统已经成为各行各业中不可或缺的一部分。
在本文中，将介绍嵌入式系统设计的基础知识，包括硬件和软件方面的要点。
硬件设计基础在嵌入式系统设计中，硬件是首先需要考虑的关键因素。
以下是嵌入式系统硬件设计的一些基础知识：1.芯片选择：在设计嵌入式系统时，选择合适的芯片非常重要。
根据系统的需求，选择适合的处理器、微控制器或FPGA芯片。
考虑性能、功耗、接口和成本等因素，并确保芯片的兼容性和可靠性。
2.电源设计：为嵌入式系统提供适当的电源是必要的。
了解系统的功耗特点，并选择合适的电源管理方案。
确保电源电压稳定、电流能满足需求，并考虑电源的效率和可靠性。
3.时钟和时序设计：为嵌入式系统设计准确的时钟和时序是至关重要的。
时钟信号的精度和稳定性对于整个系统的性能和功能至关重要。
合理地设计时钟源和时序电路，以确保时钟信号的可靠传输和同步。
4.外设和接口设计：根据系统需求，选择并设计适当的外设和接口。
例如，UART、SPI、I2C、USB等常用接口，以及按钮、LED、传感器等常用外设。
同时，合理规划电路板布局，确保信号传输的稳定性和抗干扰能力。
5.电路保护和抗干扰设计：在设计嵌入式系统时，要考虑到外部环境的影响。
采取必要的电路保护措施，防止电源过载、过压、过流等问题。
另外，通过合理的抗干扰设计来提高系统的抗干扰能力，确保信号的稳定性和可靠性。
软件设计基础在嵌入式系统设计中，软件起到了至关重要的作用。
以下是嵌入式系统软件设计的一些基础知识：1.编程语言选择：选择合适的编程语言对于嵌入式系统软件开发至关重要。
常用的编程语言包括C、C++、Python等。
根据应用需求、硬件平台和开发环境，选择最合适的编程语言。
2.嵌入式操作系统选择：通常，嵌入式系统设计需要选择一个合适的操作系统，以提供对硬件的访问和管理。
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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。