嵌入式硬件设计必备基础知识
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。
02
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。
嵌入式涵盖量的知识点
嵌入式涵盖量的知识点一、知识概述《嵌入式涵盖量的知识点》①基本定义：嵌入式系统简单说就像是把计算机系统“塞”到其他东西里，让那个东西有智能的能力。
比如智能手表，里面有小芯片那些东西就是嵌入式系统的一部分，它涵盖量呢，就是关于嵌入式系统里能包含的知识、技术之类的总量。
②重要程度：在如今科技发达、智能化设备到处都是的时代，嵌入式相关技术很关键。
它在智能家电、汽车电子、工业控制等好多领域都起着核心的作用。
可以说如果没有嵌入式技术，很多智能化设备就像是没有脑子的躯壳，啥复杂点的事儿都干不了。
③前置知识：对于一些基本电路知识得有了解，像电路怎么连通啊，电阻电容是啥啊这种。
还有基本的编程知识，比如说C语言之类的，就跟学开车得先知道一些交通规则和操作汽车的基本方法一样，这些前置知识是走进嵌入式世界的入门钥匙。
④应用价值：像智能电视，通过嵌入式技术能实现联网、智能推荐节目之类的功能。
在工业上，那些自动化的设备靠嵌入式系统才能精确控制生产流程，更有效率地制造产品，这就可以赚钱啊，提升竞争力啥的。
二、知识体系①知识图谱：在电子信息整个学科里面，嵌入式涵盖量的知识点就像是一个汇总中心。
硬件知识啊、软件知识啊好多方面的知识最终都汇到这儿了。
②关联知识：和微控制器知识紧密相关，就像人的大脑和身体各个器官的关系，微控制器就是嵌入式系统的一个关键零件。
还有软件开发知识，没有软件，嵌入式系统就没灵魂了，跟一个空壳似的。
③重难点分析：- 掌握难度：有点高呢。
因为它既涉及硬件又涉及软件，硬件有各种芯片、电路啥的，软件又得各种编程调试。
就像要同时精通厨师做菜（硬件）和餐厅管理（软件），两个完全不同方向的事儿。
- 关键点：硬件方面你得搞清楚各种芯片怎么选型，电源设计合不合理等。
软件那就得把程序编写得高效稳定，能适应不同的使用环境。
④考点分析：- 在考试里，如果是高校的相关专业考试，肯定是比较重要的部分。
- 考查方式：有时候出硬件选型题，给一些设备功能要求，选合适的芯片之类的。
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。
嵌入式系统相关知识点总结
嵌入式系统相关知识点总结嵌入式系统（Embedded Systems）是一种专门设计和用途的计算机系统，用于控制设备和机器的各个方面，通常被嵌入到所控制的设备中。
嵌入式系统是一个开放的领域，涵盖了面向硬件和软件的多个方面。
在本文中，我将总结一些与嵌入式系统相关的重要知识点。
一、嵌入式系统的基础知识：1.什么是嵌入式系统：嵌入式系统是一种专门设计和用途的计算机系统，被嵌入到所控制的设备中。
2.嵌入式系统的特点：实时性、可靠性、功耗低、体积小、成本低、资源有限等。
3.嵌入式系统的分类：实时嵌入式系统、网络嵌入式系统、移动嵌入式系统、无线嵌入式系统等。
4.嵌入式系统的组成：硬件平台（处理器、内存、输入输出接口等）和软件平台（操作系统、驱动程序等）。
二、嵌入式系统的硬件知识：1. 存储器：RAM（随机访问存储器）、ROM（只读存储器）、Flash memory（闪存）等。
2.处理器：常见的处理器包括ARM、MIPS、x86等，需要根据应用需求选择适合的处理器。
3.输入输出接口：串口、并口、USB、以太网等用于与外设通信。
4.性能优化：资源有限的嵌入式系统需要优化性能和资源利用，例如使用中断处理、多任务处理等技术。
三、嵌入式系统的软件知识：1. 操作系统（OS）：嵌入式系统通常使用实时操作系统（RTOS），如FreeRTOS、Linux、VxWorks等，用于管理任务、内存、进程和资源。
2.设备驱动程序：用于控制和管理硬件设备，例如串口驱动、触摸屏驱动等。
3.编程语言：C/C++是嵌入式系统开发中常用的编程语言，还有汇编语言适用于对性能要求较高的关键模块。
4.软件开发工具：编译器、调试器、仿真器等用于嵌入式软件的开发和调试。
四、嵌入式系统的开发流程：1.系统需求分析：明确系统的功能、性能、成本等需求，并进行需求分析和规划。
2.硬件设计与开发：选择合适的硬件平台，设计硬件电路，并进行原型制作和测试。
3.软件设计与开发：进行软件系统的设计和开发，包括操作系统选择、驱动程序编写、应用程序开发等。
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)
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
嵌入式硬件基础知识汇总
压控振荡器 voltage-controlled oscillator 指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)，频率是输入信号电压 的函数的振荡器 VCO，振荡器的工作状态或振荡回路的元件参数受输入控制电 压的控制，就可构成一个压控振荡器。 人们通常把压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号。在自动频率控制环路和
务。PCI 允许多路复用技术，即允许一个以上的电子信号同时存在于总线之上。 普通 PCI 总线带宽一般为 132MB/s(在 32bit/33Mhz 下)或者 264MB/s（在 32bit/66Mhz 下）。对于普通的声卡、百兆网卡、Modem 卡等扩展设备一般使 用的是 132MB/s 的传输速率，这种设备的金手指特征一般是与 PCI 插槽对应（长 -短），而对于部分 PCI 显卡、千兆网卡、磁盘阵列卡、USB2.0 或者火线卡等 需要较高带宽的 PCI 设备一般可以使用 264MB/s 的带宽，这种设备的特征是金 手指一般是三段式（短-长-短）。 PCI 总线是一种不依附于某个具体处理器的局部总线。从结构上看，PCI 是在 CPU 和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一 层的管理，并实现上下之间的接口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲， 使之能支持 10 种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI 总线也支持总线 主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。
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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。