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。
嵌入式系统设计方案
嵌入式系统设计方案嵌入式系统是指以特定功能为中心，嵌入到其他设备或系统中的计算机系统，具有高度可靠性、实时性和可扩展性的特点。
为了能够设计出一套优秀的嵌入式系统，需要考虑多个方面的因素，包括硬件设计、软件开发、系统集成等。
一、硬件设计1. 系统需求分析：在设计嵌入式系统之前，首先要进行系统需求分析，明确系统的功能、性能、资源、接口等要求。
根据需求确定硬件平台的选择，包括处理器、内存、存储器、外设等。
2. 电路原理图设计：根据硬件平台的选择，进行电路原理图设计。
在设计过程中，要充分考虑电路的可靠性、稳定性和功耗等方面的因素，合理布局电路板上的元件和线路。
3. PCB设计：在完成电路原理图设计之后，进行PCB设计，将电路原理图转化为PCB布局图。
在设计过程中，要注意保持信号的完整性和稳定性，避免干扰和噪声的影响。
4. 封装和焊接：完成PCB设计后，进行封装和焊接工作，将元件焊接到PCB板上。
在焊接过程中，要注意温度控制和焊接质量，确保元件的稳定性和可靠性。
二、软件开发1. 系统架构设计：根据系统需求分析，进行系统架构设计，确定软件和硬件之间的接口和通信方式。
同时，确定软件模块的划分和功能分配，确保系统的高效性和可维护性。
2. 编程语言选择：根据系统需求和硬件平台选择合适的编程语言，如C、C++、Python等。
在选择编程语言时，要考虑语言的效率、易用性和可移植性等因素。
3. 软件模块开发：根据系统架构设计，进行软件模块的开发。
在开发过程中，要注意代码的可读性、可测试性和可重用性，采用模块化的设计方式，提高开发效率和代码的可维护性。
4. 调试和优化：完成软件模块开发后，进行系统的调试和优化工作。
通过调试，发现并解决系统中的问题和错误。
通过优化，提高系统的性能和响应速度。
三、系统集成1. 模块集成：在完成硬件和软件开发后，进行模块的集成工作。
将硬件和软件模块相互连接，确保系统的正常运行和协作。
2. 功能验证：在模块集成完成后，进行系统的功能验证，确保系统的功能和性能符合需求。
嵌入式系统硬件设计技术手册
嵌入式系统硬件设计技术手册一、引言嵌入式系统是指集成了特定功能的计算机系统，通常被应用于各种电子设备中。
硬件设计技术是嵌入式系统开发中至关重要的一环。
本手册将详细介绍嵌入式系统硬件设计所需的技术知识和实践经验，旨在帮助读者全面理解和掌握这一领域的核心内容。
二、嵌入式系统硬件设计概述1. 嵌入式系统硬件设计的定义和作用2. 嵌入式系统硬件设计与软件设计的关系3. 嵌入式系统硬件设计的基本流程三、嵌入式系统硬件设计的主要技术要点1. 嵌入式处理器的选择与设计a) 嵌入式处理器的分类和特点b) 嵌入式处理器的选型原则c) 嵌入式处理器的系统设计与集成2. 嵌入式系统的存储器设计a) 存储器的分类和特点b) 存储器的选型原则c) 存储器的布局与接口设计3. 嵌入式系统的外设设计a) 常见外设的功能与特点b) 外设的选型原则c) 外设的接口设计与连接方式4. 嵌入式系统的电源管理设计a) 电源管理的目标和原则b) 电源管理的方法和技术c) 电源管理的设计考虑因素四、嵌入式系统硬件设计的实践经验与案例分析1. PCB设计和布局要点a) PCB设计的基本原则b) PCB布局的注意事项2. 信号完整性与电磁兼容设计a) 信号完整性的概念和关键问题b) 电磁兼容设计的基本原则3. 故障排查与调试技巧a) 常见故障排查方法和工具b) 调试技巧和实践经验分享4. 案例分析：XXX嵌入式系统硬件设计方案a) 项目背景和需求分析b) 系统架构设计c) 硬件设计与验证d) 项目总结和经验总结五、结论本手册通过对嵌入式系统硬件设计技术的系统梳理和深入讲解，希望读者能够全面了解并掌握这一领域的核心知识和实践技巧。
嵌入式系统的硬件设计是嵌入式产品开发中至关重要的一环，只有掌握了正确的设计技术和方法，才能保证产品的高性能、稳定性和可靠性。
希望本手册能为读者在嵌入式硬件设计领域提供有益的参考和指导。
注：所标记的小节符号只是为了文章结构的清晰，实际正文中不需要出现。
嵌入式系统的软硬件接口设计要点
嵌入式系统的软硬件接口设计要点嵌入式系统是一种专门设计用于控制特定设备或系统的计算机系统。
软硬件接口是嵌入式系统中软件和硬件进行通信的关键部分。
一个良好设计的软硬件接口可以提高系统的可靠性、性能和可维护性。
以下是嵌入式系统软硬件接口设计的要点。
1. 规范化接口设计一个好的软硬件接口设计需要符合标准化的原则。
这包括使用标准的通信协议和接口标准，以便软件和硬件之间可以进行有效的通信和交互。
常见的接口标准包括UART、SPI、I2C和CAN等。
选择和应用标准接口可以提高系统的互操作性，方便硬件和软件的开发和维护。
2. 设计合理的接口传输速率嵌入式系统中的软硬件接口往往需要传输大量的数据，因此传输速率非常重要。
接口的传输速率应该与系统的需求相匹配，既不能过慢导致性能下降，也不能过快导致硬件资源的浪费。
在设计接口时，需要考虑传输速率的平衡，以确保数据传输的高效和稳定。
3. 硬件引脚的合理分配嵌入式系统的硬件接口通常需要使用多个引脚进行通信。
在设计接口时，需要合理分配硬件引脚，以便满足系统的需求。
引脚的数量和布局应该考虑到硬件资源的限制和尺寸的限制。
合理布局引脚可以提高系统的可靠性和可维护性。
4. 考虑功耗和电源管理功耗和电源管理是嵌入式系统中重要的考虑因素之一。
在设计软硬件接口时，需要考虑如何最大限度地减少功耗，并有效管理电源。
这可以通过设计低功耗的接口协议、优化硬件和软件的交互过程以及合理选择低功耗的硬件组件来实现。
5. 进行适当的错误处理嵌入式系统中的软硬件接口设计需要充分考虑错误处理机制。
在接口通信过程中，可能出现数据传输错误、通信中断等情况。
为了确保系统的稳定性和可靠性，需要设计适应错误处理机制。
这可以包括数据校验、错误检测和纠正、异常处理等。
适当的错误处理可以减少系统故障和数据损失的可能性。
6. 软硬件协同设计软硬件接口设计需要软硬件协同工作。
软件和硬件之间的接口应该清楚地定义，并有明确的规范和通信协议。
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。
嵌入式系统基础知识总结
必读：嵌入式系统基础知识总结2016-07-22 电子发烧友网本文主要介绍嵌入式系统的一些基础知识，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、嵌入式系统的组成包含:硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层（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。
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。
（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有两个特点：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。
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硬件组
目录
嵌入式系统组成
什么是嵌入式系统？
以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可 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。
可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可 以称为嵌入式系统。
嵌入式系统组成
嵌入式系统组成应用领域
家用市场
机顶盒、掌上电脑、DVD、MP3、数码相机、数字电视、WebTV、网络冰箱、网络空调、家
庭网关、智能家用电器、车载导航器系统等
通信市场
电话交换系统，电缆系统，卫星和全球定位系统（L3D），数据交换设备，移动电话等
工业市场
制造工厂，污水处理系统，发电站和电力传输系统，自动化工厂，控制系统开发，维护和测试
的工具，石油提炼和相关的贮运设施，建筑设备，计算机辅助制造系统，能源控制系统，核电站，
机器人系统等
商业和金融市场
自动柜员机，信用卡系统，售货端系统，安全系统等
办公市场
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电话系统，传真系统，复印机，计时系统，照相机和摄象机
运输市场
航空、铁路、公路运输系统，燃料服务，航空管理，信令系统，雷达系统，交通指挥系统，停
MII,PCI,D-BUS
外部存储器
显示/声音
核心
扩展口
用户接口
KEY_BOARD T_SCREEN, PRINTER
电源
嵌入式系统硬件组成
DC-DC,LDO
嵌入式系统硬件设计
嵌入式系统硬件设计
嵌入式系统硬件设计
设计简解 方案选择 功能模块 电源设计规划 布局布线
嵌入式硬件调试
加载电源 CPU初始化
军事
武器控制
嵌入式系统组成
典型嵌入式产品
嵌入式系统组成
功能层
应用程序
文件系统
图形用户接口
任务管理
软件层
系
实时操作系统(RTOS)
统
中间层
BSP/HAL 硬件抽象层/板极支持包
组
D/A
RAM
成
嵌入式
分
A/D
微处理器
ROM
解
硬件层
GPIO
专用接口
各种外设接口
嵌入式系统硬件设计
嵌入式硬件特点
车系统，售票系统，乘客信息系统，检票系统，行李处理系统，应急设备等
建筑市场
电力供应，备用电源和发电机，火警控制系统，供热和通风系统，电梯和升降系统，车库管理，
安保系统，电子门锁系统，楼宇管理系统，闭路电视系统，电子保险柜，警铃等
医疗市场
心脏除颤器，心脏起搏器，患者信息和监视系统，理疗控制系统，电磁成像系统等
模块初始化
该初始化过程以软件初始化为主，主要进行操 作控成件载文境系制余无并件，电启序电统权下关初系并完硬设为序这在源指要源的转的的始统将成件置随的是内管令求。初交初设化等控嵌设某后运一的理，顺始给始备其。制嵌括寄微式把默入备些的行个初模按序化嵌化驱他最权入设存处微嵌认式的软系建同始块照启。入操动系后交式置器理处入状微初件统立时化接系动B式作程统，给微嵌和器理式态处始的级硬包过收统系S操，序软操应处入控核器微逐理化数初件含程电上统P作包，件作用将理式制 心的处步器。据始和软。源电各系含建模系程对器微寄工局理设以另结化软硬开时主统加立块统序嵌的处存作部器置外外构和件件，载系，创的入初理器模总从成的，和应环两由和统如建入式始器、式线上系其还参用境部操初内网应口微化的嵌和模电统他需数程。分作始存络用。处，核入嵌式时所，系化区系程理包心式入等的要统与，统序器。完硬加、环的
求的工作状态。这是一个纯硬 件的初始化过程。
系统初始化
系统启动流程
应用程序
调试步骤
√ 检查焊接
√ 测试电源
基础
√ 测试时钟
√ 调试最小系统
√ 调试主要模块
√ 整板测试
嵌入式硬件调试
√ 低功耗 √ 低成本 √ 体积小 √ 高可靠性 √ 专业处理能力强 √ 一般按指标选择器件
CPU,SDRAM, NOR FLASH, NAND FLASH
嵌入式系统硬件设计
HDD,CF,SD
VGA,DVI,HDMI, LCD IIS,AC'97
ETHERNET UART,I2S,SPI CAN
通讯