嵌入式硬件基础
《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。
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
01
02
03
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。
嵌入式产品硬件设计技能要求
嵌入式产品硬件设计技能要求要是想搞嵌入式产品的硬件设计啊，那得有这么些技能要求。
一、电路基础得扎实。
1. 首先得精通各种电路元件，就像熟悉自己的手指头一样。
电阻、电容、电感这些小玩意儿，得知道它们的特性、参数，在啥电路里该咋用。
比如说电阻，你得清楚不同阻值的电阻在分压、限流电路里的作用，可不能搞混喽。
2. 电路分析那是必须的。
像什么基尔霍夫定律之类的，得能熟练运用，看到一个复杂的电路图，就像解开一个谜题一样，一下子就能分析出电流怎么走，电压怎么分配的。
要是对着电路图发呆，那可不行哦。
3. 还得会设计简单的电路模块。
像电源电路啦，信号调理电路之类的。
这就好比搭积木，知道怎么把各个小电路组合起来，形成一个能正常工作的大电路。
二、硬件原理图设计技能。
1. 得熟练使用原理图设计工具，像Altium Designer这种，就像是魔法师的魔法棒一样。
要能快速地把自己脑袋里的电路构思画成原理图，从元件的选择、放置，到线路的连接，都得准确无误。
要是画个原理图还漏洞百出，那产品可就没法搞了。
2. 在设计原理图的时候，要考虑信号完整性。
就像交通规则一样，各种信号得有条不紊地传输，不能让它们互相干扰或者打架。
比如高速信号的布线，得特别小心，要让信号能顺利到达目的地，就像快递小哥能准确把包裹送到你家一样。
3. 要有良好的分层和布局意识。
就像整理房间一样，把不同功能的电路模块合理地安排在原理图里。
电源部分放一起，信号处理部分放一块，这样整个原理图看起来清晰明了，也方便后续的检查和修改。
三、PCB设计技能。
1. 了解PCB的制造工艺那是必不可少的。
知道不同板材的特性，比如说什么情况下该用单面板，什么情况得用多层板。
这就像做菜要选对食材一样，选对了PCB板材，产品的性能和可靠性才有保障。
2. PCB布局布线可大有学问。
布局的时候要考虑散热、电磁兼容性等好多因素。
把发热量大的元件放在通风好的地方，就像给它们找个凉快的座位；布线的时候，要避免锐角走线，线宽也要合适，就像给信号铺好顺畅的道路，不能让它们在路上堵车或者迷路。
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。
嵌入式硬件入门书籍
嵌入式硬件入门书籍
嵌入式硬件是指嵌入在其他设备或系统中的计算机硬件，通常
用于控制设备的功能和行为。
如果你想了解嵌入式硬件的入门知识，以下是一些值得推荐的书籍：
1. 《嵌入式系统设计与开发》作者，陆均。
这本书介绍了嵌入式系统的基本概念、设计原理和开发流程，适合初学者入门。
2. 《嵌入式系统原理与应用》作者，赵学良。
该书系统地介绍了嵌入式系统的原理、结构和应用，对于想
深入了解嵌入式系统的读者来说是一本很好的选择。
3. 《ARM Cortex-M3/M4嵌入式系统设计与应用》作者，曹伟。
这本书主要介绍了ARM Cortex-M3/M4架构的嵌入式系统设
计和应用，对于想要深入了解ARM架构的读者来说是一本很好的参
考书籍。
4. 《嵌入式系统设计》作者，Raj Kamal.
该书系统地介绍了嵌入式系统的设计原理、软硬件接口、实时操作系统等内容，适合想要全面了解嵌入式系统设计的读者。
以上这些书籍都是针对嵌入式硬件入门者而写，内容涵盖了嵌入式系统的基本原理、设计方法和应用实例，可以帮助读者建立起对嵌入式硬件的全面认识。
希望对你有所帮助。
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0
时
钟 周
1—10
期
10—100
20,000,000
主要内容
1 2 3 4
基本组成 嵌入式处理器 总线 存储器
嵌入式微处理器的分类
嵌入式微处理器种类繁多，按位数可分为4位、8 位、16位、32位和64位。
按用途来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式DSP 和通用的嵌入式微处理器两种： 嵌入式DSP：专用于数字信号处理，采用哈佛 结构，程序和数据分开存储，采用一系列措 施保证数字信号的处理速度。
在最普通的情况下，嵌入式微处理器包括：
片内存储器：部分嵌入式微处理器 外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口) LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器 中断控制器，DMA控制器，协处理器 定时器，A/D、D/A转换器 多媒体加速器：当高级图形功能需要时 总线 其他标准接口或外设
通用的嵌入式微处理器：一般是集成了通用 微处理器的核、总线、外围接口和设备的SOC 芯片，有些还将DSP作为协处理器集成。
嵌入式微处理器的特点
集成度 体系结构 指令集 性能 功耗和管理
嵌入式微处理器的集成度
嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的组件的数目 和种类是由它的市场定位决定的。
存储器
嵌入式系统的存储器包括cache、主存和外存。 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理
器可直接访问的存储空间即主存中。系统上电 后在主存中的代码直接运行。 外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存 放各种信息。
存储器
分层结构
寄存器
高速缓存 SRAM
主存储器 SDRAM
本地存储器 Flash、 ROM、磁盘
CHAPTER
2 嵌入式硬件基础
嵌入式系统
如人的大脑，决定了硬件的操作模 式。通过良好的操作系统以及应用 程序，把硬件功能发挥到极至。
嵌入式系统软件部分 嵌入式系统硬件部分
如人的手、脚、神经等部位，决定 了嵌入式系统的先天功能。如运算 能力和I/O接口等。
主要内容
1 2 3 4
基本组成 嵌入式处理器 总线 存储器
RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 只包含最有用的指令，指令长度固定 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
CISC与RISC的对比
类别
CISC
指令系统 指令数量很多，通常>200
RISC 较少，通常少于100
执行时间
有些指令执行时间很长，如 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器
没有较长执行时间的指令
编码长度 编码长度可变，1-15字节 编码长度固定，通常为4个字节
寻址方式 寻址方式多样
简单寻址
操作 编译
可以对存储器和寄存器进行 只能对寄存器进行算术和逻辑操
算术和逻辑操作
作，Load/Store体系结构
1
2
3
4
5
6
Fetch
Decode Execute Fetch Decode Execute
Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Fetch
该例中用6个时钟周期执行了6条指令 所有的操作都在寄存器中（单周期执行） 指令周期数 (CPI) = 1
嵌入式系统硬件组成
嵌入式微处理器 总线 存储器 输入/输出接口和设备
嵌 入式微处理器指令系统
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。
通常采用单周期执行指令，可能导致比较长的流水线
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
Add
取指
Sub Cmp
时间
译码 取指
执行add 译码 取指
执行sub 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。
难以用优化编译器生成高效 采用优化编译技术，生成高效的
的目标代码程序
目标代码程序
嵌 入式微处理器指令系统
冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼体系结构
指令寄存器 控制器
算逻单元
输入
输出
中央处理器
存储器
程序
指令0 指令1 指令2 指令3 指令4
数据
数据0 数据1 数据2
哈佛体系结构
地址
指令寄存器
控制器
指令
Motorola公司DSP56311结构
18位 地址线
外 部
13位 控制线
接
口
24位 数据线
5位 测试线
总线
嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微 处理器中。
从微处理器的角度来看，总线可分为片 外总线和片内总线。
选择总线和选择嵌入式微处理器密切相 关，总线的种类随不同的微处理器的结 构而不同。
算逻单元
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
哈佛结构
地址 产生单元
DMA 控制器
Y 数据存储器地址总线 X 数据存储器地址总线 程序地址总线
处理器核
存 程序 储 RAM 器 Bank
X 数据 RAM Bank
Y 数据 RAM Bank
程序数据总线 X 数据总线 Y 数据总线
ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令
PC - 4 PC-2
Decode
PC - 8 PC - 4
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
嵌入式微处理器的集成度
单芯片方式
单芯片方式：三星44B0X芯片的内部结构
嵌入式微处理器的集成度
芯片组方式
芯片组方式：两芯片组的手持PC方案
嵌入式微处理器的体系结构
算术格式（Arithmetic Format） 功能单元（Functional Units） 流水线（Pipeline）