博创嵌入式培训——第8章 嵌入式系统硬件设计基础与标准(模板)_ppt课件

1、第8章嵌入式系统硬件设计根底与规范.第八章 嵌入式系统硬件设计根底与规范对于嵌入式Linux系统来说，跟硬件相关的程序设计离不开硬件根底知识。本章作为硬件方面的补充，主要讲述了嵌入式系统的硬件组成、硬件设计根底知识与本卷须知等内容。经过实验，读者可以根本掌握看懂简单电路图与芯片数据手册才干，并了解从根本器件到系统中心设计的过程。对于嵌入式Linux纯软件开发人员来说，本章可以略读；对于驱动开发和与硬件打交道亲密人员，需求加强那么。基于OMAP的加密终端硬件设计实验给出了系统硬件上所需求思索的问题样例。主要内容 第一节 嵌入式系统的硬件组成 第二节 硬件设计根底知识 第三节 硬件设计中应留意的一

2、些问题 .一个完好的嵌入式系统包括硬件部分和软件部分。硬件是嵌入式系统底层的、根底的部分，对于不同的嵌入式系统，其硬件的实现根本不同。但是，普通的嵌入式系统硬件可分为如下几个部分：嵌入式微处置器、存储器、输入/输出设备、通讯及扩展接口。一、嵌入式微处置器 二、存储器 三、输入/输入设备 四、通讯与扩展接口 第一节 嵌入式系统的硬件组成 .嵌入式微处置器是嵌入式系统的中心部件，是决议嵌入式系统功能的主要要素，也决议了嵌入式系统的运用范围和开发复杂度。嵌入式微处置器与通用途置器的最大区别在于，嵌入式微处置器普通任务于特定的系统中，通常把通用途置器中许多由板卡完成的义务集成在芯片内部，从而有利于实现

3、嵌入式系统设计小型化、高效率、高可靠性等特点。有时，为了满足嵌入式运用的特殊要求，嵌入式微处置器还会在任务温度、抗电磁干扰、可靠性等方面加以加强。第一节 嵌入式系统的硬件组成 一、嵌入式微处置器 .普通来说，嵌入式微处置器具有以下特点： 具有较强的实时多义务处置才干，能完成多义务并且中断呼应时间较短，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低程度。 具有强大的存储区维护功能。这是由于嵌入式系统的软件构造已实现模块化，为了防止在软件模块之间出现错误操作和不用要的交叉作用，需求设计强大的存储区维护功能，同时也有利于软件诊断。 可扩展的处置器构造。普通在处置器内部都留有很多扩展接口，以便对运用进

4、展扩展。 提供丰富的调试功能。嵌入式系统的开发过程大部分运用交叉编译，丰富的调试接口可以使嵌入式系统的开发更加方便。 嵌入式微处置器必需功耗很低，对于那些靠电池供电的便携式系统更是如此，有的系统要求功耗到达mW甚至W级。许多嵌入式微处置器提供几种任务方式，如正常任务方式、备用方式、省电方式等，从而为嵌第一节 嵌入式系统的硬件组成 一、嵌入式微处置器 .存储器是嵌入式系统的“记忆部件，是嵌入式系统的另一个重要的组成部分。在嵌入式系统中，按照信息的易失性，把存储器分为易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器是指存储器中的信息掉电即消逝，不能耐久保管；相比之下，非易失性存储器中的数据那么不会在掉电

5、后消逝，可以耐久保管。下面来详细引见嵌入式系统中常用的易失性和非易失性存储器。1. 易失性存储器在嵌入式系统中，最常用的易失性存储器是随机存储器Random Access Memory，简称RAM。按照存储机理的不同，RAM又可分为动态RAMDynamic RAM，DRAM和静态RAMStatic RAM，SRAM。 2. 非易失性存储器在嵌入式系统中，常用的非易失性存储器有只读存储器ROM、Flash和微硬盘MicroDrive。第一节 嵌入式系统的硬件组成 二、存储器 .1. 输入设备 计算机要按人的要求进展任务，就必需可以接受人的命令，将完成各种任务所需求的原始数据送入计算机系统内。承当

6、这些义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。操作者经过输入设备可对系统发出指令，与系统“对话，是人与系统之间进展信息交换的主要安装之一。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、处置信息结果的部

7、件。输出设备的功能是输出处置结果，把系统对信息进展加工、处置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，因此不适宜用于嵌入式系统的显示。在嵌入式系统中通常运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。如今，液晶显示器Liquid Crystal Display，LCD已广泛用于嵌入式系统。第一节 嵌入式系统的硬件组成 三、输入/输

8、入设备 . 嵌入式系统与外设及其他计算机系统通讯时，假设要进展功能扩展，就离不开通讯和扩展接口。接口是在主板和某一类外设之间的适配电路，可以处理主板和外设之间在任务速度、数据格式和电压等级上的相互匹配问题。接口在嵌入式系统中扮演着沟通外部世界的“桥梁作用。嵌入式系统中接口的方式和方法多种多样。 嵌入式系统的通讯接口可分为有线接口和无线接口两种。有线接口在设计上必需思索以下几个要素。首先是电位匹配，就是嵌入式系统微处置器所提供与接纳信号的点位必需与相衔接的外围安装一样，否那么会发生一方点位较高，导致电路的毁损，或者是电位不同，无法准确判别所代表的正确信号。其次就是要防止衔接时干扰的产生。当接口衔

9、接时，假设是衔接不完全，会出现信号传送受阻的问题。还要思索驱动电位的问题，有的外设需求比较大的功率来驱动，假设功率太低，那么外设无法正常操作。在嵌入式系统中比较常用的有线接口有RS-232接口、USB接口、IEEE-4接口及RJ-45接口等。第一节 嵌入式系统的硬件组成 四、通讯与扩展接口 .要进展嵌入式系统硬件设计，必需掌握一些硬件设计的根底知识。要了解计算机的体系构造，同时还要掌握电子学方面的知识，例如电子技术、抗干扰技术以及印制电路板技术等等。当然，针对不同的嵌入式系统硬件，还会涉及很多更专业的技术，本节只简单地引见一些根本的、通用的技术 一、计算机体系构造 二、电子技术 三、抗干扰技术

10、 四、印制电路板 第二节 硬件设计根底知识 .1. 冯诺依曼体系构造1945年，冯诺依曼首先提出了“存储程序的概念和二进制原理。后来，人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为冯诺依曼机。冯诺依曼机最大的特点是将指令和数据都存储在一个存储器中，其计算系统由一个中央处置单元CPU和一个存储器组成。存储器存有指令和数据，并且可以根据所给的地址对这些指令和数据进展读或写，如右图所示。例如Intel 8086、ARM7、MIPS等处置器都是采用冯诺依曼体系构造。第二节 硬件设计根底知识 一、计算机体系构造 10.2. 哈佛体系构造随着计算机技术的不断开展， 冯诺依曼体系构造的一些缺陷开场暴显露

11、来。例如不能同时取指令和取操作数，从而构成传输过程的瓶颈。针对这一缺陷，提出了哈佛体系构造 与冯诺依曼体系构造比较，哈佛体系构造有两个明显的特点：运用两个独立的存储器模块分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存。运用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的公用通讯途径，而这两条总线之间毫无关联。采用哈佛体系构造的处置器有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ARM9和ARM10系列等。 第二节 硬件设计根底知识 一、计算机体系构造 11. 电子技术是研讨电子器件、电子电路及其运用的科学技术。其中，电子器件用来实现信号的产生、放大、调制及探测等功能，常见的电

12、子器件有电子管、晶体管和集成电路等；电子电路是组成电子设备的根本单元，由电阻、电容、电感等电子元件和电子器件构成，具有某种特定功能。奠定电子技术的两大基石是模拟电子技术和数字电子技术。1. 模拟信号和数字信号信号是信息的载体。在人们周围的环境中，存在着电、声、光、磁、力等各种方式的信号。电子技术所处置的对象是载有信息的电信号。目前，对于电信号的处置技术曾经比较成熟。但是，在通讯、丈量、自动控制以及日常生活等各个领域也会遇到非电信号的处置问题，在实践中经常需求把待处置的非电信号转变成电信号，经过处置后再复原成非电信号。在电子技术中遇到的电信号按其不同特点可分为模拟信号和数字信号。第二节 硬件设计

13、根底知识 二、电子技术 12.1模拟信号在时间上和幅值上均延续的信号叫做模拟信号。此类信号的特点是在一定动态范围内幅值可取恣意值。许多物理量，例如声音、压力、温度等，均可经过相应的传感器转换为时间延续、数值延续的电压或电流。2数字信号与模拟信号相对应，时间和幅值均离散不延续的信号叫做数字信号。数字信号的特点是幅值只可以取有限个值。对于同一个物理量，既可以采用模拟信号进展表征，也可以采用数字信号进展表征。例如，传统的录音磁带是以模拟方式记录声音信息的，而CD光盘compact laser disk那么是以数字方式记录声音信息的。第二节 硬件设计根底知识 二、电子技术 13.2. 模拟电路与数字电

14、路由于模拟信号和数字信号的特点不同，处置这两种信号的方法和电路也有所不同。普通地，电子电路可分为模拟电路和数字电路两大类。1模拟电路处置模拟信号的电子电路称为模拟电路。模拟电路研讨的重点是信号在处置过程中的波形变化以及器件和电路对信号波形的影响，主要采用电路分析的方法。2数字电路处置数字信号的电子电路称为数字电路。数字电路着重研讨各种电路的输入和输出之间的逻辑关系，分析时常利用逻辑代数、真值表、卡诺图和形状转换图等方法。第二节 硬件设计根底知识 二、电子技术 14. 模拟电路和数字电路的分析方法有很大的差别，这是由模拟信号和数字信号的不同特点决议的。由于电子电路分为模拟电路和数字电路两部分，因

15、此电子技术也被人们分为模拟电子技术和数字电子技术。但是这两种技术并不是孤立的，在许多情况下往往会两种技术并用。 随着电子技术的不断开展，数字电路的运用越来越广泛，在很多领域取代了模拟电路。其主要缘由是： 数字电路更易采用各种算法进展编程，使其运用更加灵敏。 数字电路可以提供更高的任务速度。 采用数字电路，数字信息的范围可以更宽，表示精度可以更高。 数字电路可以采用嵌入式纠错系统。 数字电路比模拟电路更易做到微型化，等等。第二节 硬件设计根底知识 二、电子技术 15.1，电磁干扰的构成要素我们把设备或系统中有用信号以外的一切电磁信号称为电磁噪声简称噪声。电磁噪声会引发不期望得到的结果，称为电磁干

16、扰简称干扰。电磁干扰由电磁干扰源发射，经过耦合途径传输到被干扰设备敏感设备。因此，构成电磁干扰必需具备以下三个根本要素称为干扰的三要素：1电磁干扰源。任何方式的人工电子、电气设备或自然景象所发射出的电磁能量，使处于一样环境的其他设备、人和其他生物遭到危害，导致不期望的后果，这种发射电磁能的安装或自然景象即称为电磁干扰源。2传输通道。传输通道又称耦合途径或耦合通道，是指把电磁能量从干扰源传输或耦合到敏感设备上，即传送电磁干扰的通路或媒介。3敏感设备。敏感设备又称为被干扰设备，指当在电磁干扰源发射的电磁能量发生电磁危害时，导致性能降低的器件、设备或系统，以及遭到危害的人或其他生物。许多器件、设备或

17、系统既是电磁干扰源又是敏感设备。第二节 硬件设计根底知识 三、抗干扰技术 16.2，电磁兼容性1电磁兼容性定义电磁兼容性ElectroMagnetic Compatibility，EMC的定义是：设备或系统在其电磁环境中能正常任务，且不对该环境中任何事物构成不能接受的电磁干扰的才干。2电磁兼容性设计电磁兼容性设计主要包括两方面内容：对周围电磁干扰物理特性进展估算与测定。对设备接受电磁干扰才干，即抗干扰裕度进展分析或实验测定。 前者要求对电子、电气设备所处电磁环境进展评价，需求研讨电磁干扰源的特性及干扰传播途径，估算和测定出在现有环境条件下能够出现的最大干扰强度。在此根底上，采取必要的措施抑制干

18、扰源或者阻断干扰的传播途径，使干扰强度不致于影响整个系统或设备的正常任务。 后者要求对能够受干扰影响的设备或系统的抗干扰才干做出评价，利用分析计算方法或者实验丈量求得设备接受电磁干扰的极限值和噪声敏感度，提高信噪比等。第二节 硬件设计根底知识 三、抗干扰技术 17.3，电磁干扰控制的普通方法1精心选择元器件：元器件是构成部件或系统的根底。要选择集成度高、抗干扰才干强、功耗小的电子器件。2元部件要精细调整：元器件的精度是系统完成既定功能的重要保证。因此，在运用前或经过一段运转时间之后，都应对元器件及部件进展准确调整，如A/D芯片的调零及满量程调整等。3采用硬件抗干扰技术：硬件抗干扰技术是设计系统

19、是首选的抗干扰措施，它能有效印制干扰源，阻断干扰传输通道。只需合理地布置与选择有关参数，硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰4采用软件抗干扰技术：虽然采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的缘由很复杂，且具有很大的随机性，难以保证系统完全不受干扰。因此，往往在硬件抗干扰措施的根底上，采取软件抗干扰技术措施加以补充。软件抗干扰方法具有简单、灵敏方便、耗费硬件资源少的特点，在微机测控系统中获得了广泛运用。常用的软件抗干扰技术有：数字滤波、信息传送过程的自动检验、系统运转形状监视与发生缺点时的自动恢复等。第二节 硬件设计根底知识 三、抗干扰技术 18. 在绝缘基材的敷铜板上，按预定设计用印制的

20、方法制成印制线路、印制元件或两者组合而成的电路称为印制电路板Printed Circuit Board，PCB。不断开展的PCB技术使电子产品设计和装配走向规范化、规模化、机械化和自动化，并使电子产品体积减小、本钱降低，可靠性、稳定性提高，装配，维修变得简单等。 PCB是电子设备设计的根底，是电子工业重要的电子部件之一。它的功能如下：提供集成电路等各种元器件固定、装配的机械支撑。实现集成电路等各种元器件之间的布线和电气衔接或电绝缘，提供所要求的电气特性、特性阻抗、电磁屏蔽及电磁兼容性等。为自动锡焊提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修提供识别字符和图形。第二节 硬件设计根底知识 四、印制电路板

21、 19.一、IC元件的选择 二、元件封装设计 三、PCB设计精度 四、分别元件的正确运用 五、高速PCB设计方法 六、PCB设计的普通原那么 第三节 硬件设计中应留意的一些问题 20.在选择IC元件的时候，要留意对于无铅及有铅元件的选择。全球都曾经开场提倡电子产品的无铅化，而我国也正处于有铅工艺向无铅工艺转换的过渡时期。因此，大部分元器件厂商提供的元器件也就出现了无铅与有铅两种规格，有的厂商甚至曾经停顿有铅元件的消费。所以当一个产品设计完成后，设计人员需求确认选择的元器件是采用无铅工艺的还是有铅工艺的。假设在整个电路板上同时运用有铅元件与无铅元件，不仅会给SMT消费工艺带来一定的困难，还能够带

22、来整板一致性的缺陷。无铅元件的回流焊峰值温度在255左右，而有铅元件的回流焊峰值温度最高不超越235，而且两种工艺的温区数量也能够不同。因此，假设混用两种资料，有能够导致有铅元件被高温损坏或无铅元件特别是BGA封装的元件所附锡球未到达熔点，从而出现虚焊或抗疲劳度下降等问题。针对这个工艺问题，在PCB板加工时也要做相应选择，一个方面配合无铅工艺，让无铅锡膏的焊接性得到加强，另一方面运用于有铅制成的PCB板也无法接受过高的温度，易呵斥板翘等不良景象。 第三节 硬件设计中应留意的一些问题 一、IC元件的选择 21.除了上面提到的进展元器件的有铅与无铅的选择外，在实践的硬件PCB设计中还需求关注IC元

23、件的PCB封装。1. 有关PIN引脚焊盘通常，在设计PCB上的元件封装的时候，封装上的PIN引脚的焊盘最好比元件的实践焊盘大一些，这样有利于焊接与调试。尤其是QFN或QPF的元件，由于其引脚根本上扣在芯片的底部，假设焊盘和芯片的实践焊盘大小一样的话，一旦发生虚焊，就很难进展补救了，由于这个时候从外面很难进展焊接。2. 有关器件散热一些发热量大的芯片的封装也需求加以关注。TPS65010的封装，其底部有一个面积较大的焊盘，其实是用来给芯片散热用的，而且这个焊盘通常都是接到芯片的地信号。对于这样的芯片，在实践设计器封装的时候，底部的这个焊盘一定要设计进去，在芯片良好散热的同时还要保证良好接地。第三

24、节 硬件设计中应留意的一些问题 二、元件封装设计 22. 所谓的PCB设计精度也就是设计PCB时的最小线宽、最小线间距及最小过孔尺寸等。在进展规划设计时首先需求思索PCB厂家可以进展消费的一些技术目的，比如国内如今普通整板的最小线径和线间距是4mil，过孔的内径是6mil，外径是8mil，而假设要设计盲孔和埋孔的话，也需求和厂家确认可以加工的技术目的。其次还要思索SMT机器贴片的精度，最好不要让元器件之间间距过小。假设元器件间距小于SMT机器的最小精度，将会导致元器件在贴片时碰飞。另外，需求思索器件和板子边缘的间隔，不要和板子边缘靠得太近，假设双面贴元器件的话，还要思索元器件的高度，以免引起安

25、装问题。第三节 硬件设计中应留意的一些问题 三、PCB设计精度 23.在设计电路时不可防止地要运用到一些分别元件，那么就必需思索分别元件的误差精度，不要误差过大。比如，有些地方选择上拉电阻，这时可以综合思索下面一些要素：当TTL电路驱动COMS电路时，假设TTL电路输出的高电平低于CMOS电路的最低高电平普通为3.5V，就需求在TTL的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。OC门电路必需加上拉电阻才干运用。为加大输出引脚的驱动才干，有的I/O管脚上也常运用上拉电阻。在COMS芯片上，为了防止静电呵斥的损坏，不用的管脚不能悬空，普通接上拉电阻来降低输入阻抗。芯片的管脚加上拉电阻可以提高输出电平

26、，从而提高芯片输入信号的噪声容限，加强抗干扰才干。提高总线的抗电磁干扰才干，管脚悬空会比较容易接纳外界的电磁干扰。长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加下拉电阻到达电阻匹配，可有效地抑制反射波干扰。第三节 硬件设计中应留意的一些问题 四、分别元件的正确运用 24. 高速PCB设计，不仅意味着在消费工艺允许的情况下，用尽量短的敷铜线把器件互连就算完成，而是要从选择高速器件开场，对关键网络、走线方式、长度进展控制，以及对PCB设计前的预设置，在PCB设计的同时进展仿真与分析，最后到达设计的要求。一个PCB上的信号能否作为高速信号来处置，取决于上升时间、导线长度和传输速率三个要素，所以高速PCB

27、的设计的关键就是如何控制信号传输时间和信号的完好性。信号完好性可以从反射、地弹、串扰三个方面来分析。1，反射 源端与负载端阻抗不匹配会引起线上反射reflection，负载将一部分电压发射回源端。假设负载阻抗小于源阻抗，反射电压为负；反之，假设负载阻抗大于源阻抗，反射电压为正。在高速系统中，反射会导致振铃，很能够引起无效触发或延迟触发，使逻辑形状不定。反射可以经过使印制导线的长度短于1/2上升时间的传输长度，或者在印制导线的终端使输入电导与特性电导相匹配来加以控制。还可以经过在印制导线终端接入匹配电阻的方法来控制信号反射。匹配电阻是常用的控制反射的方法，匹配电阻有并联和串联两种方式。第三节 硬

28、件设计中应留意的一些问题 五、高速PCB设计方法 25.2，串扰串扰crosstalk就是指相邻或相近的导体间不应有的能量耦合。在PCB设计中，典型的串扰发生在同一层印制导线间，但也能够发生在相邻层的导线间。普通在设计PCB时，相邻的两层的走线应该是垂直的。串扰引起在第一个导体上的能量损失和在第二个导体上的信号干扰，串扰的大小取决于源信号的频率或上升时间、导线的几何外形、与临近导线的间隔，以及网络的拓扑构造等。PCB中普通有两类串扰：电容性串扰和电感性串扰。电容性串扰是源于信号电压与耦合电流在两个方向上。电感性串扰是源于信号电源与耦合电压在同一个方向上。电容性串扰可以用分别电路的方法减小，信号

29、线间隔越远，电容越小，干扰越小。由于印制板空间的要素限制了两条信号线之间的间隔不能够太远，另一个处理方案是在两条相邻的信号线之间参与一条地线。这个地线最好是实地。3，地弹ground bounce在电路中有大的电流涌动时会引起地弹，如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬时电流在芯片和板子的电源平面流过。芯片封装与电源平面的电感和电阻会引起电源噪声，这样会在真正的地平面0V上产生电压动摇和变化，构成地弹。这个噪声会影响其他元器件的动作，负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的添加均会导致地弹增大。第三节 硬件设计中应留意的一些问题 五、高速PCB设计方法 26.1，规划 首先要思索PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗添加，抗噪声才干下降，过小那么散热性不好。在确定PCB尺寸后，要确定特殊元件的位置规划。最后根据电路的功能单元，对电路全部元器件进展规划。 在规划的时候普通都要留意下面几个问题：尽量缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。易受干扰的元器件不能相互靠得太近，输入和输出的元件应尽量远离。某些元器件或导线之间能够有较高的电位差，应加大它们之间的间隔。带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。又大又重、发热量大的元器件不适宜装在印制板上，而应装在