硬件工程师常用知识2

硬件工程师常用知识2一、数字电路基础（一）逻辑门电路1.与门与门实现逻辑与的功能，只有当所有输入都为高电平时，输出才为高电平。其逻辑表达式为Y=A·B（A和B为输入，Y为输出）。例如，在一个简单的电路中，两个开关A和B串联控制一个灯泡Y，只有当A和B都闭合时，灯泡才会亮。与门在实际应用中常用于条件同时满足的情况判断，如多个传感器信号都为有效时，才触发某个动作。2.或门或门实现逻辑或的功能，只要有一个输入为高电平，输出就为高电平。逻辑表达式为Y=A+B。比如，在一个由两个开关A和B并联控制灯泡Y的电路中，只要A或B有一个闭合，灯泡就会亮。或门常用于多种条件中只要有一个满足就执行某个操作的场景，如多个报警信号只要有一个触发，就启动报警装置。3.非门非门实现逻辑非的功能，输入为高电平时，输出为低电平；输入为低电平时，输出为高电平。逻辑表达式为Y=A'（A'表示A的非）。例如，一个开关A控制一个反向器，当A闭合时，反向器输出低电平，当A断开时，输出高电平。非门常用于信号的取反操作，如将一个控制信号的电平状态反转，以适应不同的电路需求。4.与非门与非门是与门和非门的组合，先进行与运算，再进行非运算。逻辑表达式为Y=(A·B)'。例如，当输入A和B都为高电平时，输出Y为低电平，其他情况输出为高电平。与非门在数字电路中应用广泛，可替代与门实现某些逻辑功能，且在一些复杂逻辑设计中，与非门的组合可以构建出各种逻辑电路。5.或非门或非门是或门和非门的组合，先进行或运算，再进行非运算。逻辑表达式为Y=(A+B)'。比如，只要输入A或B有一个为高电平，输出Y就为低电平，只有A和B都为低电平时，Y才为高电平。或非门也常用于构建复杂逻辑电路，在一些需要对多个输入信号进行综合处理并取反的情况下会用到。6.异或门异或门实现的逻辑功能是当两个输入不同时，输出为高电平；当两个输入相同时，输出为低电平。逻辑表达式为Y=A⊕B。例如，在一个数据比较电路中，当两个输入数据不同时，异或门输出为1，表示数据不一致。异或门常用于数据比较、奇偶校验等场景，如在通信中用于检测数据传输过程中是否发生错误。7.同或门同或门与异或门相反，当两个输入相同时，输出为高电平；当两个输入不同时，输出为低电平。逻辑表达式为Y=A⊙B。例如，在一些需要判断两个信号是否相同的电路中会用到同或门。同或门在数字电路设计中也有其特定的应用场景，特别是在一些对信号一致性要求较高的地方。

（二）触发器1.RS触发器基本RS触发器由两个与非门交叉耦合组成。它有两个输入R（复位）和S（置位），以及两个输出Q和Q'。当R=0，S=1时，Q=1，Q'=0；当R=1，S=0时，Q=0，Q'=1；当R=S=0时，触发器状态保持不变；当R=S=1时，触发器状态不确定，应避免这种情况。RS触发器常用于简单的状态存储和控制，如在一些数字电路的初始化或状态保持环节。2.JK触发器JK触发器是在RS触发器的基础上改进而来，增加了时钟控制端（CLK）。当CLK上升沿到来时，根据J和K的输入状态改变输出状态。当J=0，K=0时，输出保持不变；当J=0，K=1时，Q置0；当J=1，K=0时，Q置1；当J=K=1时，Q状态翻转。JK触发器在时序逻辑电路中应用广泛，可用于构建计数器、移位寄存器等。3.D触发器D触发器只有一个数据输入D和时钟输入CLK。在CLK上升沿到来时，输出Q等于输入D。其特点是能够在时钟上升沿准确地存储输入数据，常用于数据的同步存储和传输。例如，在数字电路的数据缓存模块中，D触发器可以将输入数据在时钟上升沿时存储起来，以便后续处理。4.T触发器T触发器是JK触发器的一种特殊情况，当J=K时就构成了T触发器。在CLK上升沿到来时，若T=1，输出Q状态翻转；若T=0，输出保持不变。T触发器常用于实现简单的计数功能，如在数字频率计中，通过T触发器可以对输入脉冲进行计数。

（三）时序逻辑电路1.计数器计数器是用于统计输入脉冲个数的时序逻辑电路。根据计数方式可分为二进制计数器、十进制计数器等。二进制计数器按照二进制规律进行计数，如4位二进制计数器可以从0000计数到1111。十进制计数器则以十进制方式计数，从0到9。计数器在数字系统中广泛应用于各种需要计数的场合，如测量频率、记录事件发生次数等。2.移位寄存器移位寄存器可以将输入的数据依次向左或向右移动。有单向移位寄存器和双向移位寄存器。单向移位寄存器又分为左移和右移寄存器。例如，在数据传输中，移位寄存器可以将串行输入的数据转换为并行输出，或者反之。在一些数字信号处理电路中，移位寄存器用于对数据进行移位操作，以实现特定的算法或功能。3.时序逻辑电路的分析与设计分析时序逻辑电路时，首先要确定电路的状态变量，然后写出状态方程、驱动方程和输出方程。通过这些方程可以分析电路的工作过程和状态变化。设计时序逻辑电路时，根据给定的功能要求，确定所需的触发器类型和个数，然后设计合适的逻辑电路来实现状态转换和输出。例如，设计一个具有特定计数规律的计数器，需要根据计数要求确定是二进制还是其他进制计数器，并设计相应的逻辑来控制计数过程。

二、模拟电路基础（一）放大器1.三极管放大器三极管放大器利用三极管的电流放大作用来放大电信号。常见的有共发射极放大器、共集电极放大器和共基极放大器。共发射极放大器具有较高的电压放大倍数，输入信号加在基极和发射极之间，输出信号从集电极和发射极之间取出。其电压放大倍数公式为Av=β(Rc//RL)/rbe，其中β是三极管的电流放大倍数，Rc是集电极电阻，RL是负载电阻，rbe是三极管的输入电阻。共集电极放大器也叫射极跟随器，它的电压放大倍数近似为1，但具有较高的输入电阻和较低的输出电阻，常用于阻抗匹配。共基极放大器具有较高的电流放大倍数，输入电阻较小，输出电阻较大，常用于高频放大。2.运算放大器运算放大器是一种高增益的直接耦合放大器，有两个输入端（同相输入端和反相输入端）和一个输出端。它可以实现多种模拟运算，如加法、减法、乘法、积分、微分等。理想运算放大器具有无穷大的输入电阻、零输出电阻和无穷大的开环电压增益。在实际应用中，运算放大器常工作在闭环状态，通过外部反馈网络来实现各种运算功能。例如，在反相比例运算电路中，输出电压与输入电压的关系为Vo=(Rf/Rin)*Vi，其中Rf是反馈电阻，Rin是输入电阻，Vi是输入电压。运算放大器在模拟信号处理、测量仪表、音频放大等领域有广泛应用。如在音频功率放大器中，运算放大器可以用于前置放大、音调控制等环节。

（二）滤波器1.低通滤波器低通滤波器允许低频信号通过，而抑制高频信号。常见的有RC低通滤波器、LC低通滤波器等。RC低通滤波器由电阻R和电容C组成，其截止频率fc=1/(2πRC)。当输入信号频率低于截止频率时，信号可以顺利通过，输出电压与输入电压的关系近似为线性；当输入信号频率高于截止频率时，信号被衰减。例如，在音频电路中，低通滤波器可以用于去除高频噪声，使音频信号更加纯净。2.高通滤波器高通滤波器与低通滤波器相反，允许高频信号通过，抑制低频信号。同样有RC高通滤波器和LC高通滤波器等。RC高通滤波器的截止频率也为fc=1/(2πRC)。当输入信号频率高于截止频率时，信号可以通过，低于截止频率时，信号被衰减。在一些通信电路中，高通滤波器可以用于去除低频干扰，只让高频有用信号通过。3.带通滤波器带通滤波器只允许某一频段内的信号通过，抑制频段外的信号。可以由低通滤波器和高通滤波器组合而成，也有专门设计的带通滤波器电路。例如，在收音机电路中，带通滤波器用于选择特定频率的电台信号，排除其他频率的干扰。其中心频率fo和带宽B是重要参数，中心频率决定了通过信号的频率位置，带宽则决定了允许通过的信号频率范围。4.带阻滤波器带阻滤波器抑制某一频段内的信号，而让频段外的信号通过。同样可以通过多种方式实现，如双T网络带阻滤波器等。在一些电子设备中，带阻滤波器用于去除特定频率的干扰信号，如电力系统中的谐波抑制等。

（三）电源电路1.线性稳压电源线性稳压电源通过调整三极管等线性元件的工作状态来稳定输出电压。它主要由变压、整流、滤波和稳压四个部分组成。变压器将市电电压变换为合适的交流电压，整流电路将交流电转换为直流电，滤波电路滤除整流后的纹波，稳压电路则稳定输出电压。常见的线性稳压芯片如78XX系列（输出正电压）和79XX系列（输出负电压），它们具有良好的稳压性能，但效率相对较低，会有一定的功率损耗。2.开关稳压电源开关稳压电源通过控制功率开关管的导通和关断时间来调整输出电压。它具有效率高、体积小等优点。开关稳压电源的基本工作原理是在输入电压和输出电压之间进行能量转换和控制。根据控制方式不同，有PWM（脉宽调制）、PFM（频率调制）等类型。例如，在电脑电源中，开关稳压电源被广泛应用，以提高电源效率，降低发热。

三、嵌入式系统基础（一）微控制器1.单片机的组成单片机通常由中央处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入输出接口（I/O）、定时器/计数器等部分组成。CPU是单片机的核心，负责执行指令和数据处理。ROM用于存储程序代码，RAM用于临时存储数据。I/O接口用于与外部设备进行通信，如输入按键状态、输出控制信号等。定时器/计数器可以实现定时和计数功能，在一些需要精确时间控制或事件计数的应用中非常有用。2.常见单片机型号8051单片机是经典的8位单片机，具有广泛的应用历史。它内部包含8位CPU、4KBROM、128BRAM、2个16位定时器/计数器等。ARM系列单片机是目前应用非常广泛的32位单片机，具有高性能、低功耗等特点。如STM32系列，其内核采用ARMCortexM系列，具有丰富的外设资源，包括多个定时器、串口、SPI、I2C等，适用于各种嵌入式应用，如智能家居、工业控制等。3.单片机的编程语言单片机常用的编程语言有C语言和汇编语言。C语言具有可读性强、可移植性好等优点，适合复杂程序的开发。例如，在开发一个智能传感器节点时，使用C语言可以方便地实现传感器数据采集、处理和通信等功能。汇编语言则可以更直接地控制单片机硬件，执行效率高。在一些对代码执行速度要求较高、资源有限的场合，如编写单片机底层驱动程序时，会使用汇编语言。

（二）嵌入式操作系统1.常见嵌入式操作系统Linux是一种开源的嵌入式操作系统，具有高度可定制性、丰富的驱动支持等优点。它广泛应用于工业控制、智能家居、网络设备等领域。例如，在智能路由器中，Linux可以提供强大的网络功能和多任务处理能力。μC/OSII是一个源码公开的实时嵌入式操作系统，具有可裁剪、可固化、可靠性高等特点。适用于对实时性要求较高的嵌入式系统，如航空航天、工业自动化等领域的控制设备。FreeRTOS也是一个小型开源的实时操作系统，具有占用资源少、可移植性强等优点。常用于物联网设备、小型嵌入式控制器等，如在一些低功耗的传感器节点中，FreeRTOS可以高效地管理任务和资源。2.任务管理在嵌入式操作系统中，任务是基本的执行单元。通过任务管理，可以实现多任务的并发执行。任务可以分为不同的优先级，高优先级任务可以优先得到执行。例如，在一个智能家居系统中，可能有多个任务，如传感器数据采集任务、数据上传任务、用户指令处理任务等。操作系统会根据任务的优先级合理分配CPU时间，确保系统高效稳定运行。任务之间还可以通过信号量、互斥锁等机制进行同步和通信，以避免资源竞争和数据冲突。

（三）嵌入式系统开发流程1.需求分析明确嵌入式系统的功能需求、性能需求、可靠性需求等。例如，开发一个智能手环，需要确定它要具备心率监测、运动步数统计、睡眠监测等功能，以及对电池续航时间、数据准确性等方面的要求。2.硬件设计根据需求设计硬件电路，选择合适的微控制器、传感器、通信模块等。比如，在设计智能手环硬件时，要选择低功耗的单片机，搭配高精度的心率传感器和蓝牙通信模块等，并设计合理的电路布局，确保各个部件正常工作。3.软件编程编写嵌入式软件，包括驱动程序、应用程序等。对于智能手环，要编写传感器驱动程序来采集数据，编写应用程序来处理数据并与手机进行通信等。4.系统测试对硬件和软件进行联合测试，检查系统是否满足需求。测试内容包括功能测试、性能测试、可靠性测试等。如对手环进行心率监测准确性测试、电池续航时间测试等，确保产品质量。

四、通信知识基础（一）通信协议1.SPI协议SPI（SerialPeripheralInterface）是一种高速的全双工同步串行通信协议。它有主设备和从设备之分，主设备控制通信过程。SPI协议有四根线：时钟线（SCK）、主机输出从机输入线（MOSI）、主机输入从机输出线（MISO）和从机选择线（SS）。主设备通过SCK线产生时钟信号，控制数据的传输节奏。数据在MOSI和MISO线上双向传输。例如，在一些SPI接口的闪存芯片中，主设备（如单片机）通过SPI协议与闪存芯片进行数据读写操作。2.I2C协议I2C（InterIntegratedCircuit）是一种两线式串行总线协议，具有线数少、成本低等