第八讲 嵌入式系统硬件设计一(2013)
嵌入式系统中的硬件设计与实现
嵌入式系统中的硬件设计与实现嵌入式系统是指在系统中嵌入了特定功能的电子系统，又称为嵌入式设备。
嵌入式设备在现代社会中发挥着越来越重要的作用。
随着技术的进步，嵌入式设备的设计和实现也越来越受到关注。
其中，硬件设计和实现是嵌入式系统中重要的一环。
一、嵌入式系统的硬件设计嵌入式系统的硬件设计可分为两个方面：数字电路设计和模拟电路设计。
1.数字电路设计数字电路设计是嵌入式系统中硬件设计的重要组成部分。
数字电路设计的核心是逻辑门电路的设计。
逻辑门电路分为与门、或门、非门、异或门等多种类型。
在数字电路设计中，需要根据具体的应用需求，选择适当的逻辑门电路进行设计，并通过仿真和测试确保电路的正确性。
2.模拟电路设计模拟电路设计是嵌入式系统中另一重要的硬件设计组成部分。
模拟电路设计涉及到的电路类型比数字电路设计更多样化，包括放大器、滤波器、电源管理电路、传感器接口电路等。
在模拟电路设计中，需要考虑电路的性能指标，如增益、带宽、失真等，并通过仿真和测试确保电路的性能。
二、嵌入式系统的硬件实现嵌入式系统的硬件实现可分为两个部分：硬件制造和硬件调试。
1.硬件制造硬件制造是嵌入式系统中硬件实现的重要组成部分。
硬件制造包括电路板设计、元器件选择、电路板制造、电路板组合等等。
在电路板设计中，需要拟定电路图、进行布局和走线，确定电路板的大小和形状。
在元器件选择中，需要根据性能指标和成本等因素，选择适当的元器件。
在电路板制造和组合中，需要特别关注电路板的质量和可维护性。
2.硬件调试硬件调试是嵌入式系统中硬件实现的关键环节。
硬件调试包括原理测试、模块级调试、系统调试等步骤。
在原理测试中，需要对电路的逻辑进行测试，判断电路的正确性。
在模块级调试中，需要对单个电路模块进行测试和优化，确保模块的性能。
在系统调试中，需要对整个嵌入式系统进行测试和优化，确认系统的稳定性和性能。
三、嵌入式系统的应用嵌入式系统广泛应用于众多领域。
例如，汽车领域中的电子控制系统、医疗领域中的医疗设备、家电领域中的智能家居等等。
嵌入式系统的硬件设计
嵌入式系统的硬件设计嵌入式系统是一种应用广泛的计算机系统，它以特定功能为目的，集成在其他设备或系统中，常常被用于控制、监测、通信等各个领域。
而硬件设计是构建嵌入式系统的关键步骤之一，它负责设计和实现系统的硬件部分，包括电路设计、板级设计以及系统级设计。
本文将以嵌入式系统的硬件设计为主题，探讨其相关内容。
一、嵌入式系统硬件设计的概述嵌入式系统硬件设计是指根据系统的需求和功能，设计和实现系统所需要的电路、存储器、接口等硬件部分。
与传统计算机硬件不同，嵌入式系统硬件设计需要考虑功耗、成本、尺寸和可靠性等方面的要求。
同时，嵌入式系统硬件设计还需要与软件开发密切配合，确保硬件和软件之间的良好配合，提高系统的整体性能和效率。
二、嵌入式系统硬件设计的关键技术1. 电路设计电路设计是嵌入式系统硬件设计的基础，它涉及到电路的原理图设计、布局设计、引脚分配等方面。
在电路设计中，需要选择合适的元件和器件，优化电路的结构和性能，满足系统对电路的要求。
此外，电路设计中还要考虑信号完整性、抗干扰能力、电磁兼容性等因素，以提高系统的可靠性和稳定性。
2. 存储器设计存储器在嵌入式系统中起到重要的作用，用于存储和读取数据、指令等信息。
在存储器设计中，需要选择合适的存储器类型，如SRAM、DRAM、Flash等，并进行存储器的容量规划和接口设计。
此外，存储器的访问速度、功耗和可靠性也是存储器设计中需要考虑的重要因素。
3. 接口设计嵌入式系统通常需要与外部设备或系统进行交互，因此接口设计是嵌入式系统硬件设计的重要组成部分。
在接口设计中，需要选择合适的接口标准和协议，并设计相应的接口电路和信号传输线路。
接口设计不仅要考虑数据传输的可靠性和速度，还需要考虑系统的兼容性和扩展性。
三、嵌入式系统硬件设计的流程嵌入式系统硬件设计的流程通常包括需求分析、系统架构设计、电路设计、布局设计、硬件调试和验证等阶段。
在需求分析阶段，需要明确系统的功能和性能要求，确定硬件设计的目标和约束条件。
嵌入式系统软硬件设计
嵌入式系统软硬件设计嵌入式系统软硬件设计是一种专门针对嵌入式系统的设计方法。
嵌入式系统是指集成了专用硬件和软件的计算机系统，用于控制实时操作和实现特定功能。
在这个设计中，软件和硬件之间相互依赖和配合，实现了高效的系统性能和功能。
在嵌入式系统软硬件设计中，首先需要进行需求分析。
根据系统的功能和特点，确定系统所需的软件和硬件功能。
这包括了系统的输入和输出要求，以及系统需要的算法和处理能力。
通过详细的需求分析，可以确保系统设计的正确性和可行性。
接下来，需要进行嵌入式系统的硬件设计。
硬件设计包括了电路设计和硬件布局。
在电路设计中，需要根据系统需求，选择适当的电子元件，并进行电路拓扑设计。
同时，还需要进行电路模拟和测试，以确保电路的正确性和性能。
在硬件布局中，需要考虑电子元件的布局和连接方式，以及布线和散热设计等。
这些工作都需要高度的专业知识和经验。
在完成硬件设计后，就需要进行嵌入式系统的软件设计。
软件设计包括了系统的模块划分和接口设计。
在模块划分中，需要将系统功能划分为不同的模块，并确定模块之间的依赖关系和接口。
接口设计包括了模块之间的函数调用和数据传输方式。
在软件设计中还需要考虑系统的实时性和性能，以及系统的稳定性和可靠性。
在进行软硬件配合设计时，还需要进行系统的集成和测试。
在集成过程中，需要将硬件和软件进行连接，并进行整体测试和调试。
这包括了硬件和软件的接口测试和相互调用的测试。
通过集成和测试，可以发现和解决可能存在的问题，并确保系统的稳定性和可靠性。
总结来说，嵌入式系统软硬件设计是一项复杂而关键的工作。
它需要涉及到电路设计、软件设计、系统集成和测试等多个方面。
只有软硬件相互配合和协作，才能实现嵌入式系统的高效性能和功能。
对于设计人员来说，不仅需要具备专业知识和经验，还需要有良好的分析和解决问题的能力。
只有通过不断的学习和实践，才能不断提高嵌入式系统软硬件设计的水平。
计算机硬件设计与嵌入式系统
计算机硬件设计与嵌入式系统计算机硬件设计与嵌入式系统是现代科技领域中不可或缺的重要组成部分。
随着科技的不断进步，计算机硬件设计与嵌入式系统的发展也逐渐成为推动社会进步的关键因素。
本文将从硬件设计和嵌入式系统两个方面进行探讨。
一、硬件设计1.概述硬件设计是指对计算机硬件的各个组成部分进行设计、测试和实现的过程。
有效的硬件设计能够确保计算机的稳定性和高性能运行。
2.主要组成部分计算机硬件由中央处理器（CPU）、内存、存储器、输入输出设备等多个组成部分构成。
每个组成部分的设计和优化都对整个计算机的性能和功能有着重要影响。
3.设计原则在进行硬件设计时，需要遵循一些基本的设计原则，包括：（1）性能与成本的平衡：硬件设计应该在保证性能的同时，尽可能控制成本；（2）可靠性和稳定性：硬件设计要保证计算机系统长时间稳定运行，并能适应各种环境条件；（3）可扩展性和可升级性：硬件设计应该具备一定的扩展性和升级性，以满足不同用户的需求变化。
4.案例分析：CPU设计（这里可以具体分析某种CPU的设计，包括架构选择、指令集设计、优化设计等内容）二、嵌入式系统1.概述嵌入式系统是指将计算机技术应用于各种工业控制、通信、医疗设备等领域的特定目的计算机系统。
相比通用计算机系统，嵌入式系统通常具有更高的稳定性和实时性要求。
2.应用领域嵌入式系统广泛应用于各个行业，如汽车电子、医疗设备、家电产品等。
它们的设计需要考虑到特定应用场景下的实时性、资源消耗和功耗等特点。
3.设计原则嵌入式系统的设计要遵循一些基本的原则，包括：（1）实时性要求：嵌入式系统设计需要满足严格的实时性要求，确保系统能够按照预定时间完成各项任务；（2）资源管理：嵌入式系统通常具有有限的资源，如内存和处理能力，设计时需要合理管理这些资源；（3）功耗优化：嵌入式系统通常需要长时间运行，功耗的优化是系统设计的重要考虑因素。
4.案例分析：医疗嵌入式系统设计（这里可以具体分析医疗嵌入式系统的设计，包括实时性要求、功耗优化、可靠性设计等内容）总结：计算机硬件设计与嵌入式系统在现代科技领域中具有重要地位。
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
嵌入式系统硬件体系结构设计
嵌入式系统硬件体系结构设计一、嵌入式计算机系统体系结构体系主要组成包括：硬件层中涵盖嵌入式微处理器、存储器（sdram、rom、flash等）、通用设备USB和i/oUSB（a/d、d/a、i/o等）。
在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。
其中操作系统和应用程序都可以固化在rom中。
硬件层与软件层之间为中间层，也称作硬件抽象化层（hardwareabstractlayer，hal）或板级积极支持纸盒（boardsupportpackage，bsp），它将系统上层软件与底层硬件拆分开去，并使系统的底层驱动程序与硬件毫无关系，上层软件开发人员无须关心底层硬件的具体情况，根据bsp层提供更多的USB即可展开研发。
该层通常涵盖有关底层硬件的初始化、数据的输出/输入操作方式和硬件设备的布局功能。
3.系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（real-timeoperationsystem，rtos）、文件系统、图形用户USB（graphicuserinterface，gui）、网络系统及通用型组件模块共同组成。
rtos就是嵌入式应用软件的基础和研发平台。
功能层主要由实现某种或某几项任务而被开发运行于操作系统上的程序组成。
一个嵌入式系统装置通常都由嵌入式计算机系统和继续执行装置共同组成，而嵌入式计算机系统就是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层共同组成。
继续执行装置也称作被控对象，它可以拒绝接受嵌入式计算机系统收到的掌控命令，继续执行所规定的操作方式或任务。
本网关硬件环境以单片机s3c2440芯片和dm9000以太网控制芯片为主，实现rj45接口和rs232接口的数据传输。
内容包括硬件环境的初始化，数据的收发控制，封包解包设计，操作系统的移植等。
硬件框图就是直观的将每个功能模块列举，也就是一个基本的模块女团，可以简约的每个模块的功能彰显出。
嵌入式系统硬件设计技巧分享
嵌入式系统硬件设计技巧分享嵌入式系统的硬件设计是构建高效、稳定和可靠嵌入式设备的基础。
在不同的应用领域，例如家电、汽车、医疗设备等，嵌入式系统都扮演着至关重要的角色。
本文将分享一些嵌入式系统硬件设计的技巧，帮助读者更好地理解和应用。
1.选择合适的处理器嵌入式系统的处理器选择是设计中的关键决策。
在选择处理器时，需要考虑应用的性能需求、功耗要求、成本以及开发平台的兼容性等因素。
一般来说，ARM架构的处理器是最常见的选择之一，因为它们具有较低的功耗和较高的性能。
另外，还需要注意处理器的外设和扩展性，以确保能满足各种需求。
2.注意电源管理嵌入式系统通常需要在有限的功耗条件下运行，因此电源管理是至关重要的。
在设计中，应合理选择适用的电源管理电路，如电源开关、稳压器等。
此外，还可以考虑采用低功耗模式和低功耗组件，以提升整个系统的能效。
3.合理布局PCB良好的PCB布局能够提高系统的性能和稳定性。
首先，应为关键信号线和高速信号设计合理的走线规则，以减少信号的串扰和噪音干扰。
其次，应规划合适的电源和地线路径，以确保稳压和地线的电气性能。
最后，应考虑系统的散热问题，合理布置散热器件和散热通道，以保持系统温度的稳定。
4.噪音分离和抑制在嵌入式系统中，噪音是一个常见的问题，可能会对信号质量和系统性能产生不利影响。
为了解决这个问题，可以采用合适的滤波器，以分离和抑制噪音。
常用的滤波器包括低通滤波器、带通滤波器和抗混叠滤波器等。
此外，还可以采用电容、电感和抗干扰材料等方法，有效降低噪音干扰。
5.EMC设计电磁兼容性（EMC）是嵌入式系统设计过程中必须考虑的一个重要方面。
在设计中，应合理布局和走线，减少信号的辐射和敏感度。
此外，还应选择合适的屏蔽材料，并对敏感元件进行合理的屏蔽和隔离，以防止电磁辐射和干扰。
6.可靠性设计嵌入式系统通常需要长时间稳定运行，因此可靠性设计是不可忽视的。
在设计中，应注意选择可靠的元器件，并遵循可靠性设计原则，如冗余设计、故障检测和容错处理等。
计算机硬件设计中的嵌入式系统设计
计算机硬件设计中的嵌入式系统设计嵌入式系统设计是计算机硬件设计中的重要组成部分。
它指的是将计算机系统嵌入到特定设备或产品中，以控制和监测设备的运行。
嵌入式系统设计需要考虑硬件设计、软件设计以及系统整合等多个方面的因素。
本文将从硬件设计的角度探讨嵌入式系统设计。
1. 嵌入式系统硬件设计的基本概念嵌入式系统硬件设计是指将处理器、存储器、输入输出接口等硬件部件集成在一起，以实现特定功能的系统设计。
在嵌入式系统硬件设计中，需要考虑功耗、性能、成本、可靠性等多个因素。
2. 嵌入式系统硬件设计的关键要素2.1 处理器选择在嵌入式系统硬件设计中，选择合适的处理器非常重要。
处理器的性能和功耗直接影响整个嵌入式系统的性能和功耗。
同时，还需考虑处理器的可靠性和成本等因素。
2.2 存储器设计存储器是嵌入式系统中存储数据和程序的关键组成部分。
在嵌入式系统硬件设计中，需要选择合适的存储器类型和容量，以满足系统对存储需求的同时，兼顾成本和功耗。
2.3 输入输出接口设计输入输出接口是嵌入式系统与外部设备进行通信的桥梁。
在硬件设计中，需要考虑系统对输入输出接口的要求，选择合适的接口类型，并确保接口的稳定性和可靠性。
3. 嵌入式系统硬件设计的流程3.1 需求分析在开始嵌入式系统硬件设计之前，首先需要进行需求分析。
确定系统的功能需求、性能要求、成本要求等，从而为后续的硬件设计提供指导。
3.2 系统架构设计根据需求分析的结果，进行嵌入式系统的整体架构设计。
确定系统中各个硬件部件的功能和相互连接方式，为后续的详细设计提供基础。
3.3 硬件详细设计在嵌入式系统硬件详细设计阶段，需要根据系统架构设计的结果，对处理器、存储器、输入输出接口等硬件进行细致的设计。
在设计过程中，需要考虑电路原理、信号传输、功耗控制等因素。
3.4 硬件验证与测试设计完成后，进行硬件验证与测试。
通过验证和测试，可以确保嵌入式系统硬件设计的正确性和可靠性。
包括电路板的制造、组装、调试以及系统的集成和测试等环节。
嵌入式系统硬件设计方法
嵌入式系统硬件设计方法1.定义需求：在进行硬件设计之前，首先需要明确系统的需求和目标。
这包括系统的功能、性能要求、功耗要求、可靠性要求等方面。
对于不同的嵌入式系统，需求有所不同，因此需要仔细分析和定义系统的需求。
2.框架设计：在明确系统需求之后，需要进行系统的框架设计。
框架设计包括系统的总体结构、通信方式、处理器选择、外设选择等方面。
这些设计决策对系统的性能和功耗有着很大的影响，因此需要慎重选择和评估。
3.选择处理器和外设：选中合适的处理器和外设对于嵌入式系统的性能和功耗至关重要。
处理器的选择应考虑系统的需求、性能要求和功耗要求。
外设的选择则根据系统的功能和通信要求进行，例如传感器、通信模块、显示屏等。
4.电路设计：进行电路设计是硬件设计的重要一步。
在电路设计中，需要考虑电路的布局、连接、电源管理等方面。
同时，还需要进行信号完整性和电磁干扰的分析和预防。
电路设计需要遵循一些规范和标准，以确保电路的可靠性和稳定性。
5.PCB设计：在完成电路设计后，需要进行PCB设计。
PCB设计包括布局设计、走线规划、电源管理、地平面规划等方面。
PCB设计需要考虑器件的布局，电路的信号完整性和电磁兼容性问题。
同时，还需要注意PCB的尺寸和成本等因素。
6.硬件验证：在完成PCB设计后，需要进行硬件验证。
硬件验证包括电气验证和功能验证。
电气验证主要是对电路进行电气参数的测试和验证，例如电压、电流、功耗等。
功能验证则是测试系统的功能和性能是否符合需求。
7.优化改进：在硬件验证过程中，可能会出现一些问题和不足之处。
根据验证结果，可以对硬件进行优化和改进。
例如，改进布局和走线，优化功耗管理，改进信号完整性等。
通过优化改进，可以提升系统的性能和可靠性。
8.系统集成：完成硬件设计后，需要进行系统的集成。
系统集成包括硬件和软件的集成，以及外设和传感器的连接和配置。
在进行系统集成时，需要进行系统级的测试和验证，确保硬件和软件能够正常协同工作。
嵌入式系统硬件设计
嵌入式系统硬件设计课程设计报告书指导老师学号院系机械设计制造及其自动化班级机械电子完成时间嵌入式硬件系统设计课程设计报告摘要嵌入式系统已经广泛应用于生产生活的方方面面，从电磁炉到机器人控制，从电子玩具到智能手机，都离不开嵌入式系统的应用。
本报告主要记录了在《嵌入式硬件系统》课程中的所学所感。
关键词：嵌入式系统，PCB焊接，Altium Designer，51单片机目录1概述 (7)1.1本课程主要教学容 (7)1.2 嵌入式硬件系统简介 (7)1.3 本报告结构安排 (7)2PCB焊接练习 (8)2.1元器件符号的认识 (8)2.1.1了解元器件的尺寸 (8)2.1.2 常见电路图元件符号 (8)2.1.3 常见元器件实物 (8)2.1.4 认识元器件参数 (9)2.2元器件封装的认识 (10)2.2.1 实物封装 (10)2.2.2 封装尺寸介绍 (10)2.3焊接方法 (11)2.3.1 焊接工具介绍 (11)2.3.2 焊接要求 (11)2.3.3 焊接过程中遇到的问题及解决方法 (11)3电路原理图设计 (13)3.1电路功能分析 (13)3.1.1 51单片机 (13)3.1.2 LED (13)3.1.3 外部晶振 (13)3.1.4 复位电路 (13)3.1.5 报警器 (13)3.1.6 CH340G (13)3.1.8 24C02CT-E (13)3.1.9 数码管 (13)3.2原理图设计 (14)3.2.1 原理图设计软件 (14)3.2.2 原理图设计要求 (14)3.3 PCB设计 (15)3.3.1 原理图导入 (15)3.3.2 设置PCB尺寸大小 (15)3.3.3 布局 (15)3.3.4 布线 (15)3.3.5 覆铜 (15)3.3.6 检查 (15)3.4 设计过程中遇到的问题及解决方法 (16)4PCB焊接及调试 (17)4.1 焊接过程中遇到的问题 (17)4.2调试过程 (17)4.2.2 调试过程遇到的问题 (17)5项目任务书 (18)5.1 任务书 (18)5.2项目可行性分析 (18)6项目装置设计制作及调试 (19)6.1 装置结构设计 (19)6.2 硬件设计 (19)6.2.1 电机选择 (19)6.2.2 开关选择 (20)6.2.3 单片机类型选择 (20)6.3 算法流程 (21)6.4 运行代码 (21)6.5 装置制作及调试 (21)6.5.1 盒子的制作 (21)6.5.2 ESP8266调试 (22)7 结语 (23)参考文献 (24)辞 (26)附录（程序） (27)1概述1.1本课程主要教学容本课程由浅入深，主要讲授怎样设计运用一套完整的嵌入式系统。
嵌入式系统的软硬件设计
嵌入式系统的软硬件设计嵌入式系统是一种专用计算机系统，其硬件和软件都被特定用途的应用所定制。
软硬件设计在嵌入式系统的开发过程中起着至关重要的作用。
本文将探讨嵌入式系统的软硬件设计，包括设计流程、方法和工具等方面的内容。
一、嵌入式系统软硬件设计的概述嵌入式系统的软硬件设计是指在满足特定需求的情况下，通过硬件和软件的结合来实现系统的功能。
软硬件设计过程中需要考虑到嵌入式系统的性能、功耗、成本和开发周期等因素。
二、嵌入式系统软硬件设计流程1. 需求分析：明确系统的功能需求和性能指标，包括处理器性能要求、内存和存储需求、通信接口等。
2. 架构设计：选择适当的处理器架构、总线结构和硬件资源分配方案，确定硬件的基本框架。
3. 电路设计：根据系统需求，设计和布局各个模块，包括电源管理、输入输出接口、存储器等。
4. PCB设计：进行电路板的设计和布线，考虑电路板的尺寸、功耗等因素。
5. 软件开发：根据硬件设计，编写相应的驱动程序、操作系统、应用软件等。
6. 硬件验证和软件调试：对设计的硬件进行验证和测试，确保其功能和性能满足要求，并进行软件的调试和优化。
7. 系统集成：将设计好的硬件和软件进行整合和调试，确保系统的稳定性和可靠性。
8. 系统测试和部署：对整个系统进行全面测试，进行必要的修改和调整，最后进行系统的部署和交付。
三、嵌入式系统软硬件设计的方法1. 多核处理器方法：使用多核处理器可以提高系统的性能和并行处理能力，但同时也增加了功耗和开发复杂度。
在设计过程中需要合理划分任务和资源分配。
2. SOC方法：SOC（System-on-Chip）即系统级芯片设计方法，将处理器核心、内存、外设和其他硬件资源集成到一个芯片上，减小体积和成本，并提高系统的性能和可靠性。
3. IP核方法：使用现有的IP核可以加速硬件设计过程，提高设计的效率和可靠性。
4. 仿真和验证方法：采用仿真和验证技术可以有效降低设计风险，减少开发周期。
嵌入式系统设计1
嵌入式系统设计1嵌入式系统设计简介嵌入式系统设计是指在特定应用领域中，被嵌入到产品中的计算机系统的设计过程。
它是将硬件和软件相结合，以实现特定功能的设计。
嵌入式系统设计主要包括硬件设计和软件设计两个方面。
硬件设计是指根据嵌入式系统的需求，选择适当的内核和外设，设计电路图，并进行电路布局与PCB设计。
软件设计是指根据硬件设计完成的电路图，编写嵌入式软件，实现系统功能。
硬件设计嵌入式系统的硬件设计是整个嵌入式系统设计过程中的重要环节。
硬件设计需要根据系统的需求，选择适当的处理器和外设，并进行电路图设计和电路布局。
1. 处理器选择在硬件设计中，首先需要选择适合该嵌入式系统的处理器。
处理器的选择要考虑系统的性能需求、功耗限制和成本等因素。
常用的嵌入式处理器有ARM、MIPS、DSP等。
2. 外设选择外设的选择也是硬件设计中的重要环节。
外设的种类繁多，包括存储器、闪存、UART、GPIO等。
在选择外设时，要根据系统的功能需求和接口要求进行选择。
3. 电路图设计根据处理器和外设的选择，进行电路图设计。
电路图设计需要考虑电路的连接关系、引脚分配和信号传输等。
4. 电路布局与PCB设计完成电路图设计后，需要进行电路布局与PCB设计。
电路布局要考虑信号传输的长度和电磁兼容等问题。
PCB设计要合理布置电路元件和走线，确保电路的稳定性和可靠性。
软件设计嵌入式软件设计是嵌入式系统设计中的另一个重要环节。
软件设计需要根据硬件设计完成的电路图，编写相应的嵌入式软件。
1. 编程语言选择在嵌入式软件设计中，通常会选择C语言或汇编语言进行编程。
C语言以其简洁、高效的特点成为嵌入式系统设计中的主流编程语言。
汇编语言则更加底层，可以更好地控制硬件。
2. 软件功能设计根据系统的需求和硬件设计的电路图，进行软件功能设计。
软件功能设计要根据不同的应用场景，实现所需的功能和算法。
3. 代码编写和调试在完成软件功能设计后，需要编写相应的代码，并对代码进行调试。
第八讲 嵌入式系统硬件设计一(2013)
Sep 2013
No. 17
SoC 设计内涵（3/3）
SoC关键技术
基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证; 开发和研究IP核生成及复用技术,特别是大容量的存储模块嵌入的重复应 用等; 超深亚微米(UDSM) 、纳米集成电路的设计理论和技术。
Sep 2013
18
No. 18
IP核 （1/2）
cpu检查dma的状态read0x30004status52sep2013嵌入式最小系统框图嵌入式处理器微控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统电源可选因为许多面向嵌入式领域的微控制器内部集成了程序和数据存储器可选但是在样品阶段通常都会设计这部分电路53sep201354sep2013按构成存储器的器件和存储介质分类半导体存储器磁盘和磁带等磁表面存储器光电存储器按存取方式分类随机存储器ramrandomaccessmemory只读存储器romreadonlymemory串行访问存储器serialaccessstorage按在计算机中的作用分类主存储器内存辅助存储器外存高速缓冲存储器存储器的分类55sep2013随机存取存储器ram动态ram只读存储器rom在线编程擦除的flash半导体存储器的分类56sep2013核心是解决容量速度价格间的矛盾建立起多层存储结构
当前的系统设计
Sep 2013
No. 12
集成电路设计发展（4/4）
卫星 /电缆
解调/纠错
IBM CPU
第二代
DRAM
DRAM
SOC
传输 反向多路器 DRAM MPEG解码
SCI IEEE1284 GPIO ,etc
第三代 将来
声频 接口
视频 接口
System On A Chip
嵌入式系统硬件设计
引言嵌入式系统是以应用为中心，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
本文主要研究了基于S3C2410的嵌入式最小系统，围绕其设计出相应的存储器、总电源电路、复位电路等一系列电路模块。
嵌入式最小系统嵌入式最小系统即是在尽可能减少上层应用的情况下，能够使系统运行的最小化模块配置。
以ARM内核嵌入式微处理器为中心，具有完全相配接的Flash电路、SDRAM电路、JTAG电路、电源电路、晶振电路、复位信号电路和系统总线扩展等，保证嵌入式微处理器正常运行的系统，可称为嵌入式最小系统。
对于一个典型的嵌入式最小系统，以ARM处理器为例，其构成模块及其各部分功能如图1所示，其中ARM微处理器、FLASH和SDRAM模块是嵌入式最小系统的核心部分。
整体仿真图➢ 微处理器——采用了S3C2410A ；电源模块——本电源运用5V 的直流电源通过两个三端稳压器转换成我们所设计的最小系统所需要的两个电压，分别是3.3V 和1.8V ，1.8V 电源LDD 稳压 SDARM32MB(use JTAG 接口 REST 电路256字节E2PROM E2PROMUART 串口功能扩展 32768Hz 晶振RTC 时钟源S3C2410A-20(ARM920T) (16KB I-Cache,16KB D-Cache) SDARM 32MB (use NOR FLASH 2MB (use3.3V的给VDDMOP，VDDIO,VDDADC等供电，而1.8V的给VDDi和RTC 供电。
➢时钟模块（晶振）——通常经ARM内部锁相环进行相应的倍频，以提供系统各模块运行所需的时钟频率输入。
32.768kHz给RTC 和Reset模块，产生计数时钟，10MHz作为主时钟源；➢Flash存储模块——存放嵌入式操作系统、用户应用程序或者其他在系统掉电后需要保存的用户数据等；➢SDRAM模块——为系统运行提供动态存储空间，是系统代码运行的主要区域；➢复位模块——实现对系统的复位；。
嵌入式系统硬件设计
SoC嵌入式系统处理器
SoC（System on a Chip）是信息系统核心的芯 片集成，就是将计算机系统的一些关键部件集 成在一块芯片上；从广义角度讲，SoC是一个 微小型系统，如果说中央处理器（CPU）是大 脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手 的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为 将 微 处 理 器 、 模 拟 IP 核 、 数 字 IP 核 和 存 储 器 （或片外存储控制接口）集成在单一芯片上。 它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标 准产品。
3. 嵌入式系统的硬件部分
• 处理器／微处理器 • 存储器 • 外设器件 • I／O端口 • 人机接口
嵌入式处理器
嵌入式系统的核心：嵌入式处理器EMPU (Embedded Micro-Processor Unit)
要求： 1）对实时多任务有很强的支持能力，能
完成多任务并且有较短的中断响应时间， 从而使内部的代码和实时内核心的执行 时间减少到最低限度。
嵌入式系统的例子
n 汽车:其中的电子系统控制 n 机床：动作控制 n 手机生产线：贴片控制，位置控制 n 洗衣机:回旋，温度, 水流控制 n 数码照相机：读写数据卡 n 打印机：打印强度，颜色，翻页 n 飞机：参数控制 n 。。。
1997年来自美国嵌入式系统大会(Embedded System Conference)的报告指出，未来5年仅基于嵌 入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产 生一个每年1500亿美元的新市场。
MIPS系列
由于MIPS有效合理的硬件架构，可以使处理 器在有限的时钟下发挥很高的工作效率，所以有 许多厂商特别是日本的厂商采用MIPS先进的 RISC技术，发展出不少知名产品。例如：
• NEC公司的Vr4100/Vr4300(MIPS64)和V800 （MIPS32)系列嵌入式微处理器
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Sep 2013
No. 4
输入段ro 输入段rw
System code System data ELF头 ELF头 Program Headers System code main() sqr() System data int nn=11 int num=10 Uninitialized data .symtab .debug .symtab 输出段 ZI 输出段 rw 输出段 ro
输入段ro 输入段rw
main() int nn=11 .symtab .debug .symtab Section Header Table ELF头
输入段ro 输入段rw 输入段ZI
main() int nn=11
Uninitialized data .symtab .debug .symtab
IP核（Intellectual Property core，具有知识产权的内核）
一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序，该程序与集成电路工 艺无关，可移植到不同半导体工艺中去生产集成电路芯片； 设计资料内不仅仅包含一些物理功能和技术特性，更重要的是包含 了设计者的创造性思维，具有很强的知识内涵。
狭义角度： 信息系统芯片集成，将系统集成在一块芯片上; 广义角度：是一个微小型系统。
SoC是市场和技术共同推动的结果：
从市场层面上看，人们对集成系统的需求在提高
从技术层面上看，以下几方面推动了SoC技术的发展
微电子技术的不断创新和发展 计算机性能的大幅度提高 综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高 硬件描述语言的发展
Sep 2013
No. 17
SoC 设计内涵（3/3）
SoC关键技术
基于单片集成系统的软硬件协同设计和验证; 开发和研究IP核生成及复用技术,特别是大容量的存储模块嵌入的重复应 用等; 超深亚微米(UDSM) 、纳米集成电路的设计理论和技术。
Sep 2013
18
No. 18
IP核 （1/2）
拷 Uninitialized data 贝 System data Int num = 10
zi
Main()
Sqr() Int num = 10 System data ROM
System data
Int num = 10 Uninitialized data 输出区
Rw 运 行 域
Main() Sqr() System code 运行域
Main()
Sqr() System code 装载域
Ro 运行域
Sep 2013
No. 7
系统启动（Boot）的主要功能
建立异常向量表 初始化中断 初始化硬件设备 初始化应用程序执行环境 跳转到主应用程序
Sep 2013
No. 8
第 七讲
嵌入式硬件设计
复习七讲：嵌入式系统开发过程 嵌入式SoC芯片和AMBA总线 存储器和存储接口 系统控制—TIMER和PWM,RTC,Watchdog 通信接口介绍
状态
Output 输出段 Output 输出段 大多数情况下，映像文件在执行前把它 装载到rom中，而当运行时域里 的有些 输出段必须复制到ram中，程序才能正常 运行，所以，在装载和运行时，有些段 处在不同的位置（地址空间）。
域
Sep 2013
Output 输出段
No. 6
映像文件zi段在装载域里是不存 在的，在运行域里才建立的； 映像文件在运行时，第一件工作 就是把rw输出段复制到ram里的 正确位置，第二件工作就是建立 zi输出段并初始化为0。这就是应 用程序执行环境的初始化。 然而，在运行时，代码和数据分 布到了不同的地址空间，形成了 三个运行域：ro运行域、rw运行 域、zi运行域。那么这个过程是RAM 如何来实现的？ 输出区 ro 输出区 rw 输出区 zi
Sep 2013
No. 9
集成电路设计发展（1/4）
•微米级工艺 •基于晶体管级互连 •主流CAD：图形编辑
Vdd B Out
A
Sep 2013
七十年代的集成电路设计
No. 10
集成电路设计发展（2/4）
PE
Math Bus
系统
Controller
L2
IO
MEM
Graphics
• PCB集成 • 工艺无关
Sep 2013
23
No. 23
Sep 2013
24
No. 24
SEP3203的芯片
ARM7TDMI 芯 晶体管门数少 先进的总线构架
存储支持 片
通讯模块 定
系统控制 义
优秀的集成 开发环境
提供工业 控制级性能 丰富的软件 系统支持 芯片选择阶段
Sep 2013
ESRAM SDRAM SRAM NOR FLASH NAND FLASH MMC/SD
USB设备
SPI
Sep 2013
No. 21
案例1:Intel XScale PXA255
XScale微架构处理器的时钟可以 达1GHz、功耗1.6W,并能达到 1200MIPS，是最高端的嵌入式 处理器。 型号：IOP310、IOP321、 PXA210、PXA25X、PXA26X、 PXA27X 采用7/8级超级流水线 支持多媒体处理技术 指令快存(I-Cache)：32K字节 数据快存(D-Cache)：32K字节 微小数据快存：2K字节 指令存储器管理单元IMMU 动态电源管理 数据存储器管理单元DMMU 中断控制器 总线控制器 1G字节/秒、ECC协议 调试(Debug)接口：
DSP Glue Processor Core
MPEG
Encryption/ Decryption
Graphics
SCSI
MEMORY Cache/SRAM or even DRAM
•深亚微米、超深亚 微米级工艺 •基于IP复用 •主流CAD：软硬件协 同设计
EISA Interface
SYSTEM-ON-A-CHIP
Sep 2013
14
No. 14
SoC优势
降低耗电量
SoC产品多采用内部信号的传输，可以大幅降低功耗。
减少体积
数颗IC整合为一颗SoC后，可有效缩小电路板上占用的面积，达 到重量轻、体积小的特色。
丰富系统功能
SoC可整合更多的功能元件和组件，丰富系统功能。
提高速度
芯片内部信号传递距离缩短，信号传输效率提升，使产品性能有 所提高。
固核（Firm-Core）
以电路网表形式提交并采用 硬件进行验证；
工艺映射和系统的性能的一致性； 价格不菲。 硬核（Hard-Core） 以集成电路版图的形式提交 不需优化工作、价格便宜 灵活性小、不能更改。
对应于某一个特定的实现工艺
； 与实现工艺的相关性及网表的 难读性 。
UART(2) SPI USB1.1 AC97 I2C
TIMER RTC WATCHDOG PMU DMA
功能模块定义
No. 25
SEP3203功能模块的划分
Sep 2013
No. 2
面向嵌入式系统的软件开发环境
软 件 设 计
编辑 环境 项目 管理
编译器
汇编器
交叉开 发环境 IDE
Monitor （调试，跟踪）
串口，并口， 以太网，USB
liber
连接器
转换程序
Emulator
烧结程序
目标板
Sep 2013ห้องสมุดไป่ตู้
No. 3
链接器的作用
链接器（Linker）是把不同 部分的代码和数据，收集、 组合成为一个可加载、可执 行的文件。
SoC设计基础是IP核的复用技术，在SoC芯片设计调用已有的以
模块形式存在的IC电路，这些IC电路模块叫做IP模块； IP模块是一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集 成电路、器件或部件。
Sep 2013
19
No. 19
IP核
（2/2）
IP核种类
软核（Soft-Core） 以硬件描述语言的方式提交 可复用性很强 使用者拥有全部源代码；
集成电路芯片
八十年代的电子系统设计
•亚微米级工艺 •依赖工艺 •基于标准单元互连 •主流CAD:门阵列 标准单元
Sep 2013
No. 11
集成电路设计发展（3/4）
I/O Interface
PCI Interface
VRAM
Processor Core
LAN Interface
Motion
Glue
当前的系统设计
Sep 2013
No. 12
集成电路设计发展（4/4）
卫星 /电缆
解调/纠错
IBM CPU
第二代
DRAM
DRAM
SOC
传输 反向多路器 DRAM MPEG解码
SCI IEEE1284 GPIO ,etc
第三代 将来
声频 接口
视频 接口
System On A Chip
集成电路走向系统芯片
Sep 2013
No. 20
基于ARM典型的SoC及系统
SoC
JTAG 微处理器 处理器核 MMU Cache 存储设备 Flash
SDRAM
ROM 总线控制/仲裁 A H B 总 线 电源管理
USB控制器
中断控制器
外部设备 鼠标/键盘
LCD控制器 时钟产生器
内存控制器 LCD/触摸屏 桥和DMA 网络设备
Sep 2013
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