【精品】PPT课件 嵌入式系统硬件设计
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《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。
《嵌入式系统设计》课件
2
系统架构设计
设计系统的硬件和软件架构，包括选择适当的处理器和外设。
3
电路设计
设计电路板，包括选择元件、布线和进行电路仿真。
4
软件开发
编写嵌入式软件，实现系统功能和交互。
嵌入式系统硬件设计
电路设计
微控制器
通过选择合适的元件和进行布线， 设计控制器，如 Arduino或Raspberry Pi，以实现 系统的处理和控制。
《嵌入式系统设计》PPT 课件
嵌入式系统是指将计算机技术和信息处理能力嵌入到特定应用领域中的系统。
嵌入式系统简介
嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，集成了软硬件设计，广泛应用于生活中的各个方面，如智能家居、汽车 电子和医疗设备。
嵌入式系统设计流程
1
需求分析
根据需求和系统特点确定设计目标和主要功能。
嵌入式系统应用于医疗设备中， 如心脏起搏器和医疗监测仪器， 提供精准和可靠的医疗服务。
总结与提问
嵌入式系统设计是一个综合性的过程，需要考虑硬件和软件的协同工作，以 实现特定应用领域的需求。欢迎提问和讨论。
传感器
选择适当的传感器，如温度、湿 度或距离传感器，以实现系统的 感知能力。
嵌入式系统软件设计
嵌入式编程语言
选择适当的编程语言，如C或C++，以实现嵌入式系统的软件功能。
实时操作系统
使用实时操作系统（RTOS）来管理系统的任务和资源，保证系统的实时性。
驱动程序开发
开发设备驱动程序，以实现与外设的通信和控制。
嵌入式系统调试与测试
调试和测试是嵌入式系统设计过程中至关重要的一环，涉及硬件和软件的运 行状态、故障排除和性能评估。
嵌入式系统应用实例
嵌入式系统的PPT课件
地址
指令寄存器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
中央处理器
地址 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
9
CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式 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。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令 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
10
CISC与RISC的数据通道
开始
IF
ID
ALU MEM REG
退出
微操作通道
开始
IF
ID
REG ALU MEM
退出
单通数据通道
11
CISC的背景和特点
背景:存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由
软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统 来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指 令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储 器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列 （微程序） CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
15
CISC与RISC的对比
类别
CISC
指令系统 指令数量很多
RISC 较少，通常少于100
执行时间 编码长度
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
嵌入式系统硬件设计.ppt
1）一些主流处理器
ARM： ATMEL公司： AT91系列 Samsung公司 ：S3C系列 Intel公司： SA-1110 、PX250/255等
Power PC: Motorola公司：MC和MPC系列 IBM公司： PowerPC604s(深蓝内部的CPU), PowerPC750, PowerPCG3等。
无线调制 解调器
图1 Intel PCA应用子系统的开放式软件框架
5.1 嵌入式系统的设计生命周期
不同于标准计算机平台上的应用软件开 发，嵌入式系统设计通常是软件和硬件的并 行设计，这直接关系到如何来设计开发合适 的嵌入式系统产品。
main(){ int a=98 , b;
-> b=a-32; b=b+5/9.0; }
嵌入式与应用系统软件开发的区别
• 嵌入式产品对实时性要求高 • 嵌入式产品对代码尺寸有要求 • 嵌入式开发不能使用DOS中断或Windows-API
资源。 • 嵌入式产品的软件开发环境与调试环境与应用
系统开发不同，一般要使用交叉编译器和仿真
调试器。
固有应用
用户子系统 用户应用
自制的应用
固有运行 时程序库
嵌入式系统
嵌入式系统 在线 仿真器
主机
模拟器 （运行于模主拟机器）
（运行于主机）
图1-12 嵌入式系统的开发调试方法
图2 嵌入式系统设计的各个阶段
图中曲线表示在每个阶段若修改工作需要花费的成本 图4 嵌入式系统设计的各个阶段所花费的时间
图5 嵌入式设计过程中使用的工具
1. 产品定义
• 详细了解客户的需求 • 明确产品的功能 • 把注意力集中到需要完成的部分 • 额外扩充产品功能 • 准备好设计产品所需要的工具
嵌入式系统(第章 嵌入式系统硬件平台与接口设计)ppt课件
28
Bank5：RTL8019AS，ISA总线兼容的10M以太网（ PHY＋MAC层）控制芯片。占用系统外部中断1，16位 数据总线；扩展IO口
Bank6：SDRAM，起始地址为0xC000000。在 SDRAM中，前512Kbyte的空间划分出来，作为系统 的LCD显示缓冲区使用（更新其中的数据，就可以更新 LCD的显示）。系统的程序存储空间从0xC080000开 始。也就是，引导系统的时候，需要把system.bin文件 复制到0xC080000开始的地址空间，把PC指针指向 0xC080000。
9
详细设计阶段-硬件设计
1. 设计硬件子系统：top-down方法 1. 分成模块 2. 设计框图 3. 例：CPU子系统、存储器子系统等
2. 定义硬件接口 1. I/O端口 2. 硬件寄存器 3. 共享内存 4. 硬件中断 5. 存储器空间分配 6. 处理器的运行速度
10
详细设计阶段-软件设计
29
3) Boot Loader的任务
Boot Loader是系统加电后首先运行的一段代码，完成 整个系统的加载启动任务。它首先完成系统硬件的初始 化，包括时钟的设置、存储器的映射等。并设置堆栈指 针，然后跳转到操作系统内核入口，如系统在加电或复 位时通常从地址0x00000000处开始执行，而在这个地 址处安排的通常就是系统的Boot Loader程序。
7
2）体系结构设计
决定因素
1. 系统是硬实时系统还是软实时系统 2. 操作系统是否需要嵌入 3. 物理系统的成本、尺寸和耗电量是否是产
品成功的关键因素 4. 选择处理器和相关硬件 5. 其他
8
3）详细设计阶段-硬件与软件划分 决定哪些用硬件实现，哪些用软件实现？ 例如：
Bank5：RTL8019AS，ISA总线兼容的10M以太网（ PHY＋MAC层）控制芯片。占用系统外部中断1，16位 数据总线；扩展IO口
Bank6：SDRAM，起始地址为0xC000000。在 SDRAM中，前512Kbyte的空间划分出来，作为系统 的LCD显示缓冲区使用（更新其中的数据，就可以更新 LCD的显示）。系统的程序存储空间从0xC080000开 始。也就是，引导系统的时候，需要把system.bin文件 复制到0xC080000开始的地址空间，把PC指针指向 0xC080000。
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详细设计阶段-硬件设计
1. 设计硬件子系统：top-down方法 1. 分成模块 2. 设计框图 3. 例：CPU子系统、存储器子系统等
2. 定义硬件接口 1. I/O端口 2. 硬件寄存器 3. 共享内存 4. 硬件中断 5. 存储器空间分配 6. 处理器的运行速度
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详细设计阶段-软件设计
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3) Boot Loader的任务
Boot Loader是系统加电后首先运行的一段代码，完成 整个系统的加载启动任务。它首先完成系统硬件的初始 化，包括时钟的设置、存储器的映射等。并设置堆栈指 针，然后跳转到操作系统内核入口，如系统在加电或复 位时通常从地址0x00000000处开始执行，而在这个地 址处安排的通常就是系统的Boot Loader程序。
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2）体系结构设计
决定因素
1. 系统是硬实时系统还是软实时系统 2. 操作系统是否需要嵌入 3. 物理系统的成本、尺寸和耗电量是否是产
品成功的关键因素 4. 选择处理器和相关硬件 5. 其他
8
3）详细设计阶段-硬件与软件划分 决定哪些用硬件实现，哪些用软件实现？ 例如：
《嵌入式原理系统》课件
模块化设计原则
模块间应保持松耦合、高内聚，模块接口应清晰、规范。
模块化设计方法
可以采用自顶向下的设计和分层设计等方法进行模块化设计。
嵌入式软件的测试与优化
测试方法
单元测试、集成测试和系统测试是常用的嵌入式软件 测试方法。
优化方法
代码优化、算法优化和系统优化是常用的嵌入式软件 优化方法。
性能评估
通过性能评估可以衡量嵌入式软件的性能指标，如响 应时间、功耗和可靠性等。
嵌入式传感器与执行器接口
分析嵌入式传感器与执行器的接口标准，如ADC、DAC等。
嵌入式传感器与执行器应用
介绍嵌入式传感器与执行器在实际应用中的实现方式，如温度检测、 压力控制等。
03
嵌入式操作系统原理
嵌入式操作系统的特点与分类
总结词：概述
可裁剪性：根据实际应用需求，嵌入式操作系统可以进 行定制和裁剪，以减小体积和资源占用。
嵌入式总线与接口协议
分析嵌入式总线与接口的协议标准，如RS-232、I2C、SPI等。
嵌入式总线与接口应用
介绍嵌入式总线与接口在实际应用中的实现方式，如串口通信、I/O控制等。
嵌入式传感器与执行器
嵌入式传感器与执行器概述
介绍嵌入式传感器与执行器的定义、分类、特点等。
常见嵌入式传感器与执行器
列举温度传感器、压力传感器、光敏传感器等常见嵌入式传感器与执 行器，并简要介绍其特点和应用领域。
嵌入式系统的发展趋势
低功耗设计
随着物联网和智能终端的普及，嵌入 式系统的功耗越来越受到关注，低功 耗设计成为发展趋势。
人工智能
人工智能技术的不断发展，嵌入式系 统将更加智能化，能够实现更高级别 的自动化和智能化控制。
云计算
模块间应保持松耦合、高内聚，模块接口应清晰、规范。
模块化设计方法
可以采用自顶向下的设计和分层设计等方法进行模块化设计。
嵌入式软件的测试与优化
测试方法
单元测试、集成测试和系统测试是常用的嵌入式软件 测试方法。
优化方法
代码优化、算法优化和系统优化是常用的嵌入式软件 优化方法。
性能评估
通过性能评估可以衡量嵌入式软件的性能指标，如响 应时间、功耗和可靠性等。
嵌入式传感器与执行器接口
分析嵌入式传感器与执行器的接口标准，如ADC、DAC等。
嵌入式传感器与执行器应用
介绍嵌入式传感器与执行器在实际应用中的实现方式，如温度检测、 压力控制等。
03
嵌入式操作系统原理
嵌入式操作系统的特点与分类
总结词：概述
可裁剪性：根据实际应用需求，嵌入式操作系统可以进 行定制和裁剪，以减小体积和资源占用。
嵌入式总线与接口协议
分析嵌入式总线与接口的协议标准，如RS-232、I2C、SPI等。
嵌入式总线与接口应用
介绍嵌入式总线与接口在实际应用中的实现方式，如串口通信、I/O控制等。
嵌入式传感器与执行器
嵌入式传感器与执行器概述
介绍嵌入式传感器与执行器的定义、分类、特点等。
常见嵌入式传感器与执行器
列举温度传感器、压力传感器、光敏传感器等常见嵌入式传感器与执 行器，并简要介绍其特点和应用领域。
嵌入式系统的发展趋势
低功耗设计
随着物联网和智能终端的普及，嵌入 式系统的功耗越来越受到关注，低功 耗设计成为发展趋势。
人工智能
人工智能技术的不断发展，嵌入式系 统将更加智能化，能够实现更高级别 的自动化和智能化控制。
云计算
嵌入式系统硬件设计课件珍藏.
嵌入式系统硬件构成
VirtexII Platform FPGA Virtex（E）系列 FPGA Xilinx Spartan（ XL）系列FPGA SpartanII（E）系列FPGA XC95(XL)系列 CPLD CoolRunner系列 CPLD
电源模块 解决方案
可编程 逻辑器件
总线
存储器
嵌入式 处理器 通信接口
由于需要I/O接口，Nand要复杂得多。各种Nand器件 的存取方法因厂家而异。在使用Nand器件时，必须先 写入驱动程序，才能继续执行其它操作。
Sep 2006
No. 15
SRAM接口时序（SRAM，FLASH)
Sep 2006
No. 16
SDRAM 存储器接口
SDRAM是随机存储器中价格最低的一种，在 大多数计算机系统中用做主存储器； 数据以电荷形式储存在电容上，并会在几ms 内泄漏掉。为了长期保存，SDRAM必须定期 刷新； 但动态RAM比静态RAM集成度高、功耗低， 从而成本也低，适于作大容量存储器； 工作时序比较复杂
EMI 和存储器
Sep 2006
No. 6
常用存储器的分类
嵌入式系统中
NOR FLASH NAND FLASH SRAM SDRAM
Sep 2006
No. 7
存储器的分类
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RAM (Random Access Memory)
No. 20
SEP3203芯片地址映射
0x37ff_ffff 0x37ff_ffff
External Memory (nCSA ~ nCSF) (see table below)
嵌入式系统 第3章嵌入式系统硬件设计PPT课件
外部中断源可设置为电平中断和边沿中断 电平中断和边沿中断可设置极性 支持快速中断和非常紧急中断
13
S3C2410资源
七、定时器和PWM
基于DMA和中断操作的4通道16位定时器 /1通道16位内部定时器，支持PWM功能
可编程的占空比、频率和极性
14
S3C2410资源
八、RTC实时时钟
完全的时钟特性：秒、分、小时、 日期、星期、月份、年
38
性能上
Nor-flash 的读速度比Nand-Flash快 Nor-flash 的写速度比Nand-Flash慢 Nor-flash 的擦除速度比Nand-Flash慢 大多数写入操作需要先进行擦除操作 Nand-flash的擦除单元更小，相应的擦除
电路更少
39
接口电路复杂程度
Nor-flash待用SRAM接口，有足够多的地 址引脚，容易进行电路设计
SDRAM存储器件选择 原理图设计考虑的问题
地址空间分配 常见电路连接图实例
35
基于S3C2410的存储系统SDRAM电路图
36
FLASH存储系统设计
FLAH选择 NAND-Flash Nor-Flash
电路原理图设计 软件设计
37
FLASH类型
Nor-Flash与Nand-Flash区别 性能上 接口差别 容量和成本 可靠性和耐用性 易用性 软件支持
ARM920T核由ARM9TDMI，存储管理单元 （MMU）和高速缓存三部分组成。其中MMU可以管 理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB指令Cache和 16KB数据Cache组成。
ARM920T有两个协处理器：CP14和CP15。 CP14用于调试控制，CP15用于存储系统控制以及 测试控制。
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S3C2410资源
七、定时器和PWM
基于DMA和中断操作的4通道16位定时器 /1通道16位内部定时器，支持PWM功能
可编程的占空比、频率和极性
14
S3C2410资源
八、RTC实时时钟
完全的时钟特性：秒、分、小时、 日期、星期、月份、年
38
性能上
Nor-flash 的读速度比Nand-Flash快 Nor-flash 的写速度比Nand-Flash慢 Nor-flash 的擦除速度比Nand-Flash慢 大多数写入操作需要先进行擦除操作 Nand-flash的擦除单元更小，相应的擦除
电路更少
39
接口电路复杂程度
Nor-flash待用SRAM接口，有足够多的地 址引脚，容易进行电路设计
SDRAM存储器件选择 原理图设计考虑的问题
地址空间分配 常见电路连接图实例
35
基于S3C2410的存储系统SDRAM电路图
36
FLASH存储系统设计
FLAH选择 NAND-Flash Nor-Flash
电路原理图设计 软件设计
37
FLASH类型
Nor-Flash与Nand-Flash区别 性能上 接口差别 容量和成本 可靠性和耐用性 易用性 软件支持
ARM920T核由ARM9TDMI，存储管理单元 （MMU）和高速缓存三部分组成。其中MMU可以管 理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB指令Cache和 16KB数据Cache组成。
ARM920T有两个协处理器：CP14和CP15。 CP14用于调试控制，CP15用于存储系统控制以及 测试控制。
嵌入式硬件设计基础PPT课件
嵌入式系统硬件设计
• 嵌入式硬件特点
√ 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
第6页/共13页
嵌入式系统硬件设计
CPU,SDRAM, NOR FLASH, NAND FLASH
HDD,CF,SD
VGA,DVI,HDMI, LCD IIS,AC'97
ETHERNET UART,I2S,SPI CAN
通讯
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
第7页/共13页
嵌入式系统硬件设计
第8页/共13页
嵌入式系统硬件设计
第9页/共13页
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Байду номын сангаас布线
第10页/共13页
嵌入式硬件调试
加载电源 CPU初始化
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
嵌入式系统PPTPPT课件
物联网与5G技术
嵌入式系统将与云计算和边缘计算技术结 合，实现数据处理和分析能力的提升。
物联网和5G通信技术的发展为嵌入式系统 提供了更广阔的应用空间，嵌入式系统将 更加网络化、智能化。
02 嵌入式系统硬件
微控制器
微控制器是嵌入式系统的核心，它是一 种集成电路芯片，包含了计算机的基本 组成要素，如中央处理器、存储器、输
嵌入式系统PPT课件
目录
CONTENTS
• 嵌入式系统概述 • 嵌入式系统硬件 • 嵌入式系统软件 • 嵌入式系统开发流程 • 嵌入式系统应用案例 • 嵌入式系统面临的挑战与解决方案
01 嵌入式系统概述
定义与特点
定义
嵌入式系统是一种专用的计算机系统 ，主要用于控制、监视或帮助操作机 器设备。
特点
嵌入式系统在智能家居控制系统中发 挥着核心作用，通过嵌入式处理器和 相关硬件设备，实现对家庭设备的控 制和管理。
智能家居控制系统可以实现的功能包 括：远程控制、定时控制、语音控制 等，为家庭生活带来便利和舒适。
工业自动化控制系统
工业自动化控制系统是嵌入式系统的另一个重要应用领域，通过嵌入式系统技术， 可以实现生产过程的自动化和智能化。
调研市场需求
了解行业发展趋势和市场需求，为系统设计提供参考 和依据。
制定开发计划
根据需求分析结果，制定详细的开发计划，包括时间 安排、人员分工、资源需求等。
系统设计
硬件设计
根据系统需求，设计合适的硬件架构，包括 处理器、存储器、接口电路等。
软件设计
设计嵌入式系统的软件架构，包括操作系统、 中间件和应用软件等。
01
02
03
系统集成
将硬件和软件集成在一起， 形成完整的嵌入式系统。
嵌入式资料PPT课件
C语言
适用于需要面向对象编程 的应用场景，如GUI开发、 游戏机等。
Python语言
适用于需要快速原型开发 或脚本编程的应用场景。
嵌入式软件设计模式
单片机程序架构
适用于资源受限的微控制器，如8051系列。
ARM Cortex-M系列MCU程序架构
适用于ARM Cortex-M系列MCU，如STM32。
软件设计
根据系统需求和总体设计，设计 软件模块和接口，确定软件架构。
系统实现与测试
编码实现
按照设计要求，编写代 码并实现系统功能。
单元测试
对每个模块进行测试， 确保模块功能正常。
集成测试
将所有模块集成在一起 进行测试，确保系统整
体功能正常。
系统测试
对整个系统进行测试， 确保系统满足需求规格
说明书的要求。
系统部署与维护
系统部署
将系统安装到实际运行环境中，并进 行配置和调试。
系统维护
对系统进行日常维护和升级，确保系 统稳定运行。
05
嵌入式系统应用案例
智能家居系统
智能家居系统
01
通过嵌入式系统技术，将家中的各种设备连接到互联网，实现
智能化控制和管理。
智能家居系统的功能
02
包括远程控制、语音控制、自动化控制等，提高家庭生活的便
传感器和执行器是嵌入式系统 的关键组成部分，用于实现系
统的感知和控制功能。
选择合适的传感器和执行器需 要考虑应用场景、性能要求和
成本等因素。
嵌入式硬件开发工具
嵌入式硬件开发工具包括原理图 设计软件、PCB设计软件、仿真
软件等。
这些工具可以帮助开发人员快速 设计、仿真和调试嵌入式硬件系