第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)

第8章

嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)

級(jí)捂孜吩腮斧蘸闊少明車者厲氧繳賀虎辰于訃等嗓紋茂對(duì)皺置唱嘩績(jī)式賦第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第八章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于嵌入式Linux系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，跟硬件相關(guān)的程序設(shè)計(jì)離不開(kāi)硬件基礎(chǔ)知識(shí)。本章作為硬件方面的補(bǔ)充，主要講述了嵌入式系統(tǒng)的硬件組成、硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)與注意事項(xiàng)等內(nèi)容。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讀者能夠基本掌握看懂簡(jiǎn)單電路圖與芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)能力，并理解從基本器件到系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)的過(guò)程。對(duì)于嵌入式Linux純軟件開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，本章可以略讀；對(duì)于驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)和與硬件打交道密切人員，需要加強(qiáng)則?；贠MAP的加密終端硬件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)給出了系統(tǒng)硬件上所需要考慮的問(wèn)題樣例。主要內(nèi)容

第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成

第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

第三節(jié)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題

1塑仰帆梗砍限酋櫻玲剃亂灑政辦劃瑞甘疆曝枝鑒鵑巧吶芳牲鞘貪蚌植成投第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。硬件是嵌入式系統(tǒng)底層的、基礎(chǔ)的部分，對(duì)于不同的嵌入式系統(tǒng)，其硬件的實(shí)現(xiàn)基本不同。但是，一般的嵌入式系統(tǒng)硬件可分為如下幾個(gè)部分：嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備、通信及擴(kuò)展接口。一、嵌入式微處理器

二、存儲(chǔ)器三、輸入/輸入設(shè)備四、通信與擴(kuò)展接口

第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成

2區(qū)顱畦嗎踢掠佛叫密取冪鴻灘崔入拄番忿茁焉秧瑚裝裝峭燙繡網(wǎng)殊濫伸棍第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件，是決定嵌入式系統(tǒng)功能的主要因素，也決定了嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和開(kāi)發(fā)復(fù)雜度。嵌入式微處理器與通用處理器的最大區(qū)別在于，嵌入式微處理器一般工作于特定的系統(tǒng)中，通常把通用處理器中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)小型化、高效率、高可靠性等特點(diǎn)。有時(shí)，為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器還會(huì)在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面加以增強(qiáng)。3第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成——一、嵌入式微處理器

韻畢斷賴民彰毅勸褥謗玫訝積強(qiáng)枝扒札伺減蘊(yùn)允濘瘁拉澳擬挺廂壽覆鴛骨第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)一般來(lái)說(shuō)，嵌入式微處理器具有以下特點(diǎn)：具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理能力，能完成多任務(wù)并且中斷響應(yīng)時(shí)間較短，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低程度。具有強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已實(shí)現(xiàn)模塊化，為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤操作和不必要的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷?？蓴U(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)。一般在處理器內(nèi)部都留有很多擴(kuò)展接口，以便對(duì)應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展。提供豐富的調(diào)試功能。嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程大部分使用交叉編譯，豐富的調(diào)試接口可以使嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更加方便。嵌入式微處理器必須功耗很低，對(duì)于那些靠電池供電的便攜式系統(tǒng)更是如此，有的系統(tǒng)要求功耗達(dá)到mW甚至μW級(jí)。許多嵌入式微處理器提供幾種工作模式，如正常工作模式、備用模式、省電模式等，從而為嵌4第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成——一、嵌入式微處理器

蜒硫鋇唁釉哎隧鉀撲截爬蓑服豌隋起番墳乖搓烹脅辨梆慧傷瓦蟻炎勝鉚卑第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器是嵌入式系統(tǒng)的“記憶”部件，是嵌入式系統(tǒng)的另一個(gè)重要的組成部分。在嵌入式系統(tǒng)中，按照信息的易失性，把存儲(chǔ)器分為易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器。易失性存儲(chǔ)器是指存儲(chǔ)器中的信息掉電即消失，不能持久保存；相比之下，非易失性存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)則不會(huì)在掉電后消失，可以持久保存。下面來(lái)詳細(xì)介紹嵌入式系統(tǒng)中常用的易失性和非易失性存儲(chǔ)器。1.易失性存儲(chǔ)器在嵌入式系統(tǒng)中，最常用的易失性存儲(chǔ)器是隨機(jī)存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory，簡(jiǎn)稱RAM）。按照存儲(chǔ)機(jī)理的不同，RAM又可分為動(dòng)態(tài)RAM（DynamicRAM，DRAM）和靜態(tài)RAM（StaticRAM，SRAM）。2.非易失性存儲(chǔ)器在嵌入式系統(tǒng)中，常用的非易失性存儲(chǔ)器有只讀存儲(chǔ)器（ROM）、Flash和微硬盤(pán)（MicroDrive）。第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成——二、存儲(chǔ)器

5裝言懾盡居辮畔煙罪捆唱從橫娃纓磺誣夫猶鋼痕創(chuàng)全致未操聽(tīng)蟬簿基走禱第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)1.輸入設(shè)備計(jì)算機(jī)要按人的要求進(jìn)行工作，就必須能夠接受人的命令，將完成各種工作所需要的原始數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)。承擔(dān)這些任務(wù)的就是計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備。輸入設(shè)備的功能是輸入程序、數(shù)據(jù)、指令及各種字符信息。操作者通過(guò)輸入設(shè)備可對(duì)系統(tǒng)發(fā)出指令，與系統(tǒng)“對(duì)話”，是人與系統(tǒng)之間進(jìn)行信息交換的主要裝置之一。嵌入式系統(tǒng)同樣也離不開(kāi)輸入設(shè)備。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入設(shè)備種類不是很多，比較常用的有鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、觸摸屏和掃描儀等。相比之下，嵌入式系統(tǒng)的輸入設(shè)備就是五花八門了，比較常見(jiàn)的有按鍵、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、手柄、觸摸屏、聲控/光控開(kāi)關(guān)等。按照輸入設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)理的不同，嵌入式系統(tǒng)的輸入設(shè)備可分為機(jī)械式、觸控式、聲光式三類。第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成——三、輸入/輸入設(shè)備

6館磅畸埔蜀賢遵轅膛輿扳碎萍現(xiàn)逗侵妙貯揣搽梢振墳園凱肛刑涸斬艦丁酒第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)2.輸出設(shè)備輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)向用戶傳送計(jì)算、處理信息結(jié)果的部件。輸出設(shè)備的功能是輸出處理結(jié)果，把系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行加工、處理的結(jié)果顯示或打印出來(lái)。通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常見(jiàn)的輸出設(shè)備有顯示器、打印機(jī)、繪圖儀等，在嵌入式系統(tǒng)中除了以上幾種之外，還有LED指示燈以及揚(yáng)聲器等音頻設(shè)備。顯示器是最常用的輸出設(shè)備，可分為球面顯示器和平板顯示器兩類。球面顯示器中最常見(jiàn)的就是傳統(tǒng)的CRT顯示器。由于球面顯示器的體積都比較大，因此不適合用于嵌入式系統(tǒng)的顯示。在嵌入式系統(tǒng)中通常使用平板顯示器來(lái)輸出、顯示數(shù)據(jù)。在平板顯示技術(shù)中最重要的就是液晶顯示技術(shù)?，F(xiàn)在，液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）已廣泛用于嵌入式系統(tǒng)。第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成——三、輸入/輸入設(shè)備

7捍裝怔廁將畢勿泣寇筏猖危魄彬亭溶芬驅(qū)儒故持貫靈溪事捎芯膠聾紉詹越第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)嵌入式系統(tǒng)與外設(shè)及其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通信時(shí)，若要進(jìn)行功能擴(kuò)展，就離不開(kāi)通信和擴(kuò)展接口。接口是在主板和某一類外設(shè)之間的適配電路，可以解決主板和外設(shè)之間在工作速度、數(shù)據(jù)格式和電壓等級(jí)上的相互匹配問(wèn)題。接口在嵌入式系統(tǒng)中扮演著溝通外部世界的“橋梁”作用。嵌入式系統(tǒng)中接口的形式和方法多種多樣。嵌入式系統(tǒng)的通信接口可分為有線接口和無(wú)線接口兩種。有線接口在設(shè)計(jì)上必須考慮以下幾個(gè)因素。首先是電位匹配，就是嵌入式系統(tǒng)微處理器所提供與接收信號(hào)的點(diǎn)位必須與相連接的外圍裝置相同，否則會(huì)發(fā)生一方點(diǎn)位較高，導(dǎo)致電路的毀損，或者是電位不同，無(wú)法準(zhǔn)確判斷所代表的正確信號(hào)。其次就是要防止連接時(shí)干擾的產(chǎn)生。當(dāng)接口連接時(shí)，若是連接不完全，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)傳遞受阻的問(wèn)題。還要考慮驅(qū)動(dòng)電位的問(wèn)題，有的外設(shè)需要比較大的功率來(lái)驅(qū)動(dòng)，若功率太低，則外設(shè)無(wú)法正常操作。在嵌入式系統(tǒng)中比較常用的有線接口有RS-232接口、USB接口、IEEE-1394接口及RJ-45接口等。第一節(jié)嵌入式系統(tǒng)的硬件組成——四、通信與擴(kuò)展接口

8悶級(jí)賀據(jù)梨治唯請(qǐng)慎改括序肪跑淬孽生罰掄學(xué)坐膽抉穆卷印鐘憂撬鏟卞賠第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)要進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，必須掌握一些硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)。要理解計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)還要掌握電子學(xué)方面的知識(shí)，例如電子技術(shù)、抗干擾技術(shù)以及印制電路板技術(shù)等等。當(dāng)然，針對(duì)不同的嵌入式系統(tǒng)硬件，還會(huì)涉及很多更專業(yè)的技術(shù)，本節(jié)只簡(jiǎn)單地介紹一些基本的、通用的技術(shù)一、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

二、電子技術(shù)

三、抗干擾技術(shù)

四、印制電路板

第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

9功鴦?dòng)诐静烧迥裤姾叫旋S搽痢嚙憊率醫(yī)頒碼妙疹鄧買斟叼碌愉靛桐道瓢第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)1.馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)1945年，馮·諾依曼首先提出了“存儲(chǔ)程序”的概念和二進(jìn)制原理。后來(lái)，人們把利用這種概念和原理設(shè)計(jì)的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)稱為馮·諾依曼機(jī)。馮·諾依曼機(jī)最大的特點(diǎn)是將指令和數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)器中，其計(jì)算系統(tǒng)由一個(gè)中央處理單元（CPU）和一個(gè)存儲(chǔ)器組成。存儲(chǔ)器存有指令和數(shù)據(jù)，并且可以根據(jù)所給的地址對(duì)這些指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行讀或?qū)懀缬覉D所示。例如Intel8086、ARM7、MIPS等處理器都是采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)——一、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

10船淄掖花濤腰篇仲頰查尾戲怒督幟僧洪蹋命版力袋虧擔(dān)葦嗚弘盔芥皺炳戳第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)2.哈佛體系結(jié)構(gòu)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的一些缺點(diǎn)開(kāi)始暴露出來(lái)。例如不能同時(shí)取指令和取操作數(shù)，從而形成傳輸過(guò)程的瓶頸。針對(duì)這一缺點(diǎn)，提出了哈佛體系結(jié)構(gòu)與馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)比較，哈佛體系結(jié)構(gòu)有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存。使用獨(dú)立的兩條總線，分別作為CPU與每個(gè)存儲(chǔ)器之間的專用通信路徑，而這兩條總線之間毫無(wú)關(guān)聯(lián)。采用哈佛體系結(jié)構(gòu)的處理器有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ARM9和ARM10系列等。第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)——一、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

11厭天巋德瓶姐差衍篆棚去姨筷隨昂淌株點(diǎn)噶身叭柄籮倚涌汪潞碗懈鄰號(hào)郊第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)電子技術(shù)是研究電子器件、電子電路及其應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)。其中，電子器件用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生、放大、調(diào)制及探測(cè)等功能，常見(jiàn)的電子器件有電子管、晶體管和集成電路等；電子電路是組成電子設(shè)備的基本單元，由電阻、電容、電感等電子元件和電子器件構(gòu)成，具有某種特定功能。奠定電子技術(shù)的兩大基石是模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。1.模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)信號(hào)是信息的載體。在人們周圍的環(huán)境中，存在著電、聲、光、磁、力等各種形式的信號(hào)。電子技術(shù)所處理的對(duì)象是載有信息的電信號(hào)。目前，對(duì)于電信號(hào)的處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但是，在通信、測(cè)量、自動(dòng)控制以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域也會(huì)遇到非電信號(hào)的處理問(wèn)題，在實(shí)際中經(jīng)常需要把待處理的非電信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后再還原成非電信號(hào)。在電子技術(shù)中遇到的電信號(hào)按其不同特點(diǎn)可分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)——二、電子技術(shù)

12弱突水賃膩脅蚌搬圓硯彭鄒崩愈裕欺蟲(chóng)街肇需螢垮琳霄烘甩戚戊馭沽和臀第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)1）模擬信號(hào)在時(shí)間上和幅值上均連續(xù)的信號(hào)叫做模擬信號(hào)。此類信號(hào)的特點(diǎn)是在一定動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)幅值可取任意值。許多物理量，例如聲音、壓力、溫度等，均可通過(guò)相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換為時(shí)間連續(xù)、數(shù)值連續(xù)的電壓或電流。2）數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)相對(duì)應(yīng)，時(shí)間和幅值均離散（不連續(xù)）的信號(hào)叫做數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)是幅值只可以取有限個(gè)值。對(duì)于同一個(gè)物理量，既可以采用模擬信號(hào)進(jìn)行表征，也可以采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行表征。例如，傳統(tǒng)的錄音磁帶是以模擬形式記錄聲音信息的，而CD光盤(pán)（compactlaserdisk）則是以數(shù)字形式記錄聲音信息的。第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)——二、電子技術(shù)

13洞澈鞘涂鯨鮮糧雇訖吮叫彩籽嬸教娜覺(jué)品卵巾懊送丫具虛蝦現(xiàn)顛締護(hù)橡遵第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)2.模擬電路與數(shù)字電路由于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)不同，處理這兩種信號(hào)的方法和電路也有所不同。一般地，電子電路可分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類。1）模擬電路處理模擬信號(hào)的電子電路稱為模擬電路。模擬電路研究的重點(diǎn)是信號(hào)在處理過(guò)程中的波形變化以及器件和電路對(duì)信號(hào)波形的影響，主要采用電路分析的方法。2）數(shù)字電路處理數(shù)字信號(hào)的電子電路稱為數(shù)字電路。數(shù)字電路著重研究各種電路的輸入和輸出之間的邏輯關(guān)系，分析時(shí)常利用邏輯代數(shù)、真值表、卡諾圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖等方法。第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)——二、電子技術(shù)

14頗秤恕哎鼠餌胸青俘持史申熙挫辜悲儈蘊(yùn)割朱午弱勘矣糙異穩(wěn)估途想喲新第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)模擬電路和數(shù)字電路的分析方法有很大的差別，這是由模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的不同特點(diǎn)決定的。由于電子電路分為模擬電路和數(shù)字電路兩部分，因此電子技術(shù)也被人們分為模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。但是這兩種技術(shù)并不是孤立的，在許多情況下往往會(huì)兩種技術(shù)并用。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字電路的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在很多領(lǐng)域取代了模擬電路。其主要原因是：數(shù)字電路更易采用各種算法進(jìn)行編程，使其應(yīng)用更加靈活。數(shù)字電路可以提供更高的工作速度。采用數(shù)字電路，數(shù)字信息的范圍可以更寬，表示精度可以更高。數(shù)字電路可以采用嵌入式糾錯(cuò)系統(tǒng)。數(shù)字電路比模擬電路更易做到微型化，等等。第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)——二、電子技術(shù)

15堯牽誰(shuí)侶盎緒孺孔敝污煉窺浦迢輩釉展迸秋吟斷賢染獺源屠魯折溶蘆澇斤第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)1，電磁干擾的形成因素我們把設(shè)備或系統(tǒng)中有用信號(hào)以外的所有電磁信號(hào)稱為電磁噪聲（簡(jiǎn)稱噪聲）。電磁噪聲會(huì)引發(fā)不期望得到的結(jié)果，稱為電磁干擾（簡(jiǎn)稱干擾）。電磁干擾由電磁干擾源發(fā)射，經(jīng)過(guò)耦合途徑傳輸?shù)奖桓蓴_設(shè)備（敏感設(shè)備）。因此，形成電磁干擾必須具備下列三個(gè)基本要素（稱為干擾的三要素）：1）電磁干擾源。任何形式的人工電子、電氣設(shè)備或自然現(xiàn)象所發(fā)射出的電磁能量，使處于相同環(huán)境的其他設(shè)備、人和其他生物受到危害，導(dǎo)致不期望的后果，這種發(fā)射電磁能的裝置或自然現(xiàn)象即稱為電磁干擾源。2）傳輸通道。傳輸通道又稱耦合途徑或耦合通道，是指把電磁能量從干擾源傳輸（或耦合）到敏感設(shè)備上，即傳送電磁干擾的通路或媒介。3）敏感設(shè)備。敏感設(shè)備又稱為被干擾設(shè)備，指當(dāng)在電磁干擾源發(fā)射的電磁能量發(fā)生電磁危害時(shí)，導(dǎo)致性能降低的器件、設(shè)備或系統(tǒng)，以及受到危害的人或其他生物。許多器件、設(shè)備或系統(tǒng)既是電磁干擾源又是敏感設(shè)備。第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)——三、抗干擾技術(shù)

16抗桌塔狀填饅流椒毅鉆林蟲(chóng)餃晰炬內(nèi)耳沉矯鑒敢溶威楓壞恒菩寬斗昂工妖第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)2，電磁兼容性1）電磁兼容性定義電磁兼容性（ElectroMagneticCompatibility，EMC）的定義是：設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。2）電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁兼容性設(shè)計(jì)主要包括兩方面內(nèi)容：對(duì)周圍電磁干擾物理特性進(jìn)行估算與測(cè)定。對(duì)設(shè)備承受電磁干擾能力，即抗干擾裕度進(jìn)行分析或試驗(yàn)測(cè)定。前者要求對(duì)電子、電氣設(shè)備所處電磁環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，需要研究電磁干擾源的特性及干擾傳播途徑，估算和測(cè)定出在現(xiàn)有環(huán)境條件下可能出現(xiàn)的最大干擾強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，采取必要的措施抑制干擾源或者阻斷干擾的傳播途徑，使干擾強(qiáng)度不致于影響整個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備的正常工作。后者要求對(duì)可能受干擾影響的設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾能力做出評(píng)價(jià)，利用分析計(jì)算方法或者試驗(yàn)測(cè)量求得設(shè)備承受電磁干擾的極限值和噪聲敏感度，提高信噪比等。第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)——三、抗干擾技術(shù)

17撿蝸小暈喀撒痔傲功十螞編坪琺餞吮塑簡(jiǎn)光踴緘夾游毅膏卑褲男些照秧德第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)3，電磁干擾控制的一般方法1）精心選擇元器件：元器件是構(gòu)成部件或系統(tǒng)的基礎(chǔ)。要選擇集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗小的電子器件。2）元部件要精密調(diào)整：元器件的精度是系統(tǒng)完成既定功能的重要保證。因此，在使用前或經(jīng)過(guò)一段運(yùn)行時(shí)間之后，都應(yīng)對(duì)元器件及部件進(jìn)行精確調(diào)整，如A/D芯片的調(diào)零及滿量程調(diào)整等。3）采用硬件抗干擾技術(shù)：硬件抗干擾技術(shù)是設(shè)計(jì)系統(tǒng)是首選的抗干擾措施，它能有效印制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。只要合理地布置與選擇有關(guān)參數(shù)，硬件抗干擾措施就能抑制系統(tǒng)的絕大部分干擾4）采用軟件抗干擾技術(shù)：盡管采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，且具有很大的隨機(jī)性，難以保證系統(tǒng)完全不受干擾。因此，往往在硬件抗干擾措施的基礎(chǔ)上，采取軟件抗干擾技術(shù)措施加以補(bǔ)充。軟件抗干擾方法具有簡(jiǎn)單、靈活方便、耗費(fèi)硬件資源少的特點(diǎn)，在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。常用的軟件抗干擾技術(shù)有：數(shù)字濾波、信息傳送過(guò)程的自動(dòng)檢驗(yàn)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視與發(fā)生故障時(shí)的自動(dòng)恢復(fù)等。第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)——三、抗干擾技術(shù)

18舊箍誕從紡厭腦熄勞疫紫懸錯(cuò)箔慰孿生堤乖屁菩座翌昂撿德脹撅裙防滁像第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)在絕緣基材的敷銅板上，按預(yù)定設(shè)計(jì)用印制的方法制成印制線路、印制元件或兩者組合而成的電路稱為印制電路板（PrintedCircuitBoard，PCB）。不斷發(fā)展的PCB技術(shù)使電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配走向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?、機(jī)械化和自動(dòng)化，并使電子產(chǎn)品體積減小、成本降低，可靠性、穩(wěn)定性提高，裝配，維修變得簡(jiǎn)單等。PCB是電子設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是電子工業(yè)重要的電子部件之一。它的功能如下：提供集成電路等各種元器件固定、裝配的機(jī)械支撐。實(shí)現(xiàn)集成電路等各種元器件之間的布線和電氣連接或電絕緣，提供所要求的電氣特性、特性阻抗、電磁屏蔽及電磁兼容性等。為自動(dòng)錫焊提供阻焊圖形，為元器件插裝、檢查、維修提供識(shí)別字符和圖形。第二節(jié)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)——四、印制電路板

19粵痹讕瘍?cè)肼斉齑絿u婿藩瘧墻瑤降自態(tài)騁嗡搖凹憐掘豁吊漚厄隧象知嘛擬第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)一、IC元件的選擇

二、元件封裝設(shè)計(jì)

三、PCB設(shè)計(jì)精度四、分離元件的正確使用五、高速PCB設(shè)計(jì)方法六、PCB設(shè)計(jì)的一般原則

第三節(jié)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題

20幸穩(wěn)妥怕灶郁勢(shì)袖埃閹酸琉梁王描挪湘金丑持頸坷詛燈哺呈抓艾廚痔臆野第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)在選擇IC元件的時(shí)候，要注意對(duì)于無(wú)鉛及有鉛元件的選擇。全球都已經(jīng)開(kāi)始提倡電子產(chǎn)品的無(wú)鉛化，而我國(guó)也正處于有鉛工藝向無(wú)鉛工藝轉(zhuǎn)換的過(guò)渡時(shí)期。因此，大部分元器件廠商提供的元器件也就出現(xiàn)了無(wú)鉛與有鉛兩種規(guī)格，有的廠商甚至已經(jīng)停止有鉛元件的生產(chǎn)。所以當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)人員需要確認(rèn)選擇的元器件是采用無(wú)鉛工藝的還是有鉛工藝的。如果在整個(gè)電路板上同時(shí)使用有鉛元件與無(wú)鉛元件，不僅會(huì)給SMT生產(chǎn)工藝帶來(lái)一定的困難，還可能帶來(lái)整板一致性的缺陷。無(wú)鉛元件的回流焊峰值溫度在255℃左右，而有鉛元件的回流焊峰值溫度最高不超過(guò)235℃，而且兩種工藝的溫區(qū)數(shù)量也可能不同。因此，如果混用兩種材料，有可能導(dǎo)致有鉛元件被高溫?fù)p壞或無(wú)鉛元件（特別是BGA封裝的元件）所附錫球未達(dá)到熔點(diǎn)，從而出現(xiàn)虛焊或抗疲勞度下降等問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)工藝問(wèn)題，在PCB板加工時(shí)也要做相應(yīng)選擇，一個(gè)方面配合無(wú)鉛工藝，讓無(wú)鉛錫膏的焊接性得到加強(qiáng)，另一方面應(yīng)用于有鉛制成的PCB板也無(wú)法承受過(guò)高的溫度，易造成板翹等不良現(xiàn)象。第三節(jié)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題——一、IC元件的選擇

21匯帶闡拳蘸承華肄蠢遜濕峰投桶攢替級(jí)被說(shuō)將塞膩中玄部揭雄貌哪奉柑菇第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)除了上面提到的進(jìn)行元器件的有鉛與無(wú)鉛的選擇外，在實(shí)際的硬件PCB設(shè)計(jì)中還需要關(guān)注IC元件的PCB封裝。1.有關(guān)PIN引腳焊盤(pán)通常，在設(shè)計(jì)PCB上的元件封裝的時(shí)候，封裝上的PIN引腳的焊盤(pán)最好比元件的實(shí)際焊盤(pán)大一些，這樣有利于焊接與調(diào)試。尤其是QFN或QPF的元件，因?yàn)槠湟_基本上扣在芯片的底部，如果焊盤(pán)和芯片的實(shí)際焊盤(pán)大小一樣的話，一旦發(fā)生虛焊，就很難進(jìn)行補(bǔ)救了，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候從外面很難進(jìn)行焊接。2.有關(guān)器件散熱一些發(fā)熱量大的芯片的封裝也需要加以關(guān)注。

TPS65010的封裝，其底部有一個(gè)面積較大的焊盤(pán)，其實(shí)是用來(lái)給芯片散熱用的，而且這個(gè)焊盤(pán)通常都是接到芯片的地信號(hào)。對(duì)于這樣的芯片，在實(shí)際設(shè)計(jì)器封裝的時(shí)候，底部的這個(gè)焊盤(pán)一定要設(shè)計(jì)進(jìn)去，在芯片良好散熱的同時(shí)還要保證良好接地。第三節(jié)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題——二、元件封裝設(shè)計(jì)

22屏閥滄囑奏肉翹味犁醋徊蔗婉謂把影痛盾艱瘴舊農(nóng)辦圈牲撈據(jù)澳姥醬修油第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)所謂的PCB設(shè)計(jì)精度也就是設(shè)計(jì)PCB時(shí)的最小線寬、最小線間距及最小過(guò)孔尺寸等。在進(jìn)行布局設(shè)計(jì)時(shí)首先需要考慮PCB廠家可以進(jìn)行生產(chǎn)的一些技術(shù)指標(biāo)，比如國(guó)內(nèi)現(xiàn)在一般整板的最小線徑和線間距是4mil，過(guò)孔的內(nèi)徑是6mil，外徑是8mil，而如果要設(shè)計(jì)盲孔和埋孔的話，也需要和廠家確認(rèn)可以加工的技術(shù)指標(biāo)。其次還要考慮SMT機(jī)器貼片的精度，最好不要讓元器件之間間距過(guò)小。如果元器件間距小于SMT機(jī)器的最小精度，將會(huì)導(dǎo)致元器件在貼片時(shí)碰飛。另外，需要考慮器件和板子邊緣的距離，不要和板子邊緣靠得太近，如果雙面貼元器件的話，還要考慮元器件的高度，以免引起安裝問(wèn)題。第三節(jié)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題——三、PCB設(shè)計(jì)精度

23興峙棘暫洶貴署樹(shù)恒衰成些戈閨梨殊紐赫訓(xùn)渦標(biāo)涉拉陶訝肢嘴九沈芬迎龔第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)電路時(shí)不可避免地要使用到一些分離元件，那么就必須考慮分離元件的誤差精度，不要誤差過(guò)大。比如，有些地方選擇上拉電阻，這時(shí)可以綜合考慮下面一些因素：當(dāng)TTL電路驅(qū)動(dòng)COMS電路時(shí)，如果TTL電路輸出的高電平低于CMOS電路的最低高電平（一般為3.5V），就需要在TTL的輸出端接上拉電阻，以提高輸出高電平的值。OC門電路必須加上拉電阻才能使用。為加大輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，有的I/O管腳上也常使用上拉電阻。在COMS芯片上，為了防止靜電造成的損壞，不用的管腳不能懸空，一般接上拉電阻來(lái)降低輸入阻抗。芯片的管腳加上拉電阻可以提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限，增強(qiáng)抗干擾能力。提高總線的抗電磁干擾能力，管腳懸空會(huì)比較容易接收外界的電磁干擾。長(zhǎng)線傳輸中電阻不匹配容易引起反射波干擾，加下拉電阻達(dá)到電阻匹配，可有效地抑制反射波干擾。第三節(jié)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題——四、分離元件的正確使用

24找截謙長(zhǎng)氈捉夕獅策筑險(xiǎn)提蓑札倍撒胖恤檄皺謹(jǐn)鵝薛茸藩露范荒修鑿琺奏第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)高速PCB設(shè)計(jì)，不僅意味著在生產(chǎn)工藝允許的情況下，用盡量短的敷銅線把器件互連就算完成，而是要從選擇高速器件開(kāi)始，對(duì)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)、走線方式、長(zhǎng)度進(jìn)行控制，以及對(duì)PCB設(shè)計(jì)前的預(yù)設(shè)置，在PCB設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行仿真與分析，最后達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。一個(gè)PCB上的信號(hào)是否作為高速信號(hào)來(lái)處理，取決于上升時(shí)間、導(dǎo)線長(zhǎng)度和傳輸速率三個(gè)因素，所以高速PCB的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是如何控制信號(hào)傳輸時(shí)間和信號(hào)的完整性。信號(hào)完整性可以從反射、地彈、串?dāng)_三個(gè)方面來(lái)分析。1，反射源端與負(fù)載端阻抗不匹配會(huì)引起線上反射（reflection），負(fù)載將一部分電壓發(fā)射回源端。如果負(fù)載阻抗小于源阻抗，反射電壓為負(fù)；反之，如果負(fù)載阻抗大于源阻抗，反射電壓為正。在高速系統(tǒng)中，反射會(huì)導(dǎo)致振鈴，很可能引起無(wú)效觸發(fā)或延遲觸發(fā)，使邏輯狀態(tài)不定。反射可以通過(guò)使印制導(dǎo)線的長(zhǎng)度短于1/2上升時(shí)間的傳輸長(zhǎng)度，或者在印制導(dǎo)線的終端使輸入電導(dǎo)與特性電導(dǎo)相匹配來(lái)加以控制。還可以通過(guò)在印制導(dǎo)線終端接入匹配電阻的方法來(lái)控制信號(hào)反射。匹配電阻是常用的控制反射的方法，匹配電阻有并聯(lián)和串聯(lián)兩種方式。第三節(jié)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題——五、高速PCB設(shè)計(jì)方法

25譬蔚宏圾碩黍虧衍豪囂文途喝抄父鷗運(yùn)硅荒既杏批迫罪瀉硫雞詹舅震稅淌第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)2，串?dāng)_串?dāng)_（crosstalk）就是指相鄰或相近的導(dǎo)體間不應(yīng)有的能量耦合。在PCB設(shè)計(jì)中，典型的串?dāng)_發(fā)生在同一層印制導(dǎo)線間，但也可能發(fā)生在相鄰層的導(dǎo)線間。一般在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，相鄰的兩層的走線應(yīng)該是垂直的。串?dāng)_引起在第一個(gè)導(dǎo)體上的能量損失和在第二個(gè)導(dǎo)體上的信號(hào)干擾，串?dāng)_的大小取決于源信號(hào)的頻率或上升時(shí)間、導(dǎo)線的幾何形狀、與鄰近導(dǎo)線的距離，以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。PCB中一般有兩類串?dāng)_：電容性串?dāng)_和電感性串?dāng)_。電容性串?dāng)_是源于信號(hào)電壓與耦合電流在兩個(gè)方向上。電感性串?dāng)_是源于信號(hào)電源與耦合電壓在同一個(gè)方向上。電容性串?dāng)_可以用分離電路的方法減小，信號(hào)線距離越遠(yuǎn)，電容越小，干擾越小。由于印制板空間的因素限制了兩條信號(hào)線之間的距離不可能太遠(yuǎn)，另一個(gè)解決方案是在兩條相鄰的信號(hào)線之間加入一條地線。這個(gè)地線最好是實(shí)地。3，地彈（groundbounce）在電路中有大的電流涌動(dòng)時(shí)會(huì)引起地彈，如大量芯片的輸出同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，將有一個(gè)較大的瞬時(shí)電流在芯片和板子的電源平面流過(guò)。芯片封裝與電源平面的電感和電阻會(huì)引起電源噪聲，這樣會(huì)在真正的地平面（0V）上產(chǎn)生電壓波動(dòng)和變化，形成地彈。這個(gè)噪聲會(huì)影響其他元器件的動(dòng)作，負(fù)載電容的增大、負(fù)載電阻的減小、地電感的增大、同時(shí)開(kāi)關(guān)器件數(shù)目的增加均會(huì)導(dǎo)致地彈增大。第三節(jié)硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題——五、高速PCB設(shè)計(jì)方法

26糖怔帥緊懊刀殃宛鏈賤修鎮(zhèn)盲李廖洼穴拱茫風(fēng)哉寅鑿街酞牢詣喪貓羅恃亂第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)第8章嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)1，布局首先要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，過(guò)小則散熱性不好。在確定PCB尺寸后，要確定特殊元件的位置布局。最后根據(jù)電路的功能單元，對(duì)電路全部元器件進(jìn)行布局。在布局的時(shí)候一般都要注意下面幾個(gè)問(wèn)題：盡量縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互靠得太近，輸入和輸出的元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離。帶高電壓的元器件應(yīng)盡量布置在調(diào)試時(shí)手不易觸及的地方。又大又重、發(fā)熱量大的元器件不適宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱上，并且注意散熱。熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。應(yīng)留出印制板定位孔及固定支架所占用的