第8章 嵌入式系统硬件设计基础与标准

第8章嵌入式系统硬件设计基础与标准第八章嵌入式系统硬件设计基础与标准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基础知识。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、硬件设计基础知识与注意事项等内容。通过实验，读者能够基本掌握看懂简单电路图与芯片数据手册能力，并理解从基本器件到系统核心设计的过程。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密切人员，需要加强则。基于OMAP的加密终端硬件设计实验给出了系统硬件上所需要考虑的问题样例。主要内容第一节嵌入式系统的硬件组成第二节硬件设计基础知识第三节硬件设计中应注意的一些问题一个完整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、基础的部分，对于不同的嵌入式系统，其硬件的实现基本不同。但是，一般的嵌入式系统硬件可分为如下几个部分：嵌入式微处理器、存储器、输入/输出设备、通信及扩展接口。一、嵌入式微处理器二、存储器三、输入/输入设备四、通信与扩展接口第一节嵌入式系统的硬件组成嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件，是决定嵌入式系统功能的主要因素，也决定了嵌入式系统的应用范围和开发复杂度。嵌入式微处理器与通用处理器的最大区别在于，嵌入式微处理器一般工作于特定的系统中，通常把通用处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于实现嵌入式系统设计小型化、高效率、高可靠性等特点。有时，为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器还会在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面加以增强。第一节嵌入式系统的硬件组成——一、嵌入式微处理器一般来说，嵌入式微处理器具有以下特点：•具有较强的实时多任务处理能力，能完成多任务并且中断响应时间较短，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。•具有强大的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已实现模块化，为了避免在软件模块之间出现错误操作和不必要的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。•可扩展的处理器结构。一般在处理器内部都留有很多扩展接口，以便对应用进行扩展。•提供丰富的调试功能。嵌入式系统的开发过程大部分使用交叉编译，丰富的调试接口可以使嵌入式系统的开发更加方便。•嵌入式微处理器必须功耗很低，对于那些靠电池供电的便携式系统更是如此，有的系统要求功耗达到mW甚至μW级。许多嵌入式微处理器提供几种工作模式，如正常工作模式、备用模式、省电模式等，从而为嵌第一节嵌入式系统的硬件组成——一、嵌入式微处理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失，不能持久保存；相比之下，非易失性存储器中的数据则不会在掉电后消失，可以持久保存。下面来详细介绍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（RandomAccessMemory，简称RAM）。按照存储机理的不同，RAM又可分为动态RAM（DynamicRAM，DRAM）和静态RAM（StaticRAM，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（LiquidCrystalDisplay，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/输入设备嵌入式系统与外设及其他计算机系统通信时，若要进行功能扩展，就离不开通信和扩展接口。接口是在主板和某一类外设之间的适配电路，可以解决主板和外设之间在工作速度、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形式和方法多种多样。嵌入式系统的通信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须考虑以下几个因素。首先是电位匹配，就是嵌入式系统微处理器所提供与接收信号的点位必须与相连接的外围装置相同，否则会发生一方点位较高，导致电路的毁损，或者是电位不同，无法准确判断所代表的正确信号。其次就是要防止连接时干扰的产生。当接口连接时，若是连接不完全，会出现信号传递受阻的问题。还要考虑驱动电位的问题，有的外设需要比较大的功率来驱动，若功率太低，则外设无法正常操作。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-1394接口及RJ-45接口等。第一节嵌入式系统的硬件组成——四、通信与扩展接口要进行嵌入式系统硬件设计，必须掌握一些硬件设计的基础知识。要理解计算机的体系结构，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，本节只简单地介绍一些基本的、通用的技术一、计算机体系结构二、电子技术三、抗干扰技术四、印制电路板第二节硬件设计基础知识1.冯·诺依曼体系结构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理单元（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行读或写，如右图所示。例如Intel8086、ARM7、MIPS等处理器都是采用冯·诺依曼体系结构。第二节硬件设计基础知识——一、计算机体系结构控制器指令寄存器数据通道中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4指令5数据数据0数据1数据2数据3地址指令地址数据2.哈佛体系结构随着计算机技术的不断发展，冯·诺依曼体系结构的一些缺点开始暴露出来。例如不能同时取指令和取操作数，从而形成传输过程的瓶颈。针对这一缺点，提出了哈佛体系结构与冯·诺依曼体系结构比较，哈佛体系结构有两个明显的特点：使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。使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。采用哈佛体系结构的处理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。第二节硬件设计基础知识——一、计算机体系结构控制器指令寄存器数据通道中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2数据3地址指令地址数据电子技术是研究电子器件、电子电路及其应用的科学技术。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基本单元，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、力等各种形式的信号。电子技术所处理的对象是载有信息的电信号。目前，对于电信号的处理技术已经比较成熟。但是，在通信、测量、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理问题，在实际中经常需要把待处理的非电信号转变成电信号，经过处理后再还原成非电信号。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。第二节硬件设计基础知识——二、电子技术1）模拟信号在时间上和幅值上均连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任意值。许多物理量，例如声音、压力、温度等，均可通过相应的传感器转换为时间连续、数值连续的电压或电流。2）数字信号与模拟信号相对应，时间和幅值均离散（不连续）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行表征，也可以采用数字信号进行表征。例如，传统的录音磁带是以模拟形式记录声音信息的，而CD光盘（compactlaserdisk）则是以数字形式记录声音信息的。第二节硬件设计基础知识——二、电子技术2.模拟电路与数字电路由于模拟信号和数字信号的特点不同，处理这两种信号的方法和电路也有所不同。一般地，电子电路可分为模拟电路和数字电路两大类。1）模拟电路处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。模拟电路研究的重点是信号在处理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）数字电路处理数字信号的电子电路称为数字电路。数字电路着重研究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、卡诺图和状态转换图等方法。第二节硬件设计基础知识——二、电子技术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定的。由于电子电路分为模拟电路和数字电路两部分，因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发展，数字电路的应用越来越广泛，在很多领域取代了模拟电路。其主要原因是：•数字电路更易采用各种算法进行编程，使其应用更加灵活。•数字电路可以提供更高的工作速度。•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。第二节硬件设计基础知识——二、电子技术1，电磁干扰的形成因素我们把设备或系统中有用信号以外的所有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，形成电磁干扰必须具备下列三个基本要素（称为干扰的三要素）：1）电磁干扰源。任何形式的人工电子、电气设备或自然现象所发射出的电磁能量，使处于相同环境的其他设备、人和其他生物受到危害，导致不期望的后果，这种发射电磁能的装置或自然现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，以及受到危害的人或其他生物。许多器件、设备或系统既是电磁干扰源又是敏感设备。第二节硬件设计基础知识——三、抗干扰技术2，电磁兼容性1）电磁兼容性定义电磁兼容性（ElectroMagneticCompatibility，EMC）的定义是：设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物构成不