嵌入式计算机系统的硬件系统

嵌入式系统设计的基础知识嵌入式系统是指嵌入到其他设备中，完成特定功能的计算机系统。

常见的嵌入式系统包括智能手机、数字电视机顶盒、汽车电子、工业自动化等领域。

因为嵌入式系统通常空间、能耗、成本要求都非常严苛，所以它们和通用计算机相比有很多不同之处。

本文将从嵌入式系统设计的角度，介绍嵌入式系统设计的基础知识。

一、嵌入式系统的硬件设计基础知识嵌入式系统的硬件设计是指对嵌入式系统的各个硬件组成部分进行设计、选型、集成、排布的过程。

嵌入式系统的硬件设计必须考虑以下几个方面。

1.芯片选型单片机（MCU）是嵌入式系统常用的芯片，由于嵌入式系统对芯片的集成度要求很高，常用的MCU都集成了很多模拟和数字外设如模数转换器（ADC）、通用异步收发器（UART）、同步串行收发器（SPI）、I2C接口等，可以很方便地与外部设备进行通讯。

当然，其他器件如FPGA、DSP等也可以作为嵌入式系统的芯片。

2.电源选择嵌入式系统的电源选择不仅要考虑芯片的输入电压特性，还要考虑嵌入式系统的整体功耗和稳定性，特别是对于多电压需求的系统更要注意电源的设计。

3.尺寸和布局嵌入式系统的尺寸和布局既要考虑外部尺寸限制，又要考虑内部线路的布局和信号的传输特性。

因为一旦系统原型被制作出来，改动就会变得十分困难，这就要求硬件设计人员对布局的精确把握和对参数的准确计算。

4.时钟电路嵌入式系统内的各个部件需要同步，通常需要一个精确的时钟电路驱动。

在时钟电路的设计中，要考虑功耗、抗干扰性等因素。

二、嵌入式系统的软件设计基础知识嵌入式系统的软件设计是指嵌入式系统的固件设计、操作系统选择和软件架构的设计等多个方面。

在开发嵌入式系统时，软件设计是非常重要的一个环节。

1.固件设计在开发嵌入式系统时，需要编写固件程序，这是嵌入式系统的基础软件。

固件程序通常被编写在C语言或某些汇编语言中。

编写固件程序时，需要考虑程序的规模、执行速度、可维护性、代码安全性等多重因素。

嵌入式工作原理
嵌入式系统是一种专门设计用于执行特定任务的计算机系统。

它通常被嵌入到其他设备或系统中，以控制和监测其操作。

嵌入式系统的工作原理主要包括以下几个方面：
1. 硬件设计：嵌入式系统的硬件设计是基于特定需求和功能进行的。

它通常包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出接口、传感器等组件。

硬件设计的目标是满足系统的性能、功耗和成本等要求。

2. 软件开发：嵌入式系统的软件开发包括编写应用程序和驱动程序。

应用程序是实现特定功能的代码，驱动程序用于控制硬件设备和与外部设备的通信。

软件开发的过程中需要考虑系统的实时性、稳定性和资源利用效率。

3. 实时操作系统（RTOS）：嵌入式系统通常需要实时响应外
部事件，并及时采取相应的措施。

为了满足这一要求，常使用实时操作系统来管理系统资源和任务调度。

实时操作系统在多任务环境下，通过任务优先级、中断处理和时间片轮转等方式，确保任务能够按时完成。

4. 通信与接口：嵌入式系统通常需要与外部设备或其他系统进行通信。

这可以通过串口、以太网、无线通信等方式实现。

接口的设计需要考虑通信协议、数据传输速率、数据完整性等因素。

5. 电源管理：嵌入式系统通常需要工作在低功耗状态下，以延长电池寿命或降低能耗。

因此，电源管理是嵌入式系统设计中的重要考虑因素。

电源管理技术包括动态电压调整、功耗优化和睡眠模式等方法。

总体而言，嵌入式系统的工作原理是硬件和软件之间密切配合，根据特定需求和功能设计，通过实时操作系统控制和调度任务，与外部设备或系统进行通信，并采用电源管理技术降低能耗。

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。

嵌入式系统标准
嵌入式系统标准是指导嵌入式系统开发和应用的一系列规范、标准和协议。

这些标准涵盖了硬件、软件、通信和接口等方面，旨在确保嵌入式系统的可靠性、安全性和互操作性。

以下是一些常见的嵌入式系统标准：
1. 硬件标准：包括处理器架构、内存和存储、电源管理、接口和连接等方面的规范。

例如，ARM架构是一种广泛应用于嵌入式系统的处理器架构，而PCI Express（PCIe）则是一种高速串行计算机扩展总线标准。

2. 软件标准：包括操作系统、编程语言、中间件和应用程序接口（API）等方面的规范。

例如，实时操作系统（RTOS）是一种专门为嵌入式系统设计的操作系统，而C语言和C++语言则是嵌入式系统开发中常用的编程语言。

3. 通信标准：包括有线和无线通信协议、网络协议和数据传输协议等方面的规范。

例如，TCP/IP协议是一种常用的网络通信协议，而蓝牙和Wi-Fi则是常见的无线通信协议。

4. 接口标准：包括物理接口、电气接口和数据接口等方面的规范。

例如，USB接口是一种通用的串行总线接口标准，而I2C和SPI则是常用的串行通信接口标准。

5. 安全标准：包括加密、身份验证和访问控制等方面的规范。

例如，SSL/TLS协议是一种常用的网络安全协议，而AES算法则是一种广泛应用的加密算法。

这些标准通常由国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）、IEEE（电气电子工程师协会）和其他行业组织制定和推广。

遵守这些标准可以帮助开发者提高嵌入式系统的质量和效率，降低成本和风险，并促进不同系统之间的互操作性和兼容性。

嵌入式系统的原理和应用嵌入式系统是一种计算机系统，它通常是用于控制、监视、数据采集等特定目的的。

与个人计算机和服务器等通用计算机系统不同，嵌入式系统的硬件和软件被特别设计和优化，以适应其特定用途的要求。

本文将介绍嵌入式系统的工作原理和应用领域。

一、嵌入式系统的工作原理嵌入式系统通常由处理器、存储器、输入输出接口电路、外设模块等组成。

其核心是处理器，嵌入式系统所用的处理器性能越来越强大，从较老的8位、16位微控制器到现在的ARM Cortex-A 系列、RISC-V等高性能嵌入式处理器。

嵌入式系统可分为硬件和软件两个方面。

嵌入式硬件和通用计算机硬件类似，都由处理器、存储器、I/O模块等部件组成。

相比通用计算机硬件，嵌入式系统硬件的主要特征是小巧、低功耗，通常单板上能整合处理器、存储器、外设模块以及工业标准I/O接口。

嵌入式软件通常是裁剪优化过的，因为嵌入式系统的存储器容量有限，CPU速度也低于PC等通用计算机，所以软件需要更少的计算成本。

通常情况下，嵌入式软件是为相应硬件设计的，并通过编程语言(如C/C++)来进行编写。

嵌入式系统的软件基本上由一个实时操作系统（RTOS）和应用程序组成，RTOS通常是实时性高、稳定性好的嵌入式系统操作系统，常见的RTOS产品有uC/OS、FreeRTOS等。

嵌入式系统使用可升级的固件，这种固件是在嵌入式系统启动时加载到处理器的固定内存区域。

由于它是硬件的一部分，因此它对CPU运行的速度、可靠性和稳定性都有重要影响。

固件可以像软件一样升级，因此在需要升级时，制造商可以通过远程升级(OTA)来即时更新固件软件。

二、嵌入式系统的应用领域近年来，嵌入式系统在各种领域广泛应用，包括飞行器、工业控制、医疗设备、智能家居、汽车电子、IoT等等。

下面简单介绍一些典型的应用领域。

1. 工业自动化嵌入式系统在工业控制、机器人、智能制造等领域得到广泛应用，可以实现工厂资产管理、自动化生产线、产品检测和数据采集等功能。

嵌入式系统体系结构嵌入式系统体系结构：嵌入式系统的组成包含了硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。

1、硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。

嵌入式核心模块=微处理器+电源电路+时钟电路+存储器Cache：位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。

它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。

2、中间层(也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP).它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。

BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。

设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：A、嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。

片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。

板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。

系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。

B、设计硬件相关的设备驱动。

3、系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。

RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。

4、应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。

嵌入式芯片体系结构介绍1.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。

它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。

但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。

和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。

目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

嵌入式系统中的硬件设计与嵌入式软件开发嵌入式系统是一种为特定应用领域设计的计算机系统，它通常用于工业控制、汽车电子、医疗电子、家电控制等领域。

嵌入式系统中的硬件设计和嵌入式软件开发是嵌入式系统开发的两个重要方面，本文将从这两个方面对嵌入式系统进行探讨。

一、嵌入式系统中的硬件设计嵌入式系统中的硬件设计是指对嵌入式系统中的电路图、原理图、PCB布局等进行设计和调试的过程。

嵌入式系统中的硬件设计需要涉及的内容包括：1. 电路设计：电路设计是嵌入式系统硬件设计的核心，它涉及到各种电子元器件的选择、电路图的设计、模拟仿真、PCB布局等。

电路设计的关键是要考虑嵌入式系统的实际工作环境、所需功能等因素，确保电路可靠性和稳定性。

2. PCB设计：PCB设计（Printed Circuit Board，印刷电路板设计）是指将电路设计的原理图转化为可生产的PCB板的布局设计。

PCB设计中需要进行线路布局、电源地贯通、干扰抑制等操作，以保证电路板的性能和可靠性。

3. 器件选型：嵌入式系统中需要选用许多电子元器件，包括微控制器、传感器、电源、连接器等。

在器件选型时需要考虑器件性能、价格、可获得性等因素，确保系统的性能和稳定性。

嵌入式系统中的硬件设计是一个比较复杂和重要的工作，需要设计人员具有扎实的电子技术知识和多年的实践经验。

二、嵌入式软件开发嵌入式软件开发是指在嵌入式系统中实现各种功能的软件开发过程。

嵌入式软件开发需要涉及的内容包括：1. 系统架构设计：系统架构是嵌入式软件开发的关键，它涉及到系统的软硬件接口、系统功能的划分、任务的分配等。

系统架构的设计需要结合系统的硬件设计情况和要实现的应用功能，同时需要综合考虑性能、可靠性、安全性等因素。

2. 软件编程：软件编程是嵌入式软件开发的核心，它涉及到基本的编程语言、实时操作系统（RTOS）的使用、调试和优化等。

在嵌入式软件开发中最常用的编程语言是C语言和汇编语言，在实时操作系统选择上需要使用嵌入式系统专用的RTOS，如uCOS、FreeRTOS等。

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。

嵌入式系统是一种专门设计用于执行特定功能和任务的计算机系统。

它通常被嵌入到其他设备或系统中，以控制、监测或操作设备的各个方面。

以下是对嵌入式系统常用定义的简述：
1.硬件定义：嵌入式系统是由硬件组成的计算机系统，包括处理器、存储器、输入/输出
接口和各种传感器等。

硬件通常是针对特定应用程序进行优化和定制。

2.实时性要求：嵌入式系统通常需要满足实时性要求，即在特定时间限制内完成任务响应。

它们必须能够及时地获取输入数据、处理并产生相应的输出结果。

3.特定应用领域：嵌入式系统被广泛应用于各个领域，如自动化控制、医疗设备、交通运
输、消费类电子产品等。

每个应用领域都有其特定的需求和挑战，因此嵌入式系统需要根据不同的应用场景进行定制。

4.能效和资源受限：嵌入式系统通常具有资源受限的特点，比如较小的存储空间、功耗限
制等。

设计和开发嵌入式系统需要在保证功能性的同时，考虑资源利用率和能效优化。

5.通信和互联：嵌入式系统通常需要与其他设备或系统进行通信和互联。

例如，它们可以
通过无线通信、以太网、总线协议等与外部设备交换数据。

总而言之，嵌入式系统是一种专门设计用于执行特定任务的计算机系统，具有实时性要求、应用领域特定、资源受限和通信互联等特点。

这些系统广泛应用于各个领域，为许多现代技术和设备的自动化和智能化提供关键支持。