嵌入式微处理器系统及应用-Chapter7-嵌入式硬件系统开发流程

电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器系统及应用第七章嵌入式硬件系统开发流程电子科技大学嵌入式软件工程中心概述嵌入式系统产品都是软硬件的结合体，嵌入式系统开发的最大特点就是需要软硬件综合开发，并且嵌入式软件是针对相应的嵌入式硬件开发的，是专用的。因此嵌入式系统硬件的设计开发是嵌入式系统开发中的一个环节（或组成部分），需要在各个阶段与系统的总体设计相结合，综合考虑，并处理好与软件开发的关系。电子科技大学嵌入式软件工程中心概述嵌入式系统的总体开发流程概述电子科技大学嵌入式软件工程中心主要内容•嵌入式硬件系统开发流程•32位嵌入式系统的设计原则电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•硬件分配需求硬件分配需求通常是嵌入式系统的产品部门根据客户或者市场的需求，确定的有关产品硬件方面的功能和特性，其内容一般包括：1）外部接口的种类：比如USB接口、串口、网络接口等；2）接口特性：比如USB应符合USB1.1规范还是USB2.0规范，串口采用RS232还是RS422，网络接口是10Mbps还是100Mbps或者甚至是1000Mbps；3）外设的型号、规格：比如LCD显示屏的型号是什么，分辨率是多少，是彩色还是单色，以及支持的颜色数等；键盘是4×4的矩阵，还是8×8的矩阵；打印机的型号是什么？是喷墨式、针式还是热敏式，等等。电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•电路图规划根据硬件分配需求的要求，对器件资源进行规划，并编写“硬件规格书”。–确定微处理器的接口资源是否满足需要–确定微处理器对ROM、RAM容量和速度的支持是否满足需要–微处理器通用输入输出接口分配–中断分配–微处理器外围芯片规划电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•器件选型根据该系统对功能和性能的需求，寻找符合功能的器件。一般每个公司都会有自己的器件库，如果所用器件已经存在于数据库中，则可以直接选取。如果没有，则可以通过咨询代理商、经销商、互联网查询等方式来选择需要的器件。在这个过程中，首先要选择的是硬件系统的核心：嵌入式微处理器，之后再根据选定的处理器的情况来选择其他器件电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•原理图设计原理图的设计原则主要遵从先整体、后局部的原则，先确定需要分成哪些模块，然后再进行细化。这样不但能使系统结构清晰，独立的模块也可以为以后的设计所使用，从而提高工作效率电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•原理图设计—常用工具–PADSlogic–Dxdesigner–Orcadcapture–Protel99电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•原理图复查–设计正确性。检查各器件的连线是否正确，外围器件是否有遗漏，模块之间的连接关系是否正确，器件之间的网络名是否一致–设计完整性。检查需要的功能是否都已实现–设计的可靠性。检查选择器件的参数是否满足实际要求，如电容耐压值、电阻功率值、二三极管电流值、存储器工作速度等选择是否合理，避免出现过热、过压、超频等问题，导致系统失效–电磁兼容的考虑。检查是否有针对电磁兼容增加或预留部分器件，以帮助解决电磁兼容问题。比如电源部分是否采用磁珠进行滤波，芯片电源引脚是否放置去耦电容，微处理器地址线、控制线是否添加串联电阻等电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•PCB图设计PCB的设计需要遵从先复杂后简单的原则进行设计。先将设计中最复杂的部分或者难度最大的部分现行设计，这样可以保证布局、走线最合理，性能也能够达到最优化。例如一个设计中的CPU部分（包括CPU，外部存储器等）就应该优先进行设计。电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•PCB图设计—常用工具–PADSlayout–OrcadLayoutplus–Protel99电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•PCB图设计步骤–确定PCB机构尺寸–从原理图设计软件生成网络表并导入PCB设计软件–器件布局。采用先核心器件，后外围器件的原则进行–布线。对于核心器件和高速信号要优先进行布线–后处理。主要包括修改不合理的走线或者多余的走线；电源层平面分割；铺铜；排列文字；添加各种表示符号等电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•PCB图复查–布局。比如器件之间的间距是否过小或过大，器件距离板边是否过近，芯片和其他器件的布局是否利于焊接维护，接口器件的方向是否正确，相关器件是否放置较为靠近等–走线。走线是否有直角，走线上是否有多余的过孔或不必要的转角，走线是否根据电流的不同而更改粗细，走线分叉部分是否尽量短，多颗芯片共用走线是否尽量以菊花链的方式连接等电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•PCB制板PCB图经过检查无误后，生成gerber文件，然后将此文件发送给PCB厂商进行PCB制作。生成gerber文件的作用一是可以对原设计文件进行保密，二是在该文件中各项设计参数的标注是明确的，避免引起PCB厂商对设计的误解电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•器件采购、备料–在PCB的制作过程中，可同时根据原理图生成相应的BOM（BillOfMaterial）即原材料清单，然后根据BOM清单进行器件采购工作，之后再根据所需的数量进行器件的备料，等待PCB板制作完成后即可进行焊接工作–BOM清单中包含了器件的详细信息，包括器件名称、说明、以前采购的价格及供应商名称等。另外在焊接时可对照BOM清单进行器件焊接，清晰、直观、不易出错电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•BOM清单示例电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式硬件系统开发流程•PCB焊接及调试PCB制作完成后，硬件工程师需要对PCB板进行初步的检查，主要是检查电源是否存在短路问题，特别是对设计后第一次制作的PCB板更应注意。接下来首先焊接电源部分并检查电压是否正常，如没有问题则可以进行其他器件的焊接。焊接完成后需要再次进行检查，主要是看系统的各种电压是否与设计值一致，时钟是否正常，复位信号是否正常。编写简单的硬件驱动软件，也可以对硬件是否正常工作进行测试，此时需要对整个系统的信号完整性进行分析测量，确保各个器件的实际工作电压、电流值在设计规定的范围之内，器件的工作时序满足要求等电子科技大学嵌入式软件工程中心主要内容•嵌入式硬件系统开发流程•32位嵌入式系统的设计原则电子科技大学嵌入式软件工程中心32位嵌入式系统的设计原则•要有明确的需求，采用自上而下的方法进行设计•采用模块化设计方法，对功能模块进行划分•选择器件需要从性能、可靠性、成本等方面进行考虑•可靠性设计可根据需要，采用器件参数降额使用或者采用冗余设计等方法来提高和保证电子科技大学嵌入式软件工程中心小结嵌入式硬件系统的设计开发是一项系统性的工作，本章主要概括地介绍了嵌入式硬件系统的开发流程、需要掌握的主要原则以及一些需要特别注意的事项，这些问题在嵌入式硬件系统的设计过程中是非常重要的，往往会决定设计的最终成败。如果认为电路设计就只是绘制原理图，这种认知是很片面的。通过以上的介绍，读者应该会发现，当所有的细节都注意到了，绘制原理图只是其中的一个环节。当然在具体设计电路的时候，还有一些细节问题需要注意，在接下来的章节里面，将结合具体的实例来讲述电路设计的一些原理、方法和技巧。电子科技大学嵌入式软件工程中心谢谢！