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嵌入式系�(tǒng)
閱讀�19417時間�2010-12-07 09:53:03

  嵌入式系�(tǒng)源于微型計算�(jī),是嵌入到對象體系中,實(shí)�(xiàn)嵌入對象智能化的計算�(jī)。由于微型計算機(jī)無法滿足絕大多數(shù)對象體系嵌入式要求的體積,價位與可靠�,所以嵌入式系統(tǒng)迅速走上了�(dú)立發(fā)展的道路。首先是將計算機(jī)芯片�,集成為單片微型計算�(jī),其后為滿足對象體系的控制要�,單片機(jī)不斷從單片微型計算機(jī)向微控制與片上系�(tǒng)�(fā)展�

特點(diǎn)

  "嵌入�"由早期的微型�(jī)時代的嵌入式計算�(jī)�(yīng)用而來,專指計算嵌入到對象體系中,�(shí)�(xiàn)對象體系的智能控�。當(dāng)嵌入式系�(tǒng)變成一個獨(dú)立的�(yīng)用產(chǎn)品時,可將嵌入性理解為�(nèi)部嵌有微處理器或計算�(jī)�

  �(nèi)含計算機(jī)是對象系�(tǒng)智能化控制的根本保證,隨著單片機(jī)向MCU、SOC�(fā)�,片�(nèi)計算�(jī)外圍電路、接口電�、控制單元日益增�,專用計算機(jī)系統(tǒng)演變成為�(nèi)含微處理器的�(xiàn)代電子系�(tǒng)。與傳統(tǒng)的電子系�(tǒng)相比�,現(xiàn)代電子系�(tǒng)由于�(nèi)含微處理�,能�(shí)�(xiàn)對象系統(tǒng)的計算機(jī)智能化控制能��

  "專用�",是指在滿足對象控制要求及環(huán)境要求下的軟硬件裁剪�,嵌入式系統(tǒng)的軟、硬件配置必須依�(jù)嵌入對象的要求,�(shè)計成專用的嵌入式�(yīng)用系�(tǒng)�

ARM處理器與

  由于各種新型微處理器的出�(xiàn)和應(yīng)用的不斷深化,嵌入式系統(tǒng)在后PC時代得到了空前的�(fā)展。隨著時間的推移和技�(shù)的�(jìn)�,在工業(yè)控制和新興的手持式應(yīng)用等�(lǐng)域,用戶體驗(yàn)成為�(chǎn)品成功的�(guān)鍵因素之一,越來越多的�(chǎn)品需要良好的用戶界面、互�(lián)功能以及較強(qiáng)的數(shù)�(jù)處理能力,這對嵌入式處理器硬件、軟�、教�(xué)等提出了新的要求�

  1  嵌入式處理器與硬�

  在處理器方面,目前大量的�、低端嵌入式�(yīng)用,主要使用8/16位單片機(jī)。在國內(nèi),由于歷史的原因,主要是以MCS51核為主的許多不同型號單片�(jī),主要廠商有Atmel、Philips、Winbond、宏晶等。還有一些近幾年�(fā)展較快的新型單片�(jī),如PIC、AVR、MSP430系列等。這些單片�(jī)各有特點(diǎn),但從目前的�(fā)展角度來看,單片�(jī)針對特定�(yīng)用領(lǐng)域的個性化�(fā)展愈�(fā)明顯,典型的例子就是TI公司的MSP430系列16位單片機(jī)、ST公司的STM8L系列8位單片機(jī)和STM32L系列32位超低功耗單片機(jī)�

  在嵌入式中的高端�(yīng)用領(lǐng)�,像工業(yè)控制、POS�(jī)、網(wǎng)�(luò)�(shè)�、圖像處理、手�(jī)、PDA等,目前主要使用ARM、MIPS、PowerPC、DSP�16~64位處理器,以32位處理器為主。各種類型的處理器都有其一定的�(yīng)用針對�。例如,DSP對數(shù)字信號處理技�(shù)中用到的常用�(yùn)�、算法做了優(yōu)化設(shè)計,主要用于�(shí)時信號處理領(lǐng)�,如�(shí)時音視頻處理、電�(jī)控制�。MIPS處理器性能很好,但功耗較�,適合于有交流電源供電的固定�(yīng)用,如固定的�(wǎng)�(luò)�(shè)�、機(jī)頂盒�。ARM處理器性能�,功耗低,適合于用電池供電的便攜、手持式�(shè)�。由于近幾年便攜、手持式嵌入式應(yīng)用的高速發(fā)�,ARM處理器的增長速度和市場占有率也快速提�,成為目�32位應(yīng)用中的主力產(chǎn)品�

  由于嵌入式應(yīng)用系�(tǒng)的廣泛�,嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計涉及的知識面很廣,從模擬到�(shù)�、低頻到高頻、小信號到大功率,以及復(fù)雜的時序邏輯�(shè)計和PCB�(shè)�,還要考慮軟硬件資源的合理分配,不僅要有廣而扎�(shí)的理論基�(chǔ),更需要豐富的�(shí)踐經(jīng)�(yàn)。只有對大大小小各種�(yīng)用系�(tǒng)反復(fù)�(shí)�(zhàn)演練,了解新技�(shù)、新器件,使用過多種多樣的處理器和模�/�(shù)字器�,才能逐步積累,聚沙成�,對一個新的應(yīng)用系�(tǒng)給出快�、合理的硬件方案與設(shè)��

  2  ARM處理器的�(yōu)�

  對于如今大量出現(xiàn)�32位嵌入式�(yīng)用,以筆者之�,ARM處理器的�(yōu)勢主要有以下幾個方��

  2.1  高性能、低功�、低價格

  把ARM處理器的性能拿來和一些著名的通用處理器(如Pentium)相比是不合適的,因?yàn)樗麄兏髯葬槍Φ�?yīng)用需求是不同�。Pentium處理器采用多條指令流水線的超�(biāo)量結(jié)�(gòu),追求通用�(yīng)用目�(biāo)下的超強(qiáng)性能,功耗大,可以用散熱器加�(fēng)扇散�。ARM針對嵌入式應(yīng)�,在滿足性能要求的前提下,力求的功率消�。ARM�(jié)�(gòu)的優(yōu)�(diǎn)是能兼顧到性能、功�、代碼密度、價格等幾個方�,而且做得比較均衡。在性能/功耗比(MIPS/W)方�,ARM處理器具有業(yè)界的性能?;贏RM核的芯片價格也很�,目前ARM CortexM的芯片價格可低至10元人民幣左右�

  2.2  豐富的可選擇芯片

  ARM只是一個核,ARM公司自己不生�(chǎn)芯片,采用授�(quán)方式給半�(dǎo)體生�(chǎn)商。目�,全球幾乎所有的半導(dǎo)體廠家都向ARM公司購買了各種ARM核,配上多種不同的控制器(如LCD控制�、SDRAM控制器、DMA控制器等)和外設(shè)、接�,生�(chǎn)各種基于ARM核的芯片。目�,基于ARM核的各種處理器型號有好幾百種,在國內(nèi)市場�,常見的有ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal等廠家的芯片。用戶可以根�(jù)各自的應(yīng)用需求,從性能、功能等方面考察,在許多具體型號中選擇最合適的芯片來�(shè)計自己的�(yīng)用系�(tǒng)。由于ARM核采用向上兼容的指令系統(tǒng),用戶開�(fā)的軟件可以非常方便地移植到更高的ARM平臺�

  2.3  廣泛的第三方支持

  以如今的技�(shù),設(shè)計一個處理器并非難事,但要使這個處理器得到大家�(rèn)可,并取得市場成功卻是非常困難的,其中涉及許多技�(shù)與非技�(shù)的因素和�(huán)節(jié),還包括時機(jī)、運(yùn)氣。因?yàn)楝F(xiàn)在許多產(chǎn)品的開發(fā),不是一個簡單的處理器加幾百條指令、語句就可以解決�。要用到32位處理器,一般都要有編譯�、高效的開發(fā)工具(仿真器及調(diào)試環(huán)境)、操作系�(tǒng)、協(xié)議棧�,這些東西都不是一個芯片生�(chǎn)商可以解決的,而需要許多第三方的支�。這就像一粒種子,需要土�、空氣、水等環(huán)境才能發(fā)�、成�。這也是我們的一些“中國芯”該反思之��

  ARM通過�20年的培育、發(fā)�,得到了廣泛的第三方合作伙伴支持。目前,除通用編譯器GCC,ARM有自己的高效編譯、調(diào)試環(huán)境(MDK、Keil�,全球約有50家以上的�(shí)時操作系�(tǒng)(RTOS)軟件廠商和30家以上的EDA工具制造商,還有很多高效率的實(shí)時跟蹤調(diào)試工具的廠商,對ARM提供了很好的支持。用戶采用ARM處理器開�(fā)�(chǎn)�,既可以獲得廣泛的支�,也便于和同行交流,加快開發(fā)�(jìn)�,縮短產(chǎn)品的上市時間�

  2.4  完整的產(chǎn)品線和發(fā)展規(guī)�

  ARM核根�(jù)不同�(yīng)用需求對處理器的性能要求,有一個從ARM7、ARM9到ARM10、ARM11,以及新定義的CortexM/R/A系列完整的產(chǎn)品線。前幾年�(yīng)用較多的主要是基于V4架構(gòu)的ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T核的一些處理器芯片,如NXP的LPC2000系列、ST的STR7/9系列、Atmel 的AT91系列和Samsung的S3C系列。近兩年,ARM Cortex系列以更好的性能、更低的價格得到快速推廣,典型的就是基于CortexM3的STM32系列�

  ARM CortexM/R/A系列分別針對不同的應(yīng)用領(lǐng)�。M系列主要面向傳統(tǒng)微控制器(MCU/單片�(jī))應(yīng)�,這類�(yīng)用面很廣,要求處理器有豐富的外設(shè),并且各方面比較均衡;R系列�(qiáng)�(diào)�(shí)時�,主要用于實(shí)時控制,如汽車引�;A系列面向高性能、低功耗應(yīng)用系�(tǒng),如智能手機(jī)。選用ARM處理器�(jìn)行開�(fā),技�(shù)積累性較�(qiáng),生命周期長,設(shè)計重用度�,不易被淘汰。用戶在選擇ARM處理器時,可以針對應(yīng)用需�,從大量的ARM芯片中選用滿足性能、功能要求的�(chǎn)品,以獲得較好的性價��

  3  ARM嵌入式系�(tǒng)的軟�

  由于嵌入式系�(tǒng)的差異性很�,對不同的應(yīng)用需�,必須選擇不同的軟件�(shè)計方�、開�(fā)平臺和系�(tǒng)工具�

  對于一些不需要復(fù)雜圖形用戶界�、通信�(xié)議和�(fù)雜文件操作(如同時打開多個文件)的應(yīng)�,如果選用CortexM3核的處理器就已可以滿足要�,任�(wù)�(shù)不多,任�(wù)之間的關(guān)系也不復(fù)�,則不一定需要移植復(fù)雜的操作系統(tǒng)。這樣一方面可以降低系統(tǒng)硬件開銷,也可以獲得更好的實(shí)時性和�(zhí)行速度。不過,這樣的軟件開�(fā)方法需要開�(fā)人員有較好的程序�(shè)計思想,對所用器件有深入的了解,并掌握其編程控制方法。若引入一個簡單的操作系統(tǒng),如μC/OS,可以簡化程序結(jié)�(gòu),但開發(fā)者熟悉其�(nèi)核結(jié)�(gòu),并有使用經(jīng)�(yàn),否則可能會需要更多的系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試時間�

  如果選擇了帶存儲器管理單元(MMU)的ARM處理器(如ARM920T、CortexA8等),這種�(yīng)用系�(tǒng)根據(jù)�(yīng)�、實(shí)時性、開�(fā)�(huán)境等因素,移植一個功能較�(qiáng)的操作系�(tǒng)一般情況下會比較合適,如Linux、WinCE,甚至新的Android�。這種系統(tǒng)的開�(fā)難度主要是在OS的移植以及硬件驅(qū)動程序的開發(fā)上。當(dāng)這二步工作完成后,主要的軟件開發(fā)工作已和在PC�(jī)上開�(fā)沒有多大區(qū)別,可以按照一般的軟件工程方法來�(jìn)�,要注意的只是與ARM硬件平臺相關(guān)的軟件優(yōu)化問題�

  由于嵌入式系�(tǒng)硬件資源的有限�,嵌入式軟件與其他應(yīng)用軟件的主要區(qū)別,在于嵌入式軟件要有較高的效率,包括執(zhí)行速度和存儲空�,盡管這二者經(jīng)常是相互矛盾�。目前一般要求更多的是速度�(yōu)化。要編寫出高效的ARM程序,需要開�(fā)人員熟悉ARM的體系結(jié)�(gòu),包括內(nèi)核結(jié)�(gòu)、指令系�(tǒng)、Cache與存儲器�(jié)�(gòu)�,還要有好的程序�(shè)計思想,以及對一些常用函�(shù)、算法的深刻理解。這個過程也是ARM系統(tǒng)開發(fā)從低級到的�(jìn)階之��

  目前,由于應(yīng)用系�(tǒng)越來越復(fù)�,嵌入式軟件的移植性和重用性也得到了人們的高度重視,因?yàn)樗苯佑绊懙角度胧杰浖拈_�(fā)效率和質(zhì)�。選擇一種通用的開�(fā)�(huán)境和編程語言,使開發(fā)的嵌入式軟件可以方便地移植到不同的硬件平�,是�(shí)�(xiàn)軟件重用的基�(chǔ)。目前在ARM嵌入式系�(tǒng)開發(fā)�,ARM RealView、Keil以及IAR的EWARM是較好的開發(fā)平臺,C/C++語言是應(yīng)用最廣泛的編程語言,并具有廣泛的庫函數(shù)、程序支持,在今后很長一段時間內(nèi),仍將在嵌入式系�(tǒng)�(yīng)用領(lǐng)域中占重要地位�

  4  嵌入式系�(tǒng)的教�(xué)

  如今,嵌入式系統(tǒng)作為一個熱門�(lǐng)�,其教學(xué)問題也頗受高校的�(guān)�。教�(xué)的主要目的是培養(yǎng)社會需要的�,由于嵌入式系統(tǒng)的廣泛性、差異�,社會對從事嵌入系統(tǒng)開發(fā)人員的要求也有很大的不同,既需要從事簡�8/16位單片機(jī)開發(fā)的人�,也需要從事ARM、DSP開發(fā)的人員;既要有從事硬�、底層軟件開�(fā)的人員,也要有從事OS移植、應(yīng)用軟件開�(fā)的人�。由于整個大�(xué)�(xué)�(xí)時間和課程教�(xué)時數(shù)的限�,一個人顯然不可能學(xué)�(xí)、掌握嵌入系�(tǒng)開發(fā)的各個層靀所�,各個學(xué)校首先應(yīng)根據(jù)自身情況,明確定�,確定自己培�(yǎng)�(xué)生的社會適應(yīng)面,然后再制定教�(xué)大綱,確定課程內(nèi)容和�(shí)�(yàn)平臺。對于高�、普通高校的電類與非電類、軟件學(xué)院等,都�(yīng)該有不同的選擇,而不是人云亦�,一哄而上�

  就目前的�(fā)展看,由于ARM�32位處理器�(yīng)用漸成主�,開�(fā)工具已較完善、成�,對于普通高校計算機(jī)�(xué)科的嵌入式系�(tǒng)教學(xué),筆者認(rèn)為可以定位在�32位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)為主,重�(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)的軟硬件�(jié)�(gòu)、嵌入式OS的知�,以及嵌入式軟件�(shè)計(包括�(yōu)化)。課程主體內(nèi)容基本與硬件平臺(處理器型號)無�(guān),實(shí)�(yàn)可以采用基于ARM核的不同廠家處理器的�(shí)�(yàn)平臺。主要考慮以下幾點(diǎn)�

 ?、僭?2位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)�,軟件開�(fā)人員的需求比硬件開發(fā)人員要多得多(盡管目前硬件開�(fā)人員較難找,但這應(yīng)該是電子等培�(yǎng)的)。一般在一個從事嵌入式�(yīng)用系�(tǒng)開發(fā)的公司中,軟硬件人員的比例不會小�10�1。由于學(xué)�(xí)時間有限,教�(xué)重點(diǎn)�(yīng)該偏軟件�

  ②現(xiàn)代社會強(qiáng)�(diào)分工、合作,以求得整體利益的�。對個人的要求首先是專才,能把局部工作做精、做�。通才是需要的,但�(shù)量會比專才少得多,而且通才是練出來�,不是教出來�。今后的大學(xué)是大眾教育,教學(xué)只能面向大眾需�。在相關(guān)的研究生階段,對一些有基礎(chǔ)、有興趣的學(xué)生,可以�(jìn)行一些系�(tǒng)級硬�、底層軟件的開發(fā)�(shí)�,同時也可滿足社會對高層次嵌入式人才的需��

 ?、垡源藶�?,可以再開設(shè)2門選修�。向下為“單片機(jī)原理與應(yīng)用”,此課程以�(shí)踐為�,讓有興趣的�(xué)生可以自己設(shè)�、制作一些單片機(jī)�(yīng)用系�(tǒng),同時也鍛煉了硬件動手能�。向上為“數(shù)字信號處理(DSP)”,讓那些數(shù)�(xué)基礎(chǔ)較好、對�(shí)時信號處理有興趣的學(xué)生有用武之地(現(xiàn)在這樣的學(xué)生很難得)�

  另外,由于應(yīng)用日趨復(fù)�,而教�(xué)時間有限,一個本科生在校期間不可能深入學(xué)�(xí)嵌入式系�(tǒng)的很多細(xì)節(jié),嵌入式教學(xué)�(yīng)采用自上而下的教�(xué)方法。一開始不必花很多時間講解處理器�(nèi)核架�(gòu)/指令系統(tǒng),只要知道各種內(nèi)核的基本特點(diǎn)即可,重�(diǎn)�(xué)�(xí)、掌握處理器、外�(shè)的編程結(jié)�(gòu)(即編程者角度看到的編程模型�(jié)�(gòu),非具體物理�(shí)�(xiàn)�(jié)�(gòu)�。真�(shí)的應(yīng)�、研究設(shè)計都是從粗粒度向�(xì)粒度�(jìn)階的,是一個自頂向下的過程,首先要重視的是系統(tǒng)架構(gòu)和各個抽象層�1000行的C程序,編譯后生成的目�(biāo)代碼只有10 KB左右,試想現(xiàn)在的MCU Flash動輒幾百KB,為什么?一個目�(biāo)代碼幾百KB的C程序,一般不是完全由個人寫出來的,而都會使用一些第三方的庫函數(shù)、中間件�。硬件也一樣,�(xiàn)在很多硬件系�(tǒng)都會使用一些模塊(Module�,盡管這些模塊看上去還是一個芯片,但實(shí)際上已經(jīng)是一個SiP模塊,如WiFi模塊。所�,在了解基本嵌入式系�(tǒng)�(jié)�(gòu)的基�(chǔ)�,本科階段要更多地學(xué)�(xí)各種系統(tǒng)、模�、外�(shè)、協(xié)�、庫函數(shù)的“邊界(Interface)�,能夠搭建一個簡單系�(tǒng)(How to do�,今后在工作、或研究生階段�(jìn)一步去做好一個系�(tǒng)(How to do better��

  5�(jié)�

  嵌入式系�(tǒng)作為一種特殊的計算�(jī)�(yīng)用系�(tǒng),在任何時期都有相對的高、中、低端應(yīng)用,即使在今�,沒有OS支持�4位或8位單片機(jī)的嵌入式�(yīng)用仍有大量需求,但趨勢是系統(tǒng)�、復(fù)雜化。這既是嵌入式系統(tǒng)的特�(diǎn)--廣泛�、差異性和不可壟斷性,也是廣大嵌入系統(tǒng)研發(fā)人員的生存與�(fā)展空�。ARM處理器在便攜、手持式�(shè)備以及工�(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)�,在今后相當(dāng)長的時間�(nèi)是一個很好的選擇。當(dāng)然,沒有一種型號的處理器是可以覆蓋所有應(yīng)用的,也不是搬上一個嵌入式OS,就可以很好地解決軟件問題的。深入了解各種器件特�,選擇最合適的處理器、外圍器件、操作系�(tǒng)和軟件庫,盡可能地優(yōu)化軟件設(shè)�,最貼切地滿足應(yīng)用需�,以獲得的系�(tǒng)性價�,是嵌入式系�(tǒng)�(shè)計開�(fā)的精髓�

中的處理器技�(shù)

  嵌入式系�(tǒng)是將�(yīng)用程序和操作系統(tǒng)與計算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有軟件代碼�、高度自動化、響�(yīng)速度快等特點(diǎn),特別適合于要求�(shí)時的和多任務(wù)的體�。嵌入式�(shè)備是指應(yīng)用了嵌入式系�(tǒng)的計算機(jī)�(shè)備。從某種意義上來講確�(shí)是大型計算設(shè)備的微縮。這肯定多少會帶來相對性能上的減弱,但正是體積的微縮帶給人們無法比擬的方便�

  1 嵌入式處理器技�(shù)

  嵌入式系�(tǒng)的核心是嵌入式微處理�。嵌入式處理器是用于在計算機(jī)之外的設(shè)備中提供添加的功能性的計算�(jī)芯片,它�(jīng)常用于控制和�(jiān)控領(lǐng)域�

  一些嵌入式處理器是桌面市場傳下來的東西,對于今天的PC已經(jīng)過時,但對于處理功能要求較低的任�(wù)卻綽綽有余。過去驅(qū)動TRS-80、AppleII和Commodore64這類早期PC的Z80�6502處理器現(xiàn)在仍是非常暢銷的�(chǎn)品。老式的處理器沒有淡出江湖,它們只是變?yōu)榍度胧搅恕R�?,嵌入式微處理器市場異乎尋常地廣�。在PC市場的任何時�,最快和最慢的微處理器之間性能比最多只有約3�1。與此相�,僅�32位嵌入式微處理器來說,這個比例為500�1。如果在4位和8位嵌入式處理器中�(jìn)行比較的話,則為幾千�1。隨著這類處理器體積越來越�,價格越來越便宜,功能越來越�(qiáng)�,它們將�(jìn)入到更多的設(shè)備和�(chǎn)品中�

  嵌入式系�(tǒng)的廣泛應(yīng)用正是由于嵌入式微處理器具備以下4個特�(diǎn)�

  ①對�(shí)時多任務(wù)有很�(qiáng)的支持能�,能完成多任�(wù)并且中斷響應(yīng)時間較短,從而使�(nèi)部的代碼和實(shí)時內(nèi)核的�(zhí)行時間減少到限度�

 ?、诰哂泄δ芎軓?qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系�(tǒng)的軟件結(jié)�(gòu)已模塊化,而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作�,需要設(shè)計強(qiáng)大的存儲區(qū)保護(hù)功能。同�,這也有利于軟件診��

 ?、劭蓴U(kuò)展的處理器結(jié)�(gòu),能迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的高性能嵌入式微處理��

  ④嵌入式微處理器必須功耗很�,尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信�(shè)備中靠電池供電的嵌入式系�(tǒng)更是如此,如要求功耗為mW甚至μW��

  1�1 嵌入式處理器的種�

  1�1�1 嵌入式微處理�(EMPU)

  嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算�(jī)中的CPU。在�(yīng)用中,將微處理器裝配在專門�(shè)計的電路板上,只保留和嵌入式�(yīng)用有�(guān)的母板功�,這樣可以大幅度減小系�(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式�(yīng)用的特殊要求,嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)�(zhǔn)微處理器基本是一樣的,但在工作溫�、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都作了各種增強(qiáng)�

  和工�(yè)控制計算�(jī)相比,嵌入式微處理器具有體積�、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)�(diǎn),但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接�、各種外�(shè)等器件,從而降低了系統(tǒng)的可靠�,技�(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲�、總線、外�(shè)等安裝在1塊電路板�,稱為單板計算機(jī),如STD-BUS、PC104�。近年來,德�、日本的一些公司又開發(fā)出了“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算�(jī)系列OEM�(chǎn)��

  嵌入式微處理器目前主要有Am186�88�386EX、SC400、Power PC�68000、MIPS、ARM系列等�

  1�1�2 嵌入式微控制�(MCU)

  嵌入式微控制器又稱單片機(jī),顧名思義,就是將整個計算機(jī)系統(tǒng)集成�1塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心,芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏�、定時器/計�(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸�、A/D、D/A、Flash、EEPR-OM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需�,一般一個系列的單片�(jī)具有多種衍生�(chǎn)�,每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的,不同的是存儲器和外�(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)限度地和�(yīng)用需求相匹配,功能不多不�,從而減少功耗和成本�

  和嵌入式微處理器相比,微控制器的特點(diǎn)是單片化——體積大大減小,從而使功耗和成本下降,可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系�(tǒng)工業(yè)的主�。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐�,適合于控制,因此稱微控制器�

  嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多,比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96�196�296、C166�167、MC68HC 05�11�12�16�68300�。另外還有許多半通用系列,如支持USB接口的MCU8XC930�931、C54O、C541;支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)�70%的市場份額。特別值得注意的是,近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司將Aml86CC/CH /CU等嵌入式處理器稱為Microcontroller,Motorola公司把以Power PC為基�(chǔ)的PPC505和PPC555亦列入單片機(jī)行列,TI公司亦將其TMS320C-2XXX系列DSP作為MCU�(jìn)行推��

  1�1�3 嵌入式DSP處理�(EDSP)

  DSP處理器對系統(tǒng)�(jié)�(gòu)和指令�(jìn)行了特殊�(shè)計,使其適合于執(zhí)行DSP算法,編譯效率較�,指令執(zhí)行速度也較�。在�(shù)字濾泀FFT、譜分析等方�,DSP算法正在大量�(jìn)入嵌入式�(lǐng)域。DSP�(yīng)用正在從通用單片�(jī)中以普通指令實(shí)�(xiàn)DSP功能,過渡到采用嵌入式DSP處理�。嵌入式DSP處理器有2個發(fā)展來源:一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改�、增加片上外�(shè),成為嵌入式DSP處理�,TI公司的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇;二是在通用單片�(jī)或SoC中增加I)SP�(xié)處理器,例如Intel公司的MCS-296和Siemens公司的TriCore。推動嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個因素是嵌入式系�(tǒng)的智能化,例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)�、生物信息識別終�、帶有加解密算法的鍵盤、ADSL接入、實(shí)時語音壓解系�(tǒng)、虛擬現(xiàn)�(shí)顯示�。這類智能化算法一般都�(yùn)算量較大,特別是向量�(yùn)�、指針線性尋址等較�,而這些正是DSP處理器的長處所��

  嵌入式DSP處理器比較有代表性的�(chǎn)品是TI公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列、移動通信的C5000系列,以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)�(fā)展成為DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理�。另外Philips公司也推出了基于可重�(gòu)嵌入式DSP�(jié)�(gòu)低成本、低功耗技�(shù)制造的R.E.A.L DSP處理�,特�(diǎn)是具備雙Harvard�(jié)�(gòu)和雙乘/累加單元,應(yīng)用目�(biāo)是消�(fèi)類產(chǎn)��

  1�1�4 嵌入式片上系�(tǒng)(SoC)

  隨著EDI的推廣和VLSI�(shè)計的普及�,及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)�,在1個硅片上�(shí)�(xiàn)更為�(fù)雜系�(tǒng)的時代已來臨,這就是SoC。各種通用處理器內(nèi)核將作為SoC�(shè)計公司的�(biāo)�(zhǔn)�,和許多其他嵌入式系�(tǒng)外設(shè)一樣,成為VLSI�(shè)計中的標(biāo)�(zhǔn)器件,用�(biāo)�(zhǔn)的VHDL等語言描述,存儲在器件庫中。用戶只需定義整個應(yīng)用系�(tǒng),仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣�。這樣除個別無法集成的器件以�,整個嵌入式系統(tǒng)大部分可集成�1塊或幾塊芯片中去,應(yīng)用系�(tǒng)電路板將變得很簡�,對于減小體積和功�、提高可靠性非常有��

  SoC可以分為通用和專�2�。通用系列包括Siemens公司的TriCore、Motorola公司的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon公司和Motoro-la公司�(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個或某類系統(tǒng)�,不為一般用戶所知�

  1. 2 嵌入式處理器分類的變�

  國際上公�(rèn)的通用嵌入式處理器�3大類:MCU、DSP和MPU(Micro-Processor Unit)。TI公司曾把處理器比作汽車:DSP是跑�,追求的是速度;MPU是轎�,追求的是經(jīng)�(jì)性與速度的折�;MCU是滿足特殊用途的車�

  �(xiàn)�,隨著對處理速度的要求越來越高,同時處理的數(shù)�(jù)更加�(fù)�,出�(xiàn)了雙核與多核處理器,通常為DSP+RISC芯核,如Infineon公司的TriCore(CISC+RISC+DSP)、Philips公司的Trimedia。隨著一些大量應(yīng)用市場的崛起,又出現(xiàn)了一些新名詞,例如用于網(wǎng)�(luò)、通信�(shè)備的通信處理�(2000年左右興�),數(shù)碼相�(jī)、數(shù)碼錄像機(jī)等視頻、音頻流所需的媒體處理器(2003年興�),智能手�(jī)上的�(yīng)用處理器(2004年興�)�

  由于一些處理器不僅要有速度,還要有控制功能,又出現(xiàn)了DSP與MCU的結(jié)合品,主攻電�(jī)控制市場。如Freescale公司的DSP利用了其在MCU控制方面的技�(shù);Microehip公司2004�2月也推出了這種�(chǎn)�,稱為DSC(Digital Signal Controller)�

  為了滿足多芯核與SoC�(shè)計的需�,還有一些廠家專門供應(yīng)處理器芯核的IP,芯核主要有16位�32��64�,有軟核與硬�。多芯核市場�(fā)展空間廣闊,在美國Electronic Summit 2004上,�64位RISC IP的Tensilica公司總裁Chris Rowen博士�,未�10��1塊芯片中需要上千個處理器芯核,每秒要完成1012次運(yùn)��

  2 嵌入式處理器芯片的開�(fā)

  2�1 一般開�(fā)過程

  盡管有幾千種�(xiàn)成的芯片可供選擇,但是許多設(shè)計者需要與眾不同的特�。因�,他們開�(fā)自己的嵌入式芯片,即所謂的專用集成電路�

  �(shè)計人員開始時需要從一家公司取得嵌入式微處理器的內(nèi)核的授權(quán),然后添加他自已�(yīng)用特有的特�。例�,對于數(shù)字照相機(jī)處理器來�,他可能為這種電荷耦合�(shè)備的芯片添加1個控制器。又比如,對于具有Internet功能的家電處理器來說,可以添�1個Ethernet接口。設(shè)計者然后將他的�(shè)計交給“鑄造廠�,即一家擁有“工廠�(芯片制造廠)的公司,并將部分制造量出售給其他公�。主要的制造廠有United Microelectronics公司、TSMC公司和IBM Microelectronics公司�

  對于一些設(shè)計者來�,甚至這種靈活性還不夠�。他們可以找到某些公司,這些公司擁有可高度定制嵌入式微處理器�(nèi)核的許可�。利用這類�(nèi)�,可以開�(fā)出用于特殊目的的新機(jī)器級指令。對于數(shù)字相�(jī)處理器而言�1條提高JPEG圖像壓縮率的指令具有很高的價值。對于MP3音樂播放器來��1條加速音頻解壓縮率的指令具有同樣的用處。然�,定制的�(shè)計交給“鑄造廠”�(jìn)行生�(chǎn)�

  和通用計算�(jī)不同,嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)�,量體裁�,去除冗�,力爭在同樣的硅片面積上�(shí)�(xiàn)更高的性能,這樣才能在具體應(yīng)用對處理器的選擇面前更具有競爭力。嵌入式處理器要針對用戶的具體需求,對芯片配置�(jìn)行裁剪和添加才能�(dá)到理想的性能;但同時還受用戶訂貨量的制約。因此不同的處理器面向的用戶是不一樣的,可能是一般用�、行�(yè)用戶或單一用戶�

  嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定��1個體系一般要存在8~lO年的時間�1個體系結(jié)�(gòu)及其相關(guān)的片上外�(shè)、開�(fā)工具、庫函數(shù)、嵌入式�(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識系統(tǒng),用戶和半導(dǎo)體廠商都不會輕易地放�1種處理器�

  2�2 嵌入式系�(tǒng)的開�(fā)工具

  嵌入式處理器是一個復(fù)雜的高技�(shù)系統(tǒng),要在短時間�(nèi)掌握并開�(fā)出所有功能是很不容易�,而市場競爭要求產(chǎn)品能夠快速上�,這一矛盾要求嵌入式處理器能夠有容易掌握和使用的開�(fā)工具平臺,提高用戶和程序員的時間一投入回報率。面對成百上千種處理�,選擇是一個問�,學(xué)�(xí)掌握處理器結(jié)�(gòu)及其�(yīng)用更需要時間,因此以開�(fā)工具和技�(shù)咨詢?yōu)榛A(chǔ)的整體解決方案是迫切需要的。好的開�(fā)工具除能夠開�(fā)出處理器的全部功能以�,還�(yīng)�(dāng)對用戶是友好的�

  嵌入式系�(tǒng)開發(fā)工具平臺主要包括以下幾類�

  2�2�1 �(shí)時在線仿真系�(tǒng)

  在計算機(jī)輔助�(shè)計非常發(fā)�(dá)的今�,實(shí)時在線仿真系�(tǒng)(InCircuit Emulator,ICE)仍是�(jìn)行嵌入式�(yīng)用系�(tǒng)�(diào)試最有效的開�(fā)工具�  ICE首先可以通過�(shí)際執(zhí)�,對�(yīng)用程序�(jìn)行原理性檢�(yàn),排除人難以�(fā)�(xiàn)的設(shè)計邏輯錯�。ICE的另一個主要功能是在應(yīng)用系�(tǒng)中仿真微控制器的�(shí)時執(zhí)行,�(fā)�(xiàn)和排除由于硬件干擾等引起的異常執(zhí)行行�。此�,的ICE帶有完善的跟蹤功能,可以將應(yīng)用系�(tǒng)的實(shí)際狀�(tài)變化、微控制器對狀�(tài)變化的反�(yīng)、以及應(yīng)用系�(tǒng)對控制的響應(yīng)等以一種錄像的方式連續(xù)記錄下來,以供分�,在分析中優(yōu)化控制過程。很多機(jī)電系�(tǒng)難以建立精確有效的數(shù)字模�,或是建立模型需要大量人�,這時采用ICE的跟蹤功能對系統(tǒng)�(jìn)行記錄和分析是一個快而有效的方法�

  ICE不僅是軟硬件排錯工具,同時也是提高和�(yōu)化系�(tǒng)性能指標(biāo)的工�。ICE工具(如美國Nohau公司的產(chǎn)�)可根�(jù)用戶投資裁減功能,亦可根�(jù)需要選擇配置各種檔次的�(shí)時邏輯跟蹤器(Trace)、實(shí)時映像存儲器(Shadow RAM)及程序效率實(shí)時分析功�(PPA)�

  2�2�2 語言編譯�

  C語言作為一種通用的語言,大幅度提高了嵌入式系統(tǒng)工程的工作效�,充分發(fā)揮出嵌入式處理器日益提高的性能,縮短產(chǎn)品�(jìn)入市場時�。另�,C語言便于移植和修�,使�(chǎn)品的升級和繼承更迅�。更重要的是,采用C語言編寫的程序易于在不同的開�(fā)者之間�(jìn)行交�,從而促�(jìn)了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)�(yè)��

  區(qū)別于一般計算機(jī)中的C語言編譯�,嵌入式系統(tǒng)中的C語言編譯器要專門�(jìn)行優(yōu)�,以提高編譯效率。的嵌入式系�(tǒng)C編譯器代碼長度和�(zhí)行時間僅比以匯編語言編寫的同樣功能程序長5%~20�。編譯效率的不同,是區(qū)別嵌入式系統(tǒng)C編譯器性能差別的重要根�(jù)之一。而C編譯器殘余的5%~10%效率差�,完全可以由�(xiàn)代微控制器的高速度、大存儲器空間以及產(chǎn)品提前�(jìn)入市場來彌補(bǔ)�

  新型的微控制器指令速度不斷提高,存儲器空間也相�(yīng)加大,已�(jīng)�(dá)到甚至超過了目前的通用計算�(jī)中的微處理器,為嵌入式系�(tǒng)工程采用過去一直不敢問津的C++語言�(chuàng)造了條件。C++語言�(qiáng)大的類、繼承等功能更便于實(shí)�(xiàn)�(fù)雜的程序功能。但是C++語言為了支持�(fù)雜的語法,在代碼生成效率方面不免有所下降。為��1995年初在日本成立的Embedded C++技�(shù)委員會經(jīng)過幾年的研究,針對嵌入式�(yīng)用制訂了減小代碼尺寸的EC++�(biāo)�(zhǔn)。EC++保留了C++的主要優(yōu)�(diǎn),提供對C++的向上兼容�,并滿足嵌入式系�(tǒng)�(shè)計的一些特殊要求。在嵌入式語言編譯器方面處于地位的Tasking公司,是EC++技�(shù)委員會成員之一,也是推出EC++�(chǎn)品的公司�

  C/C++/EC++引入嵌入式系�(tǒng),使得嵌入式開發(fā)和個人計算�(jī)、小型機(jī)等在開發(fā)上的差別正在逐漸消除,軟件工程中的很多經(jīng)�(yàn)、方法乃至庫函數(shù)可以移植到嵌入式系統(tǒng)。在嵌入式開�(fā)中采用語言,還使得硬件開發(fā)和軟件開�(fā)可以分工,從事嵌入式軟件開發(fā)不再必須精通系�(tǒng)硬件和相�(yīng)的指令集匯編�

  另一種語言Java的發(fā)展則具有戲劇性。Java本來是為�(shè)備獨(dú)立的嵌入式系�(tǒng)�(shè)�、為了提高程序繼承性的語言,但是目前基于Java的嵌入式開發(fā)工具代碼生成長度要比嵌入式C編譯工具�10倍以�。因此EC++很可能在未來的一段時間內(nèi)仍是嵌入式系�(tǒng)的主��

  2�2�3 源程序模擬器

  源程序模擬器是在廣泛使用的、人�(jī)接口完備的工作平臺上,如小型�(jī)和PC,通過軟件手段模擬�(zhí)行某種嵌入式處理器內(nèi)核編寫的源程序的測試工具。簡單的模擬器可以通過指令解釋方式逐條�(zhí)行源程序,分配虛擬存儲空間和外設(shè),供程序員檢查;的模擬器可以利用計算�(jī)的外部接口模擬出處理器的I/O電氣信號。不同檔次和功能模擬器工具價格差距巨�。模擬器軟件�(dú)立于處理器硬�,一般與編譯器集成在同一個環(huán)境中,是一種有效的源程序檢�(yàn)和測試工�。但值得注意的是,模擬器畢竟是以一種處理器模擬另一種處理器的運(yùn)�,在指令�(zhí)行時�、中斷響�(yīng)、定時器等方面很可能與實(shí)際處理器有較大差�。另�,它無法和ICE一�,仿真嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用系�(tǒng)中的�(shí)際執(zhí)行情況�

  �(jié)�

  嵌入式系�(tǒng)是將計算�(jī)直接嵌入到應(yīng)用系�(tǒng)�,是信息技�(shù)的最終產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)的核心就是嵌入式處理�。嵌入式系統(tǒng)是信息產(chǎn)�(yè)走向21世紀(jì)知識�(jīng)�(jì)時代的最重要的經(jīng)�(jì)增長�(diǎn)之一,是一個不可壟斷的工業(yè),對中國的信息產(chǎn)�(yè)來說充滿了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。世界是多樣化的,尤其是已經(jīng)�(jìn)入后PC時代——無所不在的計�(nomadic computing)將使嵌入式處理器遍及人們能夠想象得到的各個角�,因此,每種處理器都有存在的理由,都有可伸展的方向。這一�(diǎn)�(yīng)特別引起中國信息�(chǎn)�(yè)界的�(guān)��

常規(guī)電源�(shè)�

  對于電池供電的便攜設(shè)備而言,除了需要突破處理能力的限制�,便攜式系統(tǒng)電源的性能也需要不斷改�(jìn)。本文探討便攜嵌入式系統(tǒng)電源�(shè)計的注意事項(xiàng)以及�(shè)計中�(yīng)遵循的準(zhǔn)�。這些原則對任何具有強(qiáng)大功能且必須以電池供電的便攜嵌入式系�(tǒng)電源�(shè)計都是有幫助�。根�(jù)本文描述的構(gòu)造模�,讀者可以為特定�(shè)計選擇合適的器件以及�(shè)計策略�

  電源管理單元

  為電源電路規(guī)定具體的功能和架�(gòu)模塊并非微不足道,這些工作直接影響到電池供電系�(tǒng)的工作時間。電源系�(tǒng)架構(gòu)會因嵌入式產(chǎn)品和�(yīng)用領(lǐng)域的不同而各�。下圖是典型便攜嵌入式系�(tǒng)中的電源方案�

  下面我們分別定義圖中每個組成部分的要求。假�(shè)該產(chǎn)品由電池組或外接電源供電。電源路徑控制器的功能是�(dāng)有多個電源時,負(fù)�(zé)切換至合適的電源。在某些�(shè)計中可能需要考慮包括新興的USB和以太網(wǎng)供電(PoE)等供電方式�

  電池保護(hù)電路保護(hù)電池免受過壓、欠�、過熱、過流及其它異常狀況的損壞;專門的電池充電電路應(yīng)在一旦有其它供電來源的情況就對電池�(jìn)行充電;電量計電路連續(xù)�(jiān)測電池電量狀況,并為用戶和電源管理軟件提供電池狀�(tài)信息�

  系統(tǒng)可能需要多個DC-DC功率變換�。例如開�(guān)電源(SMPS�、LDO�(wěn)壓器、電荷泵�。這些不同的變換器用于�(chǎn)品設(shè)計內(nèi)所有可能的輸入電源和所需的不同電��

  �(shù)字接口或硬件按鈕控制器負(fù)�(zé)開啟和關(guān)閉系�(tǒng)——有時也稱軟啟動。在一些最近推出的功率變換器中,數(shù)字接口也可被用來微調(diào)各種變換器產(chǎn)生的輸出電壓。在具有功耗意識的電源�(shè)計中,這種微調(diào)是必需的�

  高效電源的標(biāo)�(zhǔn)

  在嵌入式�(yīng)用中,電源效率并不限于傳�(tǒng)的系�(tǒng)輸出功率與系�(tǒng)輸入功率之比這樣一個定�。在嵌入式系�(tǒng),高效電源方案應(yīng)滿足以下�(biāo)�(zhǔn)�1. 采用電池供電�,設(shè)備可長時間工��2. 延長電池壽命(充放電次數(shù)��3. 限制元器件和電池本身的溫��4. 提供集成軟件智能,以使效率化�

  事實(shí)上,沒有單一的指�(dǎo)方針可以化電源方案的效率。不�,設(shè)計人員在開發(fā)電源系統(tǒng)時會考慮以下幾點(diǎn):電池壽命(充放電次�(shù))取決于電池的充電特�;對鋰離子電池來�,制造商通常建議遵循充電電流(恒流模式)和終�/�(yù)充電電流值。當(dāng)�(shè)計充電器電路�,必須嚴(yán)格遵守這些�(guī)��

  電池管理

  對于消費(fèi)類電子產(chǎn)品,電池保護(hù)必須被視為基本特�,因?yàn)樗c用戶的人身安全息息相�(guān)。必須采取充分的措施檢測電池的過�、欠壓和溫度;必須選用諸如溫變電阻等合適的器件來確保無論在任何異常條件下,都能自動限制電流的�?。槐仨毷褂秒娏坑?。除了正常電量檢測功能外,它還能確保電池安全。大部分電量計安裝于電池�,可用于檢測電池溫度、放電電流等�

  對于電源路徑控制�,一個經(jīng)常被忽略的問題是:當(dāng)從一個電源切換到另一個時,無論時間多�,都不能在兩者間形成回路。這可能需要額外的反向連接二極管或開關(guān)。同樣,�(dāng)采用其中一個電源供電時,該電源的電壓不�(yīng)通到另一個電源的輸入��

  由于存在很多可用的功率變換器�?fù)浣Y(jié)�(gòu),所以正確選擇電源變換器并非易事。一般來�,在需求高效率和大輸出電流的場合,必須避免使用線性穩(wěn)壓器�

  在采用開�(guān)電源的場合,�(shè)計人員應(yīng)確保采用適當(dāng)?shù)耐負(fù)洌ń祲?、升�、降?升壓,電荷泵,SEPIC等),以保證即使在電池電壓下降到工作值的情況�,電源也能維持期望的輸出電壓,這有助于延長�(shè)備的工作時間�

  對于降壓變換器而言,同步變換器通常具有比異步變換器更高的效率。不�,這種架構(gòu)選擇在很大程度上取決于該變換器工作狀�(tài)下所需的輸出電流以及占空比。因�,采用同步變換器所帶來的少許效率提升并不足以彌�(bǔ)所增加的成��

  用于濾除開關(guān)電源輸出紋波的電感種類的不同通常會對變換器效率有不同影響。在各種電感選擇�,低直流阻抗及在工作頻率下具有低磁損耗的電感是�

  熱設(shè)計應(yīng)與電氣設(shè)計須夷不�。各個IC或無源器件的封裝必須要能處理其正常工作狀�(tài)下的�(fā)熱問�。許多芯片制造商建議采用帶過孔的熱焊�,并在PCB上采用大焊盤來更好地散熱。緊湊型嵌入式產(chǎn)品通常沒有添加�(fēng)扇的空間,但必須考慮到PCB上的通風(fēng)通道以及足夠的散熱措��

  本文小結(jié)

  電源�(shè)計往往被當(dāng)作純粹的硬件�(shè)計。但�,為了得到高效的電源方案,設(shè)計人員需要為電源電路增加軟件智能。軟件控制的一些基本功能包括,檢測由電源路徑開�(guān)選擇的是哪種電源;在電池供電時,對不需要的電路減少供電電流�

  更精妙的電源管理軟件還會包括其它參量,例如:系統(tǒng)�(yùn)行的�(yīng)用種類、外�(shè)要求、最慢時鐘頻率以及運(yùn)行此�(yīng)用所需的電�,并�(jù)此相�(yīng)地控制電源輸�、時鐘發(fā)生器和接口IC的狀�(tài)�

  遵循上述�(jīng)�(yàn)�(guī)則可以顯著提高便攜式�(shè)備的電源性能。例�,一款典型的30W多輸出電源方案的整體效率可高�(dá)85�90%。目前已多家集成電路制造商可提供一系列高集成度IC,具備上述各種功�。根�(jù)不同電源要求,一些應(yīng)用可能需要單芯片方案,而另一些則可能采用分立模塊。畢竟,在競爭激烈的嵌入式產(chǎn)品市�,電池壽命和�(shè)備工作時間是影響買方選擇的關(guān)鍵因素�

典型便攜嵌入式系統(tǒng)的電源管理方案

  圖:典型便攜嵌入式系�(tǒng)的電源管理方��

顯卡方案�(shè)�

  以用各種微處理器代替通用計算�(jī)的CPU,實(shí)�(xiàn)既定功能并驅(qū)動顯示系�(tǒng)以方便人�(jī)交流。早期的單片�(jī)由于低時鐘頻�(小于5 MHz)和低I/O口數(shù)量的限制,一般只�(qū)動像素比較少(5 000像素以內(nèi))的液晶顯示器[1-2]。近年來隨著制作工藝的發(fā)展和�(shè)計結(jié)�(gòu)的優(yōu)化[3],單片機(jī)的時鐘頻率和I/O口的�(shù)量都得到了很大提�,低耗能低電壓單片機(jī)不斷出現(xiàn)[4],新�(diào)試技�(shù)使開�(fā)過程效率更高[5],驅(qū)動幾千像素的液晶顯示器早已出�(xiàn)。然�,更友好的人�(jī)界面需要更高分辨率的液晶顯示器??疾炷壳傲餍械囊壕э@示器�(qū)動方式可以看�,無論使用何種單片機(jī)或作為嵌入式系統(tǒng)的微處理�,都會被液晶顯示器的�(qū)動控制部分占�(jù)大量資源,這就給單片機(jī)的性能帶來了巨大的挑戰(zhàn)。例如三星某顯示器模�,分辨率�800×480,輸入時鐘要求為32.24 MHz�48 MHz,這樣的要求使得單片機(jī)力不從心。本文研究并開發(fā)一種面向嵌入式系統(tǒng)的通用顯示�。它以類似于通用計算�(jī)的顯存存儲圖像數(shù)�(jù),以FPGA控制并讀/寫顯存中的數(shù)�(jù),控制液晶屏的驅(qū)�。嵌入式微處理器僅需要在改變圖像時輸出數(shù)�(jù),這樣,其他時間便可全部空�,用于控制其所在的自動化系�(tǒng)�

  1 系統(tǒng)�(gòu)�

  由于DDR SDRAM(83 MHz�167 MHz)和液晶顯示器(32.24 MHz�48 MHz)之間的時鐘周期不匹配,F(xiàn)PGA在設(shè)計中主要起控制協(xié)�(diào)作用。系�(tǒng)總體�(gòu)架框如圖1� 分為以FPGA為中心的控制模塊和液晶顯示模塊兩部分�

系統(tǒng)總體構(gòu)架框如圖

  FPGA控制模塊部分主要�(fù)�(zé)接收來自單片�(jī)的圖像數(shù)�(jù)D[5�0]和控制信號Hsys(行同步信�)、Vsys(場同步信�)和隨路傳�?shù)妮敵鰣D像數(shù)�(jù)的時鐘信號CLK(50 MHz以下)。為了節(jié)省單片機(jī)�(nèi)部的時鐘資源和輸出口的數(shù)量,對于18 bit彩色顯示的LCM,F(xiàn)PGA連接單片�(jī)的圖像數(shù)�(jù)輸入口可�(shè)計為6 bit,再在FPGA�(nèi)部將接收到的�(shù)�(jù)串并�(zhuǎn)換為18 bit�(shù)�(jù)輸出至液晶顯示模�。因此在FPGA與單片機(jī)接口�,每個時鐘FPGA僅接收R、G、B三組顏色�(shù)�(jù)中的一組D[5�0],經(jīng)過FPGA的片�(nèi)RAM緩存�480個D[5�0]以后再一次存儲到一行DDR SDRAM�,同時給出存儲單元的地址和各種控制信��

  硬件接口上,由于DDR SDRAM是高速器�,主要考慮與FPGA之間的互�。在布局布線時要求各�(shù)�(jù)線DQ和數(shù)�(jù)采樣線DQS�(yán)格等�,以及采用FPGA對DDR SDRAM的專用接��

  2 FPGA�(nèi)部模塊設(shè)�

  高實(shí)時性是系統(tǒng)�(shè)計的基本要求。為�(tǒng)籌兼顧重要性各不相同的任務(wù),一般采用時序和電路�(jié)�(gòu)�(yōu)化[6],以及各模塊并行處理[7]�(shí)�(xiàn)�

  本系�(tǒng)��3個主要器件都需要FPGA控制,且控制信號較多,數(shù)�(jù)通路�(shè)計又需考慮�3個時鐘域的互相轉(zhuǎn)換和相互通信,較為復(fù)�。設(shè)計采用了自頂向下的模塊化�(shè)計思路[8],將�(shù)�(jù)通路和數(shù)�(jù)控制通路分離,如�2。單�(dú)�(shè)計控制信號模塊,并輸入數(shù)�(jù)通路模塊以控制和處理�(shù)�(jù),使輸出的數(shù)�(jù)�(dá)到設(shè)計要��

  2.1 �(shù)�(jù)通路�(shè)�

  �(shù)�(jù)通路由如�3所示的模塊�(gòu)成。圖中未�(biāo)注的控制信號接口與控制信號模塊相��

數(shù)據(jù)通路由如圖

  PLL(Phase Lock Loop):鎖相環(huán)是FPGA�(nèi)部底層資�,此處將輸入�50 MHz的時鐘通過倍頻、移相等得到系統(tǒng)所需的System clk(100 MHz,相位偏�0°)、Write clk(100 MHz,相位偏�-90°)和LCM clk(33 MHz,相位偏�0°)�

  DQS:DQS信號控制模塊,控制與DDR SDRAM的DQS引腳相連的DQS引腳,雙向接口在使能信號oe的控制下�(chǎn)生或接收DQS信號,并將接收到的DQS信號移相90°以后作為FPGA�(nèi)部對DQ�(shù)�(jù)組的采樣信號�

  BUFFER IN:輸入緩存模塊,在外部時鐘和外部控制信號的作用下接收�(shù)�(jù)并緩存到片內(nèi)RAM,每�480個數(shù)�(jù)�(fā)出一次Ready信號,表示緩存中已存滿可占用一行DDR SDRAM存儲單元的數(shù)�(jù)�

  DQ:DQ�(shù)�(jù)控制模塊,控制與DDR SDRAM的DQ引腳組相連的DQ引腳�,雙向接口,在使能信號oe的控制下輸出或接收DQ組數(shù)�(jù)。輸出數(shù)�(jù)時使用Write clock,輸入數(shù)�(jù)時使用DQS模塊�(chǎn)生的dqs read信號對輸入數(shù)�(jù)采樣,并將結(jié)果輸出到下級模塊�

  BUFFER OUT:輸出緩存模�,緩存來自DDR SDRAM的數(shù)�(jù),并在控制信號的控制下按LCM時序輸出彩色圖像�(shù)�(jù)�

  2.2 控制模塊�(shè)�

  頂層控制信號模塊由CONTROL模塊和LCM DRIVEN模塊兩部分構(gòu)�,如�4所示。主要負(fù)�(zé)各模塊之間的通信,產(chǎn)生控制信號控制數(shù)�(jù)的流向,向各器件輸出控制信號��

  CONTROL:控制模�,為DDR SDRAM分配讀、寫時間:以200 MHz的數(shù)�(jù)率在讀時間段讀�5行DDR SDRAM中的�(shù)�(jù),緩存到BUFFER OUT,再�33 MHz的速度讀出并輸出到LCM;在寫時間段探測�(shù)�(jù)通路中的BUFFER IN中的�(shù)�(jù)是否緩存完成,若完成則產(chǎn)生信號開始對DDR SDRAM寫入�(shù)�(jù)。在DDR SDRAM的讀寫過程中根據(jù)需要產(chǎn)生DDR SDRAM控制信號、讀寫行列地址信號,為�(qū)動LCM�(chǎn)生控制信號:�、場同步信號(Hsys LCM、Vsys LCM),數(shù)�(jù)有效信號(DE LCM)�

  LCM DRIVEN:LCM�(qū)動模�,輸入LCM的控制信�,產(chǎn)生LCM�(qū)動所需的各種控制信號,并輸出到FPGA的I/O,結(jié)合外圍電路,�(qū)動LCD�

  3 �(shí)�(xiàn)�(jié)�

  �(shù)�(jù)接口利用Altera公司專用SignalTapⅡ邏輯分析儀�(yàn)證。圖5、圖6是用邏輯分析儀截取的芯片運(yùn)行時在各引腳或邏輯單元處的實(shí)時波形圖。圖5表示�(shù)�(jù)輸入FPGA直到�(jìn)入DDR SDRAM的數(shù)�(jù)通路部分。數(shù)�(jù)輸入�(jīng)緩沖模塊后按照�(jìn)入FPGA的順�,分奇偶兩路(Qj、Qo)�(jìn)入DQ接口模塊,并合并成一路雙倍速經(jīng)DQ端口輸出FPGA。該過程同時輸出CAS、RAS、WE等命令信號和地址信號(ADDR)。由于設(shè)定了邏輯分析儀以系�(tǒng)時鐘100 MHz速率采樣各信�,因此對于數(shù)�(jù)率是200 MHz的DQ雙向�,該采樣信號只能間隔一個數(shù)�(jù)采樣一�,而不能完全反映出DQ輸出口的�(shù)�(jù)率�


  �6表示�(shù)�(jù)讀出DDR SDRAM�(jìn)入FPGA�(jīng)緩沖輸出FPGA的數(shù)�(jù)通路部分。DDR SDRAM在CAS、RAS、WE等命令信號和地址信號(ADDR)控制�,將對應(yīng)地址存儲單元的數(shù)�(jù)�200 MHz的雙倍數(shù)�(jù)率經(jīng)DQ雙向I/O口輸入FPGA,并�(jīng)DQ接口模塊�(zhuǎn)換為100 MHz的單倍數(shù)�(jù)�,分兩路輸出(inst9、inst10)。經(jīng)輸出緩沖模塊緩存�,再�(zhuǎn)換為LCM模塊所需的時鐘頻�33.33 MHz,并行輸出FPGA。類似的,由于邏輯分析儀以系�(tǒng)時鐘100 MHz速率采樣,DQ輸入口的�(shù)�(jù)率在圖中不能完全反映出來�

  至此,數(shù)�(jù)�(jīng)過了�(shè)計中所有為其設(shè)置的模塊和接�,包括輸入接�、輸入緩沖模塊、DQ/DQS接口、輸出緩沖模塊和輸出接口�

  �(shè)計ARM輸出�(shù)�(jù)時鐘�0.3 MHz,隨著數(shù)�(jù)逐漸�(jīng)片內(nèi)輸入緩存輸入DDR SDRAM替換掉原有數(shù)�(jù),對�(yīng)在屏上的圖像也逐漸被替�,該�(yàn)證過程說明DDR SDRAM在過程中起到了幀存儲器的作用,設(shè)計的系統(tǒng)與預(yù)期要求相��

  該顯卡系�(tǒng)以單片DDR SDRAM為顯示存儲器存儲圖像�(shù)�(jù),以FPGA為控制中�,嵌入式系統(tǒng)僅需通過I/O口在需改變圖像時輸出一幀�(shù)�(jù)至顯�,不需�(shí)時提供數(shù)�(jù)流和各種顯示器控制信號,從而使嵌入式微處理器有足夠的時間控制其所在的自動化系�(tǒng)�

  �(shè)計采�800×480分辨率液晶顯示器為圖像輸出設(shè)�,具有面向微處理器的通用接口,可匹配�(shù)�(jù)輸出時鐘頻率50 MHz以下的微處理�。由于系�(tǒng)圖像�(shù)�(jù)來自單片�(jī),因此分立的系統(tǒng)沒有�(shù)�(jù)來源,為了驗(yàn)證設(shè)計的正確�,驗(yàn)證步驟里采用了周立功單片�(jī)有限公司的EasyARM2131開發(fā)板驗(yàn)證設(shè)計結(jié)果。驗(yàn)證結(jié)果表�,設(shè)計達(dá)到了�(yù)期要求�

十三特性法�

  1 資源有限性法� 嵌入式計算不僅需要網(wǎng)�(luò)快�、一致的計算,� 且也要求系統(tǒng)能夠井然有序地將其執(zhí)行代碼和�(shù) �(jù),存儲在一個� 共同� 的� 狹小� 的空間內(nèi)�

  2 魯棒性法� 嵌入式計算不僅要求系�(tǒng)迅速而有效的計算,而且還要求在某些計算單元出現(xiàn)錯誤的時�,系�(tǒng)仍然� 夠繼�(xù)正常�(yùn)行工��

  3 �(shí)時性法則嵌入式系統(tǒng)的計算結(jié)�,不僅依賴于系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算之正確性,而且也依賴于這個運(yùn)算結(jié)果的計算時間�

  4 冗余度法� 在嵌入式系統(tǒng)具有足夠的冗余度之后,系�(tǒng)的� 初始敏感性� 對于其� 最終計算結(jié)果� 的影響就變得微乎其微了�

  5 �(jié)�(gòu)性法� 對于嵌入式系�(tǒng)而言,其�(jié)�(gòu)�(fù)雜性的趨勢表明� a 系統(tǒng)�(jié)�(gòu)越簡單越有效(The [已過濾]st is the best) � b 系統(tǒng)�(jié)�(gòu)越復(fù)雜越�(wěn)�(More complex is more stable) �

  6 簡約性法� �(dāng)簡約一個嵌入式系統(tǒng)�,系�(tǒng)剩下的功能之 間的互動�(guān)系就會變得越來越�(qiáng)� �(dāng)系統(tǒng)的功能被簡約之后,外來的入侵者之� 功的概率就會變得越來越大�

  7 保育性法� 如果在嵌入式系統(tǒng)中要想保留某個系�(tǒng)功能� 是將所有的其他功能都看成是 � 神圣不可� 犯的 � � 系統(tǒng)的功能被移出(滅絕)或者生成(� 侵),一定會造成整體(群集)�(jié)�(gòu)及其動態(tài) 性能上的重大�(zhuǎn)��

  8 組織性法� 嵌入式互�(lián)�(wǎng)(embedded Internet� 最重要的往往不是�(wǎng)�(luò)中個體�(shè)備的特質(zhì),而是存在于網(wǎng)�(luò)中的整體秩序,即 �(wǎng)�(luò)秩序 � 在一個高冗余度網(wǎng)�(luò)中,�(shè)備的單一作用已經(jīng)不再能夠�(gòu)成影響到系統(tǒng)整體性能的主要因� �,而起主要作用的是所有結(jié)�(diǎn)及其所�(gòu)成的 連結(jié) 特征�

  9 �(wǎng)�(luò)性法� 由一群設(shè)備相互作用的嵌入式Internet �(jié)�(diǎn)所�(gòu)成的�(wǎng)�(luò),其整體所表現(xiàn)出的性質(zhì),往往與個別�(jié)�(diǎn)� 性質(zhì)沒有重大�(guān)��

  10 消息性法� 保證查尋消息:它具有�(yán)格的時間敏感或者基本常�(tài) 系統(tǒng)*作要�,這類消息要求一個來自系�(tǒng)的時間保 �。即一旦由這類消息引起的活動或者任�(wù)被執(zhí)�,那么在確定的時間間隔內(nèi),它們的時間限定性必將被 系統(tǒng)所保證� 效果消息:它具有典型的軟時間限定�,即其時 間限定是由活動或者任�(wù)本身的時間序列所�(guī)�,無 需系統(tǒng)保證就能滿足其時間限定性的要求�

  11 免疫性法� 嵌入式互�(lián)�(wǎng)(embedded Internet� 的免疫系�(tǒng)�(yīng)�(dāng)是一個仿生命體機(jī) �,免疫功能是一個“前饋”系�(tǒng),所以要求系�(tǒng)�(yīng)具有�(yù)見能�,從而可以“以�?。┒竟ィù螅┒�?�

  12 融合性法� 嵌入式Internet 是一個復(fù)雜網(wǎng)�(luò),將�(fù)雜網(wǎng)�(luò)�(jié)�(gòu)用簡單的“組成”來解析,讓系統(tǒng)可以由孤立的“組成”來詮釋“整體�,或者讓系統(tǒng)可以由“結(jié)�(diǎn)”來表達(dá)“全局”�

  13 性價比法� 如果系統(tǒng)A 是系�(tǒng)B 地嵌入式系統(tǒng),即B(a) ,那� 系統(tǒng)A 的成本應(yīng)不超過系�(tǒng)B 成本�10 �,而系�(tǒng)B(a) 的成本應(yīng)大于系統(tǒng)A 和系�(tǒng)B 成本之和,系�(tǒng)B(a) 的性價比應(yīng)提高30 ��

解析�?dāng)_問題

  在嵌入式系統(tǒng)硬件�(shè)計中,串?dāng)_是硬件工程師必須面對的問�。特別是在高速數(shù)字電路中,由于信號沿時間短、布線密度大、信號完整性差,串?dāng)_的問題也就更為突�。設(shè)計者必須了解串?dāng)_�(chǎn)生的原理,并且在�(shè)計時�(yīng)用恰�(dāng)?shù)姆椒?,使�?dāng)_�(chǎn)生的�(fù)面影響降到最��

  1  �?dāng)_理論分析

  �?dāng)_主要源自兩個相鄰導(dǎo)體之間所形成的互感與互容。在高速數(shù)字電路中,互感通常比互容的問題更嚴(yán)重�

  1.1  互容

  一個電路產(chǎn)生電�,該電場會影響第二個電�,這種相互影響的系�(shù)稱為它們的互容�

  式中,CM為互容,ΔV為驅(qū)動波形的階躍幅度,TR是驅(qū)動波形的上升時間,RB是接收電路的接地阻抗�

  由式1可知,互容串?dāng)_電壓與CM、ΔV/TR 、成正比,因�,減小互容串?dāng)_電壓的方法有�

 ?�?減小CM。增大信號走線間距(�?yàn)榛ト菖c信號間距成反�,關(guān)鍵信號可采用3W原則��

 ?�?減小ΔV/TR。在確保信號時序的前提下,盡可能選擇信號沿較緩的器件�

 ?�?減小RB。減小被干擾電路接地阻抗,對被干擾電路�(jìn)行末端端�,為被干擾電路并接去耦電��

  1.2  互感

  兩個信號回路相互靠近時,一個信號回路的磁場變化將影響另一個信號回�,這種影響就是互感?;ジ械拇笮∪Q于信號回路的自感與兩個信號回路耦合的程��

  式中,LM為互�,ΔV為驅(qū)動波形的階躍幅度,TR是驅(qū)動波形的上升時間,RA是驅(qū)動電路的源端阻抗�

  由式(2)可知,互感串?dāng)_電壓與LM、ΔV/TR 成正�,與RA成反�。因此,減小互感�?dāng)_電壓有如下方��

 ?�?�  減小LM

 ?�?nbsp; 增大信號走線間距(因?yàn)長M隨著間距平方的增加而下�,關(guān)鍵信號可采用3W原則)�

 ?�?為信號提供完整的參考平靀在低速電路中,電流沿著電阻最小路徑前�(jìn),而高速信號沿著電感最小路徑前�(jìn)。電感最小的返回路徑就緊貼在一個信號導(dǎo)體下�,它使輸出電流路徑與返回電流路徑之間的總回路面積最�,從而使輸出電流路徑與返回電流路徑的干擾磁場相互抵消�

  � 減小信號到參考平面的距離,從而減小環(huán)路面�,達(dá)到減小LM的目��

  � 盡可能地減小相鄰信號間的平行長度。平行長度越短,則總的LM越小�

  � 無參考平面隔離的相鄰信號層走線方向應(yīng)該垂�,可減小磁場耦合程度�

 ?�?對串?dāng)_較敏感的信號線盡量布在內(nèi)�,以減小磁場耦合程度�

 ?�?�  減小ΔV/TR

  在確保信號時序的前提�,盡可能選擇信號沿較緩的器件�

 ?�?�  增大RA

  在干擾電路源端串接電阻,減小電流變化斜率,同時要兼顧與傳輸線阻抗匹配,避免信號反��

  1.3  近端�?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_

兩條傳輸線的耦合

  �1  兩條傳輸線的耦合

  如圖1所�,假�(shè)位于A�(diǎn)的驅(qū)動器是干擾源,而位于D�(diǎn)的接受器為被干擾對象,那么驅(qū)動器A所在的傳輸線被稱為“干擾源�(wǎng)�(luò)”或“侵害網(wǎng)�(luò)(Agreessor)�,相�(yīng)的接收器D所在的傳輸線網(wǎng)�(luò)被稱為“靜�(tài)�(wǎng)�(luò)”或“受害網(wǎng)�(luò)�。靜�(tài)�(wǎng)�(luò)靠近干擾源一端的�?dāng)_稱為“近端串?dāng)_�(也稱后向�?dāng)_),而遠(yuǎn)離干擾源一端的�?dāng)_稱為“遠(yuǎn)端串?dāng)_�(也稱前向�?dāng)_)。根�(jù)�(chǎn)生的原因不同,可將串?dāng)_分為容性耦合�?dāng)_和感性耦合�?dāng)_兩類�

  受侵害線上近端和�(yuǎn)端串?dāng)_噪聲的波形可以通過�2得出。當(dāng)一個數(shù)字脈沖上升沿�(jìn)入傳輸線,它將不斷地在受侵害線上感應(yīng)出噪�,一部分�?dāng)_噪聲將傳向近�,另一部分將傳向遠(yuǎn)端。遠(yuǎn)端串?dāng)_脈沖與侵害線上的信號�(jīng)過時間TD(信號在傳輸線上的延遲時間)后同步到�(dá)終端。近端串?dāng)_脈沖將起始于侵害線上信號變化沿出�(xiàn)的時�,而侵害信號到�(dá)終端前產(chǎn)生的一部分近端�?dāng)_信號將在t=2TD時刻才到�(dá)近端,這是�?yàn)檫@部分信號要經(jīng)過整條傳輸線才能被傳回近�。所以,近端�?dāng)_起始于t=0,并且持�(xù)2TD的時�。遠(yuǎn)端串?dāng)_起始于t=TD,持�(xù)時間為數(shù)字信號的上升或者下降時��

串?dāng)_噪聲示意圖

  �2  �?dāng)_噪聲示意�

  近端和遠(yuǎn)端傳播的容性耦合電流都是正向�。具體的容性耦合如圖3所�,圖中的TP是干擾信號在傳輸線上的延遲時間,Tr是干擾信號的上升時間�

  流向近端的感性耦合電流與近端容性耦合電流同向,流向遠(yuǎn)端的感性耦合電流與遠(yuǎn)端容性耦合電流反向。具體的感性耦合如圖4所��

容性耦合的近端、遠(yuǎn)端串?dāng)_波形

  �3  容性耦合的近�、遠(yuǎn)端串?dāng)_波形

感性耦合的近端、遠(yuǎn)端串?dāng)_波形

  �4感性耦合的近�、遠(yuǎn)端串?dāng)_波形

  正常條件�,在一個完整平面上,感性和容性的�?dāng)_電壓大小基本相等。遠(yuǎn)端的�?dāng)_分量(在D�(diǎn)的電壓)相互抵消,近端的�?dāng)_分量(在C�(diǎn)的電壓)相互增強(qiáng)。帶狀線電路具有很好的感性和容性耦合平衡性,因此其遠(yuǎn)端耦合系數(shù)�?。粚τ谖Ь€路,與�?dāng)_相關(guān)的電場大部分穿過空氣(而不是其他的絕緣材料),介電常數(shù)較小,因此容性串?dāng)_比感性串?dāng)_�,導(dǎo)致其�(yuǎn)端串?dāng)_是一個小的負(fù)�(shù)。在開槽和其他不完整的參考平面上,感性耦合比容性耦合更大,使�(yuǎn)端串?dāng)_變大�

  1.4  �?dāng)_的反�

  電壓反射系數(shù)ρ的計算公式:

  式中,RL是終端負(fù)載電�,Z0是傳輸線特性阻�。若RL =Z0,則ρ=0;若終端開路(RL=�),則ρ=1;若終端短路(RL=0),則ρ=-1。在�1�,若近端阻抗與傳輸線特性阻抗不匹配,會使近端串?dāng)_在遠(yuǎn)端造成反射。為了消除近端串?dāng)_反射到遠(yuǎn)端,可以通過在近端接入正確的匹配電阻使�=0,消除反��

  2  �?dāng)_理論的應(yīng)用實(shí)�

  在工作實(shí)踐中,筆者遇到了很多有關(guān)�?dāng)_的實(shí)際案�,通過�(yùn)用上述分析的�(jié)�,均較好地得以解�?,F(xiàn)將幾個代表性問題的解決方法與大家分享�

  2.1  增大信號走線間距

  �(xiàn)象:Linux操作系統(tǒng)在加載過程中,出�(xiàn)偶然性意外錯誤而終�,系�(tǒng)提示訪問了非法地址�

  分析:操作系�(tǒng)從NAND Flash解壓到SDRAM中并�(zhí)�。SDRAM的CLK信號頻率較高、沿斜率較大,本身就是一個干擾源。同時,由于CLK信號對于SDRAM時序控制的重要�,若受到周圍信號的干擾,則可能影響SDRAM的正常讀�。用示波器測試SDRAM的CLK信號,發(fā)�(xiàn)信號上偶爾會出現(xiàn)一些很小的干擾,但系統(tǒng)加載卻正常了。經(jīng)分析,這應(yīng)與示波器探頭自帶的電容有�(guān)。嘗試在CLK信號與地之間并接10 pF去耦電容,系統(tǒng)加載即正�??梢?,CLK信號確實(shí)是受到了干擾,并接去耦電容正是將干擾濾除了一部分�

  解決:由于SDRAM是高速器件,時序要求較高,CLK并接電容�,信號沿變緩,時序參�(shù)較為臨界,通過增大信號走線間距的方法解決串?dāng)_問題更為合適。重新設(shè)計PCB�,將CLK與信號其他信號的中心距增大到3W(即3倍線寬),問題得以解��

  2.2  在信號源端串接電�

  �(xiàn)象:CPU通過總線外擴(kuò)一個以太網(wǎng)芯片,但程序無法正常初始化該芯片,網(wǎng)�(luò)不��

  分析:用示波器測試“讀�、“寫�、“片選�、“數(shù)�(jù)�、“地址”等總線信號,發(fā)�(xiàn)這些信號上升、下降沿時間很短,信號過沖較�(yán)�,信號間距受空間所限無法增大,因此,總線信號間必然存在�?dāng)_問題。各總線信號既是干擾�,又是被干擾對象。在信號源端串接電阻有兩個好處:作為干擾�,源端阻抗變�,電流變化率降低,與其他信號的互感耦合�??;作為被干擾對象,源端阻抗與傳輸線匹�,有利于吸收近端�?dāng)_,避免將近端�?dāng)_反射到遠(yuǎn)��

  解決:將總線信號源端串聯(lián)電阻的阻值從10 Ω增大�50 Ω,重新運(yùn)行程序,�(wǎng)卡芯片初始化正常,串?dāng)_問題解決�

  2.3  為信號提供完整的參考平�

  �(xiàn)象:CPU總線上增加點(diǎn)陣液晶設(shè)�,發(fā)�(xiàn)�(wǎng)口通信時網(wǎng)�1�(jīng)常出�(xiàn)丟包�(xiàn)象,�(wǎng)�2甚至�*INK UP成功�

  分析:系�(tǒng)主板為兩層板,沒有完整的信號參考平�,由于液晶連接線較�,使�(shù)�(jù)總線的長度增�,從而使�?dāng)_變得更加�(yán)重。網(wǎng)卡芯片與�(diǎn)陣液晶共用低8位數(shù)�(jù)總線與讀、寫控制信號,因此信號受到干�、通信受到影響�

  解決:重新設(shè)計PCB時,�2層板改為4層板,增加地�、電源層,為總線信號提供完整的參考平�,串?dāng)_減小�

  2.4  減小被干擾電路接地阻�

  �(xiàn)象:SPI通信�,從SPI�(shè)備讀回的�(shù)�(jù)不是期望的數(shù)�(jù)�

  分析:用示波器測試SPI總線信號,發(fā)�(xiàn)CLK信號的上升沿、下降沿�(chǎn)生高頻振�,并兩次跨過�、低門限電�。這將引起SPI�(shù)�(jù)的誤觸發(fā),使CPU得到不正確的�(shù)�(jù),因此需要濾除該高頻干擾信號�

  解決:在CLK信號與地之間并接1000 pF去耦電�,為高頻干擾信號提供對地的低阻抗通道,干擾問題解��

  �(jié)�

  �?dāng)_在高速電路設(shè)計中是一個不可忽視的問題,會影響系統(tǒng)的時�、降低噪聲容�,導(dǎo)致系�(tǒng)無法正常工作。本文介紹了�?dāng)_�(chǎn)生的原理,通過對串?dāng)_電壓的計算推�(dǎo)得到影響�?dāng)_的關(guān)鍵因素,根據(jù)這些因素提出一系列解決�?dāng)_問題的方�,并在實(shí)例中�(jìn)行驗(yàn)證應(yīng)�,對于解決串?dāng)_問題有一定的借鑒、指�(dǎo)意義�

維庫電子通,電子知識,一查百��

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