嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計教學(xué)研究與探索

徐友 趙濤 沈亞斌

摘? 要 為適應(yīng)社會對嵌入式人才的需求，各高校相繼開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程。嵌入式硬件設(shè)計是嵌入式系統(tǒng)課程的重要教學(xué)內(nèi)容之一。對嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的授課內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)進行詳細分析與研究，提出以嵌入式硬件基礎(chǔ)知識、嵌入式微處理器電路設(shè)計、嵌入式接口技術(shù)以及嵌入式硬件調(diào)試方法為授課內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式硬件設(shè)計和調(diào)試能力為教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)實踐表明，本文提出的嵌入式硬件設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)可提高學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計、調(diào)試能力以及工程實踐能力。

關(guān)鍵詞 嵌入式硬件設(shè)計;嵌入式微處理器;嵌入式接口技術(shù);嵌入式硬件調(diào)試;EDA;Protel

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）18-0076-03

1 前言

嵌入式計算機技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、生活等各個領(lǐng)域，并作為系統(tǒng)的控制核心，因此，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)占據(jù)計算機系統(tǒng)開發(fā)的比重越來越高[1]。為適應(yīng)國內(nèi)對嵌入式技術(shù)和嵌入式開發(fā)人才的需求，國內(nèi)各高等院校開始開設(shè)嵌入式系統(tǒng)課程。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容主要包括嵌入式硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，嵌入式硬件是嵌入式系統(tǒng)的支撐平臺，直接關(guān)系嵌入式系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的PC系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)硬件必須由嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員進行設(shè)計，嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計是嵌入式系統(tǒng)教學(xué)的重要內(nèi)容之一。因此，有必要對嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的教學(xué)進行分析和研究，并對嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進行必要的改革和創(chuàng)新。

鑒于以上分析，本文從嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)等方面，對嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計教學(xué)進行詳細闡述，提出更為合理的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，提高學(xué)生的嵌入式硬件設(shè)計能力及解決實際問題的動手能力，達到嵌入式系統(tǒng)綜合訓(xùn)練的教學(xué)目的。

2 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的基礎(chǔ)知識

嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計具有綜合性和工程應(yīng)用實踐性[2-3]，

要求設(shè)計人員具備一定的基礎(chǔ)知識，授課教師必須對嵌入式硬件設(shè)計的各個基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程進行合理有序的安排[4]。嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計教學(xué)主要涉及以下相關(guān)課程及其理論知識。

模擬電子技術(shù)? 模擬信號是時間和幅值均連續(xù)的信號，處理模擬信號的電路稱為模擬電路。模擬電路是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分之一，負責(zé)對模擬信號進行采集、放大、數(shù)學(xué)運算等。模擬電路一般由運算放大器構(gòu)成，對模擬信號進行各種必要的變換，模擬電路的參數(shù)有放大倍數(shù)、信噪比和帶寬等。嵌入式設(shè)計人員應(yīng)具有扎實的模擬電路設(shè)計基礎(chǔ)。

數(shù)字電子技術(shù)? 數(shù)字信號是時間和幅值都離散的信號，處理數(shù)字信號的電路則稱為數(shù)字電路，具有邏輯運算和邏輯處理的功能。數(shù)字電路分為組合邏輯電路和時序電路，時序電路負責(zé)信號變換和測量，組合邏輯電路負責(zé)數(shù)字邏輯運算。嵌入式系統(tǒng)中的接口電路常常需要應(yīng)用數(shù)字電路進行設(shè)計。

計算機組成原理? 嵌入式系統(tǒng)屬于一類特殊的計算機系統(tǒng)，嵌入式設(shè)計人員必須具備計算組成原理的基礎(chǔ)理論。與計算機系統(tǒng)類似，嵌入式系統(tǒng)硬件由中央處理器、存儲系統(tǒng)、總線系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)等部分組成，因此，嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計涵蓋嵌入式處理器選型及其基本電路設(shè)計、存儲系統(tǒng)、總線接口和輸入輸出系統(tǒng)的設(shè)計。

電原理圖和印制電路板制圖軟件? 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計需要繪制嵌入式系統(tǒng)硬件電原理圖和印制電路板圖（PCB），設(shè)計人員需要掌握EDA繪圖設(shè)計軟件。Protel是目前應(yīng)用比較廣泛的一款EDA設(shè)計軟件，采用設(shè)計庫管理模式，可以完成電路原理圖、印制電路板設(shè)計等工作。嵌入式硬件設(shè)計課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)包含嵌入式硬件電原理圖和PCB繪制以及相關(guān)的EDA設(shè)計軟件的使用方法。

3 嵌入式硬件設(shè)計教學(xué)內(nèi)容的合理安排

嵌入式系統(tǒng)作為一種計算機系統(tǒng)，由嵌入式處理器、嵌入式接口設(shè)備以及嵌入式軟件組成[5]，其關(guān)系如圖1所示。

嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計主要涉及嵌入式微處理器和接口設(shè)備，其中嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件的核心，嵌入式接口設(shè)備關(guān)系到嵌入式系統(tǒng)的功能擴展，嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計教學(xué)必須包括嵌入式微處理器的電路設(shè)計及其接口電路設(shè)計，即嵌入式處理器電路設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計、時鐘電路設(shè)計、復(fù)位電路設(shè)計、接口電路設(shè)計，嵌入式硬件設(shè)計教學(xué)應(yīng)以此循序漸進安排授課內(nèi)容。

嵌入式處理器? 嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心處理部件，在教學(xué)過程中，授課教師應(yīng)向?qū)W生介紹常見的幾種嵌入式處理器及其功能特點、應(yīng)用場合，培養(yǎng)學(xué)生的處理器選型能力和數(shù)據(jù)手冊閱讀能力。教師指導(dǎo)學(xué)生在閱讀處理器的數(shù)據(jù)手冊時，應(yīng)能夠引導(dǎo)學(xué)生獲取處理器的主頻、內(nèi)部Flash和RAM的大小、外部總線接口形式以及通信接口等參數(shù)信息。

嵌入式電源系統(tǒng)? 嵌入式電源為嵌入式系統(tǒng)提供各種電源供給，決定了嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性。嵌入式硬件設(shè)計教學(xué)須詳細闡述嵌入式電源系統(tǒng)的種類及其選取原則。嵌入式系統(tǒng)電源主要分為線性電源和開關(guān)電源，開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率較高，紋波和干擾較大;而線性電源轉(zhuǎn)換效率較低，紋波和干擾較小。在需要大電流供電的場合，如處理器的內(nèi)核供電，嵌入式電源應(yīng)盡量采用開關(guān)電源;而在需要較高的精度和較低干擾的模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）電路中，應(yīng)采用線性電源。教師在授課過程中應(yīng)分別就開關(guān)電源和線性電源分析一種常見芯片的典型電路，闡述其工作原理、典型電路結(jié)構(gòu)、設(shè)計步驟、電路參數(shù)計算等。如開關(guān)電源設(shè)計可以LM2596為例，線性電源可以LM7805為例。

嵌入式時鐘系統(tǒng)? 嵌入式系統(tǒng)的時鐘電路為嵌入式系統(tǒng)運行提供時鐘參考。時鐘電路的頻率可根據(jù)處理器數(shù)據(jù)手冊提供的參數(shù)進行配置，不應(yīng)超過處理器的最高頻率。時鐘電路結(jié)構(gòu)一般分為有源晶振和無源晶體兩種：有源晶振需獨立供電，直接輸出時鐘信號至處理器的時鐘輸入引腳;無源晶體不需要供電，使用處理器內(nèi)部振蕩器。嵌入式硬件設(shè)計課程應(yīng)能詳細分析時鐘電路結(jié)構(gòu)。

嵌入式復(fù)位電路? 嵌入式系統(tǒng)的復(fù)位電路為系統(tǒng)啟動提供復(fù)位信號，使得系統(tǒng)的程序指針能夠跳轉(zhuǎn)到正確的起始地址，確保系統(tǒng)順利啟動。嵌入式復(fù)位電路分為專業(yè)芯片復(fù)位電路和阻容式復(fù)位電路。嵌入式系統(tǒng)復(fù)位電路直接關(guān)系到系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性，因此，嵌入式硬件設(shè)計教學(xué)必須予以充分的重視。

嵌入式接口技術(shù)? 嵌入式系統(tǒng)接口是處理器連接外部設(shè)備的通道，稱為總線，據(jù)其傳輸信號的類型，可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。地址總線負責(zé)向外部設(shè)備發(fā)送地址信息，數(shù)據(jù)總線用于從外部設(shè)備讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)信息，控制總線負責(zé)向外部設(shè)備發(fā)送控制信號。根據(jù)總線的結(jié)構(gòu)，計算機總線可分為串行總線和并行總線，串行總線是按位傳輸，物理連接簡單，傳輸速率慢;并行總線可根據(jù)總線的寬度按字節(jié)、字或者雙字進行傳輸，傳輸速率較快，物理連接復(fù)雜，在實際應(yīng)用中可根據(jù)具體需求選擇總線結(jié)構(gòu)。輸入輸出系統(tǒng)由外部設(shè)備和輸入輸出控制器組成，處理器可通過輪詢方式、中斷控制方式和直接內(nèi)存訪問（DMA）方式與外部設(shè)備通信。邏輯時序是嵌入式接口技術(shù)的重要內(nèi)容之一，嵌入式硬件設(shè)計授課過程中應(yīng)以并行時序、串行時序為例，重點分析總線控制信號、地址信號和數(shù)據(jù)信號之間的時序邏輯關(guān)系，讓學(xué)生充分把握嵌入式總線機制的工作原理，為嵌入式硬件接口設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

嵌入式模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)? 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分之一，可將模擬信號轉(zhuǎn)換成處理器可處理和存儲的數(shù)字信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化、編碼四個過程，這四個過程通常合并進行，并集成于一塊芯片內(nèi)。選擇AD轉(zhuǎn)換器時，設(shè)計人員需關(guān)注AD轉(zhuǎn)換器的四個參數(shù)，即采樣率、有效轉(zhuǎn)換位數(shù)、模擬量輸入范圍、接口方式。其中，采樣率為AD轉(zhuǎn)換器的采樣速度，因AD采樣必須滿足奈奎斯特采樣定理，采樣率直接決定了可采樣模擬信號的帶寬;有效轉(zhuǎn)換位數(shù)決定了AD的精度，有效轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，則轉(zhuǎn)換精度越高，常用的轉(zhuǎn)換位數(shù)有8位、12位、16位、24位;模擬輸入范圍是指AD輸入端的模擬信號的電壓范圍，決定了系統(tǒng)的信噪比;接口方式是指AD與處理器通信的總線連接方式，常見的接口方式有串行方式和并行方式。

綜上所述，在嵌入式硬件設(shè)計課程授課過程中，任課教師應(yīng)針對嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的各個具體環(huán)節(jié)分別進行詳細闡述，并對一些前期的基礎(chǔ)課程進行必要的輔導(dǎo)和復(fù)習(xí)，明確嵌入式硬件設(shè)計過程中涉及的主要前期課程和重點內(nèi)容，為學(xué)生課后自學(xué)和復(fù)習(xí)指明正確的方向。

4 嵌入式系統(tǒng)硬件調(diào)試能力的培養(yǎng)

嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的教學(xué)應(yīng)能夠培養(yǎng)學(xué)生在課題研究和設(shè)計過程中進行嵌入式系統(tǒng)硬件調(diào)試的能力，掌握嵌入式系統(tǒng)硬件調(diào)試步驟和調(diào)試方法。嵌入式系統(tǒng)硬件調(diào)試應(yīng)遵循從處理器基本電路至外設(shè)電路的調(diào)試順序，首先調(diào)試嵌入式處理器的電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路，這三部分電路稱為嵌入式最小系統(tǒng)，在確保最小系統(tǒng)參數(shù)正常的情況下，測試處理器是否能穩(wěn)定運行;在此基礎(chǔ)上，逐步通過處理器的外設(shè)總線調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的外設(shè)，在調(diào)試總線和外設(shè)時須充分理解待調(diào)試總線的工作時序，確保處理器能夠與外設(shè)進行通信，并測試通信的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文對嵌入式硬件設(shè)計課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)進行了詳細闡述。在嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計方面，本文明確了嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計所需的基礎(chǔ)知識，對嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容進行詳細論述，提出以嵌入式微處理器、電源系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、復(fù)位電路、嵌入式接口技術(shù)以及AD轉(zhuǎn)換電路為嵌入式硬件設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容，闡述嵌入式硬件調(diào)試原則和基本方法，以培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式硬件設(shè)計和調(diào)試能力為教學(xué)目標(biāo)。綜上所述，本文對嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)目標(biāo)進行全面分析和研究，探索培養(yǎng)學(xué)生嵌入式設(shè)計能力的方法和途徑，旨在培養(yǎng)學(xué)生的嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計和實踐能力[6]。

參考文獻

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