干貨：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)大全！

時(shí)間：2020-10-16 13:00:35

關(guān)鍵字：嵌入式軟件開發(fā)

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嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法變化的背景

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的演化總的來說是因?yàn)閼?yīng)用需求的牽引和IT技術(shù)的推動，隨著微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，大規(guī)模集成電路的集成度和工藝水平不斷提高。硅材料與人類智慧的結(jié)合，生產(chǎn)出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊，推動了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的器件可編程思想和微處理(器)技術(shù)可以用軟件來改變和實(shí)現(xiàn)硬件的功能。微處理器和各種可編程大規(guī)模集成專用電路、半定制器件的大量應(yīng)用，開創(chuàng)了一個嶄新的應(yīng)用世界，以至廣泛影響著并在逐步改變著人類的生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)等社會活動。

計(jì)算機(jī)硬件平臺性能的大幅度提高，使很多復(fù)雜算法和方便使用的界面得以實(shí)現(xiàn)，大大提高了工作效率，給復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)提供了物理基礎(chǔ)。

高性能的EDA綜合開發(fā)工具(平臺)得到長足發(fā)展，而且其自動化和智能化程度不斷提高，為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了不同用途和不同級別集編輯、布局、布線、編譯、綜合、模擬、測試、驗(yàn)證和器件編程等一體化的易于學(xué)習(xí)和方便使用的開發(fā)集成環(huán)境。

硬件描述語言HDL(Hardware DescrIPtion Language)的發(fā)展為復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了建立各種硬件模型的工作媒介。它的描述能力和抽象能力強(qiáng)，給硬件電路，特別是半定制大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)帶來了重大的變革。目前，用得較多的有已成為IEEE為 STD1076標(biāo)準(zhǔn)的VHDL、IEEE STD 1364標(biāo)準(zhǔn)的Verilog HDL和Altera公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的AHDL等。

由于HDL的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化，世界上出現(xiàn)了一批利用HDL進(jìn)行各種集成電路功能模塊專業(yè)設(shè)計(jì)的公司。其任務(wù)是按常用或?qū)Ｓ霉δ?，用HDL來描述集成電路的功能和結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過不同級別的驗(yàn)證形成不同級別的IP內(nèi)核模塊，供芯片設(shè)計(jì)人員裝配或集成選用。

IP(Intellectual Property)內(nèi)核模塊是一種預(yù)先設(shè)計(jì)好的甚至已經(jīng)過驗(yàn)證的具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。它有幾種不同形式。IP內(nèi)核模塊有行為(behavior)、結(jié)構(gòu)(structure)和物理(physical)3級不同程度的設(shè)計(jì)，對應(yīng)有主要描述功能行為的“軟IP內(nèi)核(soft IP core)”、完成結(jié)構(gòu)描述的“固IP內(nèi)核(firm IP core)”和基于物理描述并經(jīng)過工藝驗(yàn)證的“硬IP內(nèi)核(hard IP core)”3個層次。這相當(dāng)于集成電路(器件或部件)的毛坯、半成品和成品的設(shè)計(jì)技術(shù)。

軟IP內(nèi)核通常是用某種HDL文本提交用戶，它已經(jīng)過行為級設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)證，但其中不含有任何具體的物理信息。據(jù)此，用戶可以綜合出正確的門電路級網(wǎng)表，并可以進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有最大的靈活性，可以很容易地借助于EDA綜合工具與其他外部邏輯電路結(jié)合成一體，根據(jù)各種不同的半導(dǎo)體工藝，設(shè)計(jì)成具有不同性能的器件?？梢陨唐坊能汭P內(nèi)核一般電路結(jié)構(gòu)總門數(shù)都在5000門以上。但是，如果后續(xù)設(shè)計(jì)不當(dāng)，有可能導(dǎo)致整個結(jié)果失敗。軟IP內(nèi)核又稱作虛擬器件。

硬IP內(nèi)核是基于某種半導(dǎo)體工藝的物理設(shè)計(jì)，已有固定的拓?fù)洳季趾途唧w工藝，并已經(jīng)過工藝驗(yàn)證，具有可保證的性能。其提供給用戶的形式是電路物理結(jié)構(gòu)掩模版圖和全套工藝文件，是可以拿來就用的全套技術(shù)。

固IP內(nèi)核的設(shè)計(jì)深度則是介于軟IP內(nèi)核和硬IP內(nèi)核之間，除了完成硬IP內(nèi)核所有的設(shè)計(jì)外，還完成了門電路級綜合和時(shí)序仿真等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。一般以門電路級網(wǎng)表形式提交用戶使用。

TI，Philips和Atmel等廠商就是通過Intel授權(quán)，用其MCS51的IP內(nèi)核模塊結(jié)合自己的特長開發(fā)出有個性的與Intel MCS51兼容的單片機(jī)。

常用的IP內(nèi)核模塊有各種不同的CPU(32/64位CISC/RISC結(jié)構(gòu)的CPU或8/16位微控制器/單片機(jī))、32/64位 DSP、DRAM、SRAM、MRAM、EEPROM、Flashmemory、A/D、D/A、MPEG/JPEG、USB、PCIe、、MIPI、標(biāo)準(zhǔn)接口、網(wǎng)絡(luò)單元、編譯器、編碼/解碼器和模擬器件模塊等。豐富的IP內(nèi)核模塊庫為快速地設(shè)計(jì)專用集成電路和單片系統(tǒng)以及盡快占領(lǐng)市場提供了基本保證。

軟件技術(shù)的進(jìn)步，特別是嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)EOS(Embedded Operation System)和RTOS的推出，為開發(fā)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件提供了底層支持和高效率開發(fā)平臺。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的變化

過去擅長于軟件設(shè)計(jì)的編程人員一般對硬件電路設(shè)計(jì)“敬而遠(yuǎn)之”，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)被認(rèn)為是性質(zhì)完全不同的技術(shù)。

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子工程出身的設(shè)計(jì)人員，往往還逐步涉足軟件編程。其主要形式是通過微控制器(國內(nèi)習(xí)慣稱作單片機(jī))的應(yīng)用，學(xué)會相應(yīng)的匯編語言編程。在設(shè)計(jì)規(guī)模更大的集散控制系統(tǒng)時(shí)，必然要用到已普及的PC機(jī)，以其為上端機(jī)，從而進(jìn)一步學(xué)習(xí)使用C、C++、Python等高級語言編程作系統(tǒng)程序，設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面，通過與單片機(jī)控制的前端機(jī)進(jìn)行多機(jī)通信構(gòu)成集中分布控制系統(tǒng)。

軟件編程出身的設(shè)計(jì)人員則很少有興趣去學(xué)習(xí)應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。但是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是硬件描述語言HDL的發(fā)明，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法發(fā)生了變化，數(shù)字系統(tǒng)的硬件組成及其行為完全可以用HDL來描述和仿真。在這種情況下，設(shè)計(jì)硬件電路不再是硬件設(shè)計(jì)工程師的專利，擅長軟件編程的設(shè)計(jì)人員可以借助于HDL工具來描述硬件電路的行為、功能、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、信號連接關(guān)系和定時(shí)關(guān)系，設(shè)計(jì)出滿足各種要求的硬件系統(tǒng)。

EDA工具允許有兩種設(shè)計(jì)輸入工具，分別適應(yīng)硬件電路設(shè)計(jì)人員和軟件編程人員兩種不同背景的需要。讓具有硬件背景的設(shè)計(jì)人員用已習(xí)慣的原理圖輸入方式，而讓具有軟件背景的設(shè)計(jì)人員用硬件描述語言輸入方式。由于用HDL描述進(jìn)行輸入，因而與系統(tǒng)行為描述更接近，且更便于綜合、時(shí)域傳遞和修改，還能建立獨(dú)立于工藝的設(shè)計(jì)文件，所以，擅長軟件編程的人一旦掌握了HDL和一些必要的硬件知識，往往可以比習(xí)慣于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師設(shè)計(jì)出更好的硬件電路和系統(tǒng)。所以，習(xí)慣于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師應(yīng)該學(xué)會用HDL來描述和編程?！?/span>

為什么在大部分畢業(yè)生眼中，只有嵌入式、單片機(jī)、ARM、FPGA才是技術(shù)呢？現(xiàn)在的高校，幾乎都開設(shè)這方面的專業(yè)，這方面固然有很多高層次人才，高待遇的，但這個東西并不是適合所有人的，大部分起點(diǎn)低的，或者年級偏大的，其實(shí)不應(yīng)該去做這些東西。
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現(xiàn)在的嵌入式都是快餐，隨著大學(xué)生的不停涌入，價(jià)值越來越低，并且這些群體大部分都能做出東西來，卻就是做不穩(wěn)定，最后就是白菜價(jià)格也賣不出去，而根本點(diǎn)在于缺少對生產(chǎn)、質(zhì)量、售后、測試、模擬基礎(chǔ)功底的漠視。
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中國發(fā)展這么多年，本質(zhì)上講，真正賺錢的，還是這幫搞生產(chǎn)，抓質(zhì)量，懂銷售的群體賺錢，絕對不是研發(fā)技術(shù)人員。但技術(shù)人員，總是把技術(shù)舉得高高的，而支撐技術(shù)變成產(chǎn)品再銷售出去的環(huán)節(jié)，則非常漠視，最后一輩子只能打工。相反，若抓其他幾個環(huán)節(jié)，則完全可以發(fā)展出來當(dāng)老板，自己聘請技術(shù)人員即可。
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到今天為止，一個公司的倒閉，沒有幾個是因?yàn)榧夹g(shù)問題導(dǎo)致的，大多數(shù)都是因?yàn)槠渌颍热缡袌?、生產(chǎn)、品質(zhì)等等。賺錢是一個體系，研發(fā)只是其中一塊。

可以說，對于國內(nèi)大部分公司來說，就今天來說，貿(mào)、工、技路線遠(yuǎn)比技、工、貿(mào)容易成功的多。
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21ic援引一位標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)人員的話：現(xiàn)在我教給我同事的，大部分都是工廠的東西：一看、二想、三做、四檢查。其次就是基于事實(shí)，用常理去推理分析，讓他們舍去所謂的高科技，把常理用好。通過這兩點(diǎn)來做各種事情，而不僅僅限于技術(shù)。同時(shí)，盡可能避開大家做的東西，大家都喜歡做嵌入式，那我們就做給嵌入式配套的設(shè)備，或者嵌入式群體做不了的設(shè)備，只有這樣，才能獲得高額的利潤。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3個層次

21ic家了解到，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3個不同層次：

第1層次：以PCB CAD軟件和ICE為主要工具的設(shè)計(jì)方法

這是過去直至現(xiàn)在我國單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直沿用的方法，其步驟是先抽象后具體。

抽象設(shè)計(jì)主要是根據(jù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能要求，對系統(tǒng)功能細(xì)化，分成若干功能模塊，畫出系統(tǒng)功能框圖，再對功能模塊進(jìn)行硬件和軟件功能實(shí)現(xiàn)的分配。

具體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)性能參數(shù)要求對各功能模塊所需要使用的元器件進(jìn)行選擇和組合，其選擇的基本原則就是市場上可以購買到的性價(jià)比最高的通用元器件。必要時(shí)，須分別對各個沒有把握的部分進(jìn)行搭試、功能檢驗(yàn)和性能測試，從模塊到系統(tǒng)找到相對優(yōu)化的方案，畫出電路原理圖。硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步就是利用印制板(PCB)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件對系統(tǒng)的元器件進(jìn)行布局和布線，接著是印制板加工、裝配和硬件調(diào)試。

工作量最大的部分是軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)貫穿整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，主要包括任務(wù)分析、資源分配、模塊劃分、流程設(shè)計(jì)和細(xì)化、編碼調(diào)試等。軟件設(shè)計(jì)的工作量主要集中在程序調(diào)試，所以軟件調(diào)試工具就是關(guān)鍵。最常用和最有效的工具是在線仿真器(ICE)。

第2層次：以EDA工具軟件和EOS為開發(fā)平臺的設(shè)計(jì)方法

隨著微電子工藝技術(shù)的發(fā)展，各種通用的可編程半定制邏輯器件應(yīng)運(yùn)而生。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師可以利用這些半定制器件，逐步把原先要通過印制板線路互連的若干標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件自制成專用集成電路(ASIC)使用，這樣，就把印制板布局和布線的復(fù)雜性轉(zhuǎn)換成半定制器件內(nèi)配置的復(fù)雜性。

然而，半定制器件的設(shè)計(jì)并不需要設(shè)計(jì)人員有半導(dǎo)體工藝和片內(nèi)集成電路布局和布線的知識和經(jīng)驗(yàn)。隨著半定制器件的規(guī)模越來越大，可集成的器件越來越多，使印制板上互連器件的線路、裝配和調(diào)試費(fèi)用越來越少，不僅大大減少了印制板的面積和接插件的數(shù)量，降低了系統(tǒng)綜合成本，增加了可編程應(yīng)用的靈活性，更重要的是降低了系統(tǒng)功耗，提高了系統(tǒng)工作速度，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。

這樣，硬件設(shè)計(jì)人員從過去選擇和使用標(biāo)準(zhǔn)通用集成電路器件，逐步轉(zhuǎn)向自己設(shè)計(jì)和制作部分專用的集成電路器件，而這些技術(shù)是由各種EDA工具軟件提供支持的。

半定制邏輯器件經(jīng)歷了可編程邏輯陣列PLA、可編程陣列邏輯PAL、通用陣列邏輯GAL、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD和現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的發(fā)展過程。其趨勢是集成度和速度不斷提高，功能不斷增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)趨于更合理，使用變得更靈活和方便。

設(shè)計(jì)人員可以利用各種EDA工具和標(biāo)準(zhǔn)的CPLD和FPGA等，設(shè)計(jì)和自制用戶專用的大規(guī)模集成電路。然后再通過自下而上的設(shè)計(jì)方法，把用半定制器件設(shè)計(jì)自制的集成電路、可編程外圍器件、所選擇的ASIC與嵌入式微處理器或微控制器在印制板上布局、布線構(gòu)成系統(tǒng)。

第3層次：以IP內(nèi)核庫為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)計(jì)方法

20世紀(jì)90年代后，進(jìn)一步開始了從“集成電路”級設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向“集成系統(tǒng)”級設(shè)計(jì)。目前已進(jìn)入單片系統(tǒng)SOC(System o-n a chip)設(shè)計(jì)階段，并開始進(jìn)入實(shí)用階段。這種設(shè)計(jì)方法不是把系統(tǒng)所需要用到的所有集成電路簡單地二次集成到1個芯片上，如果這樣實(shí)現(xiàn)單片系統(tǒng)，是不可能達(dá)到單片系統(tǒng)所要求的高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓、低功耗等指標(biāo)的，特別是低功耗要求。

單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)要從整個系統(tǒng)性能要求出發(fā)，把微處理器、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、外圍器件各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來，并通過建立在全新理念上的系統(tǒng)軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能。有時(shí)也可能把系統(tǒng)做在幾個芯片上。因?yàn)椋瑢?shí)際上并不是所有的系統(tǒng)都能在一個芯片上實(shí)現(xiàn)的;還可能因?yàn)閷?shí)現(xiàn)某種單片系統(tǒng)的工藝成本太高，以至于失去商業(yè)價(jià)值。目前，進(jìn)入實(shí)用的單片系統(tǒng)還屬簡單的單片系統(tǒng)，如智能IC卡等。但幾個著名的半導(dǎo)體廠商正在緊鑼密鼓地研制和開發(fā)像單片PC這樣的復(fù)雜單片系統(tǒng)。

單片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如果從零開始，這既不現(xiàn)實(shí)也無必要。因?yàn)槌嗽O(shè)計(jì)不成熟、未經(jīng)過時(shí)間考驗(yàn)，其系統(tǒng)性能和質(zhì)量得不到保證外，還會因?yàn)樵O(shè)計(jì)周期太長而失去商業(yè)價(jià)值。

為了加快單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期和提高系統(tǒng)的可靠性，目前最有效的一個途徑就是通過授權(quán)，使用成熟優(yōu)化的IP內(nèi)核模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì)集成和二次開發(fā)，利用膠粘邏輯技術(shù)GLT(Glue Logic Technology)，把這些IP內(nèi)核模塊嵌入到SoC中。IP內(nèi)核模塊是單片系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，究竟購買哪一級IP內(nèi)核模塊，要根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)、時(shí)間、資金和其他條件權(quán)衡確定。

購買硬IP內(nèi)核模塊風(fēng)險(xiǎn)最小，但付出最大，這是必然的。但總的來說，通過購買IP內(nèi)核模塊不僅可以降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，還能節(jié)省開發(fā)費(fèi)用，因?yàn)橐话阗徺IIP內(nèi)核模塊的費(fèi)用要低于自己單獨(dú)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的費(fèi)用。當(dāng)然，并不是所需要的IP內(nèi)核模塊都可以從市場上買得到。為了壟斷市場，有一些公司開發(fā)出來的關(guān)鍵IP內(nèi)核模塊(至少暫時(shí))是不愿意授權(quán)轉(zhuǎn)讓使用的。像這樣的IP內(nèi)核模塊就不得不自己組織力量來開發(fā)。

這3個層次各有各的應(yīng)用范圍。從應(yīng)用開發(fā)角度看，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，都是采用前2種方法。第3層次設(shè)計(jì)方法對一般具體應(yīng)用人員來說，只能用來設(shè)計(jì)簡單的單片系統(tǒng)。而復(fù)雜的單片系統(tǒng)則是某些大的半導(dǎo)體廠商才能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，并且用這種方法實(shí)現(xiàn)的單片系統(tǒng)，只可能是那些廣泛使用、具有一定規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)才值得投入研制。還有些應(yīng)用系統(tǒng)，因?yàn)榧夹g(shù)問題或商業(yè)價(jià)值問題并不適宜用單片實(shí)現(xiàn)。當(dāng)它們以商品形式推出相應(yīng)單片系統(tǒng)后，應(yīng)用人員只要會選用即可。

所以，3個層次的設(shè)計(jì)方法會并存，并不會簡單地用后者取代前者。初級應(yīng)用設(shè)計(jì)人員會以第1種方法為主；富有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員會以第2種方法為主；很專業(yè)的設(shè)計(jì)人員會用第3種方法進(jìn)行簡單單片系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。但所有的設(shè)計(jì)人員都可以應(yīng)用半導(dǎo)體大廠商推出的用第3種方法設(shè)計(jì)的專用單片系統(tǒng)。

嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式設(shè)計(jì)是個龐大的工程，在軟件方面嵌入式ARM已經(jīng)有了多次介紹，具體可以觀看《深度：嵌入式系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)！》一文。在硬件電路設(shè)計(jì)方面，21ic家了解到有幾個注意事項(xiàng)，首先，咱們了解下嵌入式的硬件構(gòu)架。

我們知道，CPU是這個系統(tǒng)的靈魂，所有的外圍配置都與其相關(guān)聯(lián)，這也突出了嵌入式設(shè)計(jì)的一個特點(diǎn)硬件可剪裁。在做嵌入式硬件設(shè)計(jì)中，以下幾點(diǎn)需要關(guān)注。

第一、電源確定

電源對于嵌入式系統(tǒng)中的作用可以看做是空氣對人體的作用，甚至更重要：人呼吸的空氣中有氧氣、二氧化碳和氮?dú)獾鹊呛糠€(wěn)定，這就相當(dāng)于電源系統(tǒng)中各種雜波，我們希望得到純凈和穩(wěn)定符合要求的電源，但由于各種因素制約，只是我們的夢想。這個要關(guān)注兩個方面：

a、電壓

嵌入式系統(tǒng)需要各種量級的電源比如常見的5v、3.3v、1.8v等，為盡量減小電源的紋波，在嵌入式系統(tǒng)中使用LDO器件。如果采用DCDC不僅個頭大，其紋波也是一個很頭疼的問題。

b、電流

嵌入式系統(tǒng)的正常運(yùn)行不但需要穩(wěn)定足夠的電源，還要有足夠的電流，因此在選擇電源器件的時(shí)候需要考慮其負(fù)載，我設(shè)計(jì)時(shí)一般留有30%的余量。

如果是多層板，電源部分在layout的時(shí)候需電源分割，這時(shí)需要注意分割路徑，盡量將一定量的電源放置在一起。如果是雙面板，則走線寬度需要注意，在板子允許的情況下盡量加寬。合適的退耦電容盡量靠近電源管腳。

第二、晶振確定

晶振相當(dāng)于嵌入式系統(tǒng)的心臟，其穩(wěn)定與否直接關(guān)系其運(yùn)行狀態(tài)和通訊性能。常見的振有無源晶振，有源晶振，首先要確定其振蕩頻率，其次要確定晶振類型。

a、無源晶振

其匹配電容和匹配電阻的選擇，這部分一般依據(jù)參考手冊。在單片機(jī)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用插件晶振配合瓷片電容。在ARM中，為了減少空間和便于布線，經(jīng)常使用四角無源晶振配合貼片電容。雖然我們對于固定晶振的匹配電路比較熟悉，但是為了達(dá)到萬無一失，還是要看參考手冊確定電容大小，是否需要匹配電阻等細(xì)節(jié)。

b、有源晶振

具有更好的更準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號，但是相比之下，比無緣晶振價(jià)格高，因此這也是在硬件電路設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的成本。

在做電路板設(shè)計(jì)時(shí)需要注意晶振走線盡量靠近芯片，關(guān)鍵信號遠(yuǎn)離時(shí)鐘走線。在條件允許的情況下增加接地保護(hù)環(huán)。如果是多層板，也要講關(guān)鍵信號遠(yuǎn)離晶振的走線。

第三、預(yù)留測試IO口

在嵌入式調(diào)試階段，在管腳資源豐富的情況下，我通常預(yù)留一個IO口連接led或者喇叭，為下一步軟件的編寫做鋪墊。在嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行過程中適當(dāng)控制該IO接口，從而判斷系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。

第四、外擴(kuò)存儲設(shè)備

一個嵌入式系統(tǒng)如果有電源、晶振和CPU，那么這就是我們熟悉的最小系統(tǒng)。如果該嵌入式系統(tǒng)需要運(yùn)行大點(diǎn)的操作系統(tǒng)，那么不但需要CPU具有 MMU，CPU還需要外接SDRAM和NANDFLASH。如果該cpu具有SDRAM和NANDFLASH控制器，那么在硬件設(shè)計(jì)上不用過多的考慮地址線的使用。如果沒有相關(guān)的控制器，那么需要注意地址線的使用。

這部分在LAYOUT的時(shí)候是一個重點(diǎn)，究其原因就是要使相關(guān)信號線等長以確保信號的延時(shí)相等，時(shí)鐘和DQS的差分信號線走線。在布線的時(shí)候各種布線技巧需要綜合使用，例如與cpu對稱分布，菊花鏈布線、T型布線，這都需要依據(jù)內(nèi)存的個數(shù)多少來進(jìn)行選擇，一般來說個數(shù)越多，布線越復(fù)雜，但是知道其關(guān)鍵點(diǎn)，一切迎刃而解。

第五、功能接口

一個嵌入式系統(tǒng)最重要的就是通過各種接口來控制外圍模塊，達(dá)到設(shè)計(jì)者預(yù)設(shè)的目的。常用的接口有串口(可用來連接藍(lán)牙，wifi和3G等模塊)，USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口、JTAG接口、音視頻接口、HDMI接口等等。由于這些接口與外部模塊連接，做好電磁兼容設(shè)計(jì)是重要的一項(xiàng)工作。除此之外，在LAYOUT的時(shí)候注意差分線的使用。

第六、屏幕

這個功能之所以單獨(dú)列出來，是由于其可有可無。如果一個嵌入式系統(tǒng)只是作為一個連接器連接外圍設(shè)備模塊，通過相關(guān)接口連接到電腦主機(jī)或者直接掛在網(wǎng)絡(luò)上，那么屏幕就不需要了。但是如果做出來的是一個消費(fèi)類產(chǎn)品，與用戶交互頻繁，這就不得不嘮叨幾句。

電容屏幕是嵌入式屏幕的首選，在電路設(shè)計(jì)中需要注意觸屏連接線和顯示屏連接線的布局。在走線的過程中盡量短的靠近主控cpu，同時(shí)注意配對信號走差分線，RGB控制信號走等長。各種信號走線間距遵循3W規(guī)則，避免相互干擾。在屏幕的設(shè)計(jì)中，一定要確保功率和防止干擾，以防屏幕閃屏和花屏現(xiàn)象的出現(xiàn)。

嵌入式產(chǎn)品開發(fā)流程

嵌入式產(chǎn)品，與普通電子產(chǎn)品一樣，開發(fā)過程都需要遵循一些基本的流程，都是一個從需求分析到總體設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)到最后產(chǎn)品完成的過程。但是，與普通電子產(chǎn)品相比，嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)流程又有其特殊之處。它包含嵌入式軟件和嵌入式硬件兩大部分，針對嵌入式硬件和軟件的開發(fā)，在普通的電子產(chǎn)品開發(fā)過程中，是不需要涉及的。21ic家了解到嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)流程具體如下圖：

下面，針對嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)過程中的各個階段，我們進(jìn)行詳細(xì)探討。

階段1：產(chǎn)品需求

在這一個階段，我們需要弄清楚的是產(chǎn)品的需求從何而來，一個成功的產(chǎn)品，我們需要滿足哪些需求。只有需求明確了，我們的產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)才能明確。在產(chǎn)品需求分析階段，我們可以通過以下這些途徑獲取產(chǎn)品需求：

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1）市場分析與調(diào)研，主要是看市場有什么需求,還有就是前沿的技術(shù)是什么（站在做一款產(chǎn)品的角度）；

2）客戶調(diào)研和用戶定位，從市場廣大客戶那獲取最準(zhǔn)確的產(chǎn)品需求（要注意分析市場，產(chǎn)品生命周期，升級是否方便）；

3）利潤導(dǎo)向(成本預(yù)算)；

4）如果是外包項(xiàng)目，則需要我們的客戶提供產(chǎn)品的需求（直接從客戶那獲取，讓客戶簽協(xié)議）；

當(dāng)一個項(xiàng)目做完的時(shí)候，如果客戶突然又增加需求，增加功能，將導(dǎo)致你的項(xiàng)目周期嚴(yán)重拖延，成本劇烈上升，并且測試好的產(chǎn)品可能要全部重新測試，原本的設(shè)計(jì)可能將不會滿足當(dāng)前的要求，所以做項(xiàng)目之前，最好要跟客戶把需求確定下來，并且簽定一份協(xié)議，否則，你辛苦多少個日日夜夜，得到的將是一個無法收拾的爛攤子！

階段2：產(chǎn)品規(guī)格說明

在前一個階段，我們搜集了產(chǎn)品的所有需求。那么在產(chǎn)品規(guī)格說明階段，我們的任務(wù)是將所有的需求，細(xì)化成產(chǎn)品的具體的規(guī)格，就比如一個簡單的USB轉(zhuǎn)串口線，我們需要確定產(chǎn)品的規(guī)格，包括：

1）產(chǎn)品的外觀；

2）產(chǎn)品支持的操作系統(tǒng)；

3）產(chǎn)品的接口形式和支持的規(guī)范；

等等諸如此類，切記，在形成了產(chǎn)品的規(guī)格說明后，在后續(xù)的開發(fā)過程中，我們必須嚴(yán)格的遵守，沒有200%的理由，不能隨意更改產(chǎn)品的需求。否則，產(chǎn)品的開發(fā)過程必將是一個反復(fù)無期的過程。

《產(chǎn)品規(guī)格說明》主要從以下方面進(jìn)行考慮：

1）考慮該產(chǎn)品需要哪些硬件接口；

2）產(chǎn)品用在哪些環(huán)境下，要做多大，耗電量如何。如果是消費(fèi)類產(chǎn)品，還跟設(shè)計(jì)美觀，產(chǎn)品是否便于攜帶，以確定板子大小的需求，是否防水；

3）產(chǎn)品成本要求；

4）產(chǎn)品性能參數(shù)的說明（例如交換機(jī)，如果是百兆的速率，用于家庭和一般公司；如果是用于整個省的交換，那設(shè)計(jì)的速率肯定數(shù)十萬兆以上了）所以說，產(chǎn)品性能參數(shù)的不同，就會影響到我們設(shè)計(jì)考慮的不同，那么產(chǎn)品的規(guī)格自然就不同了；

5）需要適應(yīng)和符合的國家標(biāo)準(zhǔn)，國際標(biāo)準(zhǔn)，或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；

階段3：產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)方案

在完成了產(chǎn)品規(guī)格說明以后，我們需要針對這一產(chǎn)品，了解當(dāng)前有哪些可行的方案，通過幾個方案進(jìn)行對比，包括從成本、性能、開發(fā)周期、開發(fā)難度等多方面進(jìn)行考慮，最終選擇一個最適合自己的產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)方案。

在這一階段，我們除了確定具體實(shí)現(xiàn)的方案外，我們還需要綜合考慮，產(chǎn)品開發(fā)周期，多少人月的工作量，需要哪些資源或者外部協(xié)助，以及開發(fā)過程中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對措施，形成整個項(xiàng)目的項(xiàng)目計(jì)劃，指導(dǎo)我們的整個開發(fā)過程。?

階段4：產(chǎn)品概要設(shè)計(jì)

產(chǎn)品概要設(shè)計(jì)主要是在總體設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的細(xì)化，具體從硬件和軟件兩方面入手：

硬件模塊概要設(shè)計(jì)

硬件模塊概要設(shè)計(jì)，主要從硬件的角度出發(fā)，確認(rèn)整個系統(tǒng)的架構(gòu)，并按功能來劃分各個模塊，確定各個模塊的的大概實(shí)現(xiàn)。首先要依據(jù)我們到底要哪些外圍功能以及產(chǎn)品要完成的工作，來進(jìn)行CPU選型（注意：CPU一旦確定，那么你的周圍硬件電路，就要參考該CPU廠家提供的方案電路來設(shè)計(jì)）。然后再根據(jù)產(chǎn)品的功能需求選芯片，比如是外接AD還是用片內(nèi)AD，采用什么樣的通訊方式，有什么外部接口，還有最重要的是要考慮電磁兼容。

一般一款CPU 的生存周期是5-8年，你考慮選型的時(shí)候要注意，不要選用快停產(chǎn)的CPU，以免出現(xiàn)這樣的結(jié)局：產(chǎn)品辛辛苦苦開發(fā)了1到2 年，剛開發(fā)出來，還沒賺錢，CPU又停產(chǎn)了，又得要重新開發(fā)。很多公司就死在這個上面。

軟件模塊概要設(shè)計(jì)

軟件模塊概要設(shè)計(jì)階段，主要是依據(jù)系統(tǒng)的要求，將整個系統(tǒng)按功能進(jìn)行模塊劃分，定義好各個功能模塊之間的接口，以及模塊內(nèi)主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。

階段5：產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)

硬件模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

主要是具體的電路圖和一些具體要求，包括 PCB和外殼相互設(shè)計(jì)，尺寸這些參數(shù)。接下來，我們就需要依據(jù)硬件模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔的指導(dǎo)，完成整個硬件的設(shè)計(jì)。包括原理圖、PCB的繪制。

軟件模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

功能函數(shù)接口定義，該函數(shù)功能接口完成功能，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，全局變量，完成任務(wù)時(shí)各個功能函數(shù)接口調(diào)用流程。在完成了軟件模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)以后，就進(jìn)入具體的編碼階段，在軟件模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下，完成整個系統(tǒng)的軟件編碼。

一定要注意需要先完成模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔以后，軟件才進(jìn)入實(shí)際的編碼階段，硬件進(jìn)入具體的原理圖、PCB實(shí)現(xiàn)階段，這樣才能盡量在設(shè)計(jì)之初就考慮周全，避免在設(shè)計(jì)過程中反復(fù)修改。提高開發(fā)效率，不要為了圖一時(shí)之快，沒有完成詳細(xì)設(shè)計(jì)，就開始實(shí)際的設(shè)計(jì)步驟。

階段6&7：產(chǎn)品調(diào)試與驗(yàn)證

該階段主要是調(diào)整硬件或代碼，修正其中存在的問題和BUG，使之能正常運(yùn)行，并盡量使產(chǎn)品的功能達(dá)到產(chǎn)品需求規(guī)格說明要求。

硬件部分：

1）目測加工會得PCB板是否存在短路，器件是否焊錯，或漏焊接；

2）測試各電源對地電阻是否正常；

3）上電，測試電源是否正常；

4）分模塊調(diào)試硬件模塊，可借助示波器、邏輯分析儀等根據(jù)。

軟件部分：

驗(yàn)證軟件單個功能是否實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證軟件整個產(chǎn)品功能是否實(shí)現(xiàn)。

階段8：測試

功能測試（測試不通過，可能是有BUG）；

壓力測試（測試不通過，可能是有BUG或哪里參數(shù)設(shè)計(jì)不合理）；

性能測試（產(chǎn)品性能參數(shù)要提煉出來，供將來客戶參考，這個就是你的產(chǎn)品特征的一部分）；

其他專業(yè)測試：包括工業(yè)級的測試，例如含抗干擾測試，產(chǎn)品壽命測試，防潮濕測試，高溫和低溫測試（有的產(chǎn)品有很高的溫度或很低的溫度工作不正常，甚至停止工作）。

有的設(shè)備電子元器件在特殊溫度下，參數(shù)就會異常，導(dǎo)致整個產(chǎn)品出現(xiàn)故障或失靈現(xiàn)象的出現(xiàn)；有的設(shè)備，零下幾十度的情況下，根本就啟動不了，開不了機(jī)；有的設(shè)備在高溫下，電容或電阻值就會產(chǎn)生物理的變化，這些都會影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。這里要引出一個話題，工業(yè)級產(chǎn)品與消費(fèi)類產(chǎn)品有什么區(qū)別呢？工業(yè)級的產(chǎn)品就要避免這些異常和特殊問題，有的產(chǎn)品是在很深的海里工作，或者在嚴(yán)寒的山洞工作，或者火熱沙漠工作，或者顛簸的設(shè)備上，比如汽車；或者是需要防止雷擊；所以這就是工業(yè)級產(chǎn)品跟消費(fèi)類產(chǎn)品的區(qū)別，消費(fèi)類的產(chǎn)品就不需要做這么多的測試。

階段9：產(chǎn)品

通過上一階段完整測試驗(yàn)證，在此階段，即得到我們開發(fā)成功的產(chǎn)品。在此階段，可以比較實(shí)際的產(chǎn)品和最初的形成的產(chǎn)品規(guī)格說明，看經(jīng)過一個完整的開發(fā)過程，是否產(chǎn)品完全符合最初的產(chǎn)品規(guī)格說明，又或者，中途發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)格說明存在問題，對它進(jìn)行了多少修改呢？

附錄：嵌入式硬件開發(fā)流程

之前，我們詳細(xì)講述了嵌入式產(chǎn)品的研發(fā)流程，那么在這一節(jié)，我們具體以嵌入式產(chǎn)品的硬件部分為例，再次講解其開發(fā)過程，希望通過這一節(jié)，大家能對嵌入式硬件開發(fā)流程有更深刻的認(rèn)識，在以后的學(xué)習(xí)和工作中，更加規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，提高開發(fā)技能。嵌入式硬件開發(fā)流程一般如下圖，分為8個階段：

嵌入式產(chǎn)品的硬件形態(tài)各異，CPU 從簡單的4 位/8位單片機(jī)到32 位的ARM處理器，以及其他專用IC。另外，依據(jù)產(chǎn)品的不同需求，外圍電路也各不相同。每一次硬件開發(fā)過程，都需要依據(jù)實(shí)際的需求，考慮多方面的因素，選擇最合適的方案來。

硬件階段1：硬件產(chǎn)品需求

和普通的嵌入式產(chǎn)品需求一樣。階段1：產(chǎn)品需求。

硬件階段2：硬件總體設(shè)計(jì)方案

一個硬件開發(fā)項(xiàng)目，它的需求可能來自很多方面，比如市場產(chǎn)品的需要或性能提升的要求等，因此，作為一個硬件設(shè)計(jì)人員，我們需要主動去了解各個方面的需求并分析，根據(jù)系統(tǒng)所要完成的功能，選擇最合適的硬件方案。

在這一階段，我們需要分析整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，包括方案中主要器件的可采購性，產(chǎn)品開發(fā)投入，項(xiàng)目開發(fā)周期預(yù)計(jì)，開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)評估等，并針對開發(fā)過程中可能遇到的問題，提前選擇應(yīng)對方案，保證硬件的順利完成。

硬件階段3：硬件電路原理圖設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)方案確定后，我們即可以開展相關(guān)的設(shè)計(jì)工作，原理設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，最終產(chǎn)生詳細(xì)的設(shè)計(jì)文檔和硬件原理圖。

原理設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員最主要的兩個工作之一，在原理設(shè)計(jì)過程中，我們需要規(guī)劃硬件內(nèi)部資源，如系統(tǒng)存儲空間，以及各個外圍電路模塊的實(shí)現(xiàn)。另外，對系統(tǒng)主要的外圍電路，如電源、復(fù)位等也需要仔細(xì)的考慮，在一些高速設(shè)計(jì)或特殊應(yīng)用場合，還需要考慮EMC/EMI等。

電源是保證硬件系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)中要詳細(xì)的分析：系統(tǒng)能夠提供的電源輸入；單板需要產(chǎn)生的電源輸出；各個電源需要提供的電流大小；電源電路效率；各個電源能夠允許的波動范圍；整個電源系統(tǒng)需要的上電順序等等。

為了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，復(fù)位電路的設(shè)計(jì)也非常重要，如何保證系統(tǒng)不會在外界干擾的情況下異常復(fù)位，如何保證在系統(tǒng)運(yùn)行異常的時(shí)候能夠及時(shí)復(fù)位，以及如何合理的復(fù)位，才能保證系統(tǒng)完整的復(fù)位后，這些也都是我們在原理設(shè)計(jì)的時(shí)候需要考慮的。

同樣的，時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)也是非常重要的一個方面，一個不好的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，可能會引起通信產(chǎn)品的數(shù)據(jù)丟包，產(chǎn)生大的EMI，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

原理圖設(shè)計(jì)中要有“拿來主義”！現(xiàn)在的芯片廠家一般都可以提供參考設(shè)計(jì)的原理圖，所以要盡量的借助這些資源，在充分理解參考設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，做一些自己的發(fā)揮。

硬件階段4：PCB圖設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)階段，即是將原理圖設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的可加工的PCB 線路板，目前主流的PCB 設(shè)計(jì)軟件有PADS，Candence 和Protel幾種。

PCB設(shè)計(jì)，尤其是高速PCB，需要考慮EMC/EMI，阻抗控制，信號質(zhì)量等，對PCB 設(shè)計(jì)人員的要求比較高。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的PCB是否符合要求，有的還需要進(jìn)行PCB 仿真。并依據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整PCB 的布局布線，完成整個的設(shè)計(jì)。

硬件階段5：PCB加工文件制作與PCB打樣

PCB繪制完成以后，在這一階段，我們需要生成加工廠可識別的加工文件，即常說的光繪文件，將其交給加工廠打樣PCB 空板。一般1~4層板可以在一周內(nèi)完成打樣。

硬件階段6：硬件產(chǎn)品的焊接與調(diào)試

在拿到加工廠打樣會的 PCB空板以后，接下來我們，需要檢查PCB空板是否和我們設(shè)計(jì)預(yù)期一樣，是否存在明顯的短路或斷痕，檢查通過后，則需要將前期采購的元器件和PCB空板交由生產(chǎn)廠家進(jìn)行焊接（如果PCB 電路不復(fù)雜，為了加快速度，也可以直接手工焊接元器件）。

當(dāng)PCB 已經(jīng)焊接完成后，在調(diào)試PCB之前，一定要先認(rèn)真檢查是否有可見的短路和管腳搭錫等故障，檢查是否有元器件型號放置錯誤，第一腳放置錯誤，漏裝配等問題，然后用萬用表測量各個電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這樣可以避免貿(mào)然上電后損壞單板。調(diào)試的過程中要有平和的心態(tài)，遇見問題是非常正常的，要做的就是多做比較和分析，逐步的排除可能的原因，直致最終調(diào)試成功。

在硬件調(diào)試過程中，需要經(jīng)常使用到的調(diào)試工具有萬用表和示波器，邏輯分析儀等，用于測試和觀察板內(nèi)信號電壓和信號質(zhì)量，信號時(shí)序是否滿足要求。

硬件階段7：硬件產(chǎn)品測試

當(dāng)硬件產(chǎn)品調(diào)試通過以后，我們需要對照產(chǎn)品產(chǎn)品的需求說明，一項(xiàng)一項(xiàng)進(jìn)行測試，確認(rèn)是否符合預(yù)期的要求，如果達(dá)不到要求，則需要對硬件產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)試和修改，直到符合產(chǎn)品需求文明（一般都以需求說明文檔作為評判的一句，當(dāng)然明顯的需求說明錯誤除外）。

硬件階段8：硬件產(chǎn)品

我們最終開發(fā)的硬件成功。一個完整的，完成符合產(chǎn)品需求的硬件產(chǎn)品還不能說明一個成功的產(chǎn)品開發(fā)過程，我們還需要按照預(yù)定計(jì)劃，準(zhǔn)時(shí)高質(zhì)量的完成。才是一個成功的產(chǎn)品開發(fā)過程。

以上就是本次21ic家?guī)淼膬?nèi)容，如果還沒有看夠，可以在21ic中國電子網(wǎng)的嵌入式設(shè)計(jì)專欄進(jìn)行查閱。

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