1、第第4 4章章 基于硬件構件的嵌入式基于硬件構件的嵌入式 系統開發方法系統開發方法 主要內容主要內容v4.1 4.1 嵌入式系統開發所遇到的若干問題嵌入式系統開發所遇到的若干問題v4.2 4.2 嵌入式硬件構件的基本思想與應用方法嵌入式硬件構件的基本思想與應用方法v4.3 4.3 基于硬件構件的嵌入式系統硬件電路設計基于硬件構件的嵌入式系統硬件電路設計v4.4 4.4 基于硬件構件的嵌入式底層軟件構件的編基于硬件構件的嵌入式底層軟件構件的編程方法程方法4.1 4.1 嵌入式系統開發所遇到的若干問題嵌入式系統開發所遇到的若干問題嵌入式系統開發主要存在以下兩大問題：嵌入式系統開發主要存在以下兩大問

2、題： 硬件設計缺乏重用支持硬件設計缺乏重用支持 導致硬件設計缺乏重用支持的主要原因是：目前缺少可導致硬件設計缺乏重用支持的主要原因是：目前缺少可供硬件設計工程師們共同遵守的設計規范供硬件設計工程師們共同遵守的設計規范 驅動程序可移植性差驅動程序可移植性差 驅動程序的開發在嵌入式系統的開發中具有舉足輕重驅動程序的開發在嵌入式系統的開發中具有舉足輕重的地位，長期以來，開發人員在編寫驅動程序時缺少軟件的地位，長期以來，開發人員在編寫驅動程序時缺少軟件工程思想的支撐，軟、硬件設計過程孤立，造成與硬件密工程思想的支撐，軟、硬件設計過程孤立，造成與硬件密切相關的底層軟件缺乏通用性，可移植性和可復用性較差，

3、切相關的底層軟件缺乏通用性，可移植性和可復用性較差，開發過程中缺少標準化、文檔化的管理，給開發人員之間開發過程中缺少標準化、文檔化的管理，給開發人員之間的交流以及日后系統的維護帶來很大的困難的交流以及日后系統的維護帶來很大的困難4.2 4.2 嵌入式硬件構件的基本思想與應用方法嵌入式硬件構件的基本思想與應用方法 什么是嵌入式硬件構件？什么是嵌入式硬件構件？ 嵌入式硬件構件是指將一個或多個硬件功能模塊、支撐電嵌入式硬件構件是指將一個或多個硬件功能模塊、支撐電路及其功能描述封裝成一個可重用的硬件實體，并提供一路及其功能描述封裝成一個可重用的硬件實體，并提供一系列規范的輸入系列規范的輸入/ /輸出接

4、口輸出接口 接口的分類接口的分類 根據接口之間的生產消費關系，接口可分為兩類根據接口之間的生產消費關系，接口可分為兩類l提供接口提供接口l需求接口需求接口 硬件構件的分類硬件構件的分類 根據所擁有接口類型的不同，硬件構件分為三類根據所擁有接口類型的不同，硬件構件分為三類l核心構件核心構件: :只有提供接口，沒有需求接口只有提供接口，沒有需求接口l中間構件中間構件: :既有需求接口又有提供接口既有需求接口又有提供接口l終端構件終端構件: :終端構件只有需求接口終端構件只有需求接口類型類型需求接口需求接口提供接口提供接口舉例舉例核心構件無有AW60最小系統中間構件有有電源控制構件、232電平轉換構

5、件終端構件有無LCD構件、LED構件、鍵盤構件核心構件、中間構件和終端構件的區別核心構件、中間構件和終端構件的區別4.3 4.3 基于硬件構件的嵌入式系統硬件電路設計基于硬件構件的嵌入式系統硬件電路設計4.3.1 4.3.1 設計時需要考慮的基本問題設計時需要考慮的基本問題 MCUMCU的選擇的選擇lMCUMCU功能、價格、功耗、供電電壓、功能、價格、功耗、供電電壓、I/OI/O口電平口電平l管腳數目、管腳數目、MCUMCU的封裝、電氣性能等因素的封裝、電氣性能等因素 電源電源l考慮系統對電源的需求考慮系統對電源的需求l考慮芯片與器件對電源波動性的需求考慮芯片與器件對電源波動性的需求l考慮工作

6、電源是使用電源模塊還是使用外接電源考慮工作電源是使用電源模塊還是使用外接電源 普通普通I/OI/O口口l上拉、下拉電阻上拉、下拉電阻l開關量輸入。一定要保證高低電壓分明開關量輸入。一定要保證高低電壓分明l開關量輸出。高電平接近電源電壓，低電平接近地電平開關量輸出。高電平接近電源電壓，低電平接近地電平 A/DA/D電路與電路與D/AD/A電路電路lA/DA/D電路：要清楚前端采樣基本原理，對電阻型、電流型電路：要清楚前端采樣基本原理，對電阻型、電流型和電壓型傳感器采用不同的采集電路和電壓型傳感器采用不同的采集電路lD/AD/A電路：考慮電路：考慮MCUMCU的引腳通過何種輸出電路控制實際對象的引

7、腳通過何種輸出電路控制實際對象 控制電路控制電路4.3.2 4.3.2 硬件構件化電路原理圖繪制的簡明規則硬件構件化電路原理圖繪制的簡明規則硬件構件設計的通用規則硬件構件設計的通用規則l元器件命名格式：對于核心構件，其元器件直接編號命名，元器件命名格式：對于核心構件，其元器件直接編號命名，同種類型的元件命名時冠以相同的字母前綴同種類型的元件命名時冠以相同的字母前綴l為硬件構件添加詳細的文字描述，包括中文名稱、英文名稱、為硬件構件添加詳細的文字描述，包括中文名稱、英文名稱、功能描述、接口描述、注意事項等，以增強原理圖的可讀性功能描述、接口描述、注意事項等，以增強原理圖的可讀性l將前兩步產生的內容

8、封裝在一個虛線框內，組成硬件構件的將前兩步產生的內容封裝在一個虛線框內，組成硬件構件的內部實體內部實體l為該硬件構件添加與其它構件交互的輸入為該硬件構件添加與其它構件交互的輸入/ /輸出接口標識輸出接口標識核心構件設計規則核心構件設計規則l核心構件設計的目標是：凡是使用該核心構件設計的目標是：凡是使用該MCUMCU進行硬件系統設計進行硬件系統設計時，核心構件可以直接時，核心構件可以直接“組裝組裝”到系統中，無須任何改動到系統中，無須任何改動電源控制構件電源控制構件可變頻率產生構件可變頻率產生構件LCDLCD構件構件鍵盤構件鍵盤構件中間構件設計規則中間構件設計規則l中間構件是核心構件與終端構件之

9、間通信的橋梁。中間構件是核心構件與終端構件之間通信的橋梁。l既要有接受其它構件提供的服務的接口，又要有為其他既要有接受其它構件提供的服務的接口，又要有為其他構件提供服務的接口構件提供服務的接口l將構件的需求接口放置在構件實體的左側，提供接口放將構件的需求接口放置在構件實體的左側，提供接口放置在右側置在右側終端構件設計規則終端構件設計規則l終端構件是嵌入式系統中最常見的構件。終端構件是嵌入式系統中最常見的構件。l有與上一級構件交互的需求接口，因而接口標識均為斜有與上一級構件交互的需求接口，因而接口標識均為斜體標注的接口注釋。體標注的接口注釋。l例如例如LCDLCD、LEDLED、指示燈構件、指示

10、燈構件使用硬件構件組裝系統的方法使用硬件構件組裝系統的方法 使用硬件構件化思想設計嵌入式硬件系統的過程是：使用硬件構件化思想設計嵌入式硬件系統的過程是：l根據系統的功能劃分出若干個硬件構件根據系統的功能劃分出若干個硬件構件l將所有硬件構件原理圖將所有硬件構件原理圖“組裝組裝”在一起在一起l為中間構件和終端構件添加接口網標為中間構件和終端構件添加接口網標4.3.3 PCB4.3.3 PCB設計基本原則設計基本原則布局規劃布局規劃l首先要打印出相應的原理圖，確定整個首先要打印出相應的原理圖，確定整個PCBPCB板的板的大體布局，即各個硬件構件的位置安排大體布局，即各個硬件構件的位置安排lPCBPC

11、B板的形狀如無其他要求，一般為矩形，長寬板的形狀如無其他要求，一般為矩形，長寬比為比為4:34:3或或3:23:2l考慮面板上元件的放置要求。考慮邊緣接口考慮面板上元件的放置要求。考慮邊緣接口元件放置元件放置l芯片盡可能正放。元件放置整齊。同一硬件構件芯片盡可能正放。元件放置整齊。同一硬件構件內的元件盡可能排放在一起內的元件盡可能排放在一起l電源模塊的濾波電容要求靠近電源，考慮元件間電源模塊的濾波電容要求靠近電源，考慮元件間的距離的距離lPLLPLL濾波電路應盡量靠近濾波電路應盡量靠近MCUMCU有關設定有關設定l導線盡可能寬，這樣既可以減小阻抗，又可以防導線盡可能寬，這樣既可以減小阻抗，又可

12、以防止由于制造工藝的原因導致導線斷路止由于制造工藝的原因導致導線斷路l導線間距離以及導線與元件間距離要盡可能地大，導線間距離以及導線與元件間距離要盡可能地大，這樣可以有效解決焊接時短路的問題這樣可以有效解決焊接時短路的問題l過孔大小設定要適中過孔大小設定要適中布線布線l布線時，應該首先對時鐘和高速信號進行布線，布線時，應該首先對時鐘和高速信號進行布線，以確保它們的走線盡可能直接以確保它們的走線盡可能直接l石英晶振和對噪聲特別敏感的器件下面不要走線石英晶振和對噪聲特別敏感的器件下面不要走線l布板完成后一定要進行自動與人工檢查布板完成后一定要進行自動與人工檢查測量點測量點l原理圖中模塊的輸入輸出引

13、腳原理圖中模塊的輸入輸出引腳l最小系統模塊中最小系統模塊中MCUMCU的引腳的引腳l各硬件功能模塊單元的輸入、輸出口各硬件功能模塊單元的輸入、輸出口模塊標示模塊標示lPCBPCB板上用矩形框將各個硬件構件區分開板上用矩形框將各個硬件構件區分開l并用漢字標出構件名（與原理圖一致），并注意字體字號并用漢字標出構件名（與原理圖一致），并注意字體字號鋪地鋪地l在鋪地前，要設定地與導線、地與引腳之間的距離，并要在鋪地前，要設定地與導線、地與引腳之間的距離，并要求該距離盡可能大求該距離盡可能大l如果電路板中有數字地和模擬地，應將它們隔離開，兩者如果電路板中有數字地和模擬地，應將它們隔離開，兩者間使用磁珠相

14、連間使用磁珠相連空余位置的利用空余位置的利用l電源、地，空白處多留幾排電源和地電源、地，空白處多留幾排電源和地l雙排孔，留出幾排兩孔相連的排孔，以用來擴展雙排孔，留出幾排兩孔相連的排孔，以用來擴展或試驗時焊接其他元件或試驗時焊接其他元件l固定孔，在固定孔，在PCBPCB上畫固定板的固定孔，一般在板上畫固定板的固定孔，一般在板的四個角落的四個角落標注相關信息標注相關信息l在完成在完成PCBPCB板的鋪地之后，要在板的正面適當位板的鋪地之后，要在板的正面適當位置標出以下信息置標出以下信息l單位、日期、責任人、單位、日期、責任人、PCBPCB板的名稱、編號等板的名稱、編號等4.4 4.4 基于硬件構

15、件的嵌入式底層軟件構件的編程方法基于硬件構件的嵌入式底層軟件構件的編程方法4.4.1 4.4.1 嵌入式硬件構件和軟件構件的層次模型嵌入式硬件構件和軟件構件的層次模型 嵌入式軟件構件（嵌入式軟件構件（Embedded Software Component, Embedded Software Component, ESCESC）是實現一定嵌入式系統功能的一組封裝的、規）是實現一定嵌入式系統功能的一組封裝的、規范的、可重用的、具有嵌入特性的軟件單元，是組織范的、可重用的、具有嵌入特性的軟件單元，是組織嵌入式系統的功能單位嵌入式系統的功能單位 嵌入式軟件構件分為高層軟件構件和底層軟件構件嵌入式軟件

16、構件分為高層軟件構件和底層軟件構件u高層構件與硬件無關高層構件與硬件無關u底層構件與硬件密不可分，是硬件驅動程序的封裝底層構件與硬件密不可分，是硬件驅動程序的封裝 中間構件和終端構件是核心構件的中間構件和終端構件是核心構件的“外設外設” “外設外設”的驅動程序封裝而成的軟件構件稱為底層外的驅動程序封裝而成的軟件構件稱為底層外設構件設構件嵌入式硬件構件與軟件構件的層次模型嵌入式硬件構件與軟件構件的層次模型4.4.2 4.4.2 底層構件的實現方法與編程思想底層構件的實現方法與編程思想頭文件和源程序文件兩部分組成頭文件和源程序文件兩部分組成對構件的共性和個性進行分析，抽取出構件的屬性和對對構件的共

17、性和個性進行分析，抽取出構件的屬性和對外接口函數外接口函數在編寫構件時，主要注意以下幾方面的內容在編寫構件時，主要注意以下幾方面的內容: :l構件的頭文件和源程序文件的主文件名一致，且為構件名構件的頭文件和源程序文件的主文件名一致，且為構件名l屬性和操作的命名統一以構件名開頭屬性和操作的命名統一以構件名開頭l對對MCUMCU內的模塊寄存器名和端口名進行重定義內的模塊寄存器名和端口名進行重定義l內部函數與外部函數要設計合理，函數參數個數及類型要內部函數與外部函數要設計合理，函數參數個數及類型要考慮全面考慮全面l應用程序在使用底層構件時，嚴格禁止通過全局變量來傳應用程序在使用底層構件時，嚴格禁止通

18、過全局變量來傳遞參數，所有的數據傳遞都要通過函數的形式參數來接收遞參數，所有的數據傳遞都要通過函數的形式參數來接收4.4.3 4.4.3 硬件構件及底層軟件構件的重用與移植方法硬件構件及底層軟件構件的重用與移植方法移植是指將一個系統中使用到的構件應用到另外一個系統移植是指將一個系統中使用到的構件應用到另外一個系統中。中。硬件構件的重用與移植硬件構件的重用與移植l以終端構件以終端構件LCDLCD為例，介紹硬件構件的移植方法為例，介紹硬件構件的移植方法底層構件的移植底層構件的移植l以以SCISCI和和LCDLCD為例介紹底層構件的移植方法為例介紹底層構件的移植方法在進行軟硬件移植時，設計人員所做的改動要盡量小，而在進行軟硬件移植時，設計人員所做的改動要盡量小，而不是不作任何改動不是不作任何改動第第4 4章習題章習題1 1簡要闡述嵌入式硬件構件的基本思想及優點。簡要闡述嵌入式硬件構件的基本思想及優點。2 2硬件構件如何分類？給出各類硬件構件的定義及原理圖設計硬件構件如何分類？給出各類硬件構件的定義及原理圖設計 要點。要點。3 3為什么要將某些寄存器名和寄存器位在頭