嵌入式系統(tǒng)硬件設計教學研究與探索

徐友 趙濤 沈亞斌

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

關鍵詞 嵌入式硬件設計;嵌入式微處理器;嵌入式接口技術;嵌入式硬件調試;EDA;Protel

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）18-0076-03

1 前言

嵌入式計算機技術廣泛應用于軍事、工業(yè)、生活等各個領域，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]。為適應國內對嵌入式技術和嵌入式開發(fā)人才的需求，國內各高等院校開始開設嵌入式系統(tǒng)課程。嵌入式系統(tǒng)設計內容主要包括嵌入式硬件設計和軟件設計，嵌入式硬件是嵌入式系統(tǒng)的支撐平臺，直接關系嵌入式系統(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)人員進行設計，嵌入式系統(tǒng)硬件設計是嵌入式系統(tǒng)教學的重要內容之一。因此，有必要對嵌入式系統(tǒng)硬件設計的教學進行分析和研究，并對嵌入式系統(tǒng)硬件設計的教學內容和教學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)硬件設計教學內容、嵌入式系統(tǒng)硬件設計的教學目標等方面，對嵌入式系統(tǒng)硬件設計教學進行詳細闡述，提出更為合理的教學內容和教學目標，提高學生的嵌入式硬件設計能力及解決實際問題的動手能力，達到嵌入式系統(tǒng)綜合訓練的教學目的。

2 嵌入式系統(tǒng)硬件設計的基礎知識

嵌入式系統(tǒng)硬件設計具有綜合性和工程應用實踐性[2-3]，

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

模擬電子技術? 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，負責對模擬信號進行采集、放大、數(shù)學運算等。模擬電路一般由運算放大器構成，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。嵌入式設計人員應具有扎實的模擬電路設計基礎。

數(shù)字電子技術? 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，時序電路負責信號變換和測量，組合邏輯電路負責數(shù)字邏輯運算。嵌入式系統(tǒng)中的接口電路常常需要應用數(shù)字電路進行設計。

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)，嵌入式設計人員必須具備計算組成原理的基礎理論。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)硬件設計涵蓋嵌入式處理器選型及其基本電路設計、存儲系統(tǒng)、總線接口和輸入輸出系統(tǒng)的設計。

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

3 嵌入式硬件設計教學內容的合理安排

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

嵌入式系統(tǒng)硬件設計主要涉及嵌入式微處理器和接口設備，其中嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件的核心，嵌入式接口設備關系到嵌入式系統(tǒng)的功能擴展，嵌入式系統(tǒng)硬件設計教學必須包括嵌入式微處理器的電路設計及其接口電路設計，即嵌入式處理器電路設計、嵌入式系統(tǒng)電源設計、時鐘電路設計、復位電路設計、接口電路設計，嵌入式硬件設計教學應以此循序漸進安排授課內容。

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，在教學過程中，授課教師應向學生介紹常見的幾種嵌入式處理器及其功能特點、應用場合，培養(yǎng)學生的處理器選型能力和數(shù)據(jù)手冊閱讀能力。教師指導學生在閱讀處理器的數(shù)據(jù)手冊時，應能夠引導學生獲取處理器的主頻、內部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。嵌入式硬件設計教學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電源，開關電源轉換效率較高，紋波和干擾較大;而線性電源轉換效率較低，紋波和干擾較小。在需要大電流供電的場合，如處理器的內核供電，嵌入式電源應盡量采用開關電源;而在需要較高的精度和較低干擾的模數(shù)轉換（AD）電路中，應采用線性電源。教師在授課過程中應分別就開關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、典型電路結構、設計步驟、電路參數(shù)計算等。如開關電源設計可以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，不應超過處理器的最高頻率。時鐘電路結構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，使用處理器內部振蕩器。嵌入式硬件設計課程應能詳細分析時鐘電路結構。

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

嵌入式接口技術? 嵌入式系統(tǒng)接口是處理器連接外部設備的通道，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。地址總線負責向外部設備發(fā)送地址信息，數(shù)據(jù)總線用于從外部設備讀取或寫入數(shù)據(jù)信息，控制總線負責向外部設備發(fā)送控制信號。根據(jù)總線的結構，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，物理連接復雜，在實際應用中可根據(jù)具體需求選擇總線結構。輸入輸出系統(tǒng)由外部設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存訪問（DMA）方式與外部設備通信。邏輯時序是嵌入式接口技術的重要內容之一，嵌入式硬件設計授課過程中應以并行時序、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系，讓學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計奠定基礎。

嵌入式模數(shù)轉換技術? 模數(shù)轉換器（AD）是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分之一，可將模擬信號轉換成處理器可處理和存儲的數(shù)字信號。模數(shù)轉換包括采樣、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。選擇AD轉換器時，設計人員需關注AD轉換器的四個參數(shù)，即采樣率、有效轉換位數(shù)、模擬量輸入范圍、接口方式。其中，采樣率為AD轉換器的采樣速度，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;有效轉換位數(shù)決定了AD的精度，有效轉換位數(shù)越高，則轉換精度越高，常用的轉換位數(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，在嵌入式硬件設計課程授課過程中，任課教師應針對嵌入式系統(tǒng)硬件設計的各個具體環(huán)節(jié)分別進行詳細闡述，并對一些前期的基礎課程進行必要的輔導和復習，明確嵌入式硬件設計過程中涉及的主要前期課程和重點內容，為學生課后自學和復習指明正確的方向。

4 嵌入式系統(tǒng)硬件調試能力的培養(yǎng)

嵌入式系統(tǒng)硬件設計的教學應能夠培養(yǎng)學生在課題研究和設計過程中進行嵌入式系統(tǒng)硬件調試的能力，掌握嵌入式系統(tǒng)硬件調試步驟和調試方法。嵌入式系統(tǒng)硬件調試應遵循從處理器基本電路至外設電路的調試順序，首先調試嵌入式處理器的電源電路、時鐘電路和復位電路，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;在此基礎上，逐步通過處理器的外設總線調試嵌入式系統(tǒng)的外設，在調試總線和外設時須充分理解待調試總線的工作時序，確保處理器能夠與外設進行通信，并測試通信的穩(wěn)定性。

5 結語

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

參考文獻

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[6]袁鵬，陳淑芳.嵌入式系統(tǒng)教學實踐的探索[J].科技信息，2012（33）：180.