嵌入式系统设计的三个层次简介

第一步：

硬件设计：主要是设计硬件电路图、绘制硬件原理图、绘制硬件PCB图、制作出PCB板。

第二步：

软件设计：主要是设计系统的底层函数、API函数、植入操作系统、设计应用程序。

第三步：

调试：在PCB上运行调试程序

1、启动一个硬件开发项目

原始的推动力会来自于很多方面，比如市场的需要，基于整个系统架构的需要，应用软件部门的功能实现需要，提高系统某方面能力的需要等等，所以作为一个硬件系统的设计者，要主动的去了解各个方面的需求，并且综合起来，提出最合适的硬件解决方案。比如A项目的原始推动力来自于公司内部的一个高层软件小组，他们在实际当中发现原有的处理器板IP转发能力不能满足要求，从而对于系统的配置和使用都会造成很大的不便，所以他们提出了对新硬件的需求。

根据这个目标，硬件方案中就针对性的选用了两个高性能网络处理器，然后还需要深入的和软件设计者交流，以确定内存大小，内部结构，对外接口和调试接口的数量及类型等等细节，比如软件人员喜欢将控制信令通路和数据通路完全分开来，这样在确定内部数据走向的时候要慎重考虑。

项目开始之初是需要召开很多的讨论会议的，应该尽量邀请所有相关部门来参与，好处有三个，第一可以充分了解大家的需要，以免在系统设计上遗漏重要的功能，第二是可以让各个部门了解这个项目的情况，提早做好时间和人员上协作的准备，第三是从感情方面讲，在设计之初各个部门就参与了进来，这个项目就变成了大家共同的一个心血结晶，会得到大家的呵护和良好合作，对完成工作是很有帮助的。

2、原理图设计中要注意的问题

原理图设计中要有“拿来主义”，现在的芯片厂家一般都可以提供参考设计的原理图，所以要尽量的借助这些资源，

在充分理解参考设计的基础上，做一些自己的发挥。当主要的芯片选定以后，最关键的外围设计包括了电源，时钟和芯片间的互连。

电源是保证硬件系统正常工作的基础，设计中要详细的分析：系统能够提供的电源输入；单板需要产生的电源输出； 各个电源需要提供的电流大小；电源电路效率；各个电源能够允许的波动范围；整个电源系统需要的上电顺序等等。

比如A项目中的网络处理器需要1.25V作为核心电压，要求精度在＋5%- －3%之间，电流需要12A左右，根据这些要求， 设计中采用5V的电源输入，利用Linear的开关电源控制器和IR的MOSFET搭建了合适的电源供应电路，精度要求决定了输出电容的ESR选择，并且为防止电流过大造成的电压跌落，加入了远端反馈的功能。 时钟电路的实现要考虑到目标电路的抖动等要求，A项目中用到了GE的PHY器件，刚开始的时候使用一个内部带锁相环的零延时时钟分配芯片提供100MHz时钟，结果GE链路上出现了丢包，后来换成简单的时钟Buffer器件就解决了丢包问题，分析起来就是内部的锁相环引入了抖动。

芯片之间的互连要保证数据的无误传输，在这方面，高速的差分信号线具有速率高，好布线，信号完整性好等特点，A项目中的多芯片间互连均采用了高速差分信号线，在调试和测试中没有出现问题。

3、PCB设计中要注意的问题

PCB设计中要做到目的明确，对于重要的信号线要非常严格的要求布线的长度和处理地环路，而对于低速和不重要的信号线就可以放在稍低的布线优先级上。重要的部分包括：电源的分割；内存的时钟线，控制线和数据线的长度要求；高速差分线的布线等等。

A项目中使用内存芯片实现了1G大小的DDR memory，针对这个部分的布线是非常关键的，要考虑到控制线和地址线的拓扑分布，数据线和时钟线的长度差别控制等方面，在实现的过程中，根据芯片的数据手册和实际的工作频率可以得出具体的布线规则要求，比如同一组内的数据线长度相差不能超过多少个mil，每个通路之间的长度相差不能超过多少个mil等等。当这些要求确定后就可以明确要求PCB设计人员来实现了，如果设计中所有的重要布线要求都明确了，可以转换成整体的布线约束，利用CAD中的自动布线工具软件来实现PCB设计，这也是在高速PCB设计中的一个发展趋势。

4、检查和调试

当准备调试一块板的时候，一定要先认真的做好目视检查，检查在焊接的过程中是否有可见的短路和管脚搭锡等故障，检查是否有元器件型号放置错误，第一脚放置错误，漏装配等问题，然后用万用表测量各个电源到地的电阻，以检查是否有短路，这个好习惯可以避免贸然上电后损坏单板。调试的过程中要有平和的心态，遇见问题是非常正常的，要做的`就是多做比较和分析，逐步的排除可能的原因，要坚信“凡事都是有办法解决的”和“问题出现一定有它的原因”，这样最后一定能调试成功。

5、一些总结的话

现在从技术的角度来说，每个设计最终都可以做出来，但是一个项目的成功与否，不仅仅取决于技术上的实现，还与完成的时间，产品的质量，团队的配合密切相关，所以良好的团队协作，透明坦诚的项目沟通，精细周密的研发安排，充裕的物料和人员安排，这样才能保证一个项目的成功。

一个好的硬件工程师实际上就是一个项目经理，他/她需要从外界交流获取对自己设计的需求，然后汇总，分析成具体的硬件实现。还要跟众多的芯片和方案供应商联系，从中挑选出合适的方案，当原理图完成后，他/她要组织同事来进行配合评审和检查，还要和CAD工程师一起工作来完成PCB的设计。与此同时，还要准备好 BOM清单，开始采购和准备物料，联系加工厂家完成板的贴装。在调试的过程中他/她要组织好软件工程师来一起攻关调试，配合测试工程师一起解决测试中发现的问题，等到产品推出到现场，如果出现问题，还需要做到及时的支持。所以做一个硬件设计人员要锻炼出良好的沟通能力，面对压力的调节能力，同一时间处理多个事务的协调和决断能力和良好平和的心态等等。

还有细心和认真，因为硬件设计上的一个小疏忽往往就会造成非常大的经济损失，比如以前碰到一块板在PCB设计完备出制造文件的时候误操作造成了电源层和地层连在了一起，PCB板制造完毕后又没有检查直接上生产线贴装，到测试的时候才发现短路问题，但是元器件已经都焊接到板上了，结果造成了几十万的损失。所以细心和认真的检查，负责任的测试，不懈的学习和积累，才能使得一个硬件设计人员持续不断的进步，而后术业有所小成。

与传统的嵌入式系统设计方法不同，软/硬件协同设计强调软件和硬件设计开发的并行性和相互反馈，克服了传统方法中把软件和硬件分开设计所带来的种种弊端，协

调软件和硬件之间的制约关系，达到系统高效工作的目的，软/硬件协同设计提高了设计抽象的层次,拓展了设计覆盖的范围。

1、处理器内核：嵌入式系统的心脏是处理器内核。处理器内核从一个简单便宜的8位微控制器，到更复杂的32位或64位微处理器，甚至多个处理器。嵌入式设计人员必须为能够满足所有功能和非功能时限、要求的应用选择成本最低的设备。

2、模拟I/O：D/A和A/D转换器是用来从环境中搜集数据并反馈的。嵌人式设计人员必须了解需要从环境中搜集数据的类型、数据的精度要求和输入/输出数据的速率，以便为应用程序选择合适的转换器。嵌入式系统的反应特性受外部环境决定。嵌入式系统必须有足够快的速度跟上环境变化，以此来模拟信息，例如光、声压或加速度被感知并输入到嵌入式系统中。

3、传感器和执行机构：传感器一般从环境中感知模拟信息。执行机构通过某些方式控制环境。

4、用户界面：这些界面可以像LED屏一样简单，也可以像工艺精良的手机和数码相机的屏幕那样复杂。

5、应用程序的特定入口：类似于ASIC或者FPGA的硬件加速，是用来加速在应用程序中有高性能要求的特定功能模块。嵌入式设计师必须利用加速器获得最大的应用程序性能，来对程序进行适当的筹划或分区。

6、软件：在嵌入式系统开发中软件是一个重要的部分。在过去几年，嵌入式软件的数量已经增长得比摩尔定律还快，几乎是每十个月就成倍增长。嵌入式软件在某些方面性能、存储器和功耗、经常被优化。越来越多的嵌入式软件通过高级语言来编写，如C/C++。而更多的性能关键的代码段仍然使用汇编语言来编写。

7、存储器：存储器是嵌入式系统中重要的部分，嵌入式程序可以在没有RAM或ROM的情况下运行。有许多易失的和非易失的存储器用于嵌入式系统中，关于此内容在书的后面会有更多的说明。

8、仿真和诊断：嵌入式系统很难看见或接触到。调试的时候需要接口与嵌入式系统相连。诊断端口，如JTAG联合测试行动组、就常常用于调试嵌入式系统。片上仿真能用来提供应用程序的可见性行为。这些仿真模块能可视化地提供运行时的行为和性能，实际上由板上的自诊断能力取代了外部逻辑分析仪的功能。

一、嵌入式系统开发流程 

1、系统需求分析：根据需求，确定设计任务和设计目标，指定设计说明书。 

2、体系结构设计：描述系统如何实现所述的功能需求，包括对硬件、软件和执行装置的功能划分以及系统的软件、硬件选型。

3、硬件/软件协同设计：基于体系结构的设计结果，对系统的硬件、软件进行详细设计。一般情况下嵌入式系统设计的工作大部分都集中在软件设计上，现代软件工程经常采用的方法是面向对象技术、软件组件技术和模块化设计。 

4、系统集成：把系统的硬件、软件和执行装置集成在一起进行调试，发现并改进设计过程中的不足之处。

5、系统测试：对设计好的系统进行测试，检验系统是否满足实际需求。

二、嵌入式软件开发 

嵌入式软件开发的一般流程为需求分析、软件概要设计、软件详细设计、软件实现和软件测试。与一般的软件开发区别主要在于软件实现的编译和调试两部分即为交叉编译与交叉调试。

嵌入式系统是计算机软件和硬件的综合体，岗位包括：ESE(嵌入式软件工程师)；ADE(嵌入式应用开发工程师)；FWE(嵌入式底层开发工程师)；FEC（嵌入式固件开发工程师），我有全套嵌入式视频课可以发给你自学。

课程内容主要包括：

①C，Java核心编程：c语言核心编程，Java核心编程；

②Linux核心操作与算法：Linux系统使用，Linux-c编程核心技术，精品数据结构，Linux-c编程精髓；

③核心操作与算法：Linux系统编程，Linux网络编程核心技术，UI编程，Java核心编程，安卓核心技术；

④ARM+Linux底层开发：数字电路，ARM编程核心，Linux系统开发，嵌入式Linux驱动开发；

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专业知识是为应用目标服务的，嵌入式系统的应用范围非常大，涵盖的技术领域也很多。学习者不宜简单地从菜单名称中挑选，而应该先清楚自己是否适合相应的基本特点和要求。//

嵌入式系统的两个特点：一、嵌入在目标应用系统中为之服务；二、通常都是实时应用，有对应的时限要求。//

由此具备两大要求：一、与现实物理世界进行信息交互的各种技术，例如获取现实物理世界信息的各种传感器技术，以及将处理结果输出给现实物理世界各种形态的技术。二、在资源受限条件下的实时信息处理技术。资源包括有形的物理设施和能源，以及无形的时间、空间资源。由于实际目标系统的现实应用环境限制，也间接限制了嵌入式系统的资源配置。所以，嵌入式系统必须以尽可能少的资源配置来完成。俗话说，限制越多，做事越难。这就对设计者提出了很高的要求，应具备非常广泛且高度灵活、又具有创造性的思维与实现能力。正因为效率优先的需求，实际上嵌入式系统的硬件与软件是高度融合的，根据实际需要，灵活采用软件硬化和硬件软化的手段，所以嵌入式系统的硬件设计者也必须掌握相应的软件技术，否则不可能设计出合适的系统。//

衡量自己的实际能力特长和爱好，兼顾考虑学习基础的扎实对今后发展的支持，选择合适的专业。//