嵌入式计算机硬件体系设计

在嵌入式系统的设计中，低功耗设计(Low-Power Design)是许多设计人员必须面对的问题。

1)选用节能的微处理器 同样的工作状态，电源电压不同，功耗是非线性增加的。

我们是在CPU的性能(Performance)和功耗(Power Consumption)方面进行比较和选择。通常可以采用每执行1M次指令所消耗的能量来进行衡量，即Watt/MIPS。但是，这仅仅是一个参考指标，实际上各个CPU的体系结构相差很大，衡量性能的方式也不尽相同，所以，我们还应该进一步分析一些细节。 我们把CPU的功率消耗分为两大部分:内核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O，总的功率等于两者之和，即P=PCORE+PI /O。对于PCORE，关键在于其供电电压和时钟频率的高低;对于PI/O来讲，除了留意各个专门I/O控制器的功耗外，还必须关注地址和数据总线宽度。

2)尽量选用CMOS集成电路 CMOS集成电路(Complementary Metal Oxide Semiconductor)即互补金属-氧化物-半导体集成电路，它最大的优点是微功耗(静态功耗几乎为零)，其次的优点是输出逻辑电平摆幅大，因而抗干扰能力强，同时它的工作温度范围也宽，因此CMOS电路一开始出现就和低功耗便携式仪器仪表结下了不解之缘。

3)、采用电池低电压供电 系统功耗和系统的供电电压存在着一定的函数关系。供电电压越高，系统功耗也就越大。目前已经出现了不少低电压供电(小于4.5V)的单片机及其外围电路，工作电压可低至1.8V。在1.8V~6V之间均可正常工作，而且对于测量精度没有影响。 在设计开发中要注意，单片机电源电压可以从6V降到1.8V，工作期间电压可以在该范围波动，但是国内的仿真器还达不到这个要求，一般都在5V下仿真工作。这时候的仿真和真正的工作状态是有区别的，所以单片机系统设计完之后一定要进行低电压测试，避免仿真时可以用，实际应用时出现问题。

4)、尽量使用"高速低频"工作方式 低功耗单片微机系统中几乎全部采用的是CMOS器件，而CMOS集成电路由自己的结构所决定，它静态功耗几乎为零，仅在逻辑状态发生转换期间，电路有电流流过。所以它的动态功耗和它的逻辑转换频率成正比，和电路的逻辑状态转换时间成正比。所以，CMOS集成电路从降低功耗的角度上来说应当快速转换，低频率地工作。

5)、充分利用微控制器上集成的功能 微控制器已经将许多硬件集成到一块芯片之中，使用这些功能比用扩展方式扩展外围电路要有效得多。首先单片化的成本要比使用扩展方式低，而且性能更好。如外围器件的驱动电压很难降低到微控制器芯片的水平，微控制器可以降低到1.8V，外围电路降到3V恐怕有相当多的芯片就会工作不稳定，而微控制器内部集成的硬件却可以有更好的电压适应能力。

6)、选用低功耗高效率的外围器件和电路 在必须选择使用某些外围器件时，尽可能选择低功耗、低电压、高效率的外围器件，象LCD液晶显示器、EEPROM等，这样是为了降低系统的总体功耗。此外还尽量选用低功耗及高效率的电路形式。低功耗的电路以低功耗为主要技术指标，它不盲目追求高速度和大的驱动能力，以满足要求为限度，因而电路的工作电流都比较小。

第1章 嵌入式系统简介

1.1 嵌入式系统的含义

1.2 对比嵌入式系统与通用计算系统

1.3 嵌入式系统的发展历程

1.4 嵌入式系统的分类

1.4.1 基于时代的分类

1.4.2 基于复杂度和性能的分类

1.5 嵌入式系统的主要应用领域

1.6 嵌入式系统的用途

1.6.1 数据采集、数据存储与数据显示

1.6.2 数据通信

1.6.3 数据（信号）处理

1.6.4 监测

1.6.5 控制

1.6.6 专用用户界面

1.7 adidas公司推出的智能跑鞋嵌入式技术与生活方式的创新结合

1.8 本章小结

1.9 重要术语

1.10 课后习题

1.11 复习题

第2章 典型的嵌入式系统

2.1 嵌入式系统的内核

2.1.1 通用处理器与专用处理器

2.1.2 专用集成电路

2.1.3 可编程逻辑器件

2.1.4 商用现货

2.2 存储器

2.2.1 程序存储器

2.2.2 读-写存储器/随机存取存储器

2.2.3 基于接口类型的存储器分类

2.2.4 存储器映射

2.2.5 嵌入式系统中的存储器选型

2.3 传感器与激励器

2.3.1 传感器

2.3.2 激励器

2.3.3 i/o子系统

2.4 通信接口

2.4.1 板上通信接口

2.4.2 外部通信接口

2.5 嵌入式固件

2.6 系统其他元件

2.6.1 复位电路

2.6.2 欠压保护电路

2.6.3 振荡器

2.6.4 实时时钟

2.6.5 看门狗定时器

2.7 pcb与无源元件

2.8 本章小结

2.9 重要术语

2.10 课后习题

2.11 复习题

2.12 实验练习题

第3章 嵌入式系统的特征与质量属性

3.1 嵌入式系统的特征

3.1.1 面向特定应用和特定领域

3.1.2 反馈与实时性

3.1.3 能够在恶劣环境中工作

3.1.4 分布式

3.1.5 尺寸小、重量轻

3.1.6 低功耗、节能

3.2 嵌入式系统的质量属性

3.2.1 工作模式下的质量属性

3.2.2 非工作模式下的质量属性

3.3 本章小结

3.4 重要术语

3.5 课后习题

3.6 复习题

第4章 嵌入式系统面向特定应用与特定领域

4.1 洗衣机 面向特定应用的嵌入式系统

4.2 汽车 面向特定领域的嵌入式系统

4.2.1 汽车嵌入式系统工作的内部情况

4.2.2 汽车通信总线

4.2.3 汽车嵌入式市场上的主流厂商

4.3 本章小结

4.4 重要术语

4.5 课后习题

4.6 复习题

第5章 使用8位微控制器8051设计嵌入式系统

5.1 控制器选型时需要考虑的因素

5.1.1 功能集合

5.1.2 运行速度

5.1.3 代码存储空间

5.1.4 数据存储空间

5.1.5 开发环境支持

5.1.6 可用性

5.1.7 功耗

5.1.8 成本

5.2 选用8051微控制器的原因

5.3 基于8051的设计

5.3.1 8051的基本架构

5.3.2 存储器结构

5.3.3 寄存器

5.3.4 振荡器

5.3.5 端口

5.3.6 中断

5.3.7 8051中断系统

5.3.8 定时器

5.3.9 串口

5.3.10 复位电路

5.3.11 省电节能模式

5.4 8052微控制器

5.5 8051/52的衍生产品

5.5.1 atmel公司的at89c51rd2/ed2

5.5.2 maxim公司的ds80c320/ds80c323

5.6 本章小结

5.7 重要术语

5.8 课后习题

5.9 复习题

5.10 实验练习题

第6章 基于8051微控制器的编程

6.1 8051支持的各种寻址模式

6.1.1 直接寻址

6.1.2 间接寻址

6.1.3 寄存器寻址

6.1.4 立即寻址

6.1.5 索引寻址

6.2 8051指令集

6.2.1 数据传输指令

6.2.2 算术运算指令

6.2.3 逻辑指令

6.2.4 布尔运算指令

6.2.5 程序控制转移指令

6.3 本章小结

6.4 重要术语

6.5 课后习题

6.6 复习题

6.7 实验练习题

第7章 软硬件协同设计与程序建模

7.1 软硬件协同设计的基本概念

7.2 嵌入式设计的计算模型

7.2.1 数据流程图模型

7.2.2 控制数据流程图

7.2.3 状态机模型

7.2.4 顺序程序模型

7.2.5 并发处理模型/通信处理模型

7.2.6 面向对象模型

7.3 统一建模语言简介

7.3.1 uml构建块

7.3.2 uml工具

7.4 软硬件权衡

7.5 本章小结

7.6 重要术语

7.7 课后习题

7.8 复习题

7.9 实验练习题

第2部分 嵌入式产品的设计与开发

第8章 嵌入式硬件设计与开发

8.1 模拟电子元件

8.2 数字电子元件

8.2.1 集电极开路与三态输出

8.2.2 逻辑门

8.2.3 缓冲器

8.2.4 锁存器

8.2.5 译码器

8.2.6 编码器

8.2.7 多路复用器

8.2.8 多路输出选择器

8.2.9 组合电路

8.2.10 时序电路

8.3 vlsi与集成电路设计

8.4 电子设计自动化工具

8.5 orcad eda工具的用法

8.6 使用orcad的capture cis 工具实现电路图设计

8.6.1 电路图绘制窗口

8.6.2 电路图绘图工具

8.6.3 电路图绘制明细

8.6.4 创建元件编号

8.6.5 设计规则检查

8.6.6 创建材料清单

8.6.7 创建网表

8.7 pcb布局布线设计

8.7.1 布局布线构建块

8.7.2 使用orcad布局布线工具完成布局布线设计

8.7.3 pcb布局布线准则

8.8 印刷电路板制造

8.8.1 各种类型的pcb

8.8.2 pcb制造方法

8.8.3 pcb设计完成后，电路板外形及其调试测试

8.9 本章小结

8.10 重要术语

8.11 课后习题

8.12 复习题

8.13 实验练习题

第9章 嵌入式固件设计与开发

9.1 嵌入式固件设计方法

9.1.1 基于超循环的方法

9.1.2 基于嵌入式操作系统的方法

9.2 嵌入式固件开发语言

9.2.1 基于汇编语言的开发

9.2.2 基于高级语言的开发

9.2.3 汇编语言与高级语言混合编程

9.3 嵌入式c编程

9.3.1 对比c语言与嵌入式c语言

9.3.2 对比编译器与交叉编译器

9.3.3 在嵌入式c编程中使用c语言

9.4 本章小结

9.5 重要术语

9.6 课后习题

9.7 复习题

9.8 实验练习题

第10章 基于实时操作系统的嵌入式系统设计

10.1 操作系统基础知识

10.2 操作系统分类

10.2.1 通用操作系统

10.2.2 实时操作系统

10.3 任务、进程与线程

10.3.1 进程

10.3.2 线程

10.4 多处理与多任务

10.5 任务调度

10.5.1 非抢占式调度

10.5.2 抢占式调度

10.6 结合使用线程、进程与调度

10.7 任务通信

10.7.1 存储器共享

10.7.2 消息传递

10.7.3 远程过程调用与套接字

10.8 任务同步

10.8.1 任务通信/同步问题

10.8.2 任务同步技术

10.9 设备驱动程序

10.10 选择rtos的方法

10.10.1 功能性需求

10.10.2 非功能性需求

10.11 本章小结

10.12 重要术语

10.13 课后习题

10.14 复习题

10.15 实验练习题

第11章 基于vxworks与microc/os-iirtos的嵌入式系统设计简介

11.1 vxworks

11.1.1 任务创建与管理

11.1.2 任务调度

11.1.3 内核服务

11.1.4 任务间通信

11.1.5 任务同步与互斥

11.1.6 中断处理

11.1.7 监控任务执行的看门狗

11.1.8 定时与定时基准

11.1.9 vxworks开发环境

11.2 microc/os-ii

11.2.1 任务创建与管理

11.2.2 内核函数与初始化

11.2.3 任务调度

11.2.4 任务间通信

11.2.5 互斥与任务同步

11.2.6 定时与定时基准

11.2.7 存储器管理

11.2.8 中断处理

11.2.9 microc/os-ii开发环境

11.3 本章小结

11.4 重要术语

11.5 课后习题

11.6 复习题

11.7 实验练习题

第12章 嵌入式硬件与固件的集成与测试

12.1 硬件与固件的集成

12.1.1 离线编程

12.1.2 在系统编程

12.1.3 在应用编程

12.1.4 使用厂家编程芯片

12.1.5 对基于操作系统的器件实现固件加载

12.2 电路板加电

12.3 本章小结

12.4 重要术语

12.5 复习题

第13章 嵌入式系统开发环境

13.1 集成开发环境

13.1.1 基于8051的keil&muvision3

13.1.2 嵌入式系统开发ide概述

13.2 交叉编译过程中生成的各种文件

13.2.1 列表文件（.lst）

13.2.2 预处理器输出文件

13.2.3 目标文件（.obj）

13.2.4 map文件（.map）

13.2.5 hex文件（.hex）

13.3 反汇编器与反编译器

13.4 模拟器、仿真器与调试

13.4.1 模拟器

13.4.2 仿真器与调试器

13.5 目标硬件调试

13.5.1 放大镜

13.5.2 万用表

13.5.3 数字cro

13.5.4 逻辑分析仪

13.5.5 函数生成器

13.6 边界扫描

13.7 本章小结

13.8 重要术语

13.9 课后习题

13.10 复习题

13.11 实验练习题

第14章 产品外壳设计与开发

14.1 产品外壳设计工具

14.2 产品外壳开发技术

14.2.1 外壳手工设计

14.2.2 快速原型开发

14.2.3 加工与制模

14.2.4 金属薄板

14.2.5 商用现货外壳

14.3 本章小结

14.4 重要术语

14.5 课后习题

14.6 复习题

第15章 嵌入式产品开发生命周期

15.1 edlc的含义

15.2 edlc的作用

15.3 edlc的目标

15.3.1 保障产品质量

15.3.2 通过管理降低风险并预防缺陷

15.3.3 提高生产效率

15.4 edlc的各个阶段

15.4.1 需求

15.4.2 概念成型

15.4.3 分析

15.4.4 设计

15.4.5 开发与测试

15.4.6 部署

15.4.7 支持

15.4.8 升级

15.4.9 退市

15.5 edlc方法（edlc建模）

15.5.1 线性/瀑布模型

15.5.2 迭代/增量模型（也称为喷泉模型）

15.5.3 原型/演化模型

15.5.4 螺旋模型

15.6 本章小结

15.7 重要术语

15.8 课后习题

15.9 复习题

第16章 嵌入式产业发展趋势

16.1 嵌入式系统处理器发展趋势

16.1.1 片上系统

16.1.2 多核处理器/片上多处理器

16.1.3 可重构处理器

16.2 嵌入式操作系统发展趋势

16.3 开发语言发展趋势

16.3.1 基于java的嵌入式开发

16.3.2 基于.net cf的嵌入式开发

16.4 开放式标准、框架与联盟

16.4.1 开放式移动联盟

16.4.2 开放式手机联盟

16.4.3 android

16.4.4 openmoko

16.5 瓶颈

16.5.1 存储器性能

16.5.2 缺少标准或标准执行力度不够

16.5.3 缺少专业的人力资源

附录a pic系列微控制器、avr系列微控制器、arm处理器简介

附录b 设计案例研究

参考文献