设备开发板 SMT 组装

开发板是用于嵌入式系统开发的电路板，包括中央处理器、存储器、输入设备、输出设备、数据通路/总线和外部资源接口等一系列硬件部件。 开发板一般由嵌入式系统开发人员根据开发需要自行定制，也可以由用户自行研究设计。 开发板供初学者了解和学习系统的硬件和软件。 同时，部分开发板还提供了基本的集成开发环境、软件源代码和硬件原理图。 常见的开发板有51、ARM、FPGA、DSP开发板。 开发板除了集成CPU、FPGA、DSP等外，还需要比较完善的输入输出接口，如键盘和LCD、程序下载接口、存储器（RAM）、FlashROM、电源模块等。

基本概述

开发板（演示板）是用于嵌入式系统开发的电路板，包括中央处理器、存储器、输入设备、输出设备、数据通路/总线和外部资源接口等一系列硬件部件。 在一般的嵌入式系统开发过程中，硬件一般分为两个平台，一个是开发平台（host），一个是目标平台（target），即开发板。 这里所说的开发平台是指使用计算机通过串口（RS-232）、USB、并口、网络（Ethernet）等传输接口连接到目标平台。

开发板一般由嵌入式系统开发人员根据开发需要自行定制，也可以由用户自行研究设计。 开发板供初学者了解和学习系统的硬件和软件。 同时，部分开发板还提供了基本的集成开发环境、软件源代码和硬件原理图。 常见的开发板有51、ARM、FPGA、DSP开发板。

选型要求

进行嵌入式系统开发，首先要选择符合自己开发需求的CPU、FPGA、DSP类型，然后根据选择的CPU、FPGA、DSP类型选择支持所选芯片的开发板范围 。再次，开发板提供的开发环境和技术支持能力和水平优先。 最后需要考虑的是，开发板除了集成CPU、FPGA、DSP等外，还需要比较完善的输入输出接口，如键盘和LCD、程序下载接口、内存（RAM）、闪存 、电源模块等。同时为了方便开发初期调试，会引出JTAG接口、USB、串口等几个特殊管脚，供外部调试模块使用。

开发迁移

硬件和规格选定后，下一步就是进入初始系统开发，建立开放环境。 如果项目中使用的嵌入式操作系统不是自己开发的，而是从其他厂商购买的，大多会提供集成开发环境（IDE）和仿真器，以便开发者加快整个开发过程。 当您拿到系统厂商移植的操作系统，并确认您提供了足够的相关信息后，您就可以对您的目标平台进行集成操作了。

操作系统选定后，通常会指定开发平台上使用的各种开发工具，如编译器、链接器等，开发时需要设置的编译参数会根据每个环境而有所不同。 这部分必须根据硬件规格和指令编译一个可执行的镜像文件，然后通过烧录工具烧录到目标平台。

开发板分类

单片机

① 51系列单片机

51 单片机的种类很多。 8031/8051/8751是Intel的早期产品，ATMEL的AT89C51和AT89S52比较实用。 ATMEL公司的51系列还有AT89C2051、AT89C1051等品种。 这些芯片是在AT89C51的基础上，对部分功能进行简化后形成的简化版。 目前市面上的芯片有ATMEL的51和52芯片，HYUNDAI的GMS97系列，WINBOND的78e52、78e58、77e58。

② PIC系列单片机

在全球范围内，PIC单片机可广泛应用于从计算机外设、家电控制、通讯、智能仪表、汽车电子到金融电子等各个领域。 PIC系列单片机分为：基本系列，如PIC16C5X，适用于各种对成本要求严格的家用电器的选型； 中间系列，如PIC12C6XX，具有内部A/D转换器、E2PROM数据存储器、比较器输出、PWM输出、I2C和SPI接口等高性能； PIC中间系列产品适用于各种高、中、低端电子产品的设计。 高级系列，如PIC17CXX，具有丰富的I/O控制功能，可外扩EPROM和RAM，适用于高中档电子设备。

③ AVR系列单片机

AVR单片机是ATMEL于1997年开发的一款内置Flash的增强型RISC（精简指令集CPU），是一种高速8位精简指令集单片机。 AVR的单片机可广泛应用于计算机周边设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。

④ ARM开发板

ARM开发板是ARM核心芯片的嵌入式开发版本，包括ARM7、ARM9、ARM11、Cortex-M、Cortex-A、Cortex-R。 文档统一，方便开发。 目前包括ATMEL、NXP、ST、Freescale在内的芯片都推出了基于ARM内核的芯片和相应的开发板。

CPLD/FPGA

CPLD（Complex Programmable Logic Device）复杂可编程逻辑器件是从PAL和GAL器件发展而来的器件。 规模较大，结构复杂，属于大规模集成电路的范畴。 它是一种数字集成电路，用户可以根据自己的需要在其中构造逻辑功能。 其基本设计方法是利用集成开发软件平台，通过原理图和硬件描述语言生成相应的目标文件，通过下载线将代码传输到目标芯片（“在系统”编程），实现 设计的数字系统。

今天有许多公司开发了 CPLD 可编程逻辑器件。 比较典型的是世界三大权威公司Altera、Lattice、Xilinx的产品。 下面介绍常用的芯片：Altera EPM7128S（PLCC84）、Lattice LC4128V（TQFP100）、Xilinx XC95108（PLCC84）

FPGA是英文Field-Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件基础上进一步发展的产物。 它作为一种半定制电路出现在专用集成电路（ASIC）领域，既解决了定制电路的缺点，又克服了原有可编程器件门数量有限的缺点。

目前FPGA的品种很多，如XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

DSP

DSP（Digital Signal Processor）是一种独特的微处理器，是一种用数字信号处理大量信息的装置。 其工作原理是接收模拟信号，将其转换为0或1的数字信号，然后对数字信号进行修改、删除、加强，在其他系统芯片中将数字数据解译回模拟数据或实际环境格式 . 它不仅可编程，而且实时运行速度可达每秒数千万条复杂指令程序，远超通用微处理器。 它是数字电子世界中越来越重要的计算机芯片。 其强大的数据处理能力和高运行速度是最值得称赞的两个特点。

目前主流的DSP芯片主要有ADI公司的TI 2000系列、TI 5000系列、TI6000系列和ADI DSP系列。

ARM

ARM是Advanced RISC Machines的缩写，是一类微处理器的总称。 ARM也是微处理器行业的知名公司，设计了大量高性能、廉价、低功耗的RISC处理器、相关技术和软件。 该技术具有高性能、低成本和低能耗的特点。 适用于多种领域，例如嵌入式控制、消费/教育多媒体、DSP 和移动应用。

     目前主流的ARM分为以下几类：

     ARM7TDMI 用于 Game Boy Advance、Nintendo DS、iPod

     ARM9TDMI Armadillo, GP32, GP2X (first core), Tapwave Zodiac (Motorolai.MX1)； GP2X（二核）

     ARM9E Nintendo DS，NokiaN-GageConexant 802.11 芯片； 意法半导体STR91xF，

     ARM11 诺基亚 N93、Zune、诺基亚 N800、诺基亚 E72

     皮质德州仪器 OMAP3； Broadcom 是用户； Luminary Micro 系列微控制器

MIPS

MIPS是国际上非常流行的RISC处理器。 MIPS的意思是“没有互锁管道阶段的微处理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），它的机制是用软件的方法尽可能避免流水线中与数据相关的问题。

MIPS 最初是由斯坦福大学 Hennessy 教授领导的研究小组在 80 年代初期开发的。 MIPS的R系列是在此基础上开发的RISC工业产品微处理器。 这些系列产品被许多计算机公司用来组成各种工作站和计算机系统。

可以说MIPS是最畅销的RISC CPU。 从任何地方，如索尼、任天堂游戏机、思科路由器和 SGI 超级计算机，都可以看到 MIPS 产品的销售。 与Intel相比，MIPS的授权费较低，因此被除Intel以外的大部分芯片厂商所采用。 之后，MIPS改变策略，开始专注于嵌入式系统，先后开发出高性能、低功耗的32位处理器内核（core）MIPS324Kc和高性能64位处理器内核MIPS64 5Kc。 2000 年，MIPS 发布了 MIPS32 4Kc 和 64 位 MIPS 64 20Kc 处理器内核版本。

MIPS32 4KcTM 处理器是一款高性能、低电压的 32 位 MIPS RISC 内核，专为使用 MIPS 技术的片上系统而设计。

MIPS 64 20Kc具有强大的浮点能力，可以组成不同的系统，从一个处理器的Octane工作站到64个处理器的Origin 2000服务器； 这款CPU比较适合图形工作站。 最新的MIPS R12000芯片已经应用在SGI的服务器上，目前主频最高可达400MHz。

MIPS K系列微处理器是目前使用最多的处理器之一，仅次于ARM（MIPS在1999年以前是世界上使用最多的处理器），应用领域涵盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等。 虽然在手机应用中所占比例很小，但MIPS在通用数字消费、互联网语音、个人娱乐、通讯和商业应用市场取得了相当不错的成绩。 而其应用最为广泛的应该是家用视听电器（包括机顶盒）、网通产品、汽车电子等。

PPC

PowerPC 是具有精简指令集 (RISC) 架构的中央处理器 (CPU)。 其基本设计来自IBM（International Business Machines Corporation）的POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；《IBM Connect Newsletter》2007年8月号译为“增强型RISC性能优化”）架构。 上世纪90年代，IBM（国际商业机器公司）、苹果公司（Apple Corporation）和摩托罗拉（Motorola）成功开发了PowerPC芯片，并制造了基于PowerPC的多处理器计算机。 PowerPC 体系结构具有良好的可扩展性、便利性和灵活性。

PowerPC 处理器的实现范围很广，从像 Power4 这样的高端服务器 CPU 到嵌入式 CPU 市场（Nintendo Gamecube 使用 PowerPC）。 PowerPC处理器以其优异的性能、低功耗、低散热等特点，具有非常强的嵌入式性能。 除了串行和以太网控制器等集成 I/O 之外，该嵌入式处理器与“桌面”CPU 有很大不同。 例如，PowerPC 处理器的 4xx 系列缺乏浮点运算，还使用软件控制的 TLB 进行内存管理，而不是桌面芯片中的反向页表。

硬件驱动

大多数嵌入式硬件都需要某种类型的软件来进行初始化和管理。 直接与硬件交互并控制硬件的软件称为设备驱动程序。 所有需要软件的嵌入式系统在其系统软件层都需要设备驱动程序软件。 设备驱动程序是初始化硬件的软件库。 他们管理高级软件对硬件的访问。 它是连接硬件和操作系统、中间件和应用层的纽带。 具体而言，此类驱动程序包括特定于主机处理器架构的功能驱动程序、内存和内存管理驱动程序、总线初始化和事务驱动程序以及板级和主机 CPU 级 I/O 初始化和控制驱动程序（例如用于网络、图形、 输入设备、存储设备、调试 I/O 等）。

设备驱动程序通常分为特定于体系结构的设备驱动程序和通用设备驱动程序。 特定于体系结构的设备驱动程序管理嵌入在主处理器（体系结构）中的硬件。 特定于体系结构的驱动程序负责初始化主机处理器中的组件。 此类驱动程序的示例包括用于片上内存、集成内存管理器 (MMU) 和浮点硬件的驱动程序。 通用设备驱动程序管理板上的硬件以及未集成到主处理器中的硬件。 在通用设备驱动程序中，通常包含一部分特定于体系结构的源代码，因为主处理器是中央控制单元，访问板上的任何组件通常都要经过主处理器。 但是，通用驱动程序还可以管理不专用于特定处理器的板级硬件，这意味着通用驱动程序可以配置为在许多体系结构上使用，只要该体系结构包含驱动程序对应的硬件即可。 . 通用驱动程序包含初始化和管理对板上其余主要组件的访问的代码，包括板级总线（I2C、PCI、PCMCIA 等）、片外存储器（控制器、二级缓存、闪存等） .) ) 和片外 I/O（以太网、RS-232、显示器、鼠标等）。

零件

嵌入式微处理器

嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器。 嵌入式微处理器与通用CPU的最大区别在于，嵌入式微处理器大多工作在专门为特定用户群设计的系统中。 完成的任务都集成在芯片内部，有利于嵌入式系统设计的小型化，同时具有较高的效率和可靠性。

嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系结构或哈佛体系结构； 指令系统可选择精简指令集计算机（RISC）和复杂指令系统CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。 RISC计算机只在通道中包含最有用的指令，以保证数据通道快速执行每条指令，从而提高执行效率，使CPU硬件结构设计更加容易。

嵌入式微处理器有各种各样的系统，即使在同一个系统中，它们也可能有不同的时钟频率和数据总线宽度，或者集成不同的外设和接口。 据不完全统计，目前全球有1000多种嵌入式微处理器，架构有30多个系列，其中主流系统有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH。 但与全球PC市场不同的是，目前还没有嵌入式微处理器可以称霸市场。 就32位产品而言，嵌入式微处理器有100多种。 嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用来确定的。

存储

      嵌入式系统需要内存来存储和执行代码。 嵌入式系统的存储器包括缓存、主存储器和辅助存储器。

      缓存是一种容量小、速度快的内存阵列。 它位于主存储器和嵌入式微处理器内核之间，存放微处理器最近使用的程序代码和数据。 当需要进行数据读取操作时，微处理器尽量从Cache中读取数据，而不是从主存中读取数据，这大大提高了系统的性能，改善了微处理器与主存之间的连接。 数据传输速率。 Cache的主要目标是减少内存（如主存和辅存）对微处理器核心造成的内存访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。 在嵌入式系统中，Cache全部集成在嵌入式微处理器中，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小取决于不同的处理器。 一般中高端的嵌入式微处理器都会集成Cache。

      主存储器是嵌入式微处理器可以直接访问的寄存器，用于存储系统和用户的程序和数据。 它可以位于微处理器内部或外部，其容量为256KB~1GB，视具体应用而定。 一般片内存储器容量小速度快，片外存储器容量大。 常用作主存的存储器有：ROM NOR Flash、EPROM、PROM。 RAM型SRAM、DRAM和SDRAM等。其中，NOR Flash以其可擦写次数高、存储速度快、存储容量大、价格低廉等优点，在嵌入式领域得到广泛应用。

辅助记忆

辅助存储器用于存储程序代码或数据量大的信息。 容量大，但读取速度比主存慢很多，用于长期存储用户信息。

嵌入式系统中常用的外部存储有：硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

通用接口

嵌入式系统与外界的交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过与微处理器连接实现输入/输出 其他片外设备或传感器的功能。 每个外设通常只有一个功能，可以在片上也可以在片外。 外围设备有多种类型，从简单的串行通信设备到非常复杂的 802.11 无线设备。

目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模拟/数字转换接口）、D/A（数字/模拟转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口） 、以太网（Ethernet Interface）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外设接口）和IrDA（红外线接口）等。

现状与趋势

信息时代和数字时代给了嵌入式产品巨大的发展机遇，展现了嵌入式市场的美好前景，同时也对嵌入式厂商提出了新的挑战。 由此，我们可以看到嵌入式系统的未来。 主要发展趋势：

1、嵌入式开发是一个系统工程，要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，还要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。

目前，很多厂商都充分考虑到了这一点。 在推进制度的同时，他们也注重推进发展环境。 例如三星在推广Arm7和Arm9芯片的同时，也提供了开发板、版本和支持包（BSP），WindowCE在主系统推广时也提供了Embedded VC++作为开发工具，还有Vxworks的Tonado开发环境 以及DeltaOS的LiMDA编译环境。 等就是这一趋势的典型表现。 当然，这也是市场竞争的结果。

2、随着互联网技术的成熟和带宽的提高，网络化、信息化的要求使得以往功能单一的设备，如电话、手机、冰箱、微波炉等不再具有单一的功能 , 结构变得更加复杂。

这就需要芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能。 为了满足应用功能的升级，设计人员使用更强大的嵌入式处理器，如32位和64位RISC芯片或信号处理器DSP来增强处理能力。 同时增加功能接口，如USB，扩展总线类型，如CAN BUS，加强多媒体、图形等处理，逐步实现片上系统（SOC）的概念。 在软件方面，采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术，控制功能复杂度，简化应用程序设计，保证软件质量，缩短开发周期。 如惠普

3、网络互联成为必然趋势。

为了适应网络发展的要求，未来的嵌入式设备必须在硬件上提供各种网络通信接口。 传统的单片机对网络的支持不足，新一代的嵌入式处理器开始嵌入网络接口。 除了支持TCP/IP协议外，有的支持IEEE1394、USB、CAN、蓝牙或IrDA等通信接口中的一种或几种，还需要相应的通信网络协议软件和物理层驱动软件。 在软件方面，系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入网络浏览器，真正做到随时随地使用各种设备上网。

4、简化系统核心、算法，降低功耗和软硬件成本。

未来的嵌入式产品是硬件和软件紧密结合的设备。 为了降低功耗和成本，设计人员需要尽可能简化系统核心，只保留与系统功能密切相关的硬件和软件，用最少的资源实现最合适的功能。 设计人员需要选择最佳的编程模型并不断改进算法以优化编译器性能。 因此，软件人员不仅需要具备丰富的硬件知识，还需要开发先进的嵌入式软件技术，如Java、Web、WAP等。

5、提供友好的多媒体人机界面

嵌入式设备与用户紧密联系的最重要因素是它可以提供非常友好的用户界面。 图形化的界面和灵活的控制方式，让人感觉嵌入式设备就像一位熟悉的老朋友。 这种要求使得嵌入式软件设计人员不得不在图形界面和多媒体技术上下功夫。 手写文字输入、语音拨号、上网、收发电子邮件、丰富多彩的图形图像，都让用户倍感轻松。 目前，一些先进的PDA已经实现了在显示屏上书写汉字和语音发布短信，但普通嵌入式设备还有很长的路要走。