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嵌入式硬件-读懂原理图

2023-05-16

学习硬件的第一节课:学习读懂原理图

读懂原理图对嵌入式软件工程师和程序员尤为重要。在深入细节之前请注意,对所有的嵌入式设计人员来说、能懂得硬件工程师创建和使用的来描述其硬件设计的原理图和符号是非常重要的。无论硬件设计得多么复杂,不管有多少设计真正硬件的实践经验,这些图和符号都是迅速有效地理解复杂硬件设计的关键。它们还包含了与嵌入式程序员设计和硬件兼容的件的相关信息,并教会程序员如何成功地与硬件工程师沟通软件对硬件的需求。

下面介绍了几种不同类型工程中使用的硬件图。

  • 方框图:

    方框图通常在系统体系结构或更高的级别上呈现一个电路板的主要组件(处理器、总线,输入/输出、存储器)或某一个组件(如处理器)。简而言之,方图是对硬件抽掉其实现细节的一个基本概述。虽然方框图可以反映包含这些主要组件的实际物理布局,但它主要还是在系统体系结构级别呈现不同的组件或组件中的单元是如何作为一个整体工作的。它是描述和再现一个系统中的组件最简单的方法。方框图中使用的符号很简单,如用正方形或长方形代表芯片,用直线代表总线。方框图通常缺乏足够的细节、不足以使得软件设计者编写出所有能够准确控制硬件的底层软件(在没有经历大量头疼的调试、测试、出错甚至烧毁硬件的情况下)。然而,它们在传达硬件的基本概述方面非常有用、并为创建更详细的硬件图提供了基础。

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​ 图1 AMD/国家半导体公司的x86参考板

​

  • 原理图:

    原理图是提供一个电路中所有器件或单个元件内部(从处理器到每一个电阻)更加详细的视图的电路图。原理图并不呈现电路板及组件的物理布局,而是提供系统中的数据流信息,定义各种信号的指定流向一一哪些信号在总线上的不同线路中传输,最终出现在处理器的引脚上,等等。在原理图中,使用原理图符号来描绘系统中的所有元件。它们通常看起来和其代表的物理器件并不相像,面是基于某种类的原理图符号标准对物理器件的一种简化表达。当试图确定系统的实际工作原理或通过调试硬件、编写和调试软件来管理硬件时,原理图对于硬件及软件设计者来说都是最有用的。

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​ 图2 原理图示例

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​ 图3 常用的原理图符号

  • 接线图:

    这种图用来表示电路板上或芯片内部的主要元件和次要元件之间的总线连接关系。在接线图中,用垂直及水平方向的连线来表示总线的信号线,并使用原理图符号或者更简单的符号(与板上元件或元件内单元在物理上比较相像)。这些图可以表示对组件或电路板的物理布局的近似描述。

  • 逻辑图:

    逻辑图使用逻辑符号(与、或、非、异或等)和逻辑输入/输出(1和0)来表示各种电路信息。它并不取代原理图,但可以帮助简化某些特定类型的电路以了解它们如何实现其功能。

  • 时序图:

    时序图显示电路中各种输入和输出信号的时序图形以及这些不同信号之间的关系。它们在硬件的用户手册和数据手册中是继方框图之后第二常见的。

    不管是什么类型的图,为了看懂图,首先要学习图中使用的标准符号、约定以及规则。表1中展示了时序图中使用的符号示例以及与每个符号关联的输入/输出信号的约定。

    ​ 表1 时序图符号表
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图4中是一个时序图的示例,其中每行代表了不同的信号。关于图中信号的上升和下降的符号表达,上升时间由信号从低电平变化到高电平所需的时间表示,下降时间由信号要组件从高电平变化到低电平所需的时间表示(符号中斜线经历的整个时间)。当比较两个信号时,在两个被比较的信号的上升沿或下降沿的中心位置测量延迟时间。在图4中的第一个下降符号信号中,在信号B和C以及A和C之间有一个下降时间的延迟。比较图4中信号A和B的第一个下降符号,时序图表明两者之间没有延迟。

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图4 时序图示例

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