嵌入式硬體-讀懂原理圖

學習硬體的第一節課:學習讀懂原理圖

讀懂原理圖對嵌入式軟體工程師和程式員尤為重要。在深入細節之前請注意,對所有的嵌入式設計人員來說、能懂得硬體工程師建立和使用的來描述其硬體設計的原理圖和符号是非常重要的。無論硬體設計得多麼複雜,不管有多少設計真正硬體的實踐經驗,這些圖和符号都是迅速有效地了解複雜硬體設計的關鍵。它們還包含了與嵌入式程式員設計和硬體相容的件的相關資訊,并教會程式員如何成功地與硬體工程師溝通軟體對硬體的需求。

下面介紹了幾種不同類型工程中使用的硬體圖。

• 方框圖:

  方框圖通常在系統體系結構或更高的級别上呈現一個電路闆的主要元件(處理器、總線,輸入/輸出、存儲器)或某一個元件(如處理器)。簡而言之,方圖是對硬體抽掉其實作細節的一個基本概述。雖然方框圖可以反映包含這些主要元件的實際實體布局,但它主要還是在系統體系結構級别呈現不同的元件或元件中的單元是如何作為一個整體工作的。它是描述和再現一個系統中的元件最簡單的方法。方框圖中使用的符号很簡單,如用正方形或長方形代表晶片,用直線代表總線。方框圖通常缺乏足夠的細節、不足以使得軟體設計者編寫出所有能夠準确控制硬體的底層軟體(在沒有經曆大量頭疼的調試、測試、出錯甚至燒毀硬體的情況下)。然而,它們在傳達硬體的基本概述方面非常有用、并為建立更詳細的硬體圖提供了基礎。

​ 圖1 AMD/國家半導體公司的x86參考闆

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• 原理圖:

  原理圖是提供一個電路中所有器件或單個元件内部(從處理器到每一個電阻)更加詳細的視圖的電路圖。原理圖并不呈現電路闆及元件的實體布局,而是提供系統中的資料流資訊,定義各種信号的指定流向一一哪些信号在總線上的不同線路中傳輸,最終出現在處理器的引腳上,等等。在原理圖中,使用原理圖符号來描繪系統中的所有元件。它們通常看起來和其代表的實體器件并不相像,面是基于某種類的原理圖符号标準對實體器件的一種簡化表達。當試圖确定系統的實際工作原理或通過調試硬體、編寫和調試軟體來管理硬體時,原理圖對于硬體及軟體設計者來說都是最有用的。

​ 圖2 原理圖示例

​ 圖3 常用的原理圖符号

• 接線圖:

  這種圖用來表示電路闆上或晶片内部的主要元件和次要元件之間的總線連接配接關系。在接線圖中,用垂直及水準方向的連線來表示總線的信号線,并使用原理圖符号或者更簡單的符号(與闆上元件或元件内單元在實體上比較相像)。這些圖可以表示對元件或電路闆的實體布局的近似描述。

• 邏輯圖:

  邏輯圖使用邏輯符号(與、或、非、異或等)和邏輯輸入/輸出(1和0)來表示各種電路資訊。它并不取代原理圖,但可以幫助簡化某些特定類型的電路以了解它們如何實作其功能。

• 時序圖:

  時序圖顯示電路中各種輸入和輸出信号的時序圖形以及這些不同信号之間的關系。它們在硬體的使用者手冊和資料手冊中是繼方框圖之後第二常見的。

  不管是什麼類型的圖,為了看懂圖,首先要學習圖中使用的标準符号、約定以及規則。表1中展示了時序圖中使用的符号示例以及與每個符号關聯的輸入/輸出信号的約定。

  ​ 表1 時序圖符号表

  

圖4中是一個時序圖的示例,其中每行代表了不同的信号。關于圖中信号的上升和下降的符号表達,上升時間由信号從低電平變化到高電平所需的時間表示,下降時間由信号要元件從高電平變化到低電平所需的時間表示(符号中斜線經曆的整個時間)。當比較兩個信号時,在兩個被比較的信号的上升沿或下降沿的中心位置測量延遲時間。在圖4中的第一個下降符号信号中,在信号B和C以及A和C之間有一個下降時間的延遲。比較圖4中信号A和B的第一個下降符号,時序圖表明兩者之間沒有延遲。

圖4 時序圖示例

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