開發(fā)板是用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的電路板，包括中央處理器、存儲器、輸入設備、輸出設備、數(shù)據(jù)通路/總線和外部資源接口等一系列硬件部件。 開發(fā)板一般由嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員根據(jù)開發(fā)需要自行定制，也可以由用戶自行研究設計。 開發(fā)板供初學者了解和學習系統(tǒng)的硬件和軟件。 同時，部分開發(fā)板還提供了基本的集成開發(fā)環(huán)境、軟件源代碼和硬件原理圖。 常見的開發(fā)板有51、ARM、FPGA、DSP開發(fā)板。 開發(fā)板除了集成CPU、FPGA、DSP等外，還需要比較完善的輸入輸出接口，如鍵盤和LCD、程序下載接口、存儲器（RAM）、FlashROM、電源模塊等。

基本概述

開發(fā)板（演示板）是用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的電路板，包括中央處理器、存儲器、輸入設備、輸出設備、數(shù)據(jù)通路/總線和外部資源接口等一系列硬件部件。 在一般的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中，硬件一般分為兩個平臺，一個是開發(fā)平臺（host），一個是目標平臺（target），即開發(fā)板。 這里所說的開發(fā)平臺是指使用計算機通過串口（RS-232）、USB、并口、網(wǎng)絡（Ethernet）等傳輸接口連接到目標平臺。

開發(fā)板一般由嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員根據(jù)開發(fā)需要自行定制，也可以由用戶自行研究設計。 開發(fā)板供初學者了解和學習系統(tǒng)的硬件和軟件。 同時，部分開發(fā)板還提供了基本的集成開發(fā)環(huán)境、軟件源代碼和硬件原理圖。 常見的開發(fā)板有51、ARM、FPGA、DSP開發(fā)板。

選型要求

進行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，首先要選擇符合自己開發(fā)需求的CPU、FPGA、DSP類型，然后根據(jù)選擇的CPU、FPGA、DSP類型選擇支持所選芯片的開發(fā)板范圍 。再次，開發(fā)板提供的開發(fā)環(huán)境和技術支持能力和水平優(yōu)先。 最后需要考慮的是，開發(fā)板除了集成CPU、FPGA、DSP等外，還需要比較完善的輸入輸出接口，如鍵盤和LCD、程序下載接口、內(nèi)存（RAM）、閃存 、電源模塊等。同時為了方便開發(fā)初期調試，會引出JTAG接口、USB、串口等幾個特殊管腳，供外部調試模塊使用。

開發(fā)遷移

硬件和規(guī)格選定后，下一步就是進入初始系統(tǒng)開發(fā)，建立開放環(huán)境。 如果項目中使用的嵌入式操作系統(tǒng)不是自己開發(fā)的，而是從其他廠商購買的，大多會提供集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和仿真器，以便開發(fā)者加快整個開發(fā)過程。 當您拿到系統(tǒng)廠商移植的操作系統(tǒng)，并確認您提供了足夠的相關信息后，您就可以對您的目標平臺進行集成操作了。

操作系統(tǒng)選定后，通常會指定開發(fā)平臺上使用的各種開發(fā)工具，如編譯器、鏈接器等，開發(fā)時需要設置的編譯參數(shù)會根據(jù)每個環(huán)境而有所不同。 這部分必須根據(jù)硬件規(guī)格和指令編譯一個可執(zhí)行的鏡像文件，然后通過燒錄工具燒錄到目標平臺。

開發(fā)板分類

單片機

① 51系列單片機

51 單片機的種類很多。 8031/8051/8751是Intel的早期產(chǎn)品，ATMEL的AT89C51和AT89S52比較實用。 ATMEL公司的51系列還有AT89C2051、AT89C1051等品種。 這些芯片是在AT89C51的基礎上，對部分功能進行簡化后形成的簡化版。 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系列單片機

在全球范圍內(nèi)，PIC單片機可廣泛應用于從計算機外設、家電控制、通訊、智能儀表、汽車電子到金融電子等各個領域。 PIC系列單片機分為：基本系列，如PIC16C5X，適用于各種對成本要求嚴格的家用電器的選型； 中間系列，如PIC12C6XX，具有內(nèi)部A/D轉換器、E2PROM數(shù)據(jù)存儲器、比較器輸出、PWM輸出、I2C和SPI接口等高性能； PIC中間系列產(chǎn)品適用于各種高、中、低端電子產(chǎn)品的設計。 高級系列，如PIC17CXX，具有豐富的I/O控制功能，可外擴EPROM和RAM，適用于高中檔電子設備。

③ AVR系列單片機

AVR單片機是ATMEL于1997年開發(fā)的一款內(nèi)置Flash的增強型RISC（精簡指令集CPU），是一種高速8位精簡指令集單片機。 AVR的單片機可廣泛應用于計算機周邊設備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。

④ ARM開發(fā)板

ARM開發(fā)板是ARM核心芯片的嵌入式開發(fā)版本，包括ARM7、ARM9、ARM11、Cortex-M、Cortex-A、Cortex-R。 文檔統(tǒng)一，方便開發(fā)。 目前包括ATMEL、NXP、ST、Freescale在內(nèi)的芯片都推出了基于ARM內(nèi)核的芯片和相應的開發(fā)板。

CPLD/FPGA

CPLD（Complex Programmable Logic Device）復雜可編程邏輯器件是從PAL和GAL器件發(fā)展而來的器件。 規(guī)模較大，結構復雜，屬于大規(guī)模集成電路的范疇。 它是一種數(shù)字集成電路，用戶可以根據(jù)自己的需要在其中構造邏輯功能。 其基本設計方法是利用集成開發(fā)軟件平臺，通過原理圖和硬件描述語言生成相應的目標文件，通過下載線將代碼傳輸?shù)侥繕诵酒ā霸谙到y(tǒng)”編程），實現(xiàn) 設計的數(shù)字系統(tǒng)。

今天有許多公司開發(fā)了 CPLD 可編程邏輯器件。 比較典型的是世界三大權威公司Altera、Lattice、Xilinx的產(chǎn)品。 下面介紹常用的芯片：Altera EPM7128S（PLCC84）、Lattice LC4128V（TQFP100）、Xilinx XC95108（PLCC84）

FPGA是英文Field-Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。 它作為一種半定制電路出現(xiàn)在專用集成電路（ASIC）領域，既解決了定制電路的缺點，又克服了原有可編程器件門數(shù)量有限的缺點。

目前FPGA的品種很多，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）是一種獨特的微處理器，是一種用數(shù)字信號處理大量信息的裝置。 其工作原理是接收模擬信號，將其轉換為0或1的數(shù)字信號，然后對數(shù)字信號進行修改、刪除、加強，在其他系統(tǒng)芯片中將數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或實際環(huán)境格式 . 它不僅可編程，而且實時運行速度可達每秒數(shù)千萬條復雜指令程序，遠超通用微處理器。 它是數(shù)字電子世界中越來越重要的計算機芯片。 其強大的數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度是最值得稱贊的兩個特點。

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的縮寫，是一類微處理器的總稱。 ARM也是微處理器行業(yè)的知名公司，設計了大量高性能、廉價、低功耗的RISC處理器、相關技術和軟件。 該技術具有高性能、低成本和低能耗的特點。 適用于多種領域，例如嵌入式控制、消費/教育多媒體、DSP 和移動應用。

     目前主流的ARM分為以下幾類：

     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； 意法半導體STR91xF，

     ARM11 諾基亞 N93、Zune、諾基亞 N800、諾基亞 E72

     皮質德州儀器 OMAP3； Broadcom 是用戶； Luminary Micro 系列微控制器

MIPS

MIPS是國際上非常流行的RISC處理器。 MIPS的意思是“沒有互鎖管道階段的微處理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），它的機制是用軟件的方法盡可能避免流水線中與數(shù)據(jù)相關的問題。

MIPS 最初是由斯坦福大學 Hennessy 教授領導的研究小組在 80 年代初期開發(fā)的。 MIPS的R系列是在此基礎上開發(fā)的RISC工業(yè)產(chǎn)品微處理器。 這些系列產(chǎn)品被許多計算機公司用來組成各種工作站和計算機系統(tǒng)。

可以說MIPS是最暢銷的RISC CPU。 從任何地方，如索尼、任天堂游戲機、思科路由器和 SGI 超級計算機，都可以看到 MIPS 產(chǎn)品的銷售。 與Intel相比，MIPS的授權費較低，因此被除Intel以外的大部分芯片廠商所采用。 之后，MIPS改變策略，開始專注于嵌入式系統(tǒng)，先后開發(fā)出高性能、低功耗的32位處理器內(nèi)核（core）MIPS324Kc和高性能64位處理器內(nèi)核MIPS64 5Kc。 2000 年，MIPS 發(fā)布了 MIPS32 4Kc 和 64 位 MIPS 64 20Kc 處理器內(nèi)核版本。

MIPS32 4KcTM 處理器是一款高性能、低電壓的 32 位 MIPS RISC 內(nèi)核，專為使用 MIPS 技術的片上系統(tǒng)而設計。

MIPS 64 20Kc具有強大的浮點能力，可以組成不同的系統(tǒng)，從一個處理器的Octane工作站到64個處理器的Origin 2000服務器； 這款CPU比較適合圖形工作站。 最新的MIPS R12000芯片已經(jīng)應用在SGI的服務器上，目前主頻最高可達400MHz。

MIPS K系列微處理器是目前使用最多的處理器之一，僅次于ARM（MIPS在1999年以前是世界上使用最多的處理器），應用領域涵蓋游戲機、路由器、激光打印機、掌上電腦等。 雖然在手機應用中所占比例很小，但MIPS在通用數(shù)字消費、互聯(lián)網(wǎng)語音、個人娛樂、通訊和商業(yè)應用市場取得了相當不錯的成績。 而其應用最為廣泛的應該是家用視聽電器（包括機頂盒）、網(wǎng)通產(chǎn)品、汽車電子等。

PPC

PowerPC 是具有精簡指令集 (RISC) 架構的中央處理器 (CPU)。 其基本設計來自IBM（International Business Machines Corporation）的POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；《IBM Connect Newsletter》2007年8月號譯為“增強型RISC性能優(yōu)化”）架構。 上世紀90年代，IBM（國際商業(yè)機器公司）、蘋果公司（Apple Corporation）和摩托羅拉（Motorola）成功開發(fā)了PowerPC芯片，并制造了基于PowerPC的多處理器計算機。 PowerPC 體系結構具有良好的可擴展性、便利性和靈活性。

PowerPC 處理器的實現(xiàn)范圍很廣，從像 Power4 這樣的高端服務器 CPU 到嵌入式 CPU 市場（Nintendo Gamecube 使用 PowerPC）。 PowerPC處理器以其優(yōu)異的性能、低功耗、低散熱等特點，具有非常強的嵌入式性能。 除了串行和以太網(wǎng)控制器等集成 I/O 之外，該嵌入式處理器與“桌面”CPU 有很大不同。 例如，PowerPC 處理器的 4xx 系列缺乏浮點運算，還使用軟件控制的 TLB 進行內(nèi)存管理，而不是桌面芯片中的反向頁表。

硬件驅動

大多數(shù)嵌入式硬件都需要某種類型的軟件來進行初始化和管理。 直接與硬件交互并控制硬件的軟件稱為設備驅動程序。 所有需要軟件的嵌入式系統(tǒng)在其系統(tǒng)軟件層都需要設備驅動程序軟件。 設備驅動程序是初始化硬件的軟件庫。 他們管理高級軟件對硬件的訪問。 它是連接硬件和操作系統(tǒng)、中間件和應用層的紐帶。 具體而言，此類驅動程序包括特定于主機處理器架構的功能驅動程序、內(nèi)存和內(nèi)存管理驅動程序、總線初始化和事務驅動程序以及板級和主機 CPU 級 I/O 初始化和控制驅動程序（例如用于網(wǎng)絡、圖形、 輸入設備、存儲設備、調試 I/O 等）。

設備驅動程序通常分為特定于體系結構的設備驅動程序和通用設備驅動程序。 特定于體系結構的設備驅動程序管理嵌入在主處理器（體系結構）中的硬件。 特定于體系結構的驅動程序負責初始化主機處理器中的組件。 此類驅動程序的示例包括用于片上內(nèi)存、集成內(nèi)存管理器 (MMU) 和浮點硬件的驅動程序。 通用設備驅動程序管理板上的硬件以及未集成到主處理器中的硬件。 在通用設備驅動程序中，通常包含一部分特定于體系結構的源代碼，因為主處理器是中央控制單元，訪問板上的任何組件通常都要經(jīng)過主處理器。 但是，通用驅動程序還可以管理不專用于特定處理器的板級硬件，這意味著通用驅動程序可以配置為在許多體系結構上使用，只要該體系結構包含驅動程序對應的硬件即可。 . 通用驅動程序包含初始化和管理對板上其余主要組件的訪問的代碼，包括板級總線（I2C、PCI、PCMCIA 等）、片外存儲器（控制器、二級緩存、閃存等） .) ) 和片外 I/O（以太網(wǎng)、RS-232、顯示器、鼠標等）。

零件

嵌入式微處理器

嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式微處理器。 嵌入式微處理器與通用CPU的最大區(qū)別在于，嵌入式微處理器大多工作在專門為特定用戶群設計的系統(tǒng)中。 完成的任務都集成在芯片內(nèi)部，有利于嵌入式系統(tǒng)設計的小型化，同時具有較高的效率和可靠性。

嵌入式微處理器的體系結構可以采用馮·諾依曼體系結構或哈佛體系結構； 指令系統(tǒng)可選擇精簡指令集計算機（RISC）和復雜指令系統(tǒng)CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。 RISC計算機只在通道中包含最有用的指令，以保證數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每條指令，從而提高執(zhí)行效率，使CPU硬件結構設計更加容易。

嵌入式微處理器有各種各樣的系統(tǒng)，即使在同一個系統(tǒng)中，它們也可能有不同的時鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或者集成不同的外設和接口。 據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球有1000多種嵌入式微處理器，架構有30多個系列，其中主流系統(tǒng)有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH。 但與全球PC市場不同的是，目前還沒有嵌入式微處理器可以稱霸市場。 就32位產(chǎn)品而言，嵌入式微處理器有100多種。 嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應用來確定的。

存儲

      嵌入式系統(tǒng)需要內(nèi)存來存儲和執(zhí)行代碼。 嵌入式系統(tǒng)的存儲器包括緩存、主存儲器和輔助存儲器。

      緩存是一種容量小、速度快的內(nèi)存陣列。 它位于主存儲器和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放微處理器最近使用的程序代碼和數(shù)據(jù)。 當需要進行數(shù)據(jù)讀取操作時，微處理器盡量從Cache中讀取數(shù)據(jù)，而不是從主存中讀取數(shù)據(jù)，這大大提高了系統(tǒng)的性能，改善了微處理器與主存之間的連接。 數(shù)據(jù)傳輸速率。 Cache的主要目標是減少內(nèi)存（如主存和輔存）對微處理器核心造成的內(nèi)存訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強。 在嵌入式系統(tǒng)中，Cache全部集成在嵌入式微處理器中，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小取決于不同的處理器。 一般中高端的嵌入式微處理器都會集成Cache。

      主存儲器是嵌入式微處理器可以直接訪問的寄存器，用于存儲系統(tǒng)和用戶的程序和數(shù)據(jù)。 它可以位于微處理器內(nèi)部或外部，其容量為256KB~1GB，視具體應用而定。 一般片內(nèi)存儲器容量小速度快，片外存儲器容量大。 常用作主存的存儲器有：ROM NOR Flash、EPROM、PROM。 RAM型SRAM、DRAM和SDRAM等。其中，NOR Flash以其可擦寫次數(shù)高、存儲速度快、存儲容量大、價格低廉等優(yōu)點，在嵌入式領域得到廣泛應用。

輔助記憶

輔助存儲器用于存儲程序代碼或數(shù)據(jù)量大的信息。 容量大，但讀取速度比主存慢很多，用于長期存儲用戶信息。

嵌入式系統(tǒng)中常用的外部存儲有：硬盤、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。

通用接口

嵌入式系統(tǒng)與外界的交互需要一定形式的通用設備接口，如A/D、D/A、I/O等，外設通過與微處理器連接實現(xiàn)輸入/輸出 其他片外設備或傳感器的功能。 每個外設通常只有一個功能，可以在片上也可以在片外。 外圍設備有多種類型，從簡單的串行通信設備到非常復雜的 802.11 無線設備。

目前嵌入式系統(tǒng)中常用的通用設備接口有A/D（模擬/數(shù)字轉換接口）、D/A（數(shù)字/模擬轉換接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口） 、以太網(wǎng)（Ethernet Interface）、USB（通用串行總線接口）、音頻接口、VGA視頻輸出接口、I2C（現(xiàn)場總線）、SPI（串行外設接口）和IrDA（紅外線接口）等。

現(xiàn)狀與趨勢

信息時代和數(shù)字時代給了嵌入式產(chǎn)品巨大的發(fā)展機遇，展現(xiàn)了嵌入式市場的美好前景，同時也對嵌入式廠商提出了新的挑戰(zhàn)。 由此，我們可以看到嵌入式系統(tǒng)的未來。 主要發(fā)展趨勢：

1、嵌入式開發(fā)是一個系統(tǒng)工程，要求嵌入式系統(tǒng)廠商不僅要提供嵌入式軟硬件系統(tǒng)本身，還要提供強大的硬件開發(fā)工具和軟件包支持。

目前，很多廠商都充分考慮到了這一點。 在推進制度的同時，他們也注重推進發(fā)展環(huán)境。 例如三星在推廣Arm7和Arm9芯片的同時，也提供了開發(fā)板、版本和支持包（BSP），WindowCE在主系統(tǒng)推廣時也提供了Embedded VC++作為開發(fā)工具，還有Vxworks的Tonado開發(fā)環(huán)境 以及DeltaOS的LiMDA編譯環(huán)境。 等就是這一趨勢的典型表現(xiàn)。 當然，這也是市場競爭的結果。

2、隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的成熟和帶寬的提高，網(wǎng)絡化、信息化的要求使得以往功能單一的設備，如電話、手機、冰箱、微波爐等不再具有單一的功能 , 結構變得更加復雜。

這就需要芯片設計廠商在芯片上集成更多的功能。 為了滿足應用功能的升級，設計人員使用更強大的嵌入式處理器，如32位和64位RISC芯片或信號處理器DSP來增強處理能力。 同時增加功能接口，如USB，擴展總線類型，如CAN BUS，加強多媒體、圖形等處理，逐步實現(xiàn)片上系統(tǒng)（SOC）的概念。 在軟件方面，采用實時多任務編程技術和交叉開發(fā)工具技術，控制功能復雜度，簡化應用程序設計，保證軟件質量，縮短開發(fā)周期。 如惠普

3、網(wǎng)絡互聯(lián)成為必然趨勢。

為了適應網(wǎng)絡發(fā)展的要求，未來的嵌入式設備必須在硬件上提供各種網(wǎng)絡通信接口。 傳統(tǒng)的單片機對網(wǎng)絡的支持不足，新一代的嵌入式處理器開始嵌入網(wǎng)絡接口。 除了支持TCP/IP協(xié)議外，有的支持IEEE1394、USB、CAN、藍牙或IrDA等通信接口中的一種或幾種，還需要相應的通信網(wǎng)絡協(xié)議軟件和物理層驅動軟件。 在軟件方面，系統(tǒng)內(nèi)核支持網(wǎng)絡模塊，甚至可以在設備上嵌入網(wǎng)絡瀏覽器，真正做到隨時隨地使用各種設備上網(wǎng)。

4、簡化系統(tǒng)核心、算法，降低功耗和軟硬件成本。

未來的嵌入式產(chǎn)品是硬件和軟件緊密結合的設備。 為了降低功耗和成本，設計人員需要盡可能簡化系統(tǒng)核心，只保留與系統(tǒng)功能密切相關的硬件和軟件，用最少的資源實現(xiàn)最合適的功能。 設計人員需要選擇最佳的編程模型并不斷改進算法以優(yōu)化編譯器性能。 因此，軟件人員不僅需要具備豐富的硬件知識，還需要開發(fā)先進的嵌入式軟件技術，如Java、Web、WAP等。

5、提供友好的多媒體人機界面

嵌入式設備與用戶緊密聯(lián)系的最重要因素是它可以提供非常友好的用戶界面。 圖形化的界面和靈活的控制方式，讓人感覺嵌入式設備就像一位熟悉的老朋友。 這種要求使得嵌入式軟件設計人員不得不在圖形界面和多媒體技術上下功夫。 手寫文字輸入、語音撥號、上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件、豐富多彩的圖形圖像，都讓用戶倍感輕松。 目前，一些先進的PDA已經(jīng)實現(xiàn)了在顯示屏上書寫漢字和語音發(fā)布短信，但普通嵌入式設備還有很長的路要走。