1、认识电子产品嵌入式电子产品,从组成上大体可分为硬件、软件和结构。
硬件,是看得见摸得着的、具有电气性能的零部件,比如主板、显示屏、摄像头及其他电子零件。
软件,即是程序代码,通常存储在主板上的存储芯片中,运行在主板之上。硬件是软件的运行载体。
结构,一般为产品的外壳,材质可以是塑料或金属。外壳的作用大致有三,一是让硬件零部件可以按照产品的使用习惯有机的组装在一起,二是保护硬件零部件,三是使产品使用方便。
以下是对嵌入式电子产品组成的大致拆解:
嵌入式电子产品的构成以苹果的iPAD Air为例,将拆解图展示如下。这里只能看到iPAD Air的硬件和结构,软件则存储在它的主板上的存储元件中。
iPAD Air拆机图2、认识主板
对硬件工程师来说,主板是最主要、最关键的工作对象。硬件工程师日常的主要工作内容为设计、调试主板等。
主板是电子产品的核心部件,产品实现的所有功能都基于主板。主板通常也是电子
产品最复杂的部件,在一张PCB(Printed Circuit Board,印制电路板)上承载了几十到几百个甚至上千个大大小小的电子元器件,比如CPU、Memory、存储(Flash)、网络芯片、电源芯片、音频芯片、IO芯片、电阻、电容、电感及连接器等,其大致构成见下图。
主板的构成主板的构成大体上可分为两大类,一是PCB,二是电子元器件。
PCB,即Printed Circuit Board,翻译成中文即“印制电路板”或者“印刷电路板”。它是主板上所有电子元器件的载体,其上的金属导线使各个元器件之间电气上互连互通。由于它是采用电子印刷术制作的,故被称为“印刷”电路板(见下图)。
PCB实物图电子元器件,大体上可分为IC(Integrated Circuit)、分离元器件、模组(Module)。
IC,就是我们常说的集成电路,俗称芯片。是把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及相互之间的连线,通过相关工艺制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构。下图是几种常见IC实物图。
常见ICSoC,System on Chip,称为片上系统或者系统级芯片。它是集成度非常高、非常复杂的芯片,内部集成了CPU、GPU、VPU、内存控制器、存储控制器、显示驱动器以及其他外设控制器。
MCU,Micro Controller Unit。就是大家常说的单片机,是把中央处理器(Central Process Unit;CPU)的频率与规格做适当缩减,并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口,甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机。通常性能上弱于SoC,功能上少于SoC。
DDR,Dynamic Double Rate,全称为Dynamic Double Rate SDRAM,双倍速动态随机存储器,是内存的一种。
eMMC,Embedded Multi Media Card,是主要针对手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器。其功能类似于硬盘存储数据。
Audio Codec,音频编解码芯片。
DCDC,DC to DC,直流转直流。它是一种直流电源转换芯片,将一种规格的直流电压转换为较低或者较高的另一种直流电压。
分离元件,一般指电阻、电容、电感、晶体管等单个(或者单一功能)电子元件。他们功能单一,属于“最小”的元器件。下图是几种常见的分离元件示例。
常见分离元件模组(Module,又称模块),它是为了实现某些功能而将PCB和相对少量的电子元器件(IC和分离元器件)有机的组合设计在一起形成的、比普通电子元器件更高一层次、更复杂的电子元件。如果按照功能划分,市面上有WiFI/Bluetooth通信模组、4G/5G无线通信模组、摄像头模组等,甚至还有功能更丰富、更复杂的智能模组(Smart Module,后面会对智能模组做更详细的说明)。从设计的角度讲,模组的使用可以降低设计复杂度和设计门槛、减少设计错误概率、缩短设计开发周期。下图为几种常见模组。
几种常见模组以上,我们讲述了主板的构成、主板的三大类构成组件(PCB、电子元器件、模组),下面我们来看看,一些常见的嵌入式主板的实物图,以便对主板有一个直观的印象。
我们可以看见,这些主板上既有SoC、Memory(DDR)、存储(eMMC Flash)、网络芯片、智能模组及功能模组,又有电阻、电容、电感等分离元器件。
基于全志(AllWinner)SoC H6的嵌入式主板
基于瑞芯微(Rockchip)SoC RK3588的嵌入式主板当然,一个主板是少不了功能接口的,比如上面两张主板的图片中的USB接口、千兆网口、耳机接口、HDMI接口等。只有有了这些接口,才能方便的对主板进行操作,主板也才能对外通信。
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