认识电子产品及主板——嵌入式硬件设计基础（1）

只看该作者 · 2023-8-25 14:52

认识电子产品及主板——嵌入式硬件设计基础（1）

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IC

SoC，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。