《构建高性能嵌入式系统》 - [美]吉姆·莱丁著陈会翔译 - 清华大学出版社 - 香港大書城

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『簡體書』构建高性能嵌入式系统

書城自編碼： 3797581
分類：簡體書→大陸圖書→計算機/網絡→程序設計
作者： [美]吉姆·莱丁著陈会翔译
國際書號(ISBN)： 9787302617099
出版社：清华大学出版社
出版日期： 2022-09-01

頁數/字數： /
書度/開本： 16开釘裝：平装

售價：HK$ 125.4

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用于家庭、汽车和个人的现代数字设备包含越来越复杂的计算能力。这些嵌入式系统以每秒数千兆位的速率生成、接收和处理数字数据流。《构建高性能嵌入式系统》将教你如何使用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和高速数字电路设计技术来设计创建你自己的尖端数字设备。

內容簡介：

《构建高性能嵌入式系统》本书详细阐述了与构建高性能嵌入式系统相关的基本解决方案，主要包括构建高性能嵌入式系统、传感器、实时操作、FPGA项目、KiCad设计电路、构建高性能数字电路、固件开发、测试和调试嵌入式系统等内容。此外，本书还提供了相应的示例、代码，以帮助读者进一步理解相关方案的实现过程。

目录第1篇高性能嵌入式系统的基础知识
第1章高性能嵌入式系统... 3
1.1 技术要求... 3
1.2 嵌入式系统的元素... 3
1.2.1 电源... 5
1.2.2 时基... 5
1.2.3 数字处理... 6
1.2.4 内存... 6
1.2.5 软件和固件... 6
1.2.6 专用集成电路... 7
1.2.7 来自环境的输入... 7
1.2.8 输出到环境... 8
1.2.9 网络通信... 8
1.3 嵌入式系统架构设计... 8
1.4 物联网... 9
1.5 实时运行... 10
1.5.1 周期性操作... 10
1.5.2 事件驱动操作... 12
1.5.3 实时操作系统... 13
1.6 嵌入式系统中的 FPGA.. 14
1.6.1 数字逻辑门... 15
1.6.2 触发器... 17
1.7 FPGA的元素... 18
1.7.1 查找表... 18
1.7.2 触发器... 19
1.7.3 块RAM.. 19
1.7.4 DSP切片... 19
1.7.5 其他功能元件... 20
1.8 FPGA综合... 20
1.8.1 硬件设计语言... 20
1.8.2 在嵌入式系统设计中使用FPGA的好处... 22
1.8.3 赛灵思FPGA和开发工具... 23
1.9 小结... 24
第2章感知世界... 25
2.1 技术要求... 25
2.2 无源、有源和智能传感器介绍... 25
2.3 应用模数转换器... 27
2.4 嵌入式系统中使用的传感器类型... 30
2.4.1 光... 30
2.4.2 温度... 31
2.4.3 压力... 31
2.4.4 湿度... 32
2.4.5 流体流量... 32
2.4.6 力... 32
2.4.7 超声波... 33
2.4.8 音频... 33
2.4.9 磁... 33
2.4.10 化学... 34
2.4.11 电离辐射... 34
2.4.12 雷达... 35
2.4.13 激光雷达... 35
2.4.14 视频和红外线... 35
2.4.15 惯性... 36
2.4.16 全球定位系统... 36
2.5 与传感器通信... 37
2.5.1 通用输入/输出接口... 37
2.5.2 模拟电压... 41
2.5.3 I2C. 42
2.5.4 SPI 44
2.5.5 CAN总线... 45
2.5.6 无线... 46
2.6 处理传感器数据... 47
2.7 小结... 48
第3章实时操作... 49
3.1 技术要求... 49
3.2 实时的概念... 49
3.3 实时嵌入式系统的属性... 50
3.3.1 执行多项任务... 51
3.3.2 速率单调调度... 58
3.4 了解关键的RTOS功能和挑战... 60
3.4.1 互斥锁... 60
3.4.2 信号量... 61
3.4.3 队列... 62
3.4.4 事件标志... 62
3.4.5 定时器... 63
3.4.6 动态内存分配... 63
3.4.7 内存泄漏... 64
3.4.8 堆碎片... 64
3.4.9 死锁... 65
3.4.10 优先级反转... 66
3.5 流行的实时操作系统... 70
3.5.1 实时操作系统的关键技术属性... 70
3.5.2 实时操作系统的非技术属性... 71
3.5.3 embOS. 72
3.5.4 FreeRTOS. 72
3.5.5 INTEGRITY.. 73
3.5.6 Neutrino. 73
3.5.7 μc/OS-III 74
3.5.8 VxWorks 74
3.6 小结... 75
第2篇设计和构建高性能嵌入式系统
第4章开发你的第一个FPGA项目... 79
4.1 技术要求... 79
4.2 在实时嵌入式系统设计中使用FPGA.. 79
4.2.1 块RAM和分布式RAM.. 80
4.2.2 FPGA I/O引脚和相关功能... 82
4.2.3 专用硬件资源... 83
4.2.4 处理器核心... 84
4.3 FPGA实现语言... 84
4.3.1 VHDL. 84
4.3.2 Verilog. 86
4.3.3 原理图... 86
4.3.4 C/C . 88
4.4 FPGA开发过程... 88
4.4.1 定义系统需求... 88
4.4.2 将功能分配给FPGA.. 89
4.4.3 确定所需的FPGA功能... 89
4.4.4 实现FPGA设计... 90
4.4.5 设计入口... 90
4.4.6 输入/输出规划... 91
4.4.7 综合... 91
4.4.8 布局和布线... 91
4.4.9 比特流生成... 92
4.4.10 测试实现... 92
4.5 开发第一个FPGA项目... 93
4.5.1 项目描述... 93
4.5.2 安装Vivado工具... 93
4.5.3 创建项目... 96
4.5.4 创建VHDL源文件... 99
4.5.5 测试逻辑行为... 105
4.5.6 定义I/O信号... 112
4.5.7 创建顶级VHDL文件... 113
4.5.8 综合和实现FPGA比特流... 115
4.5.9 将比特流下载到板上... 117
4.5.10 将比特流编程到板载闪存... 118
4.6 小结... 122
第5章使用FPGA实现系统... 123
5.1 技术要求... 123
5.2 FPGA编译过程... 123
5.2.1 设计输入... 124
5.2.2 逻辑综合... 128
5.2.3 设计优化... 129
5.2.4 高级综合... 132
5.2.5 优化和约束... 138
5.3 最适合FPGA实现的算法类型... 140
5.3.1 处理高速数据流的算法... 140
5.3.2 并行算法... 140
5.3.3 使用非标准数据大小的算法... 141
5.4 示波器FPGA项目... 141
5.4.1 项目描述... 142
5.4.2 基准Vivado项目... 142
5.4.3 原理图设计... 143
5.4.4 定义时钟... 147
5.4.5 生成比特流... 148
5.4.6 创建并运行TCP回显服务器... 148
5.4.7 调试程序... 151
5.5 小结... 154
第6章使用KiCad设计电路... 155
6.1 技术要求... 155
6.2 关于KiCad. 155
6.3 KiCad设计基础... 157
6.3.1 放置和连接电路元件... 158
6.3.2 添加稳压器... 162
6.3.3 KiCad原理图编辑器应用技巧... 163
6.3.4 创建元件符号... 164
6.4 开发项目原理图... 169
6.4.1 添加文本注释... 170
6.4.2 添加信号标签... 171
6.4.3 添加全局标签... 171
6.4.4 创建差分信号对... 171
6.4.5 创建板外连接... 172
6.4.6 符号注释和电气规则检查... 172
6.5 印刷电路板布局... 173
6.5.1 为电路元件分配封装... 173
6.5.2 构建PCB布局... 174
6.5.3 布局规则... 176
6.5.4 元件布局示例... 177
6.5.5 定义板层集... 178
6.5.6 创建填充区域... 179
6.5.7 绘制电路走线... 179
6.5.8 查看电路板的3D图像... 180
6.6 电路板原型制作... 182
6.7 小结... 183
第7章构建高性能数字电路... 185
7.1 技术要求... 185
7.2 电路板组装工具和过程... 185
7.2.1 光学放大镜... 186
7.2.2 镊子... 187
7.2.3 助焊剂... 187
7.2.4 焊料... 188
7.2.5 静电放电保护... 190
7.2.6 手工焊接方式... 190
7.2.7 吸锡线... 192
7.2.8 焊膏应用... 193
7.2.9 回流焊接工艺... 196
7.2.10 焊接安全提示... 198
7.3 准备组装和放置零部件... 199
7.4 回流焊接和手工焊接... 201
7.4.1 回流焊接... 201
7.4.2 手工焊接... 202
7.4.3 回流焊接后的修复... 202
7.4.4 安装通孔元件... 203
7.5 组装之后的电路板的清洁和检查... 204
7.5.1 助焊剂残留物需要清洗的原因... 204
7.5.2 助焊剂残留物去除... 204
7.5.3 组装后的目视检查... 205
7.5.4 电气短路检查... 206
7.6 小结... 207
第3篇实现和测试实时固件
第8章首次给电路板通电... 211
8.1 技术要求... 211
8.2 为电路板通电做准备... 211
8.2.1 谨慎操作... 212
8.2.2 为电路板供电... 212
8.3 检查电路的基本功能... 213
8.3.1 测试电路板电源... 214
8.3.2 故障排除... 216
8.3.3 测试模拟放大器... 216
8.3.4 测试ADC. 219
8.3.5 配置ADC. 221
8.4 出现问题时调整电路... 226
8.4.1 切割PCB走线... 227
8.4.2 安装焊料跳线... 227
8.4.3 移除元件... 228
8.4.4 添加元件... 229
8.5 添加FPGA逻辑并检查I/O信号... 229
8.5.1 生成ADC编码器时钟和1kHz校准信号... 229
8.5.2 检查I/O信号... 232
8.6 小结... 234
第9章固件开发过程... 235
9.1 技术要求... 235
9.2 FPGA算法的设计与实现... 235
9.2.1 数字示波器系统概述... 236
9.2.2 添加解串器... 238
9.2.3 添加FIFO缓冲区... 242
9.2.4 添加总线接口... 245
9.3 添加MQTT协议... 247
9.3.1 关于MQTT协议... 247
9.3.2 在添加MQTT协议时要解决的问题... 248
9.3.3 调用MQTT API 249
9.4 编码风格... 252
9.4.1 命名规则... 252
9.4.2 代码中的注释... 253
9.4.3 避免文字数值... 253
9.4.4 花括号、缩进和垂直间距... 253
9.4.5 优先考虑可读性和正确性... 254
9.4.6 避免过早优化... 255
9.4.7 避免由实现定义的行为... 255
9.4.8 避免无条件跳转... 256
9.4.9 最小化标识符的作用域... 256
9.4.10 将不变的事物指定为常量... 257
9.4.11 自动代码格式化程序... 257
9.5 静态源代码分析... 257
9.5.1 关于静态代码分析... 258
9.5.2 静态代码分析工具... 258
9.5.3 高效使用静态代码分析... 259
9.5.4 使用现有代码... 259
9.5.5 从仅显示最严重的错误消息开始... 261
9.5.6 解析分析器输出消息... 262
9.5.7 常见的源代码分析器消息... 262
9.6 源代码版本控制... 263
9.7 测试驱动开发... 264
9.8 小结... 265
第10章测试和调试嵌入式系统... 267
10.1 技术要求... 267
10.2 设计系统级测试... 267
10.2.1 需求驱动的测试... 268
10.2.2 在标称和非标称条件下进行测试... 270
10.2.3 单元测试与功能测试... 271
10.2.4 负面测试和渗透测试... 273
10.2.5 在模拟环境中测试... 273
10.2.6 获得可重复的测试结果... 274
10.2.7 制订测试计划... 274
10.3 进行测试并记录结果... 275
10.3.1 确定要收集的数据... 275
10.3.2 配置被测系统... 276
10.3.3 执行测试程序... 277
10.3.4 测试结果的快速评估... 277
10.3.5 必要时重复测试... 277
10.4 对现有代码进行回归测试... 278
10.5 确保全面的测试覆盖率... 279
10.5.1 需求可追溯性矩阵... 279
10.5.2 跟踪代码覆盖率... 282
10.5.3 建立充分测试的标准... 283
10.6 有效调试技术... 284
10.6.1 处理语法和编译错误... 284
10.6.2 使用静态代码分析和单元测试... 285
10.6.3 清楚地定义问题并尝试重现它... 286
10.6.4 判断输入是否正确... 286
10.6.5 寻找获得系统可见性的方法... 287
10.6.6 使用二分搜索调试过程... 288
10.6.7 暂时删除部分功能... 289
10.6.8 制作演示问题的最小程序... 289
10.7 高性能嵌入式系统开发的最佳实践总结... 290
10.7.1 测试设计... 290
10.7.2 留出成长空间... 290
10.7.3 设计硬件时考虑未来功能... 291
10.7.4 仅开发你现在需要的代码... 292
10.7.5 保持严格的版本控制... 292
10.7.6 在开发代码的同时开发单元测试... 293
10.7.7 及时开始系统级测试... 293
10.8 小结... 294

內容試閱：

前言
用于家庭、汽车和个人的现代数字设备包含越来越复杂的计算能力。这些嵌入式系统以每秒数千兆位的速率生成、接收和处理数字数据流。本书将教你如何使用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和高速数字电路设计技术来设计创建你自己的尖端数字设备。
本书读者
本书适用于软件开发人员、硬件工程师、物联网（IoT）开发人员以及其他任何寻求了解开发高性能嵌入式系统过程的人员。潜在受众包括有兴趣了解FPGA开发基础知识以及 C和C 固件开发所有方面的任何人。读者应当对C/C 语言、数字电路和焊接电子元件等有基本了解。
内容介绍
本书分为3篇，共10章，具体介绍如下。
第1篇：高性能嵌入式系统的基础知识，包括第1～3章。
第1章“高性能嵌入式系统”，详细阐释了嵌入式系统架构的元素，并讨论了在各种嵌入式应用中通用的一些关键系统特性。嵌入式系统通常包括至少一个微控制器或微处理器、传感器、执行器、电源，在许多情况下，还会有一个或多个网络接口。本章还深入探讨了嵌入式系统和物联网之间的关系。
第2章“感知世界”，详细介绍了在各种嵌入式应用中使用的传感器的原理和实现。无源传感器可测量周围环境的属性，如温度、压力、湿度、光强度和大气成分等。有源传感器则可以使用雷达和激光雷达等能量发射技术来探测物体并测量其位置和速度。此外，本章还介绍了与传感器通信的接口。
第3章“实时操作”，探讨了嵌入式系统对从传感器和其他来源测量的输入生成实时响应的需求，介绍了实时操作系统（RTOS）的概念及其关键特性，以及在实时应用程序中实现多任务处理时常见的一些挑战。此外，本章还介绍了一些流行的开源和商业RTOS实现的重要特征。
第2篇：设计和构建高性能嵌入式系统，包括第4～7章。
第4章“开发你的第一个FPGA项目”，首先讨论了实时嵌入式系统中 FPGA 设备的有效使用，然后阐释了标准FPGA中包含的功能元素。本章介绍了一系列FPGA设计语言，包括硬件描述语言（hardware description language，HDL）、原理图方法和流行的软件编程语言（包括C和C ）。本章介绍了FPGA开发过程，并提供了一个FPGA开发周期的完整示例。
第5章“使用FPGA实现系统”，深入探讨了使用FPGA设计和实现嵌入式设备的过程。本章首先介绍了FPGA编译软件工具和编译过程，使用工具可将编程语言中的逻辑设计描述转换为可执行的FPGA配置。本章还讨论了最适合FPGA实现的算法类型，最后还开发了一个基于FPGA的高速数字示波器基础项目。
第6章“使用KiCad设计电路”，介绍了优秀的开源KiCad电子设计和自动化套件。在KiCad中工作可以使用原理图设计电路并开发相应的印刷电路板布局。你将了解如何以非常合理的成本将电路板设计转变为原型产品。
第7章“构建高性能数字电路”，详细阐释了使用表面贴装和通孔电子元件组装高性能数字电路原型所涉及的过程和技术。本章介绍的电路板组装工具包括焊台、放大镜或显微镜以及用于处理微小零件的镊子等。此外，本章还介绍了回流焊接工艺，并描述了一些用于实现小规模回流能力的低成本选项。
第3篇：实现和测试实时固件，包括第8～10章。
第8章“首次给电路板通电”，介绍了如何为电路板通电做准备。本章将引导你完成首次向电路板供电并检查基本电路级功能的过程。发现任何问题时，可以按本章建议的方法调整电路。在测试通过之后，还可以添加FPGA逻辑，并测试示波器电路板的数字接口。
第9章“固件开发过程”，演示了如何在电路板正常运行后充实FPGA算法的其余关键部分，包括与模数转换器（analog to digital converter，ADC）的通信，以及MicroBlaze处理器固件的开发。在开发固件时，重要的是尽可能对代码进行静态分析，这样可以避免许多难以调试的错误。实现版本控制系统以跟踪项目生命周期中代码的演变也很重要。本章讨论了开发一个全面的、至少部分自动化的测试套件对于在进行更改时保持代码质量的重要性。此外，本章还着重介绍了编码风格。
第10章“测试和调试嵌入式系统”，讨论了嵌入式系统的全面测试问题。系统级测试必须针对整个系统预期范围的环境条件和用户输入（包括无效输入），以确保系统在所有条件下都能正常运行。此外，本章还讨论了有效调试技术，总结了高性能嵌入式系统开发的最佳实践。
充分利用本书
本书充分利用了强大的免费商业和开源软件工具套件来开发FPGA算法和设计复杂的印刷电路板。要跟随本书示例项目学习，你需要一个特定的FPGA开发板Digilent Arty A7-100。要构建数字电路以实现你的设计，你还需要一套用于焊接和拆焊表面贴装元件的工具。此外，你可能还需要一些工具来协助处理精细元件，如精密镊子、放大镜或显微镜等。
本书软硬件和操作系统需求如表P.1所示。
表P.1 软硬件和操作系统需求表
本书涵盖的软硬件操作系统需求
Xilinx Vivado Windows和Linux
KiCad Windows、macOS和Linux
Arty A7-100开发板 Windows和Linux
建议你通过本书配套的Github存储库下载代码，这样做将帮助你避免任何与代码的复制和粘贴有关的潜在错误。
下载示例代码文件
读者可以直接访问本书在GitHub上的存储库以下载示例代码文件，其网址如下：
https://github.com/PacktPublishing/Architecting-High-Performance-Embedded-Systems
如果代码有更新，则也会在现有GitHub存储库上更新。

下载彩色图像
我们还提供了一个PDF文件，其中包含本书中使用的屏幕截图/图表的彩色图像。可以通过以下地址下载：
https://static.packt-cdn.com/downloads/9781789955965_ColorImages.pdf
本书约定
本书中使用了许多文本约定。
（1）CodeInText：表示文本中的代码字、数据库表名、文件夹名、文件名、文件扩展名、路径名、虚拟URL、用户输入和Twitter句柄等。以下段落是一个示例：
首先你需要有一个Xilinx用户账户。如果没有的话，请访问以下网址创建一个。
https://www.xilinx.com/registration/create-account.html
（2）有关代码块的设置如下所示：
architecture BEHAVIORAL of FULL_ADDER is
begin
S <= (A XOR B) XOR C_IN;
C_OUT <= (A AND B) OR ((A XOR B) AND C_IN);
end architecture BEHAVIORAL;
（3）任何命令行输入或输出都采用如下所示的粗体代码形式：
dism /online /Enable-Feature /FeatureName:TelnetClient
（4）术语或重要单词采用中英文对照形式，在括号内保留其英文原文。示例如下：
传统的晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic，TTL）和互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）数字信号就是在相对于地线的0～5 VDC范围内运行。
（5）对于界面词汇或专有名词将保留英文原文，在括号内添加其中文译名。示例如下：
这将启动Create a New Vivado Project（创建新Vivado项目）向导。单击Next（下一步）按钮进入Project Name（项目名称）页面，输入ArtyAdder作为项目名称。为项目选择合适的目录位置并选中Create project subdirectory（创建项目子目录）复选框以创建子目录，然后单击Next（下一步）按钮。
（6）本书还使用了以下两个图标。
表示警告或重要的注意事项。
表示提示或小技巧。

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