第1篇高性能嵌入式系統的基礎知識
第1章高性能嵌入式系統 3
1.1技術要求 3
1.2嵌入式系統的元素 3
1.2.1電源 5
1.2.2時基 5
1.2.3數字處理 6
1.2.4內存 6
1.2.5軟件和固件 6
1.2.6專用集成電路 7
1.2.7來自環境的輸入 7
1.2.8輸出到環境 8
1.2.9網絡通信 8
1.3嵌入式系統架構設計 8
1.4物聯網 9
1.5實時運行 10
1.5.1周期性操作 10
1.5.2事件驅動操作 12
1.5.3實時操作系統 13
1.6嵌入式系統中的FPGA 14
1.6.1數字邏輯門 15
1.6.2觸發器 17
1.7FPGA的元素 18
1.7.1查找表 18
1.7.2觸發器 19
1.7.3塊RAM 19
1.7.4DSP切片 19
1.7.5其他功能元件 20
1.8FPGA綜合 20
1.8.1硬件設計語言 20
1.8.2在嵌入式系統設計中使用FPGA的好處 22
1.8.3賽靈思FPGA和開發工具 23
1.9小結 24
第2章感知世界 25
2.1技術要求 25
2.2無源、有源和智能傳感器介紹 25
2.3應用模數轉換器 27
2.4嵌入式系統中使用的傳感器類型 30
2.4.1光 30
2.4.2溫度 31
2.4.3壓力 31
2.4.4濕度 32
2.4.5流體流量 32
2.4.6力 32
2.4.7超聲波 33
2.4.8音頻 33
2.4.9磁 33
2.4.10化學 34
2.4.11電離輻射 34
2.4.12雷達 35
2.4.13激光雷達 35
2.4.14視頻和紅外線 35
2.4.15慣性 36
2.4.16全球定位系統 36
2.5與傳感器通信 37
2.5.1通用輸入/輸出接口 37
2.5.2模擬電壓 41
2.5.3I2C 42
2.5.4SPI 44
2.5.5CAN總線 45
2.5.6無線 46
2.6處理傳感器數據 47
2.7小結 48
第3章實時操作 49
3.1技術要求 49
3.2實時的概念 49
3.3實時嵌入式系統的屬性 50
3.3.1執行多項任務 51
3.3.2速率單調調度 58
3.4了解關鍵的RTOS功能和挑戰 60
3.4.1互斥鎖 60
3.4.2信號量 61
3.4.3隊列 62
3.4.4事件標志 62
3.4.5定時器 63
3.4.6動態內存分配 63
3.4.7內存泄漏 64
3.4.8堆碎片 64
3.4.9死鎖 65
3.4.10優先級反轉 66
3.5流行的實時操作系統 70
3.5.1實時操作系統的關鍵技術屬性 70
3.5.2實時操作系統的非技術屬性 71
3.5.3embOS 72
3.5.4FreeRTOS 72
3.5.5INTEGRITY 73
3.5.6Neutrino 73
3.5.7μc/OS-III 74
3.5.8VxWorks 74
3.6小結 75
第2篇設計和構建高性能嵌入式系統
第4章開發你的第一個FPGA項目 79
4.1技術要求 79
4.2在實時嵌入式系統設計中使用FPGA 79
4.2.1塊RAM和分布式RAM 80
4.2.2FPGAI/O引腳和相關功能 82
4.2.3專用硬件資源 83
4.2.4處理器核心 84
4.3FPGA實現語言 84
4.3.1VHDL 84
4.3.2Verilog 86
4.3.3原理圖 86
4.3.4C/C++ 88
4.4FPGA開發過程 88
4.4.1定義系統需求 88
4.4.2將功能分配給FPGA 89
4.4.3確定所需的FPGA功能 89
4.4.4實現FPGA設計 90
4.4.5設計入口 90
4.4.6輸入/輸出規劃 91
4.4.7綜合 91
4.4.8布局和布線 91
4.4.9比特流生成 92
4.4.10測試實現 92
4.5開發第一個FPGA項目 93
4.5.1項目描述 93
4.5.2安裝Vivado工具 93
4.5.3創建項目 96
4.5.4創建VHDL源文件 99
4.5.5測試邏輯行為 105
4.5.6定義I/O信號 112
4.5.7創建頂級VHDL文件 113
4.5.8綜合和實現FPGA比特流 115
4.5.9將比特流下載到板上 117
4.5.10將比特流編程到板載閃存 118
4.6小結 122
第5章使用FPGA實現系統 123
5.1技術要求 123
5.2FPGA編譯過程 123
5.2.1設計輸入 124
5.2.2邏輯綜合 128
5.2.3設計優化 129
5.2.4高級綜合 132
5.2.5優化和約束 138
5.3最適合FPGA實現的算法類型 140
5.3.1處理高速數據流的算法 140
5.3.2并行算法 140
5.3.3使用非標準數據大小的算法 141
5.4示波器FPGA項目 141
5.4.1項目描述 142
5.4.2基準Vivado項目 142
5.4.3原理圖設計 143
5.4.4定義時鐘 147
5.4.5生成比特流 148
5.4.6創建并運行TCP回顯服務器 148
5.4.7調試程序 151
5.5小結 154
第6章使用KiCad設計電路 155
6.1技術要求 155
6.2關于KiCad 155
6.3KiCad設計基礎 157
6.3.1放置和連接電路元件 158
6.3.2添加穩壓器 162
6.3.3KiCad原理圖編輯器應用技巧 163
6.3.4創建元件符號 164
6.4開發項目原理圖 169
6.4.1添加文本注釋 170
6.4.2添加信號標簽 171
6.4.3添加全局標簽 171
6.4.4創建差分信號對 171
6.4.5創建板外連接 172
6.4.6符號注釋和電氣規則檢查 172
6.5印刷電路板布局 173
6.5.1為電路元件分配封裝 173
6.5.2構建PCB布局 174
6.5.3布局規則 176
6.5.4元件布局示例 177
6.5.5定義板層集 178
6.5.6創建填充區域 179
6.5.7繪制電路走線 179
6.5.8查看電路板的3D圖像 180
6.6電路板原型制作 182
6.7小結 183
第7章構建高性能數字電路 185
7.1技術要求 185
7.2電路板組裝工具和過程 185
7.2.1光學放大鏡 186
7.2.2鑷子 187
7.2.3助焊劑 187
7.2.4焊料 188
7.2.5靜電放電保護 190
7.2.6手工焊接方式 190
7.2.7吸錫線 192
7.2.8焊膏應用 193
7.2.9回流焊接工藝 196
7.2.10焊接安全提示 198
7.3準備組裝和放置零部件 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回流焊接后的修復 202
7.4.4安裝通孔元件 203
7.5組裝之后的電路板的清潔和檢查 204
7.5.1助焊劑殘留物需要清洗的原因 204
7.5.2助焊劑殘留物去除 204
7.5.3組裝后的目視檢查 205
7.5.4電氣短路檢查 206
7.6小結 207
第3篇實現和測試實時固件
第8章首次給電路板通電 211
8.1技術要求 211
8.2為電路板通電做準備 211
8.2.1謹慎操作 212
8.2.2為電路板供電 212
8.3檢查電路的基本功能 213
8.3.1測試電路板電源 214
8.3.2故障排除 216
8.3.3測試模擬放大器 216
8.3.4測試ADC 219
8.3.5配置ADC 221
8.4出現問題時調整電路 226
8.4.1切割PCB走線 227
8.4.2安裝焊料跳線 227
8.4.3移除元件 228
8.4.4添加元件 229
8.5添加FPGA邏輯并檢查I/O信號 229
8.5.1生成ADC編碼器時鐘和1kHz校準信號 229
8.5.2檢查I/O信號 232
8.6小結 234
第9章固件開發過程 235
9.1技術要求 235
9.2FPGA算法的設計與實現 235
9.2.1數字示波器系統概述 236
9.2.2添加解串器 238
9.2.3添加FIFO緩沖區 242
9.2.4添加AXI總線接口 245
9.3添加MQTT協議 247
9.3.1關于MQTT協議 247
9.3.2在添加MQTT協議時要解決的問題 248
9.3.3調用MQTTAPI 249
9.4編碼風格 252
9.4.1命名規則 252
9.4.2代碼中的注釋 253
9.4.3避免文字數值 253
9.4.4花括號、縮進和垂直間距 253
9.4.5優先考慮可讀性和正確性 254
9.4.6避免過早優化 255
9.4.7避免由實現定義的行為 255
9.4.8避免無條件跳轉 256
9.4.9最小化標識符的作用域 256
9.4.10將不變的事物指定為常量 257
9.4.11自動代碼格式化程序 257
9.5靜態源代碼分析 257
9.5.1關于靜態代碼分析 258
9.5.2靜態代碼分析工具 258
9.5.3高效使用靜態代碼分析 259
9.5.4使用現有代碼 259
9.5.5從僅顯示最嚴重的錯誤消息開始 261
9.5.6解析分析器輸出消息 262
9.5.7常見的源代碼分析器消息 262
9.6源代碼版本控制 263
9.7測試驅動開發 264
9.8小結 265
第10章測試和調試嵌入式系統 267
10.1技術要求 267
10.2設計系統級測試 267
10.2.1需求驅動的測試 268
10.2.2在標稱和非標稱條件下進行測試 270
10.2.3單元測試與功能測試 271
10.2.4負面測試和滲透測試 273
10.2.5在模擬環境中測試 273
10.2.6獲得可重復的測試結果 274
10.2.7制訂測試計劃 274
10.3進行測試并記錄結果 275
10.3.1確定要收集的數據 275
10.3.2配置被測系統 276
10.3.3執行測試程序 277
10.3.4測試結果的快速評估 277
10.3.5必要時重復測試 277
10.4對現有代碼進行回歸測試 278
10.5確保全面的測試覆蓋率 279
10.5.1需求可追溯性矩陣 279
10.5.2跟蹤代碼覆蓋率 282
10.5.3建立充分測試的標準 283
10.6有效調試技術 284
10.6.1處理語法和編譯錯誤 284
10.6.2使用靜態代碼分析和單元測試 285
10.6.3清楚地定義問題并嘗試重現它 286
10.6.4判斷輸入是否正確 286
10.6.5尋找獲得系統可見性的方法 287
10.6.6使用二分搜索調試過程 288
10.6.7暫時刪除部分功能 289
10.6.8制作演示問題的最小程序 289
10.7高性能嵌入式系統開發的最佳實踐總結 290
10.7.1測試設計 290
10.7.2留出成長空間 290
10.7.3設計硬件時考慮未來功能 291
10.7.4僅開發你現在需要的代碼 292
10.7.5保持嚴格的版本控制 292
10.7.6在開發代碼的同時開發單元測試 293
10.7.7及時開始系統級測試 293
10.8小結 294