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用於家庭、汽車和個人的現代數字設備包含越來越復雜的計算能力。這些嵌入式繫統以每秒數千兆位的速率生成、接收和處理數字數據流。《構建高性能嵌入式繫統》將教你如何使用現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和高速數字電路設計技術來設計創建你自己的尖端數字設備。

內容簡介

《構建高性能嵌入式繫統》本書詳細闡述了與構建高性能嵌入式繫統相關的基本解決方案，主要包括構建高性能嵌入式繫統、傳感器、實時操作、FPGA項目、KiCad設計電路、構建高性能數字電路、固件開發、測試和調試嵌入式繫統等內容。此外，本書還提供了相應的示例、代碼，以幫助讀者進一步理解相關方案的實現過程。

目錄第1篇高性能嵌入式繫統的基礎知識
第1章高性能嵌入式繫統... 3
1.1 技術要求... 3
1.2 嵌入式素... 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 嵌入式繫統架構設計... 8

前言
用於家庭、汽車和個人的現代數字設備包含越來越復雜的計算能力。這些嵌入式繫統以每秒數千兆位的速率生成、接收和處理數字數據流。本書將教你如何使用現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和高速數字電路設計技術來設計創建你自己的尖端數字設備。
本書讀者
本書適用於軟件開發人員、硬件工程師、物聯網（IoT）開發人員以及其他任何尋求了解開發高性能嵌入式繫統過程的人員。潛在受眾包括有興趣了解FPGA開發基礎知識以及 C和C 固件開發所有方面的任何人。讀者應當對C/C 語言、數字電路和焊件等有基本了解。
內容介紹
本書分為3篇，共10章，具體介紹如下。
第1篇：高性能嵌入式繫統的基礎知識，包括第1～3章。
第1章“高性能嵌入式繫統”，詳細闡釋了嵌入式繫統素，並討論了在各種嵌入式應用中通用的一些關鍵繫統特性。嵌入式繫統通常包括至少一個微控制器或微處理器、傳感器、執行器、電源，在許多情況下，還會有一個或多個網絡接口。本章還深入探討了嵌入式繫統和物聯網之間的關繫。
第2章“感知世界”，詳細介紹了在各種嵌入式應用中使用的傳感器的原理和實現。無源傳感器可測量周圍環境的屬性，如溫度、壓力、濕度、光強度和大氣成分等。有源傳感器則可以使用雷達和激光雷達等能量發射技術來探測物體並測量其位置和速度。此外，本章還介紹了與傳感器通信的接口。
第3章“實時操作”，探討了嵌入式繫統對從傳感器和其他來源測量的輸入生成實時響應的需求，介紹了實時操作繫統（RTOS）的概念及其關鍵特性，以及在實時應用程序中實現多任務處理時常見的一些挑戰。此外，本章還介紹了一些流行的開源和商業RTOS實現的重要特征。
第2篇：設計和構建高性能嵌入式繫統，包括第4～7章。
第4章“開發你的個FPGA項目”，首先討論了實時嵌入式繫統中 FPGA 設備的有效使用，然後闡釋了標準FPGA中包含素。本章介紹了一繫列FPGA設計語言，包括硬件描述語言（hardware description language，HDL）、原理圖方法和流行的軟件編程語言（包括C和C ）。本章介紹了FPGA開發過程，並提供了一個FPGA開發周期的完整示例。
第5章“使用FPGA實現繫統”，深入探討了使用FPGA設計和實現嵌入式設備的過程。本章首先介紹了FPGA編譯軟件工具和編譯過程，使用工具可將編程語言中的邏輯設計描述轉換為可執行的FPGA配置。本章還討論了適合FPGA實現的算法類型，後還開發了一個基於FPGA的高速數字示波器基礎項目。
第6章“使用KiCad設計電路”，介紹了優秀的開源KiCad電子設計和自動化套件。在KiCad中工作可以使用原理圖設計電路並開發相應的印刷電路板布局。你將了解如何以非常合理的成本將電路板設計轉變為原型產品。
第7章“構建高性能數字電路”，詳細闡釋了使用表面貼裝和通件組裝高性能數字電路原型所涉及的過程和技術。本章介紹的電路板組裝工具包括焊臺、放大鏡或顯微鏡以及用於處理微小零件的鑷子等。此外，本章還介紹了回流焊接工藝，並描述了一些用於實現小規模回流能力的低成本選項。
第3篇：實現和測試實時固件，包括第8～10章。
第8章“首次給電路板通電”，介紹了如何為電路板通電做準備。本章將引導你完成首次向電路板供電並檢查基本電路級功能的過程。發現任何問題時，可以按本章建議的方法調整電路。在測試通過之後，還可以添加FPGA邏輯，並測試示波器電路板的數字接口。
第9章“固件開發過程”，演示了如何在電路板正常運行後充實FPGA算法的其餘關鍵部分，包括與模數轉換器（analog to digital converter，ADC）的通信，以及MicroBlaze處理器固件的開發。在開發固件時，重要的是盡可能對代碼進行靜態分析，這樣可以避免許多難以調試的錯誤。實現版本控制繫統以跟蹤項目生命周期中代碼的演變也很重要。本章討論了開發一個全面的、至少部分自動化的測試套件對於在進行更改時保持代碼質量的重要性。此外，本章還著重介紹了編碼風格。
第10章“測試和調試嵌入式繫統”，討論了嵌入式繫統的全面測試問題。繫統級測試必須針對整個繫統預期範圍的環境條件和用戶輸入（包括無效輸入），以確保繫統在所有條件下都能正常運行。此外，本章還討論了有效調試技術，總結了高性能嵌入式繫統開發的實踐。
充分利用本書
本書充分利用了強大的免費商業和開源軟件工具套件來開發FPGA算法和設計復雜的印刷電路板。要跟隨本書示例項目學習，你需要一個特定的FPGA開發板Digilent Arty A7-100。要構建數字電路以實現你的設計，你還需要一套用於焊接和拆焊表件的工具。此外，你可能還需要一些工具來協助處件，如精密鑷子、放大鏡或顯微鏡等。
本書軟硬件和操作繫統需求如表P.1所示。
表P.1 軟硬件和操作繫統需求表
本書涵蓋的軟硬件操作繫統需求
Xilinx Vivado Windows和Linux
KiCad Windows、macOS和Linux
Arty A7-100開發板 Windows和Linux
建議你通過本書配套的Github存儲庫下載代碼，這樣做將幫助你避免任何與代碼的復制和粘貼有關的潛在錯誤。
下載示例代碼文件
讀者可以直接訪問本書在GitHub上的存儲庫以下載示例代碼文件，其網址如下：

https://github.com/PacktPublishing/Architecting-High-Performance-Embedded-Systems

如果代碼有更新，則也會在現有GitHub存儲庫上更新。

下載彩色圖像
我們還提供了一個PDF文件，其中包含本書中使用的屏幕截圖/圖表的彩色圖像。可以通過以下地址下載：

https://static.packt-cdn.com/downloads/9781789955965_ColorImages.pdf

本書約定
本書中使用了許多文本約定。
（1）CodeInText：表示文本中的代碼字、數據庫表名、文件夾名、文件名、文件擴展名、路徑名、虛擬URL、用戶輸入和Twitter句柄等。以下段落是一個示例：

首先你需要有一個Xilinx用戶賬戶。如果沒有的話，請訪問以下網址創建一個。

https://www.xilinx.com/registration/create-account.html

（2）有關代碼塊的設置如下所示：

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）任何命令行輸入或輸出都采用如下所示的粗體代碼形式：

dism /online /Enable-Feature /FeatureName:TelnetClient

（4）術語或重要單詞采用中英文對照形式，在括號內保留其英文原文。示例如下：

傳統的晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic，TTL）和互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）數字信號就是在相對於地線的0～5 VDC範圍內運行。

（5）對於界面詞彙或專有名詞將保留英文原文，在括號內添加其中文譯名。示例如下：

這將啟動Create a New Vivado Project（創建新Vivado項目）向導。單擊Next（下一步）按鈕進入Project Name（項目名稱）頁面，輸入ArtyAdder作為項目名稱。為項目選擇合適的目錄位置並選中Create project subdirectory（創建項目子目錄）復選框以創建子目錄，然後單擊Next（下一步）按鈕。

（6）本書還使用了以下兩個圖標。
表示警告或重要的注意事項。
表示提示或小技巧。

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目 錄

第1篇 高性能嵌入式繫統的基礎知識

第2篇 設計和構建高性能嵌入式繫統

第3篇 實現和測試實時固件

目錄

第1篇高性能嵌入式繫統的基礎知識

第2篇設計和構建高性能嵌入式繫統

第3篇實現和測試實時固件