构建高性能嵌入式系统

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：

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：

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。 

（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：

《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。

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。