信息与通信工程专业英语课文翻译hcuo.docx

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1、第一课 现代数数字设计计及数字字信号处处理课文 AA: 数数字信号号处理简简介1. 什么是数数字信号号处理？数字信号号处理，或或DSPP，如其其名称所所示，是是采用数数字方式式对信号号进行处处理。在在这种情情况下一一个信号号可以代代表各种种不同的的东西。从从历史的的角度来来讲，信信号处理理起源于于电子工工程，信信号在这这里意味味着在电电缆或电电话线或或者也有有可能是是在无线线电波中中传输的的电子信信号。然然而，更更通用地地说，一一个信号号是一个个可代表表任何东东西-从股票票价格到到来自于于远程传传感卫星星的数据据的信息息流。术术语“diggitaal”来源于于“diggit”，意思思是数字字（

2、代可可以用你你的手指指计数），因因此“diggitaal”的字面面意思是是“数字的的，用数数字表示示的”，其法法语是“nummeriiquee”。 一一个数字字信号由由一串数数字流组组成，通通常（但但并非一一定）是是二进制制形式。对对数字信信号的处处理通过过数字运运算来完完成。数字信号号处理是是一个非非常有用用的技术术，将会会形成221世纪纪的新的的科学技技术。数数字信号号处理已已在通信信、医学学图像、雷雷达和声声纳、高高保真音音乐产生生、石油油开采等等很广泛泛的领域域内引起起了革命命性的变变革。这这些领域域中的每每一个都都使得DDSP技技术得到到深入发发展，有有该领域域自己的的算法、数数学基

3、础础，以及及特殊的的技术。DDSP发发展的广广度和深深度的结结合使得得任何个个人都不不可能掌掌握已发发展出的的所有的的DSPP技术。DSP教育包括两个任务：学习应用数字信号处理的通用原则及学习你所感兴趣的特定领域的数字信号处理技术。2. 模拟和数数字信号号在很多情情况下，所所感兴趣趣的信号号的初始始形式是是模拟电电压或电电流，例例如由麦麦克风或或其它转转换器产产生的信信号。在在有些情情况下，例例如从一一个CDD播放机机的可读读系统中中输出的的信号，信信号本身身就是数数字的。在在应用DDSP技技术之前前，一个个模拟信信号必须须转换成成数字信信号。例例如，一一个模拟拟电压信信号，可可被一个个称为模

4、模数转换换器或AADC的的电路变变换成数数字信号号。该转转换器产产生一系系列二进进制数字字作为数数字输出出，其值值代表每每个采样样时刻的的输入模模数转换换设备的的电压值值。3. 信号处理理 通常信信号需要要以各种种方式处处理。例例如，来来自于传传感器的的信号可可能被一一些没用用的电子子“噪声”污染。测测心电图图时放在在病人胸胸部的电电极能测测量到当当心脏及及其它肌肌肉活动动时微小小的电压压变化。信信号也常常会被来来自于电电源的电电磁干扰扰所影响响。采用用滤波电电路处理理信号至至少可以以去掉不不需要的的信号部部分。如如今，对对信号滤滤波以增增加信号号的质量量或抽取取重要信信息的任任务越来来越多地

5、地由DSSP技术术完成而而不是采采用模拟拟电路完完成。4. DSP的的发展和和应用数字信号号处理的的发展起起源于660年代代大型数数字计算算机进行行数字处处理的应应用，如如使用快快速傅立立叶变换换（FFFT）可可以快速速计算信信号的频频谱。这这些技术术在当时时并没有有被广泛泛应用，因因为通常常只有在在大学或或者其它它的科研研机构才才有合适适的计算算机。由于当时时计算机机很贵，DDSP仅仅仅局限限于少量量的非常常重要的的应用。先先驱们的的探索工工作主要要集中在在4个关关键领域域：雷达达和声纳纳，用于于保卫国国家安全全；石油油开采，可可以赚大大量的钱钱；空间间探索，其其中的数数据是不不能重复复产生

6、的的；及医医学图像像，可以以救治生生命。20世纪纪80年年代到990年代代个人电电脑的普普及使得得DSPP产生了了很多新新的应用用。与以以往由军军方或政政府的需需求驱动动不同，DDSP突突然间由由商业市市场的需需求驱动动了。任任何认为为自己能能在这个个飞速发发展的领领域赚钱钱的人都都会立即即成为DDSP供供应商。DDSP通通过在移移动电话话、CDD播放器器及语音音邮件等等产品中中应用进进入了公公共应用用领域。这些技术术革命是是自上而而下发生生的。在在20世世纪800年代早早期，DDSP是是电子工工程专业业的研究究生课程程，100年后，DDSP成成为了本本科生课课表中的的一部分分。今天天，DSS

7、P是很很多领域域的科学学家及工工程师需需要掌握握的标准准技能。DDSP可可以与以以前的电电子技术术的发展展相类比比。在电电子工程程领域，几几乎每个个科学家家和工程程师都具具有基本本的电路路设计背背景。否否则，他他们将在在技术界界落伍。DDSP的的将来也也会如此此。DSSP已在在科学及及工程的的许多领领域掀起起了变革革。其中中的一些些扩展应应用如图图1所示示。5. 数字信号号处理器器(DSSPs)20世纪纪70年年代后期期及800年代前前期微处处理器的的出现使使得DSSP技术术在更广广泛的范范围内应应用成为为可能。然然而，通通用的微微处理芯芯片，如如Inttel的的X866系列用用于对数数字敏感

8、感的DSSP应用用并不理理想，在在20世世纪800年代，DDSP变变得越来来越重要要，这导导致了很很多主要要的电子子元件制制造商（如如德州仪仪器, ADII及摩托托罗拉等等）开始始重视开开发数字字信号处处理器芯芯片一种专专用的微微处理器器，具有有专为数数字信号号处理需需求操作作而设计计的系统统结构。（这这里要注注意的是是，DSSP的缩缩写可指指数字信信号处理理，这个个术语表表示广泛泛应用的的用于数数字化地地处理信信号的技技术，或或者数字字信号处处理器，一一种特殊殊的微处处理芯片片）。与与通用的的微处理理芯片一一样，一一个DSSP是一一个可编编程设备备，具有有私有的的指令码码。DSSP芯片片每秒

9、可可以执行行上百万万次的浮浮点数运运算，像像其它更更广为人人知的通通用微处处理器一一样，更更快更强强大的DDSP在在不断地地出现。DDSPss可以被被嵌入到到其它通通常包括括模拟和和数字电电路的复复杂片上上系统设设备中。 空间：空间图图像增强强；数据据压缩；通过空空间探索索进行智智能传感感分析医学：诊诊断图像像（CTT，MRRI，超超声波及及其它）；心电图图分析；医学图图像存储储/恢复复商业：多多媒体展展示的图图像和声声音压缩缩；电影影特效；视频会会议DSP 电话话：语音音及数据据压缩；去回声声；信号号复用滤滤波军事：雷雷达；声声纳；军军火指挥挥；安全全通信工业：石石油和采采矿预测测；过程程监

10、视/控制；非破坏坏性测试试；CAAD设计计工具科学：地地震记录录及分析析；数据据采集；频谱分分析；仿仿真和建建模图1 DDSP的的应用领领域虽然DSSP技术术所依赖赖的一些些数学理理论，如如傅立叶叶变换及及希尔伯伯特变换换、数字字滤波器器设计及及信号压压缩等，可可能相当当复杂，而而实际中中实现这这些数字字运算的的技术却却非常简简单，其其包括的的主要运运算可由由一个廉廉价的具具有加减减乘除功功能的四四则运算算器实现现。DSSP芯片片的结构构设计使使得这些些运算的的速度快快得不可可思议，每每秒钟可可处理上上亿次的的采样值值，从而而具有实实时性：也就是是说，当当其处理理一个信信号时，使使之像刚刚刚采

11、样样并输出出一样具具有实时时性。如如一个扬扬声器或或一个视视频显示示。以前前所提到到的所有有的DSSP的应应用实例例，如硬硬盘驱动动器和移移动电话话，都需需要实时时操作。主要的电电子元件件制造商商都在DDSP技技术领域域大量投投资。因因为他们们发现在在具有大大规模市市场的应应用产品品中，DDSP芯芯片在全全世界电电子设备备中占了了很大的的比例。现现在每年年的销售售额在110亿美美元左右右，并且且看来会会持续快快速增长长。6. DSP的的深度如同你从从每个应应用中所所注意到到的一样样，DSSP是非非常交叉叉的学科科，依赖赖于许多多相邻领领域的技技术工作作。如图图2所示示。DSSP与其其它技术术学

12、科之之间的边边界不是是非常精精确或明明确定义义的，而而是非常常模糊或或相互重重叠的。如如果你想想精通DDSP，就就需要同同时学习习相关的的科学、工工程及数数学领域域的知识识。图2.数数字信号号处理与与其它领领域具有有模糊及及重叠的的边界7. DSP影影响的领领域1）电信信DSP在在很多领领域对电电信工业业具有革革命性的的影响：信号音音调的产产生和检检测、频频带搬移移、滤波波以去除除电源噪噪声等。这这里将要要讨论来来自电话话网的三三个特例例：复用用、压缩缩及回声声控制。(1) 复用 世界上上大约有有10亿亿部电话话。只要要按下很很少的一一些按钮钮，交换换网允许许其中的的一部与与任何别别的电话话在

13、几秒秒之内连连接。这这项工作作的复杂杂性是人人脑所不不能想象象的。直直到200世纪660年代代，两个个电话之之间的连连接还需需要将模模拟话音音信号通通过机械械开关及及放大器器进行传传送。一一个连接接需要一一对线。相相比较而而言，DDSP将将音频信信号转换换成一串串数字信信号流。由由于比特特流可以以很容易易地被混混放在一一起并且且事后可可以分开开，因此此，许多多路话音音可以在在一条信信道上传传输。该该技术称称为复用用。(2) 压缩 当以880000个采样样值/秒秒的速度度对一个个话音信信号进行行数字化化时，大大多数的的数字信信息是冗冗余的。也也就是说说，由一一个采样样携带的的信息与与其相邻邻采样

14、在在很大程程度上是是重复的的。很多多DSPP算法用用于将数数字化的的语音转转换成需需要较少少的biits/secc的数据据流，这这称为数数据压缩缩算法。对对应的解解压缩算算法用于于将信息息恢复成成其原始始形式。这这些算法法根据压压缩比及及最后的的话音质质量来区区分优劣劣。通常常来说，这这些算法法可以使使数据率率从644kb/secc减少到到32kkb/ss而不会会导致话话音质量量的损失失。(3) 回声控制制回声是长长距离电电话连接接中的一一个严重重的问题题。当你你对一个个电话讲讲话时，一一个代表表你声音音的信号号会被传传输到所所连接的的接收端端，而其其中的一一部分会会以回声声的形式式返回。如如

15、果连接接只有几几百米，收收到回音音的时间间间隔仅仅有几毫毫秒。人人的耳朵朵习惯于于收到这这么短时时间延迟迟的回声声，连接接听起来来相当正正常。当当距离增增大时，回回声会变变得非常常惹人注注意并且且让人无无法忍受受。洲际际通信的的回声间间隔可达达几百毫毫秒，这这是相当当让人讨讨厌的。数数字信号号处理技技术通过过测量返返回信号号，并产产生一个个相应的的相反信信号以抵抵消这些些令人讨讨厌的回回声来处处理这类类问题。同同样的技技术还用用于令使使用话筒筒的人能能边听边边说而不不会觉得得有回音音。这也也可用于于通过产产生数字字相反噪噪音来减减少环境境噪音。2） 语音处理理人类的两两个最基基本的感感观是视视

16、觉和听听觉。相相应地，许许多DSSP是与与图像及及声音处处理有关关的。人人们可以以听到音音乐和话话音。DDSP在在这两个个领域都都曾带来来革命性性的变化化。（1） 音乐从音乐家家的麦克克风到高高保真音音响之间间的距离离是相当当长的。用用数字信信号代表表数据是是很重要要的，目目的是防防止模拟拟话音存存储及处处理中常常有的话话音衰退退现象。这这与任何何一个人人将磁带带的声音音质量与与CD的的声音质质量进行行对比的的结果是是一样的的。一个个典型的的场景是是，一段段音乐在在录音棚棚中是通通过不同同的声道道进行录录制的。有有些情况况下，这这甚至包包括分别别录制各各个乐器器及歌唱唱者的声声音。这这样做的的

17、目的是是给声音音工程师师以极大大的灵活活性去制制作最后后的产品品。将单单独声道道的音乐乐合成为为最终音音乐的过过程被称称为合成成。DSSP在音音乐合成成中可以以提供多多种重要要功能，包包括:滤滤波、信信号附加加及截断断、信号号编辑等等。在音乐合合成中DDSP最最有趣的的一个应应用是人人工回放放。如果果各个信信道仅仅仅是简单单地叠加加在一起起，最后后听到的的音乐是是脆弱无无力的，就就如同音音乐家在在门外演演奏一样样。这就就是为什什么听众众被音乐乐的回声声或回音音深深影影响着，而而这些常常在演播播室中被被最小化化了。DDSP使使得人工工回声在在混合过过程中被被加到音音乐中以以仿真不不同的听听觉环境

18、境。具有有几百毫毫秒的延延迟的回回声会让让人觉得得像是大大教堂一一样的环环境，而而加上110-220毫秒秒延迟的的回声可可以产生生更加现现代的听听觉感受受。（2） 话音产生生话音产生生和识别别用于人人和机器器之间的的通信。不不是用手手和眼睛睛，而是是用嘴和和耳朵。当当你的手手和眼睛睛需要做做别的如如开车，进进行外科科手术或或对敌人人开枪等等事情时时，这项项技术将将给你带带来极大大的方便便。有两两种计算算机产生生话音的的方式：数字录录音或声声道仿真真。（3） 语音识别别对人类声声音的自自动识别别要比话话音产生生难得多多。数字字信号处处理通常常通过两两步解决决话音识识别的问问题：特特征抽取取及特征

19、征匹配。来来自于音音频信号号的每个个单词都都被隔离离开并与与先前所所输的单单词相比比较以确确认与那那个最接接近。通通常，这这种系统统仅限于于很少的的几百个个单词；仅能接接受在单单词间具具有明显显停顿的的话音；对每个个说话的的人都需需要重新新学习。8. 图像处理理图像是具具有特殊殊特点的的信号。首首先，是是在空间间对参数数的测量量，而大大多数信信号是在在时间上上对参数数的测量量。其次次，图像像包含了了大量的的信息。例例如，存存储一秒秒钟的电电视图像像需要110M的的空间。这这要比同同样长度度的话音音信号大大10000倍。第第三，最最后对于于图像质质量的判判断常通通过人类类的主观观评估而而非客观观

20、标准来来判断。这这些特殊殊的特点点使得图图像处理理成为DDSP中中非常独独特的一一个子集集。课文 BB: 现现代数字字设计1. 综述光速已经经太慢了了。通常常情况下下，大量量生产的的现代数数字设计计需要将将时隙控控制到皮皮秒级。光光从你的的鼻子走走到你的的眼睛需需要的时时间是1100皮皮秒（在在1000皮秒里里，光速速运行约约1.22英寸）。这这种时隙隙不仅要要维持在在硅芯片片级别，而而且要维维持在物物理形态态上要大大得多的的系统板板上，如如计算机机母板上上。这些些系统运运行在很很高的频频率，在在这些频频率上，导导体表现现得不再再像一根根简单的的导线，而而是具有有了高频频效应，它它像一根根传输

21、线线一样能能够从相相邻的器器件上接接收或传传输信号号。如果果这些导导线处理理不当，它它们将会会无意地地毁坏系系统时序序。数字字设计要要比模拟拟设计更更加复杂杂。而且且不止于于此。数数字技术术是一项项非常巨巨大的技技术革命命。它有有一个持持续的范范例转变变，工业业革命，及及快速变变化的不不平行发发展的过过程。事事实上，它它在技术术公司的的市场部部门一直直遵循以以下信条条：“当一个个市场调调查告诉诉你公众众需要什什么的时时候，它它往往已已经过时时了”。这种快速速发展阻阻碍了技技术进步步，本书书将要解解决这个个问题。问问题是，现现代数字字设计需需要以前前不曾用用到过的的知识。然然而，许许多当前前的数

22、字字系统设设计师不不具有现现代高速速设计所所需要的的知识。这这个事实实导致了了技术循循环中大大量的误误导信息息。通常常，人们们认为高高速设计计的概念念很神秘秘。然而而，因为为所需知知识达不不到，这这个问题题并没有有解决。事事实上，许许多相同同的概念念在电子子工程的的其它学学科如无无线频率率设计及及微波设设计中已已经使用用了好几几十年了了。问题题是所需需科目的的参考书书要么太太抽象不不能被数数字设计计师立即即应用，要要么太实实际以至至于没有有包含能能够完整整理解该该学科所所需的足足够理论论。该书书将着眼眼于数字字设计领领域，解解释所需需的概念念以便于于工程师师或学生生去理解解、解决决当前乃乃至将

23、来来可能遇遇到的问问题。值值得注意意的是本本书中的的所有内内容都曾曾成功应应用在现现代设计计中。2. 基础如同读者者所知，数数字设计计的基本本概念是是用1或或0代表表信号传传输信息息。典型型情况下下，数字字设计包包含发送送及接收收一系列列如图11所示的的梯形电电压信号号，其中中高电压压代表11低电压压代表00。携带带数字信信号的传传输路径径是相互互连通的的。连接接包括从从发送信信号的芯芯片到接接收信号号的芯片片中的所所有电通通路。这这包括芯芯片包、连连接件、插插座及无无数个附附加结构构。一组组连接件件被称为为一条总总线。一一个由数数字接收收机区分分高电压压和低电电压的电电压范围围被称为为门限区

24、区域。在在该区域域中，接接收机可可以判为为高电平平也可以以被判为为低电平平。在芯芯片上，实实际的开开关电压压随着温温度、电电压、芯芯片处理理过程及及其它参参数变化化而变化化。从一一个系统统设计师师的角度度来看，有有高电压压门限和和低电压压门限，被被称为VVih和和Vill，高于于接收芯芯片的高高电压门门限或低低于接收收芯片的的低电压压门限的的信号可可以保证证在任何何情况下下都能被被收到。因因此为了了保证数数据的完完整性，系系统设计计者必须须保证在在任何条条件下，所所发送的的高电压压不能甚至至是一小小会儿的的时间，低低于Viih，低低电压必必须一直直低于VVil。为了使一一个数字字系统的的运行速

25、速度最大大化，在在门限电电压区域域的不确确定时间间应被最最小化。这这意味着着数字信信号的上上升或下下降时间间必须越越短越好好。理想想情况下下，信号号上升或或下降速速率应该该无限大大，实际际上由于于许多实实际因素素的影响响而不会会这么理理想。实实际中，几几百皮秒秒的边沿沿速率是是可以达达到的。读读者通过过傅立叶叶变换可可验证到到，边沿沿速率越越大，信信号的频频谱越高高，也意意味着难难度更大大。每个个导体都都有电容容，电感感及与频频率有关关的电阻阻。当频频率足够够高时，这这三个无无一可以以被忽略略。因此此一根导导线将不不再是一一个导线线，而是是一个具具有延迟迟和传输输阻抗的的分布式式寄生元元件，表

26、表现在从从一个芯芯片到接接收芯片片的过程程中就是是传输的的波形中中具有信信号扭曲曲及短时时脉冲干干扰噪声声。导线线变成了了一个元元件，与与其周围围的任何何元件包包括电源源及地线线配成对对。一个个信号不不完全存存在于导导体本身身中，而而是当前前所有的的磁场和和电场的的合成。一一个连接接中的信信号可能能影响另另一个连连接中的的信号或或被另一一个连接接中的信信号所影影响。更更进一步步说，在在高频时时同一个个连接的的不同部部分之间间如包、连连接件及及弯曲之之间都会会存在复复杂的相相互影响响。所有有这些高高频效应应趋向于于产生奇奇怪的、歪歪曲的波波形。这这确实给给了设计计者一个个全新的的高速逻逻辑设计计

27、视图。连连接附近近的每个个结构部部件的物物理及电电气特性性对于保保证合适适的信号号以合适适的时序序在Viih和VVil之之间传输输这样看看起来简简单的任任务起着着至关重重要的作作用。这这些特性性也决定定着系统统会将多多少能量量辐射至至空气中中，并可可以此判判断该系系统是否否符合官官方的辐辐射要求求。在以以后几章章中我们们将看到到如何计计算这些些。当一一个导体体必须被被看作为为一个分分布式的的电感和和电容时时，它就就被称为为是一个个传输线线。通常常情况下下，要根根据如何何满足感感兴趣信信号的最最高频率率所要求求的波长长来决定定电路的的物理尺尺寸大小小。在数数字设计计领域，由由于边沿沿速率决决定着

28、所所含信号号的最大大频率，你你可以比比较信号号上升沿沿及下降降沿时间间与电路路板大小小的关系系，如同同图2所所示。在在一个典典型的电电路板上上，信号号以光速速的一半半的速度度传输（确确切的公公式会在在后续章章节中介介绍）。因因此一个个5000皮秒的的边沿速速率占据据的电路路板的边边缘长度度大约33英寸。通通常情况况下，任任何长为为边沿速速率1/10的的电路必必须当作作一条传传输线来来考虑。高速设计计中一个个最困难难的方面面事实上上是有很很多相互互影响的的变量影影响着数数字设计计的输出出。有一一些变量量是可控控制的而而有一些些是具有有随机性性的。高高速设计计的难点点之一是是如何处处理许多多变数，

29、无无论它们们是可控控的还是是不可控控的。通通常情况况下，可可以通过过忽略或或假定变变量的值值使问题题得到简简化，但但这些忽忽略或假假定有可可能会在在以后导导致找不不到根本本原因的的失败。由由于时序序变得更更加严格格，对于于现代设设计者来来说过去去能做的的简化会会变得越越来越少少。本书书将会描描述如何何使大量量的会导导致不可可追踪的的问题的的变量协协同工作作。如果果没有处处理大量量变数的的方法，无无论设计计者实际际有多懂懂系统，一一个设计计最终都都会成为为凭臆测测而进行行的工作作。处理理所有变变数的最最后一步步常是最最难而且且最易被被设计者者忽视的的一部分分。因不不具备处处理大量量变数的的能力，

30、设设计者最最终将采采取校对对一些解解决点并并且希望望这些能能代替所所有已知知的条件件。虽然然有时这这些方法法是不可可避免的的，但这这将成为为危险的的猜测游游戏。当当然，在在设计中中一定的的猜测是是存在的的，但系系统设计计师的目目标是使使不确定定因素最最小化。3. 过去和将将来Gorddon Mooore, Inntell公司的的奠基人人，曾预预测计算算机的性性能将会会每188个月翻翻一番。历历史证实实了这一一有洞察察力的预预测。显显著地，计计算机的的性能大大约每11年半会会翻一番番，并且且其价钱钱在大幅幅度下降降。与处处理器性性能相关关的度量量是其内内部时钟钟速率。图图3通过过几个处处理器的的

31、内部时时钟速率率展示了了处理器器的历史史。到本本书出版版时为止止，本章章中即使使是最快快的处理理器都会会变得使使人不以以为然。这这是因为为计算机机速度是是按指速速规律增增长的。随随着核心心频率的的增加，会会需要更更快的总总线数据据速率，因因为总线线要为处处理器提提供数据据。如图图4所示示，这导导致了连连接件的的变化时时间应按按指数规规律减小小。时间间减少意意味着适适当地考考虑任何何会导致致到达接接收机的的数字波波形的不不确定性性变得更更重要。这这是导致致数字设设计越来来越困难难的两个个障碍的的根本原原因。第第一个障障碍很简简单，即即在一个个数字设设计中需需要考虑虑的变数数的绝对对数量会会增加。

32、当当频率增增加时，新新的，在在较低的的速率时时可以被被忽视的的效应，会会开始变变得明显显。通常常来讲，系系统设计计的复杂杂性随着着变量数数量的增增加按指指数规律律增长。第第二个障障碍是在在过去设设计中可可以被忽忽视的效效应，必必须以非非常高的的精度来来建模。通通常这些些模型在在本质是是三维的的，或者者需要非非常专业业的模拟拟技术，这这已超出出了数字字设计师师的学科科范围。障障碍可能能对于处处理器的的外围器器件更加加意义深深远，因因为它们们发展得得很慢，但但仍需要要支持不不断发展展的处理理器的越越来越多多需求。上述的问问题导致致了目前前的现状状：需要要解决新新的问题题。能够够解决这这些问题题的工

33、程程师才能能够定义义未来DDSP技技术的发发展。本本书将致致力于使使读者掌掌握实际际中进行行现代高高速数字字设计必必须掌握握的技能能及足够够的理论论，这些些知识会会帮助读读者解决决作者可可能还没没有遇到到过的问问题。第二课 嵌入式式系统及及应用课文A：嵌入式式系统的的特点什么是嵌嵌入式系系统？嵌入式系系统是计算机机工程的的一个全全新分支支。它是是对传统统不可用用户编程程的专用用计算机机设备的的一种发发展，仅应用用于某一专专用领域域（例如如医疗设设备），将计算机机技术与与机械工工程设计计结合了了起来。嵌入式系系统是一一个有专专用用途途的计算算机，嵌嵌入在设设备的内部。例如如，微波波炉中就就含有一

34、个嵌嵌入式系系统，它它接收来自面面板的输入，进进而控制制液晶显显示器进进行显示示，控制加热热元件的的开关以煮熟食食物。嵌嵌入式系系统通常常采用微微控制器器，这种种微控制制器是一一个单一一器件，但但具有电电脑的许许多功能能。摩托托罗拉公公司和英英特尔公公司生产产的微控控制器最最受专业业人士欢欢迎。 嵌入式系系统的市市场正在在逐步扩扩大，因因为工程程师们认认识到许许多其他他工程项项目也可可受益于嵌嵌入式系系统技术术。现在在，到处处都有嵌嵌入式系系统的身身影，从从食品加加工到汽汽车生产产以及更多的的领域。生活在计计算机时时代意味味着，在在这十年年内，在在任何情情况下，我我们都将很难难再找到到一个机机

35、械设备备没有或多多或少以以某种形形式涉及及到嵌入入式系统统。嵌入式系系统分不同的的级别。电电脑玩具和厨房用具具只是嵌嵌入式系系统的非常简简单的表表现形式式。许多更更复杂的的医疗设设备具有有更强大大的功能能，实际际上其受受益于使使用了不不止一个个嵌入式式系统。虽虽然这意意味着我我们在日日常生活活中随手手拿来用用的一些些设备通通常会变变得更便便捷、更更好用，但但这也意意味着这这些嵌入入式设备备的维修修将会是是更困难难、更昂贵贵的。但同时时这还意意味着我我们的许许多时间间被嵌入式式设备解解放出来来，我们们有更多的的时间做做我们所所喜欢做做的。例如，我我们都使使用带有有嵌入式式系统的的洗衣机机。我们们

36、买的汽汽车也越越来越多多的拥有有嵌入式式系统。甚至是我我们使用用的制造造工具也和和嵌入式式系统息息息相关关。显而易易见，非非常多的的公司致致力于嵌嵌入式系系统的开开发，或或独立进进行，或或按需要要联合机机械制造造厂家共共同开发发。越来来越多的的工程公公司申请请使用嵌嵌入式技技术，从从能设想想到的所所有方向向来升级级自己的的产品。如果没有有嵌入式式系统你走进你你的车并并用钥匙匙发动。你你需要用用到贮物物箱的一个3.5英寸寸软盘，把把它插到到仪表盘盘上的插插槽里，拍打方向向盘，直直到操作作系统很快快在液晶晶仪表板板显示出出来。用用中心控控制台的的光标键键选择电电子点火火程序，然然后转动动钥匙启启动

37、发动动机。在在上班路路上你想听一些些音乐，那你就往播放机里输入CD程序，等待表明播放器的数字信号处理器已经准备就绪的绿灯闪烁，然后放入你的音乐CD。 拥有嵌入入式系统统.你不需要要传统的的用户界界面来决决定运行行哪些程程序，汽汽车电子子点火装装置会随随着车钥钥匙做出出响应。你不需要要加载程程序进你你的设备备，那些些需要帮帮助运转转工作的的应该已已经被加加载完成成了（尽尽管一些些新型的的移动电电话可以以下载其其他的程程序）你不必浪浪费时间间等待O / SS的加载载 - 如果需需要加载载，那么么它也不不会因为为绑定而而使加载载缓慢。 你不需要要从一个个缓慢的的磁盘驱驱动器来来加载程程序或数数据 绝

38、大大部分需需要的信信息都在在Fasst RROM里里。嵌入式系系统大致致可定义义为“一种种不一定定是计算算机，但但包含一一个处理理器的系系统”。但但是不要要只集中中一个定定义上，去思考考绝大部部分嵌入入式系统统的这些些共同特特点，至至少从某某种程度度上看，那那是十分分有益的的。 1） 嵌入式系系统，往往往在价格和和尺寸上上差异较较大。许多嵌入入式系统统，如PPDA或或手机，都都是高容容量，低低成本和和低利润润的。这需需要用到到尽可能能便宜的的部件，而这通常意味着简单的处理器和小内存（RAM和NVRAM /flash）的使用。这将导致嵌入式系统软件牺牲可维护性（如可移植性、透明度、模块化）来换取

39、性能的最优化（如一个小的引导镜像区、一块小RAM空间、小周期循环需求）。日益增加的前期软件开发成本和定期保养费用摊销在大批量销售上，并被日新月异的较便宜组件构成的硬件优化，节省了成本。 许多其它它的嵌入入式系统统价格方方面虽然然不是主主要考虑虑的因素素，但要要考虑到到外形的的限制或或重量等等因素，需需要用最最小的器器件来满满足要求求。需要要再提的的是，这这些性能能的优化化是以牺牺牲系统统的可维维护性为为代价的的。除了在可可移植性性、透明明度、模模块化方方面权衡衡外，嵌嵌入式系系统还需需要使用用一种低层层次的语语言的优化，这这种语言言不是CC语言，也也不是从从一个UUML模模型自动动生成的的C语

40、言言代码。（比比如说用用汇编语语言而不不用C语语言，或或者是用用C语言言而不是是从UMML模型型自动生生成的代代码）但是，这这种手工工调整通通常只适适用于在在“900/100”准则则确定下下的小部部分软件件，这是是主要的的性能瓶瓶颈。2）嵌嵌入式系系统通常常有电源源的限制制。 许多嵌入入式系统统的运行行依靠电池池，无论论是持续续供电还还是在紧紧急情况况下。因因此，功功耗性能能在复杂杂性和可可维护性性的成本本方面是是被许多多嵌入式式系统青青睐的。（许多多嵌入式式系统的的低功耗耗性能往往往是牺牺牲了复复杂性和和可维护护性为代代价的）3） 嵌入式系系统往往往是实时时的。 从本质上上看，大大多数嵌嵌入

41、式系系统在往往数据流流的反应应（对流流向和通通过系统统的数据据实时做做出反应应的）方方向建设设。实时时限制又又偏向可可维护性性方面的的性能方方向(使使得系统统偏向于于性能表表现而不不是可维维护性方方面)（尤其其是循环环使用）。嵌入式系统一般包括硬件实时约束和软件实时约束。硬件实时约束要求事件在给定的时间内得到处理；软件实时约束用于限制事件平均响应时间。实时操作作系统使使用先发发制人的的优先（优优先级式式）调度度，以确确保达到到实时要求求，但需需要仔细细考虑到到执行上上下文（线线程）来来划分的的处理，设设置执行行上下文文的相对对优先次次序，并并在上下下文中管管理控制制/数据据流之间间。（执执行文

42、本本的划分分，执行行文本的的优先级级设置以以及执行行文本之之间的数数据流管管理和控控制。）4） 嵌入式系系统经常常使用自自定义硬硬件。 嵌入式系系统，往往往由现现成处理理器和现现成的外外围设备备相结合合而成。即即使组件件可能是是标准的的，但是自定定义混合合和匹配配需要硬硬件和软软件的高高度凝聚聚 大多多数嵌入入式系统统的软件件都是设设备驱动动程序的的操作系系统软件件（操作作系统和和设备驱驱动程序序通常会会占嵌入入式系统统软件非非常大的的比例）。虽然这种低层次的软件经常是可购买，受许可，或者可免费使用的，但是嵌入式系统中的很大一部分操作系统是内部自定义开发的，要么是精确匹配使用中的硬件系统，要么

43、是在自定义配置中粘合现成的软件。通常，嵌嵌入式系系统的功功能是分分布在多多个同类类处理器器和/或或一个分分层次的的主/从从处理器器。这就需要要在处理理器的处处理任务务分配以以及处理理器之间间的程度度、方式式和沟通通时间上上多加考考虑。此外，许许多嵌入入式系统统利用专专门的可可编程器器件或特定用用途集成成电路技技术，因因此需要要低层次次的软件件与自定义义硬件进进行交互互。5） 嵌入式系系统主要要会从视视图中隐隐藏（通通常是不不可视的的或对用用户透明明的）从本质上上看，嵌嵌入式系系统通常常与他们们的“用户”有一个个有限的的界面（实实际用户户或另一一个超级级系统的的组件）。因因此，大大多数这这种系统

44、统的开发是为为了满足足在建筑筑规格和和高层次次的设计计开发的的各种软软件功能能规格发发展的需需要，而而不是适适应用户户的需求求。6） 嵌入式系系统通常常具有单单片功能。大多数嵌嵌入式系系统是为为了一个个初始（主主要）目目的而建建的。它们可可以被分分解成几几个部分分，并且这这些组成成部分很很可能可可以有低低跨凝聚聚力和交交叉耦合合。也就就是说，每每个部分分都可以以成为一一个单独独的目的的（独立立服务于于不同的的目的），而且组件之间的相互作用可能只限于少数明确界定的问题。然而，除非大部分或整体都正常工作，否则整个系统将无法运作。一个系统需要所有组件运作正常来使得整个系统实现有用的功能性，这就是“单

45、片系统”。这作为部件功能作用的一个功能在系统功能的非线性方面与其他种类的软件相反，那些系统可能当软件完成50%的时候系统能够实现50%或更多的功能。例如，建建立一个个太空探探测器进进行空间间旅行或或去其他行行星将它们的的信息发发送回来来。尽管管有许多低低级别的的空间探探测器组组件用于于定位，登登陆，自自展传感感和太阳能能电池板板以及通信信。每个个低层次次的响应应（功能能）都是是涵盖范范围广泛泛而功能（整整体功能能实现）不可缺少的组成部分。如果有任何一个重要组件缺失，即使所有其他的组件都完全正常工作，空间探测器还是会出故障。手机是另另外一个个例子，手机的的所有子子功能，如如用户界界面，蜂蜂窝基站

46、站的选择择，声码码器，通通信协议议等都是是实现用用户和特特定的远远程节点点间的双双向音频频信息传传递这一一整体目目标实现现（双向向音频信信息的涵涵盖范围围广泛的的目标转转移中都都是）的的十分重重要的方方面。这与其他他软件制制度不同同，如WWeb服服务或桌桌面工具具里，这种种低层次次的响应应，可能更独立的服务总总系统的的功能，而而不是作作为一个个单片整体不不可缺少少的部分分。虽然一个个嵌入式式系统的的软件组组件组合合成一个个单片功能体，那些组件件本身往往往差别别很大。嵌嵌入式系系统经常常联合起软软件组件件进行信信号处理理、运行行低级别别的设备备驱动程程序、实实现I / OO通信协协议、引导和和控

47、制，以以及建立立用户接接口等活活动。这这些专门门的组件件都需要要一个不不同的开开发技能能器。7） 嵌入式系系统往往往是有限限的开发发工具。（和一些些有着一一整套辅辅助开发发工具的的软件制制度不同同）虽然然有一些些软件制制度有一一大堆工工具来协助软软件开发发，但是是嵌入式式系统软软件的发发展更有限（开开发具有有更多的的局限性性），而而且经常常只使用用基本的的编译工工具。这这一部分是是由于嵌嵌入式系系统通常常使用自自定义硬硬件，这这可能没没有工具具支持，且嵌入式系统往往是实时的而且性能受限制，难以在调试器的控制下冻结整个执行链，也难以在嵌入目标和一个基于主机工作的工具之间进行控制和数据的转换，以及

48、捕捉广泛的执行跟踪数据的记录。由于适用用于嵌入入式系统统软件开开发的商商业工具具选择很很有限，许许多嵌入入式系统统项目建建设自己己的工具具，用于调调试和测测试，至至少是增加与与内部工工具的商商业工具具（或者者至少会会在商业业工具的的基础上上改变其其内部结结构以满满足自己己的要求求）。8） 嵌入式系系统通常常有严格格的强度度（可靠靠性、稳稳定性、鲁鲁棒性）要求。嵌入式系系统通常常用在恶恶劣的环环境中和关键键任务里里使用，或用于医疗用途。因此，嵌入式系统在可靠性上的要求，正确处理异常的能力，平均无故障工作时间上严格程度远甚于许多其他类型的软件。这些又转化到严格的开发流程和测试要求。反过来说，这也大

49、大增加了发行一个软件版本所需的开销。有些类型型的嵌入入式系统统受到一一些监管管要求的的影响，而而这些要要求旨在在通过强制制软件开开发过程程来降低低故障率率，或者者至少指指明哪些些文件必必须附有有嵌入式式系统产产品。此外，个个别嵌入入式系统统很难甚甚至不可可能升级级固件，因因此这种种系统初初始上市市的时候候必须要要有正确确的设计计。9） 嵌入式系系统往往往寿命很很长。嵌入式系系统通常常可使用用多年。通通常情况况下，嵌嵌入式系系统的支支持时间间远远超超过了原原来的软软件开发发人员流流失率。这这使得它它具有完完善的理理由来阐阐述嵌入入式系统统软件，（这使得保存完善的关于解释嵌入式系统软件的记录变得至关重要，特别是因为源代码本身可能由于性能权衡