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嵌入式系统：测试和测量挑战入门手册入门手册嵌入式系统：测试和测量挑战2嵌入式系统：测试和测量挑战入门手册目录嵌入式系统概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3-6行业推动因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3市场趋势和推动因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4工程设计需求和响应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4嵌入式设计的各种单元⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5嵌入式设计的关键测试挑战⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6微处理器和微型控制器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7-11调试嵌入式处理器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7高级语言源代码支持⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8符号支持⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9性能分析支持⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9最坏情况执行时间支持⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10现场可编程门阵列(FPGAs)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12-17FPGA设计流程概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13设计阶段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13调试和检验阶段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13FPGA调试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13嵌入式逻辑分析仪核心⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13外部示波器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14外部混合信号示波器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14外部逻辑分析仪⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14选择适当的FPGA调试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17存储器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18-25SDRAM⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20DDRSDRAM⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20DDR2SDRAM⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21DDR3SDRAM⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22内存系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23设计仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23设计检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23检验策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23SDRAM检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24低速串行总线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26-30测量挑战⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29触发与搜索⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30高速串行总线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31-36高速串行标准⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32测量挑战⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37-43开关式电源基础知识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37检定SMPS(开关式电源)性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38电气特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38磁性特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39输入/输出(I/O)分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39电源设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40测量基础知识⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40探测考虑因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42自动进行功率测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42强大的测量功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43数字RF技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯44-50频谱使用方式发生变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯44工程设计挑战⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45测试数字RF技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46测量工具⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46数字RF应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48信号源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50未来整体展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51嵌入式系统：测试和测量挑战入门手册嵌入式系统概述嵌入式系统是采用专用微处理器或微型控制器的紧凑型专用途计算设备，一般执行非常具体的预先规定的任务，旨在满足特定的功能，或者集成在大得多、复杂得多的设备内部，如汽车系统、航空电子、网络设备、工业控制、医疗器械、消费电子和通信网络。在摩尔定律的作用下，技术成本不断降低、性能不断提高，导致更小、更强大的处理设备集成到各种日常物品中。但是，真正的重大技术发展是分散化普及计算技术，以前孤立的设备将变得更加智能，并连接到网络上。顾名思义，嵌入式设备是物体中采用的传感器、处理器和控制器，这些器件与周围环境、人及相互之间交互，它们结合在一起，满足高度专业化的应用和需求。行业推动因素各行各业正在使用嵌入式技术，提供新应用和新服务。最重要的是，许多行业正在领跑“电子器件深入生活”的大趋势，包括：■消费电子：设计复杂性不断提高，正推动消费电子行业更多地使用嵌入式系统。从先进的多功能手机到数字电视，这些应用正采用各种嵌入式设备，包括计算机、微处理器或其它电子器件，如现场可编程门阵列(FPGA)和传输电子。消费者日益希望把这些设备与其它产品集成起来，并能够在出现新技术时升级这些嵌入式设备。■工业电子：工厂自动化、工艺控制、发电和管理、安全和环境监测都离不开嵌入式电子系统。质量、高效操作、数据和信息管理等商业需求正推动着人们更广泛地使用电子控制和管理系统。■汽车：在现代汽车中，估计电子器件的成本大约要占到总成本的25%。有人估计，到2010年，这一比例将提高到40%。普通新汽车内部都装有数十个微处理器，控制着从引擎到无线电的各种功能。某些高端汽车包括100多个微处理器和微型控制器。许多控制器件非常微小，如后视镜内部的自动变暗芯片。从8位控制器到32位处理器，汽车嵌入式系统为防抱死刹车、牵引和稳定控制及引擎管理提供了电子控制功能。■航空电子：飞机中广泛采用嵌入式电子，如驾驶仓仪表、航空数据、惯性系统、引擎控制、发电、水力、燃料系统、自动驾驶仪、导航、GPS、ILS、起落装置、飞行翼面、狭板、副翼等等。创新仍在继续，例如，直升机内部新的全自动自适应转子系统能够降低起飞和降落时的噪声，还能降低飞行过程中的振动。■医疗：嵌入式系统广泛用于患者监测和诊断、手术室和MRI和PET扫描装置等技术设备中。外科机器人可能很快会应用于手术室中。最近，人们已经采用‘单片系统’(SOC)集成技术，建立化学和生物实验室，能够在医疗服务站执行分析，而不必等一两天才能获得实验室结果。在“非技术”应用中，采用嵌入式系统的假肢可以与真肢协调活动，这些嵌入式系统基于科学的步法分析和生物力学的研究，这些研究根据来自各种传感器的输入，在微处理器和软件控制下执行。4嵌入式系统：测试和测量挑战入门手册■通信：传统模拟技术正与新型数字技术融合在一起，在其推动下，通信行业中大量采用嵌入式技术，如面向多媒体网络的基于传统语音和时分复用(TDM)的网络，把语音和数据(包括视频)集成到全球定位和跟踪系统等领域中。网络处理器正日益用于交换机、网关、路由器和其它通信设备中，如安全和控制平面处理器，管理性能、功耗、流量管理和其它嵌入式功能。IP语音(VoIP)芯片也正越来越多地嵌入到整个网络中。市场趋势和推动因素除推动嵌入式系统开发的行业外，还有大量的市场动力：■功能和智能不断提高:消费者对性能更高的设备及更丰富、更智能用户界面的需求正不断增长，并要求这些设备能够与其它设备无缝通信。从传感器网络到节能设备的新应用正继续推动着性能提高。■尺寸缩小:越来越多的功能正被采用到日益缩小的设计和设备中。■成本下降:除预计更高的性能外，“市面上流行的”技术和规模经济实现的设计和制造效率，正日益推动价格下降。■降低功耗:在大多数情况下，特别是对便携式设备，降低功率要求，以延长电池使用寿命，或降低运行成本使一个产品可能在市场中取得成功。■互通:通过有线和无线标准化I/O接口实现“即插即用”连接，为嵌入式智能应用创造了新的机会。工程设计需求和响应为满足不同行业和市场需求带来的挑战，一些范围需要产品工程师团队选择：■采用行业标准：嵌入式系统单元及把它们连接起来的总线正日益依赖和兼容行业标准。这便于实现互通和实现现有技术所带来的规模经济。为保证性能检定和标准一致性，要求支持多种行业标准的工具。■先进的性能：可以重复使用的元件为设计和基本嵌入式系统的延伸创造了用武之地。真正创新的技术和应用要求在更加复杂的设计中应用混合信号的新技术和新工艺的开发。为迎接这些挑战，必需使用拥有全面功能和易用性的强大的测试工具。■集成和连接：尽管嵌入式系统内部常用的许多技术都存在既定的标准，但主要测试要求是保证所有单元同步，作为无缝集成的整体运行。终端设备可能会包含多个嵌入式系统，部分系统必需相互通信及与外部世界通信。这是集成测试的延伸，以保证综合功能、定时操作和通信。这一领域要求测试工具既能评估单个单元、又能评估整个系统。■混合信号：随着功能和性能的逐步提高，工程师通常必须在设计中同时处理模拟信号和数字信号。这提高了测试工作的复杂性，要求专用工具既能了解元件内部，又能查看被测设备测试点上发生的情况。嵌入式系统：测试和测量挑战入门手册■挑战性环境：现代电子设备预计将提供最新的性能和功能及可靠性，并能够在变化的环境中运行。飞机航空电子明确预计将在极端的温度和高度中工作，即使是消费电子设备，也必需在人们工作或娱乐的任何地方工作。必需使用强大的测试工具，在实验室中测试产品极限，保证这些设备在变化的条件和环境中共存，而没有电气干扰。在本入门手册中，我们将详细考察嵌入式系统的各种单元，介绍实现中出现的部分挑战，通过新一代测试测量工具，我们可以有效解决这些挑战。图1.1.典型MP3音乐播放器的方框图。象许多嵌入式计算设备一样，MP3播放器使用混合信号，其中包含USB数字串行总线、数字信号处理器、连接存储器的数字并行总线、数字模拟转换器和模拟放大器。LCD显示屏用户功能键NAND闪存SD主机控制器SD卡或CF智能媒体整流桥电源晶体管或MOSFETSchottkyBarrier二极管电压调整器电池充电器运算放大器电池图例处理器接口放大器逻辑电源模数转换器/数模转换器存储器其它嵌入式设计的各种单元图1.1显示了使用嵌入式技术的典型现代设备，说明了通常使用的设备。嵌入式系统的大脑一般是微处理器、微型控制器或数字信号处理器(DSPs)。其它类型的处理设备是专用集成电路(ASICs)和现场可编程门阵列(FPGAs)。FPGA是一种可编程集成电路设备，通过编程完成更多的任务。这些设备用于各类任务，如合并系统中的功能，完成要求专用计算能力的任务，等等。FPGA的主要优势是其能够重复编程，这可以明显缩短设计时间，同时增加功能，降低设计总成本。6嵌入式系统：测试和测量挑战入门手册模拟/数字转换器(ADC)、数字/模拟转换器(DAC)、传感器和变频器提供了与物理世界的接口。这些设备的重要角色是把信息从模拟世界转换成数字数据及接收数字数据、然后回传到模拟环境。这些单元在特定设计中的数量取决于设备和应用类型。随着设备内部嵌入式硬件单元数量不断提高，这些单元之间的通路数量也会提高。由于其它关键推动因素，如需要使成本最小化(需要以最优方式利用电路板空间)和降低尺寸，仅使用并行总线连接所有这些单元是不可行的。这导致使用串行总线的设计数量迅猛增长，其一般只要求少量连接，相比并行总线则要求大量的连接。尽管大多数嵌入式设备的速度比不上高性能计算系统，但它们采用许多行业标准串行总线，通常会结合使用不同的总线。有些嵌入式设备则同时采用并行总线及低速串行总线和高速串行总线。嵌入式系统设计一般使用低速串行总线，如I2C,SPI,RS-232,FlexRay,CAN,LIN和USB。这些串行总线非常复杂，给验证和调试带来严峻的挑战。工程师需要集成了串行触发、协议解码和全方位分析功能的工具。此外，性能领先的嵌入式设计采用速度更高的串行总线，如以太网、PCI-Express、SATA或HDMI。工程师需要测试仪器和软件提供高速