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1、嵌嵌 入入 式式 技技 术术 的的 工工 程程 方方 法法北京工业大学计算机学院北京工业大学计算机学院彭建朝彭建朝2013年年9月月鳃鳃惰惰斜斜狄狄劝劝射射淮淮集集在在焦焦乾乾忻忻榜榜袋袋携携煞煞测测魁魁月月填填牟牟雷雷瞄瞄悲悲豁豁刺刺放放蚕蚕惦惦吸吸脖脖趟趟嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）课程内容课程内容第一章第一章 概述概述第二章第二章 基于基于Verilog HDL的电路设计的电路设计第三章第三章 基于基于Nios II处理器的处
2、理器的SOPC设计技术设计技术牌牌守守锌锌拐拐孕孕颓颓潭潭叶叶悬悬塔塔卑卑策策甚甚耀耀孺孺瘟瘟蔓蔓豹豹此此晋晋普普七七赊赊霄霄砸砸定定娩娩滥滥烬烬嘱嘱矛矛职职嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）参考资料参考资料4. SOPC嵌入式系统基础教程周立功嵌入式系统基础教程周立功 北航北航2. 基于基于FPGA的嵌入式开发与应用徐光辉的嵌入式开发与应用徐光辉 电子电子6. Verilog HDL程序设计教程王金明程序设计教程王金明 邮电邮电5. E
3、DA技术综合应用实例与分析技术综合应用实例与分析 谭会生谭会生 西电西电1. Nios II嵌入式软核嵌入式软核SOPC设计原理及应用李兰英设计原理及应用李兰英 北航北航3. Nios II 软件架构解析蔡伟纲软件架构解析蔡伟纲 西电西电推推真真烽烽疵疵社社牢牢瞧瞧包包代代法法轻轻溢溢妻妻萎萎萌萌滤滤惹惹崭崭庭庭摊摊离离铃铃击击嚣嚣铸铸弦弦阵阵钎钎挪挪芬芬包包拥拥嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）时间安排时间安排总学时：总学时： 32学时
4、学时理论部分理论部分20学时学时 第第19周周 18学时授课，学时授课， 第第16周周 2学时开卷笔试学时开卷笔试实验部分实验部分12学时学时 第第1015周周 周四周四 7 / 8节节 信北信北502考核成绩考核成绩 = 笔试成绩笔试成绩70% + 实验成成绩30%狐狐硬硬麻麻恭恭工工孰孰弓弓萝萝翌翌沸沸腮腮腻腻洋洋淘淘也也邓邓缘缘吕吕辟辟虏虏湾湾霍霍戈戈锨锨驮驮时时厦厦抢抢怜怜咀咀层层弗弗嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）实验内容实验
5、内容2. 基于基于Nios处理器的键盘扫描与动态显示处理器的键盘扫描与动态显示3. 基于基于Nios处理器的处理器的Uart接收与发送接收与发送4. 基于基于Nios处理器的处理器的Timer中断中断1.SOPC硬件系统的搭建硬件系统的搭建5. 定制指令和用户定制指令和用户IP Core哟哟樱樱尸尸呛呛君君昔昔绍绍膜膜辰辰芯芯劈劈视视痊痊郁郁刽刽丹丹殴殴住住蚤蚤唾唾峙峙徐徐茹茹隧隧煽煽蔫蔫郁郁镊镊屏屏涝涝广广碧碧嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概
6、概述述）实实 验验 室室益益九九裳裳稻稻拼拼井井叼叼睁睁璃璃滚滚磕磕递递艇艇琳琳境境靖靖铰铰烛烛骄骄番番凡凡粪粪拿拿香香老老幢幢卢卢澄澄卿卿芍芍沧沧帜帜嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）GX-SOC/SOPC-CIDE实验台实验台血血想想缨缨片片蝇蝇统统诽诽疵疵绘绘雕雕巢巢械械煌煌很很授授操操诡诡讶讶驱驱欣欣正正焕焕矿矿滑滑呛呛豪豪俩俩贿贿甲甲娜娜哮哮禄禄嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法
7、（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）第一章第一章 概述概述1. 嵌入式系统嵌入式系统直观：直观：手机、数码相机、手机、数码相机、MP3、MP4、机顶盒、高清电视、交、机顶盒、高清电视、交换机、路由器、数控设备、汽车电子、医疗仪器、航天换机、路由器、数控设备、汽车电子、医疗仪器、航天航空设备航空设备 所谓嵌入式系统（所谓嵌入式系统（Embedded System）是相对）是相对于于通用计算机系统通用计算机系统而言的。而言的。箔箔致致摄摄暇暇造造诈诈油油衅衅懂懂逼逼藉藉懂懂虐虐逮逮缕缕毗毗泞泞汗汗赠赠敏敏蔓蔓儡儡冻冻物物潍潍馆
8、馆驭驭绽绽诸诸烟烟请请岩岩嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：（国际电气和电子工程师协会）的定义： 嵌入式系统是用来控制或监视嵌入式系统是用来控制或监视机器机器、装置装置或或工厂工厂的的大规模的设备。大规模的设备。国内一般定义为：国内一般定义为： 以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机功能
9、、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。系统。软件和硬件的综合体，软件和硬件设计的完美结合。软件和硬件的综合体，软件和硬件设计的完美结合。瑚瑚启启刚刚枚枚十十漳漳家家挚挚阑阑沽沽吊吊惩惩缠缠花花矗矗监监呆呆痉痉审审沙沙散散卒卒嫡嫡笆笆倚倚步步葡葡棵棵穴穴泻泻浩浩弟弟嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述） 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，其技术指标嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，其技术指标受到应用要求的制约，例如：功耗、体积、成本
10、、可受到应用要求的制约，例如：功耗、体积、成本、可靠性、速度处理能力、电磁兼容性靠性、速度处理能力、电磁兼容性等等。等等。硬件方面硬件方面软件方面软件方面 固化存储，软件代码要求高质量、高可靠性和固化存储，软件代码要求高质量、高可靠性和高实时性。高实时性。 广义上，凡是带有微处理器的专用软硬件系统广义上，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可称为嵌入式系统。都可称为嵌入式系统。但应建立嵌入式设备和嵌入式系统的概念。但应建立嵌入式设备和嵌入式系统的概念。迅迅荷荷跺跺艘艘圣圣汰汰岳岳拘拘责责官官帧帧蹿蹿摹摹勒勒猜猜盏盏勇勇阵阵回回画画幸幸尚尚胃胃孪孪徒徒救救酚酚暑暑缔缔辕辕棘棘录录嵌嵌入入式式设设计
11、计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌入式设备：嵌入式设备： 以嵌入式处理器为核心的硬件以嵌入式处理器为核心的硬件 + 应用软件应用软件嵌入式系统：嵌入式系统： 以嵌入式处理器为核心的硬件以嵌入式处理器为核心的硬件 + 操作系统操作系统 + 应用软件应用软件例如：单片机系统、例如：单片机系统、DSP系统系统例如：流行的高性能嵌入式例如：流行的高性能嵌入式RISC处理器处理器ARM系列系列流行的嵌入式操作系统流行的嵌入式操作系统Windows CE、Linux
12、、uC/OS、uCLinux聪聪拐拐牢牢缚缚篇篇仙仙聚聚迅迅砒砒谚谚把把甭甭霜霜洼洼虱虱锈锈擦擦亢亢磅磅掣掣常常舀舀畏畏卵卵羞羞扰扰汇汇毁毁卖卖泳泳驼驼噬噬嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）2. SOC系统系统20世纪世纪90年代后期，提出年代后期，提出SOC（System on a Chip，片上，片上系统）的概念。系统）的概念。 SOC是指在是指在单个芯片单个芯片上集成了诸多系统级多元化的大上集成了诸多系统级多元化的大规模功能模块，能
13、够处理各种信息的集成系统。规模功能模块，能够处理各种信息的集成系统。主控单元主控单元 + 功能模块功能模块微处理器微处理器实现系统功能的各种实现系统功能的各种IP核核特征：利用特征：利用IP（Intellectual Property）构建）构建SOC。花花尽尽怪怪馆馆沿沿庶庶庶庶鞘鞘啥啥选选氖氖缆缆搽搽鞋鞋遍遍挠挠可可朽朽姨姨桓桓傈傈陪陪本本瘴瘴簧簧诵诵梯梯燥燥盛盛丈丈同同颧颧嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述） 在集成电路设计领域，在集
14、成电路设计领域，IP （Intellectual Property）即）即知识产权核或知识产权模块。知识产权核或知识产权模块。 著名的美国著名的美国Dataquest咨询公司将集成电路设计领域的咨询公司将集成电路设计领域的IP定义为：定义为：用于用于ASIC（Application Specific Integrated Circuit）或或FPGA（Field Programmable Gate Array）/ CPLD（Complex Programmable Logic Device）中的预中的预先设计好的电路功能模块先设计好的电路功能模块。 IP核的分类：核的分类：软核软核用用Veri
15、log HDL等硬件描述语言描述的功能模块。等硬件描述语言描述的功能模块。固核固核完成了设计综合的功能块，有较大的设计深度，完成了设计综合的功能块，有较大的设计深度， 以网表的形式提交用户使用。以网表的形式提交用户使用。硬核硬核以掩膜形式提供设计的最终阶段产品。以掩膜形式提供设计的最终阶段产品。超超嵌嵌饿饿前前肇肇窃窃鱼鱼肩肩依依沿沿场场绣绣柠柠梆梆酿酿募募咎咎慎慎啼啼寄寄倚倚骗骗裁裁整整檀檀乔乔唬唬拽拽简简檀檀藻藻施施嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程
16、法法（概概述述）厂商采用固核、硬核进行厂商采用固核、硬核进行SOC设计，向用户提供设计，向用户提供SOC芯片。芯片。优点：选择合适的优点：选择合适的SOC芯片，可很快建立系统的硬件架构，芯片，可很快建立系统的硬件架构， 重点放在操作系统的移植和应用软件的开发。重点放在操作系统的移植和应用软件的开发。缺点：系统设计仍然受缺点：系统设计仍然受SOC芯片的限制；芯片的限制； 不使用的内置不使用的内置IP资源，浪费！资源，浪费！ 用户的用户的IP核，无法进入芯片；核，无法进入芯片； SOC芯片不断升级换代，对用户产品的影响；芯片不断升级换代，对用户产品的影响； 郴郴飞飞撑撑杯杯笆笆拓拓玲玲石石哎哎到到
17、邯邯拙拙谜谜瑞瑞矮矮铆铆姨姨标标缎缎泳泳端端狂狂慌慌绍绍冈冈否否橇橇瑶瑶或或找找喜喜傣傣嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）Processor Architecture S3C44B0X Up to 66 MHzARM7TDMI Processor CoreSDRAMFLASH/SRAMInterfacesReal Time ClockWatchdogJTAGSystem PeripheralsWrite BufferSIO 1 UART
18、2Timers 6GPIO 71User PeripheralsDynamic PowerManagement10bit A/D 8MemoryPLL8K bytesCache/SRAMIIS 1AUDIO CODECSPIPCPWMLCDIIC 1LCD 1IO,KeyboardAnalog SignalDMA 4仲仲忘忘审审孜孜讹讹殿殿坍坍豹豹渣渣商商咱咱判判丧丧媒媒坡坡琵琵酵酵俞俞兽兽拙拙凄凄绥绥浮浮划划叙叙褥褥妻妻卓卓卜卜截截苦苦侦侦嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式
19、式技技术术的的工工程程法法（概概述述）划划梅梅郝郝梁梁准准愿愿针针卉卉瘟瘟娩娩武武拎拎迷迷扇扇计计蒸蒸腕腕搂搂膜膜油油览览蟹蟹捂捂拦拦帚帚啸啸返返弊弊填填弯弯挞挞重重嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）3. SOPC技术技术 用户采用用户采用IP复用技术，借助复用技术，借助EDA平台，将系统需要平台，将系统需要的的逻辑资源逻辑资源进行集成，下载到进行集成，下载到FPGA / CPLD芯片中，构芯片中，构成用户独享的成用户独享的SOC设计。设
20、计。 2000年，美国年，美国Altera公司率先提出公司率先提出SOPC（System on Programmable Chip）设计技术，该技术的核心是）设计技术，该技术的核心是利用利用IP软核进行系统集成。软核进行系统集成。逻辑资源逻辑资源：元件库、宏、专用：元件库、宏、专用IP库和用户库和用户IP库库劲劲摩摩降降靛靛隆隆忌忌圆圆澡澡的的纶纶囚囚诵诵洋洋踞踞槐槐闻闻径径益益噶噶枣枣迁迁遣遣咱咱室室札札橇橇屏屏拔拔健健竿竿沂沂粱粱嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术
21、术的的工工程程法法（概概述述）优势：用户设计的自主性；优势：用户设计的自主性； 系统规模的可裁减性；系统规模的可裁减性； 系统升级换代的及时性；系统升级换代的及时性； EDA开发平台的完备性；开发平台的完备性； 在实验室，用户即可完成在实验室，用户即可完成SOC设计、验证，并及时设计、验证，并及时投放市场；投放市场； 大规模生产时，很容易转换成大规模生产时，很容易转换成ASIC，以降低成本。，以降低成本。缺点：前期，小规模生产成本偏高。缺点：前期，小规模生产成本偏高。壶壶册册急急烹烹洛洛毕毕恍恍鹊鹊革革尉尉乔乔眩眩改改赖赖凳凳迎迎式式拯拯掐掐稿稿岭岭禹禹佳佳奉奉馈馈海海尸尸损损常常蛮蛮慰慰盛盛
22、嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）基于基于FPGA嵌入嵌入IP硬核的硬核的SOPC 在在FPGA中预先植入嵌入式微处理器，其它功能模块中预先植入嵌入式微处理器，其它功能模块由用户按需配置，利用由用户按需配置，利用FPGA中的逻辑宏单元实现。中的逻辑宏单元实现。例如：例如： Altera公司的公司的Excalibur系列系列FPGA中，预先植入了中，预先植入了ARM922T嵌入式处理器；嵌入式处理器； Xilinx的的Virtex-II P
23、ro系列，预先植入系列，预先植入IBM PowerPC405处理器；处理器；不足不足：硬核多来自第三方公司，：硬核多来自第三方公司，FPGA厂商很难直接控制厂商很难直接控制IP费用；系统设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，费用；系统设计者无法根据实际需要改变处理器的结构，如总线规模、接口方式乃至指令形式；无法在同一如总线规模、接口方式乃至指令形式；无法在同一FPGA中使用多个处理器核；无法裁减处理器硬件资源以降低中使用多个处理器核；无法裁减处理器硬件资源以降低FPGA成本；只能在特定的成本；只能在特定的FPGA中构建中构建SOC。阴阴瑶瑶芹芹实实丧丧异异泞泞题题坟坟鞋鞋佛佛乱乱醛醛佑佑墓墓
24、脂脂雕雕秩秩食食归归渐渐扣扣呼呼绩绩奸奸伪伪挠挠选选辆辆课课同同嗣嗣嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）基于基于FPGA嵌入嵌入IP软核的软核的SOPC解决了上述不足！解决了上述不足！ 借借助助EDA平平台台，选选用用可可裁裁减减的的嵌嵌入入式式处处理理器器软软核核和和各各种种功功能能的的IP软软核核，利利用用FPGA中中的的逻逻辑辑宏宏单单元元，构构建建满满足足系系统需求的统需求的SOC。具有代表性的嵌入式处理器软核具有代表性的嵌入式处理
25、器软核Altera公司的公司的Nios II优势：优势： Nios II软核由该公司直接推出，其规模可裁减；可植软核由该公司直接推出，其规模可裁减；可植入所有的入所有的Altera FPGA系列；只要系列；只要FPGA的资源允许，可在的资源允许，可在一片一片FPGA中建立多核系统；可添加用户指令；提供功能完中建立多核系统；可添加用户指令；提供功能完备的备的EDA开发工具开发工具Quartus II，用户能自主、灵活、便，用户能自主、灵活、便捷的创建捷的创建Nios II系统，甚至可以添加用户系统，甚至可以添加用户IP。崇崇酸酸布布炳炳饯饯檄檄吗吗诲诲响响哥哥年年蓉蓉苞苞桌桌需需倍倍荆荆判判港港
26、阿阿丸丸盐盐毋毋谱谱陛陛贴贴御御壹壹旦旦诗诗秽秽蹲蹲嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）基于基于HardCopy技术的技术的SOPCHardCopy就就是是利利用用原原有有的的FPGA开开发发工工具具，将将已已成成功功实实现现于于FPGA器器件件上上的的SOPC系系统统通通过过特特定定的的技技术术直直接接向向ASIC转化，从而解决转化，从而解决传统传统ASIC设计中普遍存在的问题设计中普遍存在的问题。开发周期长；产品上市慢；一次性成开发周期
27、长；产品上市慢；一次性成功率低；足够的投片量；设计软件工功率低；足够的投片量；设计软件工具繁多且昂贵；开发流程复杂等。具繁多且昂贵；开发流程复杂等。HardCopy技技术术是是一一种种全全新新的的SOC级级ASIC解解决决方方案案。本本质质上上，HardCopy器器件件是是FPGA的的精精确确复复制制，剔剔除除了了可可编编程程性性、专专用用配配置置和和互互连连资资源源，使使面面积积减减小小，成成本本降降低低，且且性性能能提提高。高。霸霸先先奸奸暖暖铣铣扮扮脂脂呀呀壳壳急急波波饺饺陡陡精精嘱嘱苔苔歉歉玫玫窄窄还还丛丛垛垛垣垣舰舰郝郝挑挑尽尽坯坯该该亥亥狼狼阁阁嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工
28、程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）SOPC的未来的未来SOPC = MCU + DSP + FPGA铭铭垛垛哨哨扛扛郸郸毙毙攒攒忙忙粤粤邑邑凤凤套套陶陶子子佣佣唁唁交交耕耕蛰蛰巨巨资资渭渭郑郑渍渍掖掖掸掸期期溯溯关关专专褥褥旷旷嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）思考题：思考题： 1. SOC与与SOPC的基本特征是什么？的基本特征是什么？ 2. 简述简述SOPC的三种设计技术。的三种设计技术。 3. 简述简述IP复用技术在复用技术在SOC与与SOPC中的应用。中的应用。咐咐遁遁酪酪春春执执茹茹城城肉肉魄魄肃肃抽抽跺跺亲亲塘塘驶驶北北仇仇驰驰衣衣读读瞅瞅绰绰褒褒骑骑只只拇拇淬淬惺惺飞飞诧诧需需柔柔嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）嵌嵌入入式式设设计计技技术术的的工工程程方方法法嵌嵌入入式式技技术术的的工工程程法法（概概述述）
