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出版者:机械工业出版社

作者:John M.Yarbrough

出品人:

页数:526

译者:

出版时间:2000-4

价格:49.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787111077701

丛书系列:计算机科学丛书

图书标签:

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现代嵌入式系统设计与实践 作者：[此处可填写作者署名，例如：张伟、李明等] ISBN：[此处可填写示例ISBN] 出版社：[此处可填写示例出版社] --- 内容提要 本书旨在为读者提供一个全面、深入且高度实践导向的现代嵌入式系统设计与实现的指南。在物联网（IoT）、人工智能（AIoT）以及工业4.0的浪潮下，嵌入式系统已不再是简单的微控制器应用，而是融合了传感器技术、实时操作系统（RTOS）、网络通信、安全机制和高效算法的复杂集成体。本书紧密围绕当前主流的硬件平台（如ARM Cortex-M/A系列、RISC-V架构）和前沿的软件技术栈（如FreeRTOS、Linux内核裁剪、边缘计算框架），系统地阐述了从概念设计到最终产品部署的完整生命周期。 本书内容结构严谨，理论与实践相结合，特别注重培养工程师在资源受限环境下进行高效能、高可靠性系统构建的能力。 --- 第一部分：嵌入式系统基础与硬件架构解析 第一章：嵌入式系统概论与发展趋势 本章首先界定嵌入式系统的核心特征、组成要素及其在不同行业（汽车电子、医疗设备、消费电子、工业控制）中的典型应用场景。重点分析了当前嵌入式领域面临的主要挑战，如功耗优化、实时性保障、安全防护以及异构计算的需求增长。深入探讨了从8位、16位MCU向32位Cortex-M/A系列处理器的演进历程，并对未来如类脑计算、超低功耗广域网络（LPWAN）集成等前沿趋势进行了展望。 第二章：微处理器与微控制器核心架构 本章详细剖析了主流嵌入式处理器内核的底层工作原理。重点解析ARM Cortex-M系列（M0+, M3, M4, M7）的流水线结构、特权级别（Privilege Levels）管理和中断响应机制。对于高性能应用，本书深入讲解了Cortex-A系列处理器的内存管理单元（MMU）、缓存一致性协议以及多核异构并行架构。此外，特别开辟章节对比分析了新兴的RISC-V指令集架构（ISA）的开放性、可扩展性及其在定制化硬件加速中的优势。 第三章：存储器系统与总线架构 嵌入式系统的性能瓶颈往往在于数据传输效率。本章系统介绍了片上存储器（SRAM、Flash、EEPROM）的读写时序特性、生命周期管理策略。深入探讨了主要的片内和片间总线协议，包括AHB（Advanced High-performance Bus）、APB（Peripheral Bus）以及跨核通信机制。讲解了DMA（直接内存存取）控制器的工作原理，如何通过DMA操作实现高效的数据吞吐，同时最大限度地减少CPU干预，从而降低系统功耗和延迟。 第四章：片上集成外设的深度应用 本章聚焦于通用嵌入式系统中的关键硬件模块。详细介绍了定时器（Timer/Counter）的高级模式（PWM生成、输入捕获、看门狗应用）、模拟电路接口（ADC/DAC）的采样率选择、量化误差分析及校准技术。对于通信接口，涵盖了UART/SPI/I2C的底层配置细节，并扩展讨论了CAN/LIN（汽车领域）和EtherCAT/PROFINET（工业控制）的协议栈实现基础。 --- 第二部分：实时操作系统与系统软件设计 第五章：实时操作系统（RTOS）原理与选型 实时性是嵌入式系统的生命线。本章详细阐述了RTOS的核心概念，如任务调度算法（优先级继承、固定优先级抢占式调度）、上下文切换机制以及中断延迟分析。本书以FreeRTOS为例，深入讲解了任务创建、信号量、互斥锁、消息队列、事件标志组等同步与通信原语的正确使用模式，并强调了死锁预防和优先级反转的解决方案。 第六章：嵌入式Linux环境下的驱动开发与内核裁剪 针对需要复杂网络协议栈、图形界面或大量计算资源的系统，本书转向嵌入式Linux。内容涵盖Bootloader（U-Boot）的启动流程分析、根文件系统的构建（BusyBox, Buildroot）。重点讲解了字符设备驱动、块设备驱动和网络设备的开发流程，包括使用设备树（Device Tree）描述硬件资源。同时，探讨了如何根据特定硬件需求，对Linux内核进行精简和裁剪，以优化启动速度和减小内存占用。 第七章：固件升级（OTA）与可靠性机制 在产品生命周期管理中，安全可靠的远程升级至关重要。本章详细介绍了OTA（Over-The-Air）升级的不同架构模式（如A/B分区、镜像回滚机制）。重点阐述了如何设计原子性（Atomic）的固件切换流程，确保在断电或网络中断情况下系统不会进入“变砖”状态。讨论了加密算法在固件校验和存储保护中的应用。 --- 第三部分：通信、传感与人机交互 第八章：嵌入式网络通信协议栈实现 本章聚焦于现代嵌入式设备必须掌握的连接技术。从底层的MAC层和PHY层原理出发，讲解了TCP/IP协议栈在资源受限设备上的移植与优化（如LwIP）。深入分析了物联网主流通信协议：MQTT（发布/订阅模式、QoS等级）、CoAP（RESTful风格的资源受限应用协议）及其安全性扩展（DTLS）。同时，介绍了Wi-Fi、BLE（低功耗蓝牙）的连接管理和功耗优化策略。 第九章：传感器数据融合与信号处理 嵌入式系统是物理世界的桥梁。本章探讨了MEMS传感器（加速度计、陀螺仪、磁力计）的工作原理及其噪声特性。重点讲解了数字滤波技术在嵌入式平台上的实现（如卡尔曼滤波、互补滤波），以实现精确的状态估计和运动跟踪。此外，阐述了如何利用DSP指令集（如CMSIS-DSP）加速FFT和FIR/IIR滤波算法的运算速度。 第十章：嵌入式图形用户界面（GUI）设计与优化 对于面向用户的嵌入式产品，高效的HMI（人机界面）至关重要。本章介绍了嵌入式GUI框架（如LVGL、Qt for Embedded）的选择标准和资源消耗评估。重点讲解了如何使用硬件加速（GPU/2D加速器）来渲染复杂的图形，避免CPU资源被图形渲染过度占用。讨论了触摸屏驱动的集成、手势识别和低功耗屏幕刷新策略。 --- 第四部分：系统调试、性能分析与安全加固 第十一章：高效调试技术与性能分析工具链 本章从工程师的实战角度出发，讲解了JTAG/SWD调试接口的深入使用，包括断点设置、寄存器观察、内存映射分析。重点介绍了嵌入式性能分析工具，如逻辑分析仪、示波器在硬件层面的故障定位，以及使用RTOS或Linux自带的性能分析工具（如`perf`、Tracealyzer）来识别任务阻塞和资源竞争。讲解了如何通过功耗分析工具（如电源监测仪）进行毫瓦级功耗优化。 第十二章：嵌入式系统安全基础与防护实践 安全性已成为嵌入式产品设计中不可或缺的一环。本章系统介绍了嵌入式系统的安全威胁模型（如侧信道攻击、固件篡改、供应链风险）。讲解了硬件信任根（Root of Trust, RoT）的建立，如使用TPM/TEE（可信执行环境）隔离敏感代码和数据。详细阐述了加解密算法（AES、RSA）在嵌入式设备上的高效实现，以及安全启动（Secure Boot）流程的构建。 --- 附录 附录A： 常用嵌入式开发板资源清单与快速上手指南 附录B： 嵌入式C/C++编程最佳实践与代码规范 附录C： 硬件设计中的EMC/EMI初步考量 本书适合于电子工程、计算机科学、自动化相关专业的学生、初中级嵌入式系统工程师，以及希望深入理解现代物联网设备底层实现和系统级优化的技术人员。通过本书的学习，读者将能独立完成从硬件选型、底层驱动编写到复杂软件架构搭建的全过程，并能设计出高性能、高可靠性、具备基础安全防护能力的嵌入式产品。

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这本书给我的感觉是，它像是一本“内功心法”秘籍，强调的是对数字世界最本质规律的掌握，而不是炫技于花哨的最新技术。它花了相当大的篇幅来讲解数字电路中的“陷阱”，比如毛刺（Glitch）的产生机制、竞争冒险（Race Condition）的识别与消除。这些是很多入门书籍会一带而过，但恰恰是这些底层问题，决定了硬件设计的成败。作者对不同逻辑族（如TTL、CMOS）的电特性差异分析得非常透彻，解释了为什么在某些场合必须严格限制扇入扇出，以及如何根据不同场景选择合适的逻辑门系列。这种对物理实现层面的深入关注，让读者建立起“软件思维”到“硬件思维”的桥梁。读完之后，我再看任何数字电路图，都会不自觉地去思考信号的延迟、电平的翻转速度，而不是仅仅满足于“功能正确性”。这本书最大的价值在于培养了一种“工程师的怀疑精神”——永远不要相信它会完美工作，直到你分析了所有可能的时序和毛刺情况。它的语言风格朴实无华，但字字珠玑，是那种需要静下心来，细细品味的经典之作。

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拿到这本厚厚的书，我最深的印象是它那近乎偏执的“实践导向”。它可不是那种只停留在纸上谈兵的教科书，而是真正手把手教你如何把脑子里的想法变成看得见、摸得着的电路。我印象最深的是关于可编程逻辑器件（PLD）的那几章。作者没有仅仅停留在介绍宏单元和逻辑阵列这些基础知识，而是直接给出了好几个基于VHDL和Verilog的实际项目案例。特别是那个用FPGA实现一个简易数字示波器的设计流程，简直是太实用了！我按照书上的步骤，自己动手在开发板上跑了一遍，那种“世界尽在掌握”的感觉，是看再多理论推导也体会不到的。书中对仿真和时序分析的讲解也特别到位，强调了在硬件实现前必须进行充分验证的重要性，这对于避免实际调试中走弯路非常有帮助。当然，这本书的难度也不低，对于那些仅仅想了解基础概念的读者来说，可能有些部分会显得过于深入和繁琐，特别是关于低层次的门级仿真和竞争冒险的消除技术，需要读者有一定的耐心和基础知识储备。但如果你是电子工程专业学生，或者打算从事硬件描述语言（HDL）设计工作，这本书绝对是一本值得反复研读的宝典。

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这本书的叙事风格简直像一位经验丰富的老工程师在跟你促膝长谈，充满了对细节的洞察和对“为什么”的追问。我特别欣赏作者在讲解芯片集成度演变和CMOS工艺进步时所采用的宏大视角。他没有把数字逻辑设计孤立地看待，而是把它置于整个半导体技术发展的历史长河中去考察。例如，他会解释为什么随着晶体管尺寸的缩小，功耗和延迟会成为新的设计瓶颈，进而引出低功耗设计和亚阈值电路的概念。这种深入探究“驱动力”的写作方式，让读者不仅知道“怎么做”，更明白“为什么必须这么做”。书中的附录部分也十分厚道，收录了大量标准逻辑芯片（如74系列）的详细参数表和应用说明，这在快速原型设计时简直是救命稻草。相较于一些只关注最新前沿技术的书籍，这本书对经典设计的坚实基础做了足够的尊重和挖掘。当然，美中不足的是，个别章节的排版略显拥挤，特别是在涉及到多层级的逻辑优化算法推导时，如果能有更多的空间进行分步解析，阅读体验会更佳。但总体而言，它提供了一种超越教科书的、工程实践的智慧。

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这本书，怎么说呢，读起来就像是走进了一片错综复杂的迷宫，里面布满了各种逻辑门和布尔代数公式的指示牌。我本来以为这会是一本干巴巴的理论教材，没想到作者用一种非常生动的方式，把那些抽象的概念具象化了。比如，讲到组合逻辑电路时，他没有堆砌复杂的数学推导，而是用了一个日常生活中的例子——如何设计一个自动售货机的控制系统。这种“把抽象概念接地气”的做法，对于初学者来说简直是救星。我尤其喜欢它在讲解时序逻辑电路那一部分的处理方式。作者花了大量的篇幅去剖析触发器的内部工作原理，以及如何利用它们构建状态机。读完这一章，我感觉自己像是学会了如何操控时间，因为时序电路的精髓就在于对“过去”的记忆和对“未来”的预测。书中的图示非常清晰，每一个逻辑门的符号、真值表，都标注得一丝不苟，让人在复杂的电路图中也能迅速定位关键节点。而且，书里还穿插了不少历史背景介绍，比如早期计算机的逻辑设计是如何一步步演进的，这让阅读过程多了一层人文色彩，不再是纯粹的技术灌输。总的来说，这本书在理论深度和实践应用之间找到了一个很好的平衡点，适合那些想真正理解数字世界底层逻辑的读者。

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坦白说，这本书的逻辑组织结构非常严谨，像瑞士钟表一样精确。从最基础的布尔代数公理出发，层层递进，构建起整个数字系统的理论框架。我特别欣赏它在“系统级设计”这块内容的布局。在前面详细铺垫了门电路、组合逻辑、时序逻辑之后，作者没有直接跳到复杂的处理器架构，而是先用一整章的篇幅来讲解模块化设计和层次化抽象。他用一个大型计算器的设计为例，展示了如何将复杂的任务分解成可管理的子模块，如何定义清晰的接口协议。这种自顶向下（Top-Down）的设计思想贯穿始终，对于培养一个合格的数字设计师来说至关重要。书中对时序分析的讲解也是教科书级别的，对建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）的解释细致入微，配有大量的时序图。我以前总觉得时序分析很枯燥，但这本书成功地展示了它在保证系统稳定运行中的核心地位。如果说有什么可以改进的地方，那就是对先进的流水线设计和异常处理机制的介绍可以再增加一些深度，毕竟现代高性能计算对这些要求极高，但作为一本扎实的基础读物，它已经做到了极致。

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当年就应该把这门课退掉。表示没学懂……

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