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出版者:清华大学出版社

作者:赵雁南

出品人:

页数:472

译者:

出版时间:2005-1-1

价格:36.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787302099215

丛书系列:

图书标签:

• 清华计算机
• 微型计算机
• 计算机系统
• 接口技术
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• 8086
• 微处理器
• 计算机组成原理
• 嵌入式系统

《嵌入式系统设计与开发实战》 内容简介： 本书旨在为读者提供一套全面且深入的嵌入式系统设计与开发实战指南。本书内容紧密结合当前嵌入式技术的发展趋势，从基础理论到高级应用，覆盖了嵌入式系统从硬件选型、软件架构、驱动开发、中间件集成到系统优化调试的完整生命周期。本书强调理论与实践相结合，通过大量的案例分析和代码示例，帮助读者掌握解决实际嵌入式开发问题的能力，为从事嵌入式开发工作的技术人员、学生以及相关领域的爱好者提供一份宝贵的参考。 第一部分：嵌入式系统基础理论与架构 本部分将为读者构建坚实的嵌入式系统理论基础，深入剖析嵌入式系统的本质、特点以及关键组成部分。 第一章 嵌入式系统概述： 1.1 什么是嵌入式系统？ 详细介绍嵌入式系统的定义、特点（如专用性、实时性、可靠性、功耗低、体积小等），并列举其在各个领域的广泛应用（如消费电子、工业控制、汽车电子、医疗设备、通信网络、物联网等），帮助读者建立对嵌入式系统的宏观认知。 1.2 嵌入式系统的组成 深入解析嵌入式系统的基本构成，包括嵌入式处理器（MCU/MPU）、存储器（RAM/ROM/Flash）、输入/输出设备、通信接口、电源管理模块以及操作系统（RTOS）或裸机环境。 1.3 嵌入式系统开发流程 介绍典型的嵌入式系统开发流程，从需求分析、系统设计、硬件选型、软件开发、集成调试到产品发布和维护，让读者了解项目开发的整体脉络。 1.4 嵌入式系统发展趋势 探讨当前嵌入式技术的热点和未来发展方向，如物联网（IoT）、人工智能（AI）在嵌入式领域的应用、低功耗设计、安全性增强、软件定义硬件等。 第二章 嵌入式处理器选型与架构： 2.1 微控制器（MCU） 详细介绍MCU的内部结构（CPU核心、存储器、外设接口）、常见指令集架构（如ARM Cortex-M系列、RISC-V），以及不同系列MCU的特性和适用场景。 2.2 微处理器（MPU） 介绍MPU与MCU的区别，重点讲解基于ARM Cortex-A系列等高性能MPU的架构，包括CPU、MMU、Cache、总线接口等，以及其在复杂嵌入式系统中的应用。 2.3 片上系统（SoC） 解释SoC的概念，介绍其集成度高、功能丰富的特点，以及典型的SoC设计与应用，例如用于智能手机、平板电脑等高端嵌入式设备。 2.4 处理器选型指南 提供一套实用的处理器选型方法论，从项目需求、性能指标、功耗预算、成本考量、生态系统支持等多个维度进行分析，帮助读者做出明智的硬件选择。 第三章 嵌入式操作系统（RTOS）原理与应用： 3.1 RTOS概述 阐述RTOS的核心概念、作用以及与通用操作系统的区别，强调其在实时性、并发性、资源管理等方面的优势。 3.2 RTOS核心组件 详细介绍RTOS的关键组成部分，包括任务管理（创建、调度、同步、通信）、内存管理、设备驱动框架、中断处理、定时器管理等。 3.3 常见RTOS分析 分析几款主流RTOS的特点和应用，例如FreeRTOS、RT-Thread、VxWorks、Zephyr等，通过对比其API、功能和适用场景，帮助读者选择适合自己项目的RTOS。 3.4 RTOS移植与配置 介绍RTOS在目标硬件上的移植过程，包括配置内核参数、驱动适配、建立板级支持包（BSP）等。 3.5 RTOS开发实践 提供在RTOS环境下进行多任务编程的技巧，包括任务间的通信机制（消息队列、信号量、事件标志组）、同步机制、优先级继承等，以及如何编写健壮的RTOS应用程序。 第二部分：嵌入式硬件接口与通信 本部分将带领读者深入了解嵌入式系统中常见的硬件接口原理，以及如何进行高效可靠的数据通信。 第四章 嵌入式存储器接口： 4.1 存储器类型 讲解嵌入式系统中常用的存储器类型，包括SRAM、DRAM、Flash（NAND/NOR）、EEPROM等，分析它们的读写原理、时序特性和性能指标。 4.2 存储器接口原理 深入剖析SRAM、DRAM、NOR Flash、NAND Flash等与处理器之间的接口时序和总线协议，讲解地址线、数据线、控制线的时序配合。 4.3 SDRAM/DDR SDRAM接口 详细介绍SDRAM和DDR SDRAM的内部结构、读写命令、刷新机制，以及与处理器的接口设计，包括引脚定义、时钟要求、阻抗匹配等。 4.4 Flash存储器接口 讲解NOR Flash和NAND Flash的接口特性、擦写机制、坏块管理，以及如何通过SPI、QSPI、Parallel等接口与处理器连接。 4.5 存储器接口调试 提供在硬件设计和调试过程中，如何排查存储器接口问题的实用技巧，包括信号完整性分析、时序违例检查等。 第五章 通用输入/输出（GPIO）与中断： 5.1 GPIO工作原理 详细介绍GPIO的寄存器模型（输入、输出、上拉/下拉、开漏/推挽配置），以及如何通过软件控制GPIO的状态。 5.2 GPIO应用实例 通过具体的实例，展示GPIO在LED控制、按键输入、简单信号输入输出等方面的应用。 5.3 中断机制 阐述中断的基本概念、中断向量表、中断优先级、中断服务程序（ISR）的编写规范，以及中断请求（IRQ）的产生和处理流程。 5.4 外部中断 讲解如何配置和使用外部中断，包括触发方式（边沿/电平）、优先级设置、中断屏蔽等，并提供按键中断、外部事件触发中断等实例。 5.5 中断与RTOS结合 探讨在RTOS环境下如何处理中断，包括中断与任务的交互、中断优先级与任务优先级的关系、避免中断服务程序中的复杂操作等。 第六章 串行通信接口： 6.1 UART/USART 详细介绍UART（通用异步收发传输器）的工作原理，包括波特率、数据位、停止位、校验位等参数的设置，以及RS-232、RS-485等标准。通过实际示例讲解PC与嵌入式设备之间的串口通信。 6.2 SPI（Serial Peripheral Interface） 讲解SPI总线的工作原理，包括主从设备、时钟极性（CPOL）、时钟相位（CPHA）、数据传输方向，以及如何在嵌入式系统中连接SPI外设，如SPI Flash、SPI ADC/DAC等。 6.3 I2C（Inter-Integrated Circuit） 介绍I2C总线的工作原理，包括主设备、从设备、地址寻址、ACK/NACK应答机制，以及如何在嵌入式系统中连接I2C设备，如I2C EEPROM、I2C传感器等。 6.4 USB（Universal Serial Bus） 介绍USB协议的基本概念，包括主机、设备、传输类型（控制、批量、中断、同步），以及在嵌入式系统中实现USB设备端或主机端的功能，例如USB转串口、USB设备固件升级（DFU）等。 6.5 CAN（Controller Area Network） 深入讲解CAN总线的工作原理，包括帧格式、仲裁机制、错误处理，以及在汽车电子、工业自动化等领域的应用。 第七章 并行通信接口与数据采集： 7.1 并行接口原理 介绍并行接口的基本概念，包括数据总线、地址总线、控制信号，以及如何设计和使用并行接口进行数据传输。 7.2 并行ADC/DAC 详细讲解并行模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的工作原理、转换过程、精度和采样率，以及如何将其集成到嵌入式系统中进行模拟信号的采集与输出。 7.3 并行显示接口 介绍LCD、TFT等显示屏的并行接口原理，包括数据接口、控制接口、时序要求，以及如何在嵌入式系统中驱动这些显示设备。 第三部分：嵌入式软件开发与系统优化 本部分将聚焦嵌入式软件开发的关键技术，包括驱动程序开发、文件系统、网络通信，以及系统性能优化和调试。 第八章 嵌入式驱动程序开发： 8.1 驱动程序概述 解释驱动程序在嵌入式系统中的作用，以及其与硬件的紧密关系。 8.2 HAL（Hardware Abstraction Layer） 介绍HAL层的重要性，以及如何利用HAL层来提高代码的可移植性和简化硬件抽象。 8.3 裸机驱动开发 讲解如何在裸机环境下编写设备驱动程序，包括寄存器操作、中断处理、DMA（Direct Memory Access）的使用。 8.4 RTOS驱动开发 探讨在RTOS环境下如何编写驱动程序，包括与RTOS内核的交互、线程模型、同步机制在驱动开发中的应用。 8.5 常用外设驱动实例 提供GPIO、UART、SPI、I2C、定时器、ADC等常用外设的驱动程序开发实例，以及对第三方库的调用和集成。 第九章 嵌入式文件系统： 9.1 文件系统概述 介绍文件系统的作用、基本概念（文件、目录、inode、block），以及其在嵌入式系统中的重要性。 9.2 嵌入式文件系统类型 详细介绍几种常用的嵌入式文件系统，如FAT32、exFAT、JFFS2、UBIFS、YAFFS2、LittleFS等，分析它们的特点、适用场景和优缺点。 9.3 文件系统移植与集成 讲解如何将文件系统移植到目标硬件上，包括文件系统的挂载、卸载、与块设备驱动的集成。 9.4 文件系统使用与管理 提供在嵌入式应用中如何进行文件读写、目录操作、文件信息查询等操作的示例，以及文件系统的性能优化和数据持久化策略。 第十章 嵌入式网络通信： 10.1 TCP/IP协议栈 深入讲解TCP/IP协议栈的各层模型（应用层、传输层、网络层、数据链路层），以及TCP和UDP协议的区别与应用。 10.2 嵌入式网络接口 介绍以太网接口（MAC/PHY）、Wi-Fi模块、蓝牙模块等在嵌入式系统中的集成与配置。 10.3 Socket编程 提供在嵌入式系统中进行TCP和UDP Socket编程的详细指南，包括服务器端和客户端的实现，以及常用的网络服务（HTTP、MQTT）的构建。 10.4 无线通信技术 介绍Zigbee、LoRa等低功耗广域网（LPWAN）技术，以及NB-IoT、4G/5G等蜂窝通信技术在物联网领域的应用。 10.5 网络安全 探讨嵌入式网络通信中的安全问题，如数据加密、身份认证、访问控制等，并介绍TLS/SSL等安全协议的应用。 第十一章 嵌入式系统调试与优化： 11.1 调试工具与技术 介绍常用的嵌入式调试工具，如JTAG/SWD调试器、逻辑分析仪、示波器、串口监视器等，以及在线仿真（ICE）和断点调试技术。 11.2 软件调试方法 讲解在软件开发过程中常用的调试技巧，如日志输出、代码审查、单元测试、集成测试等。 11.3 性能分析与优化 介绍如何分析嵌入式系统的性能瓶颈，如CPU占用率、内存使用、响应时间等，并提供相应的优化策略，例如代码优化、算法改进、硬件加速等。 11.4 功耗优化 讲解嵌入式系统功耗的来源，以及如何通过软件和硬件手段进行功耗优化，如低功耗模式、动态电压频率调整（DVFS）、智能唤醒等。 11.5 系统可靠性设计 探讨如何提高嵌入式系统的可靠性，包括异常处理、错误恢复机制、看门狗（Watchdog）的应用、冗余设计等。 第四部分：高级应用与案例研究 本部分将通过实际的案例分析，展示嵌入式系统在不同领域的应用，帮助读者加深对书中知识的理解，并激发创新思维。 第十二章 物联网（IoT）应用开发 12.1 物联网系统架构 介绍典型的物联网系统架构，包括设备层、网关层、平台层和应用层。 12.2 传感器数据采集与传输 演示如何使用各种传感器（如温湿度传感器、光照传感器、加速度计）采集数据，并通过Wi-Fi或LoRa等无线技术传输到云平台。 12.3 云平台集成 介绍如何将嵌入式设备与主流的物联网云平台（如阿里云IoT、AWS IoT、Azure IoT）进行对接，实现数据的存储、分析和可视化。 12.4 智能家居与工业物联网案例 提供具体的智能家居控制系统或工业设备监控系统的开发案例，展示嵌入式技术在实际应用中的价值。 第十三章 嵌入式人工智能（Edge AI） 13.1 边缘计算与AI 介绍边缘计算的概念，以及将人工智能模型部署到嵌入式设备上的优势。 13.2 嵌入式AI框架 讲解常用的嵌入式AI框架，如TensorFlow Lite、PyTorch Mobile、ncnn等，以及如何进行模型转换和优化。 13.3 视觉识别与语音识别 通过实例演示如何在嵌入式设备上实现图像识别（如人脸检测、物体识别）或语音识别功能。 13.4 嵌入式AI开发流程 介绍从模型训练到模型部署到嵌入式设备的完整流程，以及性能调优的技巧。 第十四章 嵌入式系统安全 14.1 嵌入式系统安全威胁 分析嵌入式系统面临的主要安全威胁，如固件篡改、数据泄露、网络攻击等。 14.2 安全硬件设计 介绍安全存储、安全启动（Secure Boot）、硬件加密模块（如TPM）等安全硬件设计。 14.3 安全软件开发 讲解安全编码实践、输入验证、访问控制、敏感数据加密等安全软件开发技术。 14.4 安全通信协议 介绍TLS/SSL、DTLS等安全通信协议在嵌入式系统中的应用。 本书特色： 全面性： 覆盖嵌入式系统设计与开发的各个环节，内容翔实，结构清晰。 实践性： 大量结合实际项目案例，提供可运行的代码示例，帮助读者快速上手。 前沿性： 关注行业最新技术动态，如物联网、嵌入式AI等，引领读者把握技术发展趋势。 易读性： 语言通俗易懂，逻辑清晰，图文并茂，适合不同层次的读者。 目标读者： 高等院校计算机、电子信息、自动化等相关专业的学生。 从事嵌入式系统开发、硬件设计、软件开发的工程师。 对嵌入式技术感兴趣的创客和爱好者。 需要深入了解嵌入式系统原理与应用的IT从业者。 通过学习本书，读者将能够掌握嵌入式系统的核心技术，独立完成嵌入式项目的软硬件设计与开发，并在实际工作中解决复杂的技术问题，为未来的职业发展打下坚实的基础。

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这本书的书名听起来略显陈旧，仿佛停留在上世纪末期的PC时代，我好奇它是否还涵盖了现代云计算和边缘计算背景下的“微型系统”概念。我的兴趣点在于，如何利用轻量级的、低功耗的计算单元（如某些专用的AI加速芯片或低功耗ARM SoC）来构建分布式计算节点。我希望看到书中对电源管理、热设计功耗（TDP）的精细控制策略有所讨论，以及如何在资源极其有限的环境下实现可靠的网络连接（如低功耗蓝牙Mesh或LoRaWAN）。如果这本书能够将传统的硬件知识与最新的低功耗、高密度集成趋势相结合，并探讨在资源受限环境中如何进行安全启动（Secure Boot）和固件更新（OTA），那么它将对我理解下一代物联网（IoT）基础设施的构建至关重要。

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我更希望这是一本偏向于电子工程专业深度挖掘的教材，侧重于微处理器设计和信号完整性的理论分析。我期待看到详细的CMOS逻辑门工作原理，晶体管级别的开关特性，以及对时序约束（Timing Constraints）的严格要求。在接口方面，如果能深入讲解高速信号的阻抗匹配、串扰分析以及眼图测试的原理，那就太棒了。这意味着这本书将不仅仅停留在“如何使用”的层面，而是会探究“为什么这样设计”的物理基础。我需要了解数据手册背后的数学模型和电磁兼容性（EMC）设计原则，这样我才能真正理解为什么某些总线需要复杂的端接电阻和保护电路。如果这本书能提供严谨的工程推导和实验验证方法，来支撑其对系统性能和稳定性的论断，它将成为我进行硬件设计验证的权威指南。

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我对这本书的期待是，它能为我这个刚刚接触嵌入式开发的初学者提供一个坚实的基础，尤其是关于8051或更现代的树莓派/Arduino平台背后的原理。我希望能从头开始学习，了解基本的数字逻辑电路如何构建成一个可编程的计算单元，比如CPU是如何从内存中取出指令并执行的。对于“接口”的部分，我最关心的是如何通过简单的I/O端口与传感器、执行器进行通信，比如如何配置串行通信（UART）来发送和接收数据，或者使用SPI/I2C协议来读取温度或控制马达。我希望书中的讲解是循序渐进的，配有大量清晰的电路图和代码示例，最好是用C语言来阐述，这样我能很快地将学到的知识应用到我的小项目中去。如果这本书能有效弥合我现有的理论知识与动手实践之间的差距，让我能够自信地焊接电路板并烧录固件，那它的价值就无可估量了。

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这本《微型计算机系统与接口》的标题听起来非常硬核，直击计算机底层架构与外设连接的核心。作为一个对硬件和底层编程有着浓厚兴趣的爱好者，我原本期待能在这本书里找到关于现代微处理器工作原理的深入剖析，比如流水线技术、缓存一致性协议的最新进展，以及如何高效地利用寄存器和内存模型来优化程序性能。我也希望能看到对主流微控制器架构（如ARM Cortex-M系列）的详细介绍，包括其指令集、中断处理机制以及实时操作系统（RTOS）的集成方式。更重要的是，接口部分应该能涵盖最新的总线技术，比如PCIe 5.0/6.0的电气特性、SerDes技术，以及USB 4.0/Thunderbolt 5的协议栈解析，让我能够理解数据如何在高速、低延迟的环境下传输。如果能结合一些实际的案例，比如如何设计一个高性能的FPGA加速器或者调试一个复杂的硬件故障，那就更完美了。这本书如果能涵盖这些前沿和实践性的内容，无疑会成为我案头的必备参考书，帮助我跨越理论与工程实践之间的鸿沟，真正掌握微型系统构建的精髓。

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作为一名侧重于软件开发的工程师，我更看重这本书在操作系统和驱动层面的阐述。我希望它能详细讲解硬件抽象层（HAL）的设计哲学，以及操作系统内核如何管理中断、调度任务和进行内存映射。特别是关于设备驱动程序的编写，我希望能看到针对特定总线（如PCIe或SATA）的驱动程序结构解析，了解内核如何通过读写寄存器来控制设备，以及如何处理DMA（直接内存访问）以避免CPU干预带来的性能损耗。此外，对于系统级的性能分析工具和方法论，如果书中有涉及，将会非常宝贵，例如如何使用性能计数器来诊断系统瓶颈。这本书如果能提供一个清晰的视角，让我明白操作系统是如何在硬件和应用软件之间架起一座高效且稳定的桥梁的，那么它将极大地提升我进行系统级优化的能力。

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