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出版者:北京航空航天大学出版社

作者:沈小丰

出品人:

页数:216

译者:

出版时间:2002-10

价格:20.00

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787810772303

丛书系列:

图书标签:

• 单片机
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图书简介：EM78系列单片机原理与应用设计（不含此书内容） 书名： 《现代嵌入式系统设计基础与实践——基于通用微控制器平台》 关键词： 嵌入式系统、微控制器、硬件接口、实时操作系统（RTOS）、物联网（IoT）基础 --- 1. 导论：嵌入式世界的全景概览 本书旨在为读者提供一个全面、深入且与特定单片机系列无关的现代嵌入式系统设计框架。我们着重于培养读者从底层硬件抽象到上层应用实现的系统化思维能力，而非局限于某一款特定的芯片架构。 1.1 嵌入式系统的定义与演进： 本章首先界定了嵌入式系统的核心特征——专用性、实时性与资源受限性。我们将探讨嵌入式系统如何从简单的控制器演变为复杂的智能节点，覆盖其在工业控制、消费电子、医疗设备和汽车电子等领域的广泛应用。 1.2 微控制器（MCU）选型与架构基础： 鉴于市场上有数百种不同的MCU系列（如Cortex-M系列、RISC-V核心、传统8位架构等），本章将提供一个通用的选型决策模型。读者将学习如何根据功耗、处理速度、内存需求和外设支持来评估和选择最合适的微控制器平台。重点分析通用MCU的哈佛/冯·诺依曼结构、流水线技术的基本原理，以及存储器映射I/O（MMIO）的概念，这些都是理解任何MCU工作机制的基石。 1.3 开发环境与工具链的建立： 成功的嵌入式开发依赖于高效的工具链。本章详细介绍了跨平台开发环境的搭建，包括GCC/Clang编译器、Make/CMake构建系统的应用，以及GDB调试器的远程调试（Remote Debugging）技术。我们侧重于讲解交叉编译（Cross-Compilation）的原理和实践，确保读者能够独立构建适用于目标硬件的固件。 --- 2. 底层硬件交互与驱动开发 本部分深入探讨如何与微控制器的基本外设进行高效、可靠的通信。 2.1 通用输入/输出（GPIO）的精确控制： 讲解数字信号的输入捕获、输出驱动。涵盖开漏（Open-Drain）、推挽（Push-Pull）配置的选择，以及如何通过配置寄存器实现去抖动（Debouncing）和电平转换的策略，确保硬件层面的可靠性。 2.2 定时器、计数器与脉冲宽度调制（PWM）： 深入剖析通用定时器模块的结构，包括输入捕获（Input Capture）用于精确测量外部事件时间，以及输出比较（Output Compare）在生成精确波形中的作用。PWM部分将侧重于电机控制、LED调光等实际应用中的占空比和频率计算方法，而不局限于特定MCU的定时器编号。 2.3 模拟信号处理：模数转换器（ADC）与数模转换器（DAC）： 详细介绍ADC的采样理论，包括奈奎斯特采样定理的实际应用。探讨单次转换、连续转换、扫描模式的配置，以及参考电压选择和噪声抑制技术。DAC部分则关注如何生成模拟控制信号。 2.4 串行通信协议栈的实现： 本章是通信的基础。我们将对UART（异步串行通信）的波特率计算、错误校验进行深入解析。重点讲解SPI（同步外设接口）的多主/多从架构、时钟极性与相位（CPOL/CPHA）的灵活配置，以及I2C（两线总线）的仲裁机制和地址寻址方式。这些协议的讲解是通用的，适用于任何支持这些标准的外设。 --- 3. 内存管理与系统级优化 资源约束是嵌入式系统的核心挑战。本章聚焦于如何在有限的内存和处理能力下构建高效的软件。 3.1 嵌入式C语言的特殊性与内存布局： 回顾C语言在嵌入式环境中的关键特性，如`volatile`关键字的正确使用、位域（Bit Fields）的应用。详细分析程序在代码段、数据段（初始化/未初始化）、堆（Heap）和栈（Stack）上的存储分布，以及栈溢出的检测与预防。 3.2 中断服务程序（ISR）的设计与优化： 中断是实现实时性的关键。本章强调ISR的最小化原则，讨论如何通过延迟过程调用（DPC）或其他机制，将耗时的操作移出中断上下文，以保证中断响应时间的可预测性。同时，讲解中断优先级管理和竞态条件（Race Condition）的避免。 3.3 内存分配策略与碎片化管理： 探讨在没有标准库支持或需要高可靠性时，如何实现自定义的内存分配器（如固定大小块分配器）。分析内存碎片化对长期运行系统的影响，并介绍减少碎片化的策略。 --- 4. 现代嵌入式软件架构：实时操作系统（RTOS） 对于复杂应用，裸机编程已无法满足需求。本部分介绍如何有效利用RTOS来管理并发任务。 4.1 RTOS核心概念与任务调度： 介绍RTOS（如FreeRTOS, Zephyr等通用框架）的基本构成，包括任务（Task）、上下文切换（Context Switching）的原理。重点分析抢占式调度（Preemptive Scheduling）、时间片轮转和优先级继承等调度算法，理解它们如何确保关键任务的实时性。 4.2 任务间通信与同步机制： 详细讲解实现安全并发操作的工具集： 信号量（Semaphore）与互斥锁（Mutex）的区别与正确使用场景（解决临界区问题）。 消息队列（Message Queue）在数据缓冲和任务解耦中的作用。 事件标志组（Event Flags）在异步事件通知中的高效性。 4.3 系统资源管理与死锁预防： 探讨在多任务环境下，如何设计避免优先级反转（Priority Inversion）和死锁（Deadlock）的系统架构。通过分析经典的“哲学家进餐问题”等案例，指导读者设计健壮的资源访问模型。 --- 5. 应用层：连接性与系统集成 本章将理论知识与前沿应用趋势相结合。 5.1 嵌入式网络协议栈基础： 介绍嵌入式设备常见的网络接口，如Ethernet MAC/PHY的原理，以及TCP/IP协议族在资源受限设备上的裁剪和实现（如轻量级Socket API的使用）。讨论UDP在监控和快速数据传输中的优势。 5.2 低功耗设计与电源管理： 深入探讨如何通过系统性地管理MCU的各种工作模式（运行、休眠、深度睡眠）来延长电池寿命。讲解时钟门控（Clock Gating）、电源域（Power Domain）的划分，以及如何高效地利用唤醒源（Wake-up Sources）实现事件驱动的低功耗设计。 5.3 嵌入式软件的测试与部署： 强调单元测试（Unit Testing）和集成测试（Integration Testing）在嵌入式项目中的重要性。介绍JTAG/SWD调试接口的高级应用，以及固件空中升级（OTA）的基本架构和安全考量。 --- 总结： 本书提供了一个跨越具体芯片系列的、关于现代嵌入式系统设计思维的全面指南。读者通过学习这些通用的底层原理和高级软件架构，将能够快速适应任何新的微控制器平台，构建出性能优越、资源高效且易于维护的嵌入式解决方案。本书是面向所有希望深入理解嵌入式系统工程化流程的工程师和高级学生的理想参考资料。

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在学习过程中，我不可避免地会遇到一些技术难题，尤其是代码调试方面。而这本书的第五部分，恰恰提供了宝贵的调试技巧。书中介绍了多种调试方法，包括在线仿真、断点设置、变量监视等。作者以一个实际的调试场景为例，一步步地演示了如何定位和解决程序中的bug。他分享的一些调试经验，例如如何分析堆栈信息，如何利用串口输出调试信息，对于我这样初学者来说，简直是“及时雨”。我学会了如何利用这些工具，更高效地找到程序中的错误，从而节省了大量的时间。

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除了理论知识和应用案例，书中还花了大量篇幅讲解了EM78系列单片机的开发环境和编程工具。作者详细介绍了常用的集成开发环境（IDE）的安装和使用方法，以及如何进行代码编译、链接和下载。我对手册式教学一直不太感冒，但这本书的介绍方式让我觉得耳目一新。他并没有仅仅是罗列菜单选项，而是将开发过程的每一步都进行了详细的图文演示，并且强调了各个工具之间的配合使用。这让我在开始实际编程之前，就对整个开发流程有了清晰的认识，减少了上手难度。

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总而言之，《EM78系列单片机原理与应用设计》这本书，可以说是我近期阅读过的最满意的一本技术书籍。它不仅内容翔实，涵盖面广，而且讲解深入浅出，条理清晰。无论是对于初学者，还是有一定基础的工程师，都能从中获益匪浅。这本书所提供的知识体系，让我对EM78系列单片机有了系统性的认识，也为我未来的单片机项目开发奠定了坚实的基础。我强烈推荐这本书给所有对单片机感兴趣的朋友们！

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这本书的出版，无疑为广大电子爱好者和初学者提供了一份珍贵的学习资料。我是一名刚刚接触单片机不久的学生，在网上搜寻各种资料时，偶然发现了这本《EM78系列单片机原理与应用设计》。起初，我对“EM78系列”这个特定的单片机型号并不熟悉，但我被书中清晰的目录和丰富的章节标题所吸引。从基本的原理介绍，到具体的应用实例，再到深入的调试技巧，似乎涵盖了单片机学习的方方面面。我迫不及待地购买了这本书，并细细品读。 书中的第一部分，详细地阐述了EM78系列单片机的整体架构和核心概念。作者以一种非常直观且易于理解的方式，剖析了微处理器、存储器、输入输出接口等基本组成部分的功能和相互关系。对于我这样的初学者而言，理解这些概念是至关重要的。书中并没有直接堆砌晦涩难懂的专业术语，而是通过形象的比喻和生动的图示，将抽象的原理具象化。例如，在讲解CPU的工作原理时，作者将其比作一个辛勤工作的“大脑”，负责接收指令、处理数据和控制其他部件。这种类比让我在第一时间就对CPU有了初步的认识。

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另外，这本书在结构设计上也颇具匠心。它并非将所有内容一股脑地倾倒给读者，而是循序渐进，由浅入深。从最基础的单片机入门概念，到复杂的通信协议实现，每一步都安排得恰到好处。我个人尤其喜欢它在引入新概念时，总是会先给出一个简短的宏观介绍，然后再逐步深入到细节。这种“先宏观，后微观”的学习路径，让我能够更容易地将新的知识点融入到已有的知识体系中，形成一个整体性的认识，而不是碎片化的信息堆积。

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第三部分的内容，让我对EM78系列单片机的外部接口有了更全面的了解。书中详细介绍了GPIO、定时器、中断控制器、ADC等常用外设的工作原理和配置方法。我尤其关注了定时器的部分，因为在很多应用中，定时器都扮演着至关重要的角色，例如实现延时、产生PWM信号等。作者通过实例，一步步地指导我如何配置定时器，如何利用中断来提高程序的效率。例如，在讲解定时器中断时，他展示了如何设置中断优先级，如何编写中断服务程序，以及如何处理中断嵌套。这让我对如何利用中断来响应外部事件有了更深的理解。

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这本书的附录部分也相当实用。里面包含了EM78系列单片机的详细数据手册、常用寄存器列表以及一些常用的汇编指令速查表。这些资料对于日常的开发和查阅来说，简直是不可或缺的助手。我经常在编写程序时，需要快速查找某个寄存器的位定义或者某个指令的格式，有了这些附录，我就可以在很短的时间内找到所需信息，极大地提高了我的开发效率。这让这本书不仅仅是一本学习教材，更是一本随时可以翻阅的参考工具书。

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更令我惊喜的是，书中提供的实际应用案例。这些案例涵盖了多个领域，从简单的LED闪烁和按键控制，到复杂的温度监测、电机驱动和通信接口设计。我特别喜欢那个关于“智能家居控制系统”的章节。作者从整体设计思路出发，详细讲解了如何利用EM78系列单片机实现对灯光、电器等的远程控制。他不仅提供了完整的电路图和源代码，还对每一个模块的功能和实现细节进行了深入分析。这让我看到，原来单片机在实际生活中有着如此广泛的应用，也激发了我动手实践的强烈愿望。

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紧接着，书中对EM78系列单片机的指令系统进行了详尽的解析。我尤其欣赏作者对每一条指令的讲解方式。他并没有简单地列出指令码和助记符，而是深入分析了每条指令的功能、执行过程以及在实际编程中的应用场景。这对于我理解程序的执行流程至关重要。我印象最深刻的是关于跳转指令和子程序调用指令的讲解。作者通过绘制清晰的流程图，详细展示了程序在执行这些指令时，CPU内部状态的变化，以及程序计数器如何更新。这让我对程序的控制流有了更深刻的认识，也为我日后编写复杂的程序打下了坚实的基础。

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在阅读过程中，我发现书中对于一些关键概念的解释，都力求做到深入浅出。比如，在讲解数模转换（ADC）时，作者不仅阐述了其基本原理，还详细说明了采样率、量化精度等参数对测量结果的影响。他甚至还提及了一些影响ADC性能的实际因素，例如噪声和输入阻抗。这些细节的补充，让我对ADC的理解不再停留在表面，而是能够更全面地把握其应用中的注意事项，这对于我今后设计更精密的测量系统大有裨益。

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