PIC系列单片机的原理与实践 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:杨圣 编

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页数:293

译者:

出版时间:2003-11

价格:25.00元

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isbn号码:9787312016370

丛书系列:中国科学技术大学21世纪教改系列教材

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• PIC单片机
• 单片机原理
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《嵌入式系统设计与应用：从理论到实战》 简介 在数字化浪潮席卷全球的今天，嵌入式系统已成为现代科技的基石，渗透到我们生活的方方面面。从智能家居的便捷控制，到工业自动化的高效运转，再到汽车电子的安全可靠，无不闪烁着嵌入式系统的智慧光芒。本书旨在为读者提供一个全面深入的学习平台，帮助您掌握嵌入式系统设计的核心理论，并通过大量的实战案例，引导您将理论知识转化为实际的工程能力。 本书内容涵盖了嵌入式系统设计的各个关键环节，从基础的微控制器选型与硬件接口，到复杂的实时操作系统移植与应用开发，再到嵌入式网络通信与嵌入式软件调试。我们力求以严谨的学术态度，结合最新的行业发展趋势，为读者构建一个扎实而前沿的学习体系。 第一部分：嵌入式系统基础理论 在深入探讨具体技术之前，建立坚实的理论基础至关重要。本部分将带领您走进嵌入式系统的世界，理解其基本概念、架构组成以及工作原理。 第一章：嵌入式系统概述 1.1 什么是嵌入式系统？ 定义与特征：深入剖析嵌入式系统区别于通用计算系统的独特之处，如专用性、实时性、可靠性、低功耗等。 应用领域：通过列举智能手机、工业控制器、医疗设备、汽车电子、消费电子等广泛领域，展现嵌入式系统的 ubiquity。 发展历程与趋势：回顾嵌入式系统技术的发展脉络，展望物联网（IoT）、人工智能（AI）、边缘计算等前沿领域将如何驱动嵌入式系统的未来。 1.2 嵌入式系统的组成 硬件平台：详细介绍嵌入式系统的核心硬件组件，包括中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM/Flash）、输入/输出（I/O）接口、传感器、执行器、通信模块等。 软件平台：阐述嵌入式软件的层次结构，从底层驱动程序、操作系统（RTOS）到应用程序，以及它们之间的交互关系。 开发环境：介绍嵌入式系统开发所需的典型工具链，如交叉编译器、调试器、仿真器、集成开发环境（IDE）等。 1.3 嵌入式系统的设计原则 功耗优化：探讨低功耗设计的重要性，介绍各种省电技术，如动态电压频率调整（DVFS）、睡眠模式、低功耗外设等。 实时性要求：解释实时系统的概念，区分硬实时和软实时，以及如何通过硬件和软件设计来满足实时性需求。 可靠性与安全性：分析嵌入式系统在关键应用中的可靠性要求，以及如何通过冗余设计、错误检测与纠正、安全防护等手段来提高系统的鲁棒性。 成本控制：在满足性能需求的前提下，如何通过器件选型、电路设计、软件优化等方式实现成本的最小化。 第二章：微控制器（MCU）体系结构与选型 2.1 微控制器概述 MCU的定义与分类：区分微处理器（MPU）、微控制器（MCU）和数字信号处理器（DSP）的概念，介绍不同类型MCU的特点和适用场景。 MCU的核心组成：深入讲解CPU核（如ARM Cortex-M系列、RISC-V）、存储器（Flash、RAM）、总线接口、时钟系统等。 2.2 典型MCU体系结构解析 ARM Cortex-M 系列：详细介绍ARM Cortex-M0, M3, M4, M7等不同内核的架构特点、指令集、中断控制单元（NVIC）、内存保护单元（MPU）等。 RISC-V 架构：介绍RISC-V的开放指令集架构（ISA）的优势，以及基于RISC-V的MCU设计理念。 其他主流架构：简要介绍MIPS、AVR等其他常见MCU架构。 2.3 MCU关键外设详解 通用输入/输出（GPIO）：配置、控制、中断触发等。 定时器/计数器： PWM生成、事件计数、定时器中断等。 中断控制器（NVIC/VIC）：中断优先级、中断向量、中断屏蔽等。 串行通信接口：UART/USART、SPI、I2C，及其在不同应用中的通信协议。 模数转换器（ADC）与数模转换器（DAC）：采样率、分辨率、工作模式、应用场景。 DMA控制器：高效数据传输，减轻CPU负担。 2.4 MCU选型指南 性能需求分析：根据应用场景确定CPU主频、内存大小、外设接口需求。 功耗预算：根据应用对功耗的要求选择合适的MCU。 开发生态系统：评估厂商提供的开发工具、软件库、社区支持和技术文档。 成本考量：在满足功能需求的前提下，选择性价比最优的MCU。 供应商分析：介绍几家主流MCU厂商（如STMicroelectronics、NXP、Microchip、Espressif等）及其产品线特点。 第二部分：嵌入式硬件接口与驱动开发 硬件与软件的紧密结合是嵌入式系统设计的核心。本部分将引导您掌握如何连接和控制各种外围设备，并编写高效可靠的驱动程序。 第三章：嵌入式硬件接口技术 3.1 串行通信接口 UART/USART：异步串行通信原理，波特率、校验位、停止位配置，RS232、RS485标准。 SPI（Serial Peripheral Interface）：同步串行通信，主从模式，时钟极性与相位，多设备连接。 I2C（Inter-Integrated Circuit）：多主多从总线，地址寻址，数据传输格式， ACK/NACK机制。 CAN（Controller Area Network）：工业领域常用总线，差分信号，总线仲裁，错误处理。 3.2 并行通信接口 并行端口（GPIO）：基本输入输出控制，上拉/下拉电阻，推挽/开漏输出。 外部中断：中断源配置，中断优先级，中断服务程序（ISR）编写。 3.3 存储器接口 Flash存储器：NOR Flash与NAND Flash的区别，擦写寿命，读写操作。 SRAM与DRAM：静态与动态RAM的原理，内存控制器配置。 SD/MMC接口：SD卡、MMC卡的应用，文件系统集成。 3.4 传感器与执行器接口 模拟传感器接口：ADC采样，参考电压，滤波处理，校准。 数字传感器接口：I2C/SPI接口传感器，驱动程序编写。 执行器控制：步进电机、直流电机、舵机控制，PWM驱动。 人机交互接口：LCD显示屏、触摸屏、按键、LED驱动。 第四章：嵌入式驱动程序开发 4.1 驱动程序的重要性与设计理念 硬件抽象层（HAL）：驱动程序的作用，将底层硬件细节封装起来，提供统一的接口。 模块化与可重用性：设计易于维护和扩展的驱动程序。 错误处理与鲁棒性：如何处理硬件故障、通信错误等。 4.2 裸机驱动程序开发 直接访问寄存器：通过MCU的数据手册，直接配置和控制硬件寄存器。 基于硬件抽象库（HAL Library）：利用厂商提供的HAL库，简化驱动开发过程。 代码示例：针对GPIO、定时器、UART等基本外设编写裸机驱动。 4.3 基于实时操作系统（RTOS）的驱动开发 RTOS提供的驱动框架：中断管理、任务同步、设备管理等。 设备驱动模型：介绍Linux设备驱动模型、RTOS的驱动框架。 与HAL库的结合：如何将HAL库集成到RTOS环境中。 实战案例：为SPI/I2C设备、ADC/DAC设备编写RTOS驱动。 第三部分：嵌入式软件开发与应用 掌握了硬件基础和驱动开发，本部分将带领您进入嵌入式软件的开发世界，学习如何编写应用程序、管理系统资源，并进行高效的调试。 第五章：嵌入式操作系统（RTOS） 5.1 实时操作系统概述 RTOS的必要性：多任务并发、资源管理、实时性保障。 RTOS的关键概念：任务（Thread）、任务调度、任务间通信（IPC）、同步机制、信号量、互斥锁。 RTOS的分类：抢占式调度、协作式调度、优先级反转等。 5.2 常用RTOS介绍与移植 FreeRTOS：功能强大、广泛应用的开源RTOS，任务创建、调度、通信机制详解。 RT-Thread：国内主流的开源RTOS，组件化设计，丰富的软件包。 Zephyr RTOS：面向物联网的、安全的、轻量级的RTOS。 RTOS移植流程：引导加载程序（Bootloader）、内核初始化、外设驱动集成。 5.3 RTOS任务与调度 任务创建与管理：创建、删除、挂起、恢复任务。 任务调度算法：优先级调度、时间片轮转调度、先到先服务等。 任务优先级与调度策略：如何根据应用需求设定任务优先级。 5.4 RTOS任务间通信与同步 消息队列：生产者-消费者模式，数据传递。 信号量：资源计数、事件通知。 互斥锁（Mutex）：保护共享资源，避免竞争条件。 事件标志组：多任务间事件同步。 5.5 RTOS的内存管理 静态内存分配与动态内存分配。 内存池（Memory Pool）机制：提高内存分配效率，减少碎片。 第六章：嵌入式应用程序开发 6.1 C/C++在嵌入式中的应用 嵌入式C语言特性：指针、内存管理、位操作。 嵌入式C++的应用：面向对象设计，类、继承、多态在嵌入式中的应用。 代码优化技巧：减少代码量，提高执行效率。 6.2 嵌入式软件架构设计 分层设计：硬件层、驱动层、操作系统层、应用层。 状态机模式：处理复杂逻辑和事件驱动的系统。 事件驱动模型：基于回调函数或消息处理机制。 6.3 常用嵌入式软件模块开发 用户界面（UI）开发：简单的字符显示、图形界面库的应用。 文件系统：FatFs等嵌入式文件系统移植与应用。 网络通信：TCP/IP协议栈、HTTP/MQTT协议的应用。 数据采集与处理：传感器数据采集、滤波、算法实现。 6.4 嵌入式系统调试技术 断点与单步执行：跟踪程序执行流程。 变量监视与修改：观察程序运行时的变量状态。 内存查看与分析：分析内存使用情况，查找内存泄漏。 逻辑分析仪与示波器：硬件信号调试。 JTAG/SWD调试接口：与仿真器配合进行底层调试。 第四部分：嵌入式系统进阶与实战 在掌握了基础理论和开发技能后，本部分将带领您探索更高级的主题，并通过实际项目来巩固所学知识。 第七章：嵌入式网络通信 7.1 TCP/IP协议栈详解 TCP/IP模型：各层协议（IP, TCP, UDP, HTTP, FTP）的功能与原理。 Socket编程：客户端-服务器模型，TCP与UDP套接字的使用。 LWIP等嵌入式TCP/IP协议栈：在资源受限的嵌入式设备上的应用。 7.2 物联网（IoT）通信协议 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）：轻量级的发布/订阅消息协议，广泛用于IoT设备。 CoAP（Constrained Application Protocol）：适用于受限网络设备的RESTful应用协议。 HTTP/HTTPS：在嵌入式设备上实现Web服务器功能，与云平台交互。 7.3 无线通信技术 Wi-Fi：嵌入式Wi-Fi模块的应用，连接与通信。 蓝牙（Bluetooth）：BLE（低功耗蓝牙）的应用，设备配对与数据传输。 LoRa/NB-IoT：低功耗广域网通信技术，适用于远距离、低功耗IoT应用。 7.4 网络安全基础 SSL/TLS加密：保护通信数据的机密性和完整性。 身份认证与授权：确保通信双方的合法性。 第八章：嵌入式系统性能优化与功耗管理 8.1 代码性能优化 算法选择与复杂度分析。 编译器优化选项：-O0, -O1, -O2, -Os等。 汇编语言的应用：针对关键代码进行手工优化。 流水线与缓存利用：理解CPU工作原理，优化指令执行。 8.2 内存优化 减少内存占用：使用更紧凑的数据结构，优化内存分配策略。 避免内存泄漏：使用内存分析工具。 栈与堆的合理使用。 8.3 功耗管理技术 MCU低功耗模式：睡眠、深度睡眠、待机模式。 外设功耗管理：按需开启和关闭外设。 动态电压频率调整（DVFS）。 电源管理芯片（PMIC）的应用。 8.4 功耗测量与分析工具 使用功耗计、示波器进行实时功耗测量。 分析功耗瓶颈，找出功耗大户。 第九章：嵌入式系统实战项目 9.1 小型智能家居设备开发 基于MCU的温湿度监测与控制系统。 利用Wi-Fi/蓝牙连接，实现远程数据查看与控制。 9.2 工业传感器数据采集与传输 连接多种工业传感器（如压力、流量、温度），使用CAN/RS485进行数据采集。 通过以太网或蜂窝网络将数据上传至云平台。 9.3 嵌入式Linux应用开发入门 Raspberry Pi等嵌入式Linux开发板的使用。 Linux环境下交叉编译与调试。 开发简单的Linux应用程序，如Web服务器、数据处理工具。 9.4 机器人控制系统基础 使用MCU控制电机、舵机实现基本运动。 集成传感器，实现避障或路径跟随功能。 结语 《嵌入式系统设计与应用：从理论到实战》不仅是一本书，更是一段探索嵌入式技术无限可能性的旅程。我们相信，通过系统性的学习和大量的实践，您将能够自信地驾驭嵌入式系统设计，为未来的创新应用打下坚实的基础。本书的出版，希望能成为您在该领域学习和实践道路上的得力伙伴。

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与其他同类书籍相比，这本书在系统架构和模块划分上的逻辑性达到了一个全新的高度。作者似乎非常懂得初学者在面对一个庞大系统时容易产生的迷茫感，因此，他将整个PIC单片机的复杂功能，比如中断处理、通信协议栈（UART/SPI/I2C）以及A/D转换等，都进行了非常清晰和模块化的梳理。每一章的开始，都有一个明确的“本章目标”和“知识地图”，让读者对即将学习的内容有一个宏观的把握。更厉害的是，它没有将各个模块孤立地讲解，而是总能在后续章节中巧妙地将之前学到的知识点串联起来，构建起一个完整的知识网络。例如，在讲解实时操作系统（RTOS）的应用时，它自然而然地融入了对中断优先级和任务调度的深入讨论，让复杂的概念因为有了上下文而变得水到渠成，不再是生硬的堆砌。

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这本书的作者在代码示例的选择和组织上，展现出了一种近乎偏执的严谨性。我注意到，书中提供的所有示例代码，无论是汇编还是C语言部分，几乎都采用了业界公认的最佳实践风格。变量命名规范、注释的详略得当（不过分冗余，也不至于精简到让人费解），以及对关键算法的效率优化，都体现了作者深厚的实战经验。更重要的是，对于那些容易出错的地方，比如硬件初始化顺序、位操作的掩码运用，作者都用醒目的警示框或脚注进行了特别强调，这些“避坑指南”对我来说简直是无价之宝。我过去在调试程序时花费大量时间在一些低级的错误上，而这本书仿佛是一位经验老到的导师在我身边，提前指出了那些隐藏的陷阱，让我能够专注于更高级的设计思维，而不是纠结于语法细节的摩擦。

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从内容覆盖的广度来看，这本书的选择性取舍非常老辣。它没有试图去穷尽PIC系列所有型号的每一个细枝末节，这恰恰是很多教材的通病——贪多嚼不烂。相反，它聚焦于几款具有代表性的核心系列（比如PIC16F和PIC18F系列），深入剖析了它们架构上的共性和关键差异。通过对核心原理的透彻讲解，我发现自己不仅理解了书中涉及的具体型号，还具备了迁移和学习其他新型号的能力。这种“授人以渔”而非“授人以鱼”的教学理念，使得这本书的生命力大大延长。即使未来芯片更新换代，其底层逻辑和设计哲学依然适用。对于一个希望打下坚实基础的工程师来说，这种高度凝练且具有普适性的知识结构，比堆砌零散的应用笔记要有价值得多。

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这本书的排版和插图简直是艺术品级别的。细节之处的处理非常到位，比如关键电路图的线条清晰度，元器件符号的规范性，以及文字与图表的布局，都体现了编者极高的专业素养和对读者阅读体验的尊重。尤其是那些复杂的时序图和波形图，以往在其他资料中总是看得一头雾水，但这本书里，它们被巧妙地设计成能引导读者的视觉流线，让人一眼就能抓住核心逻辑。我发现自己不再需要频繁地在不同页面间跳转来对照参考，这极大地提升了我的学习效率。而且，这本书的纸张质量也很好，没有那种廉价的油墨味，拿在手里沉甸甸的，很有分量感，感觉像是在阅读一本值得珍藏的工具书，而不是那种看完一次就束之高阁的快餐读物。这种对物理载体的用心，在如今电子资料泛滥的时代，显得尤为可贵，它让学习过程本身变成了一种享受，而不是一种任务。

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我必须强调一下这本书的案例驱动学习方法，这才是它真正的高明之处。它没有一开始就抛出一堆晦涩难懂的寄存器定义和底层操作码，而是选择了一个个贴近实际工程需求的“小项目”作为切入点。比如，在介绍定时器模块时，它不是简单地讲解计数器如何溢出，而是紧接着就给出了一个“如何用定时器实现精确的PWM波输出以控制一个步进电机”的实例，并且详细拆解了每一步代码的含义和背后的硬件原理。这种“先看到结果，再反推原理”的教学模式，极大地激发了我的探索欲和成就感。我感觉自己不是在被动地接收知识，而是在主动地解决问题，每解决一个小问题，我都能清晰地看到自己技术栈的增长，这种即时反馈的学习体验，远比死记硬背要来得深刻和持久。

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