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出版者:北京航空航天大学出版社

作者:李学海

出品人:

页数:474

译者:

出版时间:2006-3

价格:45.00元

装帧:

isbn号码:9787810777537

丛书系列:

图书标签:

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《嵌入式系统设计与应用：基于ARM Cortex-M微控制器》 内容简介 本书全面深入地探讨了基于ARM Cortex-M系列微控制器的嵌入式系统设计与应用技术。随着物联网（IoT）、工业自动化和智能设备的飞速发展，Cortex-M内核凭借其出色的性能、低功耗特性和成熟的生态系统，已成为当代嵌入式开发的主流平台。本书旨在为电子工程、计算机科学及其相关专业的学生、初级到中级的嵌入式系统工程师，以及寻求系统性知识更新的专业人士，提供一本实用、详尽且具有高度可操作性的参考指南。 第一部分：Cortex-M微控制器基础架构与内核原理 本部分首先构建读者对Cortex-M系列微控制器的宏观认识，并深入剖析其核心架构。 第一章：嵌入式系统概述与Cortex-M家族概览 本章从嵌入式系统的基本概念入手，界定其与通用计算系统的区别与联系，涵盖实时性、资源约束和特定功能性等关键特征。随后，详细介绍ARM Cortex-M系列的不同型号（如M0、M3、M4、M7），分析它们在性能、功耗、中断处理能力和浮点运算单元（FPU）配置上的差异，帮助读者根据具体项目需求选择合适的微控制器型号。 第二章：Cortex-M内核架构详解 深入讲解Cortex-M内核的内部结构。内容涵盖程序计数器（PC）、堆栈指针（SP）等核心寄存器组的详细功能，以及特权/非特权执行级别的工作机制。重点阐述指令集架构（Thumb-2），分析其如何实现代码密度和执行效率的平衡。同时，细致讲解内存映射（Memory Mapping）方案，包括代码区、SRAM、外设寄存器区的分配与访问规则。 第三章：嵌套向量中断控制器（NVIC）与异常处理 中断系统是嵌入式实时性的基石。本章将详细解析Cortex-M专有的NVIC结构。内容包括中断优先级分组（Priority Grouping）的原理与配置，系统异常（如复位、HardFault、SysTick）与外部中断的触发、服务和返回机制。通过实例演示如何配置多级中断，确保关键任务的及时响应，并探讨如何调试和处理高频出现的“HardFault”错误。 第二部分：固件开发环境与底层驱动实现 本部分侧重于实际的开发流程，介绍如何搭建开发环境并实现对微控制器核心资源的底层控制。 第四章：开发环境搭建与首次“点灯” 指导读者选择并安装主流的集成开发环境（IDE），如Keil MDK、IAR Embedded Workbench或基于GCC的工具链。详细介绍汇编语言和C语言在嵌入式项目中的结合方式。通过最经典的“点亮LED”实例，演示如何设置时钟系统（RCC）、配置通用输入输出（GPIO）端口，并讲解寄存器级操作（Bare-Metal Programming）的核心思想。 第五章：时钟系统与低功耗管理 深入探讨微控制器的时钟树，包括内部振荡器（HSI）、外部晶振（HSE）的配置与PLL倍频锁定过程。重点讲解如何精确地配置系统时钟和外设时钟，以满足不同运行模式下的性能要求。此外，详述Cortex-M的休眠（Sleep）和深度睡眠（Deep Sleep）模式，以及如何利用唤醒源（如外部中断、定时器）实现高效的功耗管理。 第六章：内存访问与直接内存访问（DMA） 本章聚焦于数据的高效传输。首先回顾总线架构（如AHB/APB）对数据访问速度的影响。然后，重点介绍DMA控制器的工作原理，包括数据源、目的地的配置，传输模式（单次、循环、突发）的选择。通过实际案例（如ADC采样数据转存至内存、数据从SRAM到外设的快速传输），展示如何通过DMA解放CPU资源，提升系统吞吐量。 第三部分：核心外设接口与通信协议 本部分详细介绍了嵌入式系统中常用的关键外设模块及其驱动实现。 第七章：定时器（Timers）的高级应用 定时器是嵌入式系统的“心脏”。本章涵盖基础的计数功能，并扩展到高级应用，如输入捕获（Input Capture，用于测量脉冲宽度和频率）、输出比较（Output Compare，用于生成PWM波形）。详细讲解如何精确配置定时器的预分频器、自动重载寄存器和捕获/比较寄存器，实现精确的时间控制。 第八章：串行通信接口（UART/USART）与异步数据交换 讲解通用异步收发传输器（UART/USART）的工作原理，包括波特率计算、数据帧格式（奇偶校验、停止位）。提供基于中断和DMA两种方式的UART驱动实现，并侧重于处理数据流的连续性和完整性。 第九章：同步通信：SPI与I2C协议详解 系统性介绍两种主流的同步串行通信协议。对于SPI，重点解析主/从模式、时钟极性/相位（CPOL/CPHA）的四种组合及其对数据采集的影响。对于I2C，详细阐述其总线仲裁、地址寻址机制以及START/STOP条件的产生。通过实际案例，指导读者如何驱动常见的传感器（如加速度计、EEPROM）并实现数据读写。 第四部分：模拟与混合信号处理 本部分关注微控制器与物理世界的接口——模数转换和数模转换。 第十章：模数转换器（ADC）的精确采集 深入讲解SAR型ADC的工作流程，包括采样保持过程、量化误差和有效位数（ENOB）。重点讲解ADC的多通道扫描模式、间断模式（Discontinuous Mode）以及触发源的选择。通过分析采样定理，指导读者如何根据被测信号的特性设置合适的采样率和参考电压，确保数据准确性。 第十一章：数模转换器（DAC）与波形生成 介绍DAC的原理和常用配置。重点演示如何利用DAC配合定时器生成标准模拟信号，如正弦波、三角波或方波，并讨论其在信号发生器和电压输出控制中的应用。 第五部分：操作系统与高级软件架构 本部分面向需要构建复杂、多任务系统的开发者，引入实时操作系统的概念与实践。 第十二章：实时操作系统（RTOS）基础与上下文切换 介绍RTOS的核心概念，如任务、调度器、临界区和同步机制。以FreeRTOS或类似的轻量级RTOS为例，讲解任务的创建、状态转换（就绪、运行、阻塞、挂起）和优先级继承。深入分析上下文切换的底层过程，揭示Cortex-M内核如何通过栈操作实现任务的保存与恢复。 第十三章：任务间通信与同步机制 详细讲解在多任务环境中保障数据一致性和避免竞态条件的关键技术：信号量（Semaphores）、互斥锁（Mutexes）和消息队列（Message Queues）。通过具体的代码示例，指导读者正确选择同步原语，以实现高效且无死锁的并发控制。 附录 附录提供Cortex-M常用寄存器速查表、系统启动代码分析，以及一个基于HAL库和寄存器级编程的同一外设驱动对比案例，以供读者进行学习和参考。 本书结构严谨，理论与实践紧密结合，力求使读者不仅理解“如何操作”，更能明白“为何如此操作”，最终具备独立设计和调试复杂嵌入式系统的能力。

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这本书的封面设计得非常朴素，用色沉稳，让人一看就知道是技术类的专业书籍。我抱着极大的期待翻开第一页，希望能从中找到扎实的理论基础和详尽的实践指导。初读下来，整体感觉作者的叙述风格偏向于学术化，对于初学者来说，可能需要花费更多的时间去消化其中的术语和概念。书中对硬件接口的讲解非常细致，从晶振的选取到复位电路的搭建，都有图文并茂的说明，这一点对于动手能力强的工程师来说无疑是极大的便利。不过，我个人觉得，如果能在每个章节的末尾增加一些针对性的练习题或者小型项目设计，或许能帮助读者更好地巩固所学知识。特别是涉及到中断和定时器的部分，理论推导固然重要，但实战中的应用场景和技巧往往更关键。我希望能看到更多贴近工业应用的前沿案例，而不是仅仅停留在教科书式的描述上。总体而言，这是一本内容扎实的参考书，适合已经具备一定微控制器基础，希望深入钻研特定架构的读者。

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这本书的排版和印刷质量令人满意，纸张光滑，字体清晰，阅读体验在物理层面上达到了高标准。从内容结构上看，这本书的逻辑组织非常严谨，从最基础的指令集架构讲起，逐步过渡到存储器映射和中断向量表，这种层层递进的安排，体现了作者深厚的教学功底。我尤其喜欢它对汇编语言与C语言混合编程的介绍，这在很多同类书籍中往往被一笔带过，而这本书却给予了足够的篇幅来探讨二者协同工作的奥妙。不过，对于初次接触这类单片机生态系统的读者，开篇可能略显突兀。我个人建议，也许可以加入一个“快速上手”的章节，先让读者跑通一个LED闪烁的程序，建立初步的成就感，再深入到复杂的系统级设计。此外，书中对特定开发工具链的使用说明略显单薄，对于习惯了不同IDE的工程师来说，可能需要自己摸索环境配置的细节。

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这本书给我的感觉是“重硬件理解，轻软件架构优化”。它花了大篇幅去解析芯片内部的各种时钟树、电源管理模式以及各种复杂的低功耗设计，这对于嵌入式系统功耗敏感的应用场景来说，无疑是宝贵的财富。我尝试根据书中的描述去实现一个超低功耗待机模式，发现只要严格按照书中的步骤操作，成功率非常高。但是，当涉及到大型项目的文件组织、任务调度（比如简单的实时操作系统RTOS的移植或应用），这本书就显得有些力不从心了。似乎作者的侧重点更偏向于单片机本身的工作原理，而非基于此芯片构建复杂软件系统的最佳实践。如果能增加一个关于软件分层设计、驱动抽象化的章节，这本书的价值会得到进一步的提升，能够更好地服务于需要构建健壮、可维护软件产品的工程师群体。

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这本书的参考文献列表非常详尽，可以看出作者在撰写过程中参考了大量的官方技术文档和行业标准，这为书中的内容提供了坚实的可靠性背书。我在调试一个复杂的通信协议时，书中对波特率计算的精确推导，直接帮我节省了大量的试错时间。这本书的语言风格是那种非常直接、不加修饰的陈述，非常高效，没有多余的客套话。但这可能导致某些概念的引入缺乏足够的铺垫，使得那些习惯于通过比喻或类比来理解抽象概念的读者感到吃力。我希望书中能穿插一些历史背景或设计哲学上的思考，比如“为什么芯片厂商选择了这种特定的中断处理机制？”或者“这种内存布局的优势在哪里？”这样的内容，能够让读者对知识的掌握更具深度和历史观感，而不仅仅是记住如何操作寄存器。总的来说，这是一部严谨、务实的技术著作，适合作为工具书查阅和深入学习的进阶材料。

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拿到这本书后，我立刻被其详尽的代码示例所吸引。作者似乎非常注重代码的可读性和模块化，几乎每一个重要的功能点都有配套的C语言实现。我特别欣赏作者在讲解外设配置时采用的“寄存器位域”讲解法，这比直接给出库函数调用要来得更透彻，让我明白了底层硬件是如何被驱动的。然而，在某些章节，比如ADC的转换流程和DMA的配置逻辑，我感觉信息量过于密集，缺乏必要的逻辑梳理和流程图辅助，导致我阅读起来有些吃力，需要反复对照数据手册才能完全理清脉络。如果能增加一个“疑难解析”或者“常见错误”的板块，对读者来说会更有帮助。另外，虽然书中的代码是完整的，但如果能提供一个配套的、可以即插即用的最小系统工程文件，让读者可以直接在开发环境中编译运行，体验会更流畅。这本书更像是一本深度手册，而不是一本轻松入门的教程，它要求读者具备较高的自学能力和耐心。

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当年这书等了很久才出，出来了之后发现没必要读了……

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