PIC单片机基础与应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:人民邮电出版社

作者:汤竞南

出品人:

页数:338

译者:

出版时间:2006-6

价格:35.00元

装帧:平装

isbn号码:9787115148742

丛书系列:

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《ARM Cortex-M微控制器嵌入式系统设计与开发实践》 内容简介 本书是一本面向嵌入式系统工程师、爱好者以及相关专业学生的专业技术书籍。它深入浅出地介绍了ARM Cortex-M系列微控制器的基础理论、核心架构、开发环境搭建、以及丰富的实际应用案例。本书旨在帮助读者全面掌握ARM Cortex-M微控制器的开发技术，并能独立设计和实现复杂的嵌入式系统。 第一部分：ARM Cortex-M微控制器基础 第一章：嵌入式系统概览与ARM Cortex-M的定位 1.1 什么是嵌入式系统？ 嵌入式系统的定义、特点（专用性、实时性、可靠性、低功耗、网络化等）。 嵌入式系统的组成（硬件、软件、应用）。 嵌入式系统的分类（按功能、按应用领域、按体系结构）。 嵌入式系统在现代社会中的重要性与应用前景（物联网、工业自动化、消费电子、医疗设备、汽车电子等）。 1.2 微控制器（MCU）的角色与演进 微处理器的基本概念与区别。 微控制器的定义、特点（集成CPU、内存、外设）。 微控制器在嵌入式系统中的核心地位。 微控制器技术的发展历程（8位、16位、32位，RISC与CISC）。 1.3 ARM处理器家族与Cortex-M系列 ARM公司及其商业模式（IP授权）。 ARM处理器家族概述（Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M）。 ARM Cortex-M系列微控制器的定位与优势（高性能、低功耗、高集成度、丰富的外设、广泛的应用支持）。 Cortex-M系列的主要型号（M0、M0+、M3、M4、M7、M33、M55等）及其特性对比。 Cortex-M系列在32位微控制器市场的地位与影响。 第二章：ARM Cortex-M3/M4/M7 核心架构详解 2.1 Cortex-M3 核心架构 2.1.1 Thumb-2 指令集 Thumb指令集与ARM指令集的对比。 Thumb-2指令集的优势：指令密度高、性能提升。 Thumb-2指令集的混合特性：32位指令和16位指令的结合。 常用Thumb-2指令示例与解析。 2.1.2 流水线（Pipeline） 流水线的概念与原理（指令预取、译码、执行、写回）。 Cortex-M3的三级流水线设计。 流水线对性能的影响：吞吐量、延迟。 流水线冒险（数据冒险、控制冒险）及其解决方案。 2.1.3 处理器模式与特权级别 处理器模式（Thread Mode, Handler Mode）及其切换。 特权级别（Privileged, Unprivileged）的概念与区别。 内存访问控制与安全机制。 2.1.4 中断与异常处理 中断与异常的基本概念、类型（外部中断、内部异常、系统异常）。 NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）详解： NVIC的结构与功能：中断向量表、中断优先级、中断分组。 中断使能、禁用、挂起、恢复。 中断延迟（Interrupt Latency）的概念与优化。 SVC（Supervisor Call）指令。 PendSV（Pending Supervisor Call）中断。 2.1.5 内存管理与总线接口 内存映射（Memory Map）概念。 AHB-Lite（Advanced High-performance Bus Lite）总线接口。 内存保护单元（MPU）的基础概念（可选，主要用于高级型号）。 2.2 Cortex-M4 核心架构（与M3的差异与增强） 2.2.1 SIMD（Single Instruction Multiple Data）指令 SIMD指令的原理与应用场景（DSP）。 2.2.2 DSP（Digital Signal Processing）指令集 DSP指令的优势：高效的乘加运算（MAC）、饱和运算。 DSP在信号处理、滤波器设计等领域的应用。 2.2.3 单精度浮点单元（FPU） FPU的作用：加速浮点运算。 单精度浮点运算的优势与局限。 FPU在传感器数据处理、控制算法中的应用。 2.3 Cortex-M7 核心架构（与M4的差异与增强） 2.3.1 更宽的流水线与指令缓存 Cortex-M7的6级超标量流水线。 指令预取缓存（Instruction Cache）与数据缓存（Data Cache）的作用。 指令乱序执行（Out-of-Order Execution）的概念。 2.3.2 高性能总线接口 AXI（Advanced eXtensible Interface）总线接口。 AXI总线在数据吞吐量和带宽方面的优势。 CM7连接高速外部存储器（SDRAM, Flash）。 2.3.3 双精度浮点单元（FPU）（可选） 双精度浮点运算的精度优势。 2.3.4 专用DSP指令与SIMD指令的增强。 第三章：ARM Cortex-M 系列的常用外设 3.1 GPIO（General Purpose Input/Output） GPIO的基本功能：输入、输出、推挽、开漏。 GPIO的配置：方向、上拉/下拉电阻、复用功能。 GPIO的端口模式：标准模式、高速模式。 GPIO的电气特性（TTL, CMOS）。 3.2 时钟与系统定时器 系统时钟（System Clock）的概念：主晶振、PLL（Phase-Locked Loop）、分频器。 时钟树（Clock Tree）的设计与配置。 SysTick定时器（系统滴答定时器）： SysTick定时器的功能：生成系统节拍。 SysTick定时器的工作模式：倒计数、周期性中断。 SysTick定时器在RTOS（实时操作系统）中的作用。 通用定时器/计数器（Timers/Counters）： 定时器的基本功能：周期定时、脉冲测量、PWM（Pulse Width Modulation）生成。 输入捕获（Input Capture）、输出比较（Output Compare）模式。 PWM在电机控制、LED亮度调节等方面的应用。 3.3 存储器接口 片内SRAM（Static Random-Access Memory）与Flash（Flash Memory）。 片外存储器接口： QSPI/SPI Flash接口。 SDRAM（Synchronous Dynamic Random-Access Memory）接口（主要用于M7）。 Parallel Memory Interface。 3.4 通信接口 3.4.1 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter） UART的工作原理：异步串行通信。 通信参数：波特率、数据位、停止位、校验位。 UART在设备间通信、调试信息输出中的应用。 3.4.2 SPI（Serial Peripheral Interface） SPI的工作原理：同步串行通信，主从架构。 SPI的通信模式：CPOL, CPHA。 SPI在连接传感器、存储器、显示屏等外设中的应用。 3.4.3 I2C（Inter-Integrated Circuit） I2C的工作原理：多主、多从的同步串行总线。 I2C的地址机制。 I2C在连接低速设备（如传感器、EEPROM）中的应用。 3.4.4 CAN（Controller Area Network） CAN总线的工作原理：差分信号、事件驱动、非破坏性仲裁。 CAN协议的特点：高可靠性、实时性。 CAN在汽车电子、工业自动化领域的应用。 3.4.5 USB（Universal Serial Bus） USB接口的功能与协议。 USB设备类（Device Classes）概述。 USB在数据传输、设备连接中的应用。 3.5 ADC（Analog-to-Digital Converter）与DAC（Digital-to-Analog Converter） ADC的工作原理：将模拟信号转换为数字信号。 ADC的参数：分辨率、采样率、精度。 ADC的转换模式：单次转换、连续转换、DMA（Direct Memory Access）转换。 ADC在传感器信号采集中的应用。 DAC的工作原理：将数字信号转换为模拟信号。 DAC的应用：音频输出、波形生成。 3.6 DMA（Direct Memory Access）控制器 DMA的作用：实现CPU与外设之间的高速数据传输，减轻CPU负担。 DMA的工作原理：DMA通道、传输模式（内存到内存、外设到内存、内存到外设）。 DMA在ADC/DAC、通信接口等数据密集型应用中的重要性。 第二部分：ARM Cortex-M 嵌入式系统开发实践 第四章：嵌入式开发环境搭建与工具链 4.1 嵌入式开发流程概述 需求分析、系统设计、硬件选型、软件开发、测试与调试、部署。 4.2 开发板的选择与介绍 主流ARM Cortex-M开发板（如STM32系列、NXP LPC系列、Microchip SAM系列等）。 开发板的硬件资源（CPU、内存、外设）。 开发板的接口与扩展能力。 4.3 集成开发环境（IDE） 4.3.1 Keil MDK（Microcontroller Development Kit） IDE的功能介绍：代码编辑、编译、链接、调试。 MDK的配置与项目管理。 ULINK调试器与仿真器。 4.3.2 IAR Embedded Workbench IAR IDE的特点与优势。 IAR的项目配置与调试。 4.3.3 GCC for ARM + Eclipse/VS Code GCC作为编译器工具链。 Eclipse CDT或VS Code作为IDE，配合C/C++开发插件。 OpenOCD/J-Link GDB Server的调试接口。 4.4 编译、链接与目标文件格式 编译器的作用：源代码到汇编代码。 汇编器的作用：汇编代码到机器码。 链接器的作用：目标文件与库文件的链接，生成可执行文件。 目标文件格式（ELF, COFF）。 链接脚本（Linker Script）的作用与配置。 4.5 调试技术与工具 4.5.1 硬件调试器/仿真器（JTAG/SWD） JTAG（Joint Test Action Group）与SWD（Serial Wire Debug）接口。 调试器/仿真器的功能：断点、单步执行、观察变量、内存查看。 GDB（GNU Debugger）的使用。 4.5.2 SWV（Serial Wire Viewer） SWV的作用：实时输出调试信息。 SWO（Serial Wire Output）引脚。 4.5.3 printf重定向 通过UART或SWV输出printf信息，辅助调试。 4.5.4 逻辑分析仪与示波器 用于观察硬件信号，分析时序问题。 第五章：固件开发与裸机编程 5.1 汇编语言与C语言混合编程 在C语言中使用内联汇编（Inline Assembly）。 汇编语言调用C函数，C语言调用汇编函数。 理解底层硬件操作。 5.2 向量表与中断服务程序（ISR） 向量表的结构与功能。 编写中断服务程序（ISR）。 ISR的设计原则：短小精悍、避免阻塞。 中断嵌套与优先级管理。 5.3 内存管理与栈/堆 Cortex-M堆栈（Stack）的工作机制。 堆（Heap）的分配与管理（malloc/free）。 内存对齐（Memory Alignment）。 5.4 常用外设的裸机驱动开发 5.4.1 GPIO驱动开发 配置GPIO方向、上拉/下拉。 读写GPIO引脚状态。 5.4.2 定时器驱动开发 配置定时器模式、周期、预分频器。 使用定时器实现延时。 使用定时器生成PWM信号。 5.4.3 UART驱动开发 配置UART参数（波特率、数据位等）。 实现发送和接收函数。 阻塞式与非阻塞式通信。 5.4.4 SPI/I2C驱动开发 配置SPI/I2C主/从模式、时钟极性/相位。 实现数据的读写。 5.4.5 ADC驱动开发 配置ADC通道、采样时间。 触发ADC转换，读取转换结果。 5.5 启动代码（Startup Code）详解 启动文件（startup_xxx.s）的作用。 初始化堆栈指针。 复制初始化数据段（.data）到RAM。 清零未初始化数据段（.bss）。 调用C库的main函数。 设置中断向量表。 第六章：实时操作系统（RTOS）在Cortex-M上的应用 6.1 什么是实时操作系统（RTOS）？ RTOS的概念、必要性与优势。 硬实时与软实时的区别。 RTOS的核心功能：任务管理、时间管理、内存管理、通信与同步。 6.2 常用ARM Cortex-M RTOS介绍 6.2.1 FreeRTOS FreeRTOS的特点（小型、高效、移植性好）。 FreeRTOS的核心对象：任务（Task）、队列（Queue）、信号量（Semaphore）、互斥锁（Mutex）、事件标志组（Event Group）、软件定时器（Software Timer）。 任务的创建、删除、挂起、恢复。 任务状态（Running, Ready, Blocked, Suspended）。 任务优先级与调度算法（协作式、抢占式）。 任务间通信与同步机制。 6.2.2 RT-Thread RT-Thread的特点（国人开发，功能强大，组件丰富）。 RT-Thread的内核对象与组件。 6.2.3 Keil RTX Keil MDK自带的RTOS。 6.3 RTOS开发实践 6.3.1 在开发板上移植FreeRTOS（以STM32为例） 下载FreeRTOS源码。 配置FreeRTOSConfig.h文件。 编写port.c文件（硬件相关的移植代码）。 创建第一个RTOS应用：多任务演示。 6.3.2 任务间通信与同步实例 使用队列实现生产者-消费者模式。 使用信号量控制共享资源的访问。 使用互斥锁保护临界区。 6.3.3 时间管理与低功耗策略 利用SysTick和RTOS的定时器功能。 RTOS的任务休眠（Delay）与阻塞。 利用RTOS的低功耗模式。 6.4 RTOS在嵌入式系统中的优势分析 提高开发效率。 简化复杂系统的设计。 提高系统的可维护性与可扩展性。 支持多任务并发执行。 第七章：嵌入式系统通信协议设计与应用 7.1 TCP/IP协议栈在嵌入式系统中的应用 lwIP（lightweight IP）介绍。 lwIP的移植与配置。 Socket编程基础。 HTTP服务器与客户端的设计。 MQTT协议在物联网中的应用。 7.2 BLE（Bluetooth Low Energy）通信 BLE协议栈的基础知识（GAP, GATT）。 BLE设备角色（Central, Peripheral）。 BLE广播（Advertising）与扫描（Scanning）。 BLE服务（Service）与特征（Characteristic）。 BLE通信流程。 7.3 其他嵌入式通信协议 Modbus协议在工业自动化中的应用。 CoAP（Constrained Application Protocol）协议在物联网中的应用。 第八章：嵌入式系统中的高级应用与进阶主题 8.1 嵌入式图形用户界面（GUI） GUI库介绍（如emWin, LVGL）。 GUI的设计原则与元素（窗口、按钮、文本框等）。 GUI在嵌入式设备上的实现。 8.2 嵌入式Linux与RTOS的对比与结合 嵌入式Linux的特点与应用。 RTOS与嵌入式Linux的优劣势。 RTOS作为Linux的底层驱动或应用。 8.3 嵌入式安全 常见的嵌入式安全威胁。 安全启动（Secure Boot）。 加密与解密技术。 安全存储。 8.4 OTA（Over-the-Air）升级技术 OTA升级的原理与实现。 固件更新的安全性和可靠性。 8.5 嵌入式系统性能优化 代码优化技巧。 中断优化。 DMA利用。 功耗优化策略。 第九章：综合项目案例分析 9.1 智能家居节点设计 传感器数据采集（温度、湿度、光照）。 无线通信（BLE或Wi-Fi）。 本地数据处理与执行（如控制灯光）。 与云平台通信（MQTT）。 9.2 工业物联网数据采集模块 模拟信号采集（ADC）。 数字信号输入/输出。 RS485/CAN总线通信。 数据存储与上传。 9.3 嵌入式设备固件升级与远程管理系统 基于OTA的固件更新机制。 设备状态监控与远程控制。 附录 ARM Cortex-M系列微控制器厂商列表。 常用调试工具与资源链接。 术语表。 本书通过理论讲解与实践操作相结合的方式，力求为读者提供一个系统、全面、深入的ARM Cortex-M嵌入式系统开发学习路径。无论您是初学者还是有一定基础的开发者，都能从中获益，掌握这项在现代科技领域至关重要的技能。

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作为一本技术参考资料，这本书在知识的深度和广度上都展现出了非凡的功力。它没有满足于仅仅介绍某个特定型号的微控制器，而是深入剖析了该系列芯片背后的体系结构和设计哲学，这一点对于想要构建扎实理论基础的进阶读者来说，价值无可估量。书中对存储器映射、总线结构以及特定外设的寄存器级描述，详尽到令人咋舌，简直就是一本高级的芯片手册的精炼版本。我曾遇到过一个复杂的SPI通信时序问题，翻阅了其他资料都感到云里雾里，但在这本书中，作者通过对时钟极性与相位（CPOL/CPHA）的深入剖析和实例对比，让我茅塞顿开，瞬间理解了协议差异背后的物理意义。这种对技术细节的执着和对原理的彻底挖掘，使得这本书不仅能教你“怎么做”，更能让你明白“为什么这样设计”。它提供了一种思考问题的框架，引导读者从更宏观的层面去理解嵌入式系统的运作，而不是仅仅停留在调用库函数层面，这种培养系统性思维的能力，才是这本书最宝贵的财富之一。

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这本书的实战性强得令人赞叹，完全跳脱了许多教科书那种“纸上谈兵”的窠臼。它不仅仅停留在概念的阐述，而是紧密结合实际应用场景，每一个章节的理论讲解之后，几乎都配有详尽的、可操作性极强的实验案例。我特别喜欢它对实验环境搭建和调试过程的细致描述，从硬件连接图到软件代码的逐行注释，都考虑得非常周全，连初学者最容易犯的接线错误，书中都有预警性的提醒。读到涉及外部中断处理的那一章时，我立刻按照书中的步骤，搭建了一个简单的按键检测电路，书中的代码简洁高效，运行结果稳定可靠，那种亲手点亮希望、让代码真正控制硬件的感觉，是任何理论学习都无法替代的成就感。更关键的是，书中介绍的许多应用实例，如数据采集、简易仪器控制等，都贴近工业或日常电子制作的需求，这使得我学到的知识立刻有了用武之地，不再是孤立的知识点，而是可以解决实际问题的工具箱。这种“学即用，用即会”的教学模式，极大地激发了我深入研究底层逻辑的兴趣，可以说是把枯燥的底层技术，转化成了生动的创造过程。

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从整体的学习体验来看，这本书的结构安排堪称教科书级别的典范。它采用了非常科学的渐进式难度提升策略，确保读者能够平稳过渡，避免了“陡坡”带来的挫败感。起始部分对开发环境的安装与配置做了详尽指导，步骤清晰，即便是对命令行操作不甚熟悉的读者也能顺利上手。随后，基础语法和简单I/O操作的引入，为后续复杂模块的学习打下了坚实的基础。最巧妙的是，书中在介绍完ADC（模数转换器）的理论后，立刻安排了一个温度传感器的实时监测项目，将理论知识与实际应用完美衔接。这种“理论—实践—进阶”的循环往复模式，使得知识点的吸收率大大提高。它不像某些书籍那样，将所有理论堆砌在前，让读者在开始实践前就望而却步；相反，它允许读者在学习的初期就能尝到成功的甜头，从而建立学习的内驱力。可以说，这本书的作者对教学法的理解非常深刻，深知如何点燃学习者的热情，并用最有效率的方式引导他们掌握一门复杂的技术。

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这本书的配套资源和社区支持也同样出色，这在很大程度上提升了这本书的“附加值”。随书光盘中收录的全部源代码都是经过充分测试和优化的，代码风格统一规范，注释详尽，对于学习者模仿和参考具有极高的指导意义。更难得的是，作者似乎非常关注读者的反馈和技术的发展前沿，书中一些高级章节的内容，比如低功耗设计和中断优化策略，都体现了对最新行业实践的关注。我注意到，书中提及的某些开发工具链版本，对应着相对较新的芯片固件特性，这说明作者在编写和修订过程中保持了极高的信息时效性。这种与时俱进的内容更新，使得这本书在快速迭代的电子技术领域中，依然保持着强大的生命力和参考价值。它不仅仅是一本静态的教材，更像是一个动态的学习平台，鼓励读者去探索、去验证，并与作者及其他学习者一起成长，这种开放和前瞻性的姿态，是很多传统技术书籍所不具备的宝贵品质。

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这本书的排版和设计着实让人眼前一亮，装帧精美，纸张质量也属上乘，拿到手里就能感受到作者和出版社对知识传播的诚意。初翻目录时，那种系统性和逻辑性便扑面而来，知识的脉络清晰可见，从最基础的硬件架构讲起，逐步深入到指令集和编程思想，层层递进，仿佛一位经验丰富的导师，耐心地引导着初学者进入微控制器技术的殿堂。尤其值得称赞的是，书中对理论知识的讲解并非干巴巴的术语堆砌，而是大量运用了生动的比喻和详实的图示，将抽象的电子概念具象化，极大地降低了理解门槛。例如，在阐述定时器/计数器的溢出机制时，作者绘制的流程图清晰明了，配合文字的细腻剖析，即便是首次接触此类概念的读者也能迅速掌握其工作原理。全书的语言风格严谨而不失亲和力，既保证了专业性，又照顾到了读者的阅读体验。阅读过程中，总能感受到作者在细节之处的匠心，比如一些易混淆的概念，书中都会特别标注并进行对比分析，这种对读者学习路径的关怀，使得整个阅读过程变得既充实又愉快。那种知识被精心组织和呈现的感觉，让人对后续内容的学习充满了期待，相信这本书绝对能成为我未来技术探索道路上的得力助手。

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