具体描述
本书是21世纪高等学校规划教材。
本书为MCS-51单片机原理及应用的学习辅导书和相关的实验指导书。
全书共分两篇9章。其主要内容为微型计算机基础知识、MCS-51单片机组成及结构分析、MCS-51单片机汇编语言程序设计、MCS-51单片机内部接口电路、MCS-51系统扩展、指令与寻址方式的验证、单片机内部接口设备的使用、典型子程序设计、外部接口应用。
本书为电类在校本科生和任课教师编写的学习指导和实验指导书，也可作为相关工程技术人员的参考书。
《现代嵌入式系统设计与实践》 面向快速迭代与复杂系统构建的全面指南 图书简介 本书《现代嵌入式系统设计与实践》并非专注于某一特定微控制器系列的教学或习题解答，而是致力于为读者提供一个跨平台、面向应用、强调系统级思维的嵌入式系统知识框架。本书的核心目标是培养读者从需求分析到软硬件协同设计，再到最终系统调试与优化的完整工程能力，以适应当前嵌入式领域对多核、低功耗、实时性和互联性的高要求。 全书内容涵盖了嵌入式系统设计的基础理论、主流硬件架构的深入剖析、实时操作系统（RTOS）的精要，以及面向物联网（IoT）和边缘计算的前沿技术应用。我们避免了对特定微控制器指令集或寄存器配置的冗长罗列，转而聚焦于设计模式、架构选择和性能权衡。 --- 第一部分：嵌入式系统设计基础与架构选型（约 300 字） 本部分奠定坚实的理论基础，引导读者理解嵌入式系统的本质——资源受限下的实时决策。 1. 嵌入式系统核心概念的重新审视： 阐述系统级需求分析（功耗预算、延迟要求、环境适应性）在硬件选型中的决定性作用。对比冯·诺依曼、哈佛架构以及现代异构计算架构（如DSP、FPGA辅助单元）的优劣。 2. 处理器选型与性能评估： 详细分析基于ARM Cortex-M、Cortex-A系列，以及RISC-V架构的适用场景。重点探讨流水线深度、缓存机制（L1/L2/L3）对实际应用性能的影响，而非仅仅停留在时钟频率的对比。讲解如何利用动态功耗模型（DVFS）进行能效优化设计。 3. 存储器层次结构与访问策略： 深入讲解片上SRAM、外部DRAM（如LPDDR4/5）的初始化与时序要求。探讨闪存（NOR/NAND/eMMC）的选择标准，以及固件更新（OTA）机制中对存储介质特性的利用与规避。 --- 第二部分：驱动开发与硬件抽象层（HAL）的工程实践（约 450 字） 本部分着重于如何在复杂驱动层面上实现代码的可移植性和系统的稳定性。 1. 通用总线协议的深度应用： 详细解析I2C、SPI、UART的电气特性与时序控制，并扩展到更高层级的总线结构，如PCIe和USB 3.0/Type-C。重点演示如何设计健壮的错误恢复机制和仲裁策略。 2. 高速数据采集与接口设计： 针对ADC/DAC设计，讲解过采样技术、抗混叠滤波器的实现，以及DMA（直接内存访问）在高速数据流处理中的优化配置，确保数据完整性。 3. 硬件抽象层（HAL）的设计哲学： 探讨如何构建一套与底层寄存器操作解耦的HAL。本书提供了基于接口（Interface-based）的设计模板，指导读者编写可用于不同MCU系列的驱动框架，显著减少迁移成本。 4. 电源管理单元（PMIC）的协同控制： 讲解如何通过软件编程动态配置PMIC进入低功耗模式（Sleep/Deep Sleep/Shutdown），并同步管理系统时钟门控（Clock Gating）和电源域切换，以实现毫瓦级甚至微瓦级的待机功耗目标。 --- 第三部分：实时操作系统（RTOS）的高级调度与资源管理（约 400 字） 摒弃对简单任务调度的介绍，本部分聚焦于复杂实时系统的并发控制和死锁预防。 1. 实时性保证与调度算法： 深入比较抢占式、协作式、以及固定优先级/动态优先级（如EDF，截止时间首次）调度算法的适用边界。重点分析优先级反转问题及其在信号量（Semaphore）和互斥锁（Mutex）中的解决方案（如优先级继承/天花板协议）。 2. 内存池与动态内存管理： 针对嵌入式系统内存碎片化问题，详细介绍内存池（Memory Pool）和固定块分配器的设计与实现，对比其与标准`malloc/free`在实时系统中的性能差异与风险评估。 3. 中断服务程序（ISR）与任务间通信： 强调ISR的设计原则——“快速退出”。介绍如何安全地通过消息队列（Message Queue）、事件标志（Event Flags）等机制，在中断上下文和高优先级任务之间传递信息，避免竞态条件。 4. 调试与性能分析工具： 介绍使用RTOS提供的内核感知调试工具（Kernel-aware Debugging），以及逻辑分析仪在追踪任务切换时序和验证中断延迟方面的实战技巧。 --- 第四部分：前沿技术：互联、安全与边缘智能（约 350 字） 本部分面向未来发展趋势，探讨嵌入式系统如何融入更宏大的网络环境。 1. 嵌入式网络协议栈： 不仅限于TCP/IP基础，更深入探讨轻量级物联网协议如MQTT、CoAP在资源受限设备上的实现效率与安全扩展（TLS/DTLS握手开销）。讲解LwIP等嵌入式TCP/IP栈的内存优化配置。 2. 系统安全启动与固件保护： 探讨信任根（Root of Trust）的概念，以及如何利用硬件安全模块（HSM）或安全启动（Secure Boot）流程来验证固件的完整性。讲解代码混淆、内存保护单元（MPU）在运行时防止代码注入和越界访问的应用。 3. 边缘计算与模型部署： 介绍TensorFlow Lite for Microcontrollers (TFLite Micro) 等框架，指导读者如何将优化后的机器学习模型（如TinyML）移植到资源受限的微控制器上运行。重点在于模型量化（Quantization）对推理速度和内存占用的影响。 4. 系统集成与CI/CD： 介绍如何将版本控制（Git）、自动化构建（CMake/Bazel）和持续集成（Jenkins/GitLab CI）流程引入嵌入式项目，确保多模块、跨平台项目的质量稳定性和快速迭代能力。 --- 总结： 本书旨在提供一个知识的广度与深度的平衡，它不是一本针对特定考试的复习手册，而是一本面向真实世界工程挑战的参考与实践手册。读者通过本书的学习，将能够独立进行复杂的、面向性能和可靠性的嵌入式系统架构设计与实现工作。
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