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出版者:Prentice Hall

作者:Muhammad Ali Mazidi

出品人:

页数:435

译者:

出版时间:1999-11-11

价格:USD 130.60

装帧:Hardcover

isbn号码:9780138610227

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精密控制的艺术：现代嵌入式系统设计与实现 深入探索实时系统的核心与未来 本书旨在为工程师、高级技术学生以及对底层硬件交互充满热情的专业人士提供一个全面、深入且极具实战指导意义的框架，用以理解和掌握当代嵌入式系统设计的复杂性与前沿技术。我们聚焦于构建高效、可靠、低功耗的智能设备，涵盖从系统架构选择到软件优化的全过程。 第一部分：嵌入式系统基石与架构选择 本部分将为读者构建坚实的理论基础，理解嵌入式系统的基本构成要素、设计范式及其演进历程。 第一章：嵌入式系统概论与范式转变 定义与边界： 明确嵌入式系统（ES）与通用计算系统（GCS）的核心区别，探讨其在特定任务、资源限制和可靠性要求上的独特挑战。 系统生命周期： 详细解析嵌入式产品从需求分析、硬件选型、固件开发、集成测试到部署维护的完整流程。重点讨论瀑布模型、迭代模型以及敏捷方法在资源受限环境下的适应性。 架构演进： 追踪从简单的微控制器单元（MCU）到复杂的片上系统（SoC）的发展轨迹。分析多核异构架构（如ARM Cortex-A/R/M系列混合使用）兴起的原因及其带来的设计机遇。 关键约束分析： 深入剖析功耗预算、实时性要求（硬实时与软实时）、成本控制和内存足迹对架构决策的决定性影响。 第二章：高性能微处理器与片上系统（SoC）深入解析 本章将超越基础概念，剖析现代高性能嵌入式处理器的内部机制。 指令集架构（ISA）的对比与选择： 详细比较精简指令集（RISC，如ARMv8-A）与复杂指令集（CISC）的优劣，重点分析现代RISC-V架构在定制化和开放性方面的崛起。 流水线、乱序执行与缓存层次结构： 深入讲解现代CPU如何通过深度流水线、分支预测和多级缓存（L1/L2/L3）来提升吞吐量，并讨论如何针对嵌入式应用（如I/O密集型任务）进行缓存优化策略。 内存管理单元（MMU）与保护： 探讨MMU在实现操作系统隔离、虚拟内存管理中的作用，并区分需要MMU的复杂系统（如运行Linux的应用处理器）与通常使用内存保护单元（MPU）的资源受限系统。 片上外设集成： 分析SoC中常见的关键功能块，包括高速串行接口（PCIe, USB 3.x）、图形处理单元（GPU/DSP）以及专用的加速器模块（如AI/ML推理引擎）。 第二部分：实时操作系统与并发管理 本部分是理解现代嵌入式软件复杂性的核心，侧重于任务调度、资源同步和确定性响应。 第三章：实时操作系统（RTOS）的原理与实践 调度算法的精细化： 详述固定优先级（如Rate Monotonic Analysis, RMA）与动态优先级（如Earliest Deadline First, EDF）调度算法的数学原理、适用场景及抖动分析。 内核结构与上下文切换： 剖析RTOS内核的关键组件，如任务控制块（TCB）、中断服务例程（ISR）与线程的差异，以及上下文切换的性能开销。 资源同步机制的陷阱： 深入分析互斥锁（Mutex）、信号量（Semaphore）和消息队列在避免竞争条件中的应用。特别强调优先级反转（Priority Inversion）问题及其解决方案（如优先级继承协议 PIP）。 选型与移植： 评估主流RTOS（如FreeRTOS, Zephyr, VxWorks）的特性，并指导读者完成RTOS在特定硬件平台上的移植和启动过程。 第四章：高级并发控制与确定性编程 本章关注如何在确保系统确定性的前提下，利用多核和多线程来提高响应速度。 时间分区与时间片分配： 探讨如何使用时间触发（Time-Triggered）和事件触发（Event-Triggered）架构来设计高度可预测的系统。 无锁数据结构（Lock-Free Data Structures）： 介绍使用原子操作（Atomic Operations）和内存屏障（Memory Barriers）来实现高性能、无阻塞的队列和栈，适用于需要极低延迟的场景。 中断处理与延迟分析： 详细讲解中断延迟（Interrupt Latency）和中断抖动（Jitter）的测量方法，并指导如何将长时间运行的代码从ISR中安全地迁移到专用线程。 Watchdog与故障恢复： 设计健壮的故障监控机制，包括窗口式看门狗（Windowed Watchdog）和系统自检（POST/BIST）在嵌入式环境中的实现。 第三部分：硬件接口、驱动开发与低功耗设计 本部分侧重于软件与物理世界的交互层，是实现设备功能的关键。 第五章：设备驱动模型与总线通信 驱动程序的分层设计： 阐述设备驱动应如何抽象硬件细节，提供统一的接口给上层应用（如字符设备、块设备、网络设备模型）。 复杂总线协议实践： 深入研究SPI、I2C、CAN FD和高速以太网的硬件特性、时序图和软件实现细节。重点讨论DMA（直接内存访问）在减少CPU负载和提高数据吞吐量中的作用。 内存映射与I/O操作： 讲解如何通过内存映射寄存器（MMIO）安全地访问和配置片上外设，并探讨内存保护（如eXecute Never, NX bit）对驱动代码的影响。 第六章：能源效率与系统级功耗管理 在物联网（IoT）和电池供电设备日益普及的今天，功耗管理已成为设计的核心竞争力。 功耗模型分析： 建立基于工作负载、电压频率调节（DVFS）和时钟门控（Clock Gating）的系统级功耗模型。 动态电压和频率调节（DVFS）： 探讨如何根据实时负载需求动态调整CPU频率和工作电压，实现性能与能耗的最佳平衡。 低功耗模式与唤醒源： 详述深度睡眠（Deep Sleep）、休眠（Hibernate）等模式的实现，以及如何高效利用外部中断、定时器或低功耗唤醒源来最小化系统静默功耗。 电源域隔离与热管理： 在多核异构系统中，如何对不同的电源域进行独立管理，并结合热敏电阻和散热算法，确保系统在极限温度下的稳定运行。 第四部分：验证、测试与安全强化 高效的嵌入式开发离不开严格的验证和对安全威胁的防御。 第七章：集成测试与量化验证方法 硬件在环（HIL）与软件在环（SIL）仿真： 介绍如何利用虚拟环境和硬件在环测试平台来模拟传感器输入和执行器响应，从而在早期阶段发现集成错误。 覆盖率与可追溯性： 讨论嵌入式代码的单元测试、集成测试策略，并强调如何使用可追溯性矩阵确保所有需求都经过了充分的测试覆盖。 实时性能分析： 介绍使用逻辑分析仪、示波器和专用探针来测量系统时间性能的技术，以及如何诊断间歇性的时序错误。 第八章：嵌入式系统安全（Security）基础 信任根（Root of Trust, RoT）： 探讨如何在硬件层面建立不可篡改的启动验证链，如使用OTP/eFuses和安全启动（Secure Boot）流程。 固件更新与完整性保护： 设计安全的OTA（Over-The-Air）更新机制，包括A/B分区策略、加密签名验证和回滚保护。 运行时安全： 讨论内存保护技术（如Stack Canaries, ASLR在嵌入式中的受限应用）以及沙箱技术在隔离不受信任代码模块中的应用。 本书通过大量的实际案例、流程图和代码片段，指导读者将理论知识转化为稳定、高性能的工业级产品。通过对系统底层原理的深入理解，读者将能够驾驭下一代智能、互联设备的复杂挑战。

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这本书的名字叫做《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》，虽然我还没有机会深入翻阅，但仅仅从它所传达出的专业性和潜在的实用性来看，我就已经对它充满了期待。我一直对微控制器领域有着浓厚的兴趣，尤其是在接触了一些基础的嵌入式开发项目后，我更加渴望能够系统地学习8051这种经典且应用广泛的微控制器。我常常思考，为什么在如今这个高度发达的电子时代，8051仍然占据着重要的地位，它究竟有哪些独特的优势，又能在哪些领域发挥不可替代的作用？这本书的名字本身就暗示了它不仅仅是讲解8051的架构和指令集，更重要的是会深入探讨如何将8051应用于实际的嵌入式系统中，这对于我这样想要从理论走向实践的学习者来说，无疑是至关重要的。我非常希望书中能够详细阐述8051在各种常见嵌入式应用场景下的设计思路和实现方法，比如工业控制、家用电器、汽车电子，甚至是物联网设备。我期待着能够了解到如何根据不同的应用需求，选择合适的8051衍生型号，如何进行硬件接口设计，以及如何编写高效、可靠的嵌入式固件。另外，这本书的副标题“The”也让我猜测它可能不仅仅是介绍，而是会以一种权威、全面的视角来剖析8051微控制器及其相关的嵌入式系统知识，或许会包含一些作者独到的见解和经验分享，这对于拓宽我的知识视野，提升我的专业素养，将有着非凡的意义。我尤其关注那些能够帮助我理解“为什么”的书籍，而非仅仅停留在“是什么”的层面。比如，书中会不会解释8051的指令流水线是如何工作的，它的中断系统是如何设计的，以及它与其他微控制器在性能和功耗上的对比和取舍，这些细节的深入讲解，将有助于我建立起对8051更深层次的理解。总而言之，我对于《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》抱有极高的期望，相信它将是我深入学习8051微控制器和嵌入式系统领域的宝贵财富。

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作为一个对嵌入式技术充满好奇的学生，我在学校的课程中接触到了8051微控制器，并且对它在众多电子产品中的应用感到非常着迷。《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》这本书名，让我感觉它能够为我揭开8051微控制器和嵌入式系统运作的神秘面纱。我特别希望书中能够从最基础的概念讲起，例如，8051到底是什么？它为什么会如此广泛地被应用？书中是否会详细解释8051的内部架构，包括它的CPU、内存、I/O端口以及各种定时器/计数器和中断源？我希望能够看到一些直观的图示和生动的比喻，帮助我理解这些抽象的概念。此外，我非常期待书中能够提供大量的实践操作指导。例如，如何使用开发板进行8051的编程，如何下载程序到芯片中，以及如何进行简单的实验，比如控制LED的亮灭、读取按键的状态。我希望书中能够提供完整的代码示例，并且解释每一行代码的作用，让我能够边学边练，真正掌握8051的编程技巧。更重要的是，我希望这本书能够引导我理解“嵌入式系统”的含义，不仅仅是单单一个微控制器，而是如何将它与其他电子元器件、传感器、执行器等组合起来，构成一个能够完成特定功能的完整系统。我希望通过这本书，能够让我对嵌入式系统设计有一个初步但全面的认识，并为我今后深入学习和探索这个领域打下坚实的基础。

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这本书，《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》，这个标题本身就充满了吸引力，它预示着一本能够系统性地讲解8051微控制器及其在嵌入式系统应用方面的深度著作。我一直以来对8051这款经典微控制器都充满了敬意，因为它不仅是许多工程师学习嵌入式开发的入门选择，更是无数成熟产品的核心驱动。然而，我常常感到，尽管我能够理解8051的基本指令和工作原理，但在将它集成到实际的嵌入式系统中时，总会遇到一些瓶颈。我非常期待这本书能够填补我在系统集成和应用开发方面的知识空白。我希望书中能够详细探讨8051在各种典型嵌入式应用场景下的设计考量，例如，如何根据项目需求进行硬件选型，如何设计高效的通信接口，以及如何进行嵌入式软件的优化以满足实时性和功耗的要求。我特别关注书中关于8051与其他外设（如LCD显示屏、键盘、传感器、存储器）的接口设计和驱动开发。此外，对于嵌入式系统的调试和测试，我也有着迫切的需求。我希望书中能够提供一些实用的调试技巧和工具使用方法，例如，如何利用仿真器进行代码调试，如何进行嵌入式系统的性能分析。我相信，这本书能够帮助我从一个微观的芯片学习者，成长为一个能够构建完整、高效嵌入式系统的工程师。

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这本书的名字，《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》，一眼望去，就透露出一种信息：这不单单是一本关于某个特定芯片的说明手册，而是一本致力于讲解如何将这个芯片集成到实际运行的“系统”中的著作。我最近正在负责一个需要用到8051的项目，在设计过程中，我发现仅仅了解8051的datasheet是不够的，更重要的是理解它在整个嵌入式系统中所扮演的角色，以及如何与其他组件协同工作。这本书的出现，恰恰能填补我在这方面的知识空白。我期待书中能够详细剖析8051在不同应用领域中的典型系统架构，比如在工业自动化领域，它可能需要与PLC、传感器网络、人机界面等进行复杂的交互；而在消费电子领域，它可能需要考虑成本、体积和用户体验等因素。我特别想了解书中是如何处理8051的 I/O 口的扩展，如何设计高效的串行通信接口，以及如何管理内存和中断。此外，我对于书中在嵌入式软件开发方面的论述也抱有浓厚的兴趣。例如，如何根据项目需求选择合适的开发工具链（如C语言编译器、汇编器、调试器），如何进行代码优化以提高执行效率和降低功耗，以及如何进行嵌入式系统的测试和验证。我更希望能看到一些关于嵌入式实时操作系统（RTOS）在8051上的应用，哪怕是轻量级的RTOS，也能极大地提升系统的可维护性和可扩展性。我相信，这本书将为我提供一个从宏观到微观、从硬件到软件的全方位视角，帮助我更从容地应对实际的嵌入式系统开发挑战。

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作为一名在大学里教授微控制器课程的教师，我一直在寻找一本能够真正引导学生理解8051微控制器核心原理并培养他们实际动手能力的教材。《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》这个书名，听起来就充满了学术的严谨性和工程的实用性，这正是我对理想教材的追求。我非常希望这本书能够不仅仅是枯燥的指令集和寄存器介绍，而是能够通过生动有趣的例子，深入浅出地讲解8051的工作原理，例如它的时序、总线结构、中断机制以及各种外设接口的设计理念。我希望书中能够包含丰富的电路图和代码示例，能够清晰地展示如何将8051与各种传感器、执行器、通信模块等连接起来，并编写相应的控制程序。更重要的是，我期待这本书能够引导学生思考“为什么”要这样做，而不是仅仅“怎么做”。比如，为什么8051采用这种架构？它在设计上有什么权衡？不同的指令周期会对程序执行产生什么影响？在设计嵌入式系统时，如何权衡成本、性能和功耗？这些深层次的思考，对于培养学生的创新能力和解决问题的能力至关重要。我希望书中能够涵盖一些更高级的主题，例如实时操作系统的概念及其在8051上的实现，或者如何利用8051进行低功耗设计，甚至是如何进行简单的FPGA与8051的协同设计。我相信，一本优秀的教材，能够激发学生对微控制器和嵌入式系统的兴趣，并为他们未来的学习和职业生涯打下坚实的基础。

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这本书的出版，对于我这个在嵌入式开发领域摸爬滚打多年的工程师来说，就像是沙漠中的甘泉，带来了久违的理论与实践结合的解决方案。我常常在项目开发过程中遇到一些瓶颈，尤其是在处理复杂的数据采集、实时控制以及与其他硬件模块的协同工作时，总感觉对8051的理解还不够深入，未能完全发挥其潜力。这本书的名字《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》触及了我最核心的需求，它不仅仅局限于8051微控制器本身的架构，更强调了“嵌入式系统”这一更广泛的概念，这正是我所需要的，能够将微控制器这一核心部件置于整个系统设计的宏观视角下进行审视。我期待着书中能够提供一系列精心设计的案例研究，能够涵盖从简单的LED闪烁到复杂的实时操作系统移植，甚至是如何利用8051构建一个小型物联网节点。我特别希望看到书中能够详细讲解在实际嵌入式系统设计中，如何进行功耗优化、如何处理电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）、以及如何确保系统的稳定性和可靠性。这些在理论教材中往往被一带而过的细节，恰恰是我们在实际工作中面临的最大挑战。此外，我对书中关于软件开发流程的阐述也充满好奇，比如如何进行模块化设计，如何有效地进行单元测试和集成测试，以及如何利用调试工具来定位和解决复杂的软件bug。我相信，这本书的深度和广度，能够帮助我跳出固有的思维模式，以更系统、更专业的角度来理解和驾驭8051微控制器及其在嵌入式系统中的应用，从而在未来的项目开发中取得更大的突破。

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这本书的名字，《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》，就如同在广阔的嵌入式系统海洋中，给我指明了一个清晰而重要的方向。我从事嵌入式软件开发已有数年，期间虽然接触过不少微控制器，但8051始终是我绕不开的一个技术节点。我常常在思考，为什么在经历了数十年的技术革新后，8051依然在许多领域拥有着不可替代的地位？它究竟蕴含着怎样的设计智慧，使其能够经久不衰？我非常期待这本书能够深入剖析8051在各种嵌入式系统设计中的实际应用策略。比如，书中会如何阐述8051在低功耗设备中的优化方案？它又会如何讲解8051如何与外部存储器进行高效的数据传输，以满足日益增长的数据处理需求？我尤其关注书中在嵌入式软件架构设计方面的论述，例如，如何进行模块化的代码编写，如何有效地管理中断，以及如何实现高效的任务调度。此外，我对于书中关于嵌入式系统测试和调试的探讨也充满期待。在实际的开发过程中，定位和解决bug常常是耗时且充满挑战的环节，如果书中能够提供一些行之有效的调试技巧和方法论，那将对我有着极大的帮助。我希望这本书能够超越理论的束缚，更侧重于实际的工程应用，能够让我从不同的角度去理解8051，并发现它在当今复杂多变的嵌入式系统设计中所能扮演的新角色。

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当我看到《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》这个书名时，我的脑海里立刻浮现出无数个与嵌入式系统相关的场景。作为一名长期在工业自动化领域工作的工程师，我深知8051在许多嵌入式设备中扮演着核心控制器的角色，从简单的工业仪表到复杂的生产线控制器，它的身影无处不在。然而，在实际应用中，我们常常会遇到一些棘手的挑战，例如如何优化8051的实时性能，如何保证其在恶劣工业环境下的稳定运行，以及如何与大量的外部传感器和执行器进行高效的数据交换。我非常期待这本书能够提供一些实用的解决方案和设计指南。我希望书中能够详细介绍8051在各种工业应用中的典型架构，包括其在传感器网络构建、数据采集与处理、电机控制、以及通信协议实现等方面的应用。我尤其关注书中关于8051与其他工业通信协议（如Modbus、CAN bus）的接口设计和实现方法。此外，对于嵌入式系统的可靠性和安全性，我也是非常重视的。我希望书中能够探讨一些关于8051嵌入式系统的故障诊断、错误处理以及安全加固的策略。如果书中还能包含一些关于8051与FPGA协同工作的案例，那将对我来说是巨大的福音，因为这能帮助我解决一些对性能和实时性要求极高的应用场景。总之，我希望这本书能够成为我解决实际工程问题的宝贵参考，让我能够更深入地理解和应用8051技术，并在工业自动化领域取得更大的成就。

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在我的职业生涯中，8051微控制器无疑扮演了一个非常重要的角色，它是许多嵌入式项目的基石。然而，随着项目复杂度的不断提升，我对8051的理解也需要更上一层楼。《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》这本书名，精确地概括了我所需要的知识领域：从微控制器的底层原理，到它在复杂系统中的集成与应用。我尤其期待书中能够提供一些超越基础教程的深入探讨。例如，关于8051的时钟系统和电源管理，书中会如何阐述其工作机制以及优化方法？它又会如何讲解8051在多任务环境下，如何通过中断和定时器来实现精确的时间控制和任务切换？我非常希望书中能够包含一些实际的案例分析，能够展示8051在不同行业（如医疗设备、汽车电子、智能安防）中的具体应用，以及在这些应用中遇到的挑战和解决方案。此外，我对书中关于嵌入式软件架构的讨论也充满兴趣。例如，如何构建可重用、可维护的嵌入式软件模块？如何进行嵌入式系统的性能评估和优化？如果书中还能涉及到一些关于8051与其他处理器协同工作的场景，比如如何构建一个简单的ARM+8051的混合系统，那将是锦上添花。总而言之，我希望这本书能够提供一个全面、深入且实用的视角，帮助我将8051的理论知识转化为解决实际工程问题的能力。

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在我接触电子和编程的早期，8051就是一个绕不开的名字，它就像微控制器世界里的“老大哥”，虽然技术更新换代如此之快，但它的身影依然活跃在很多地方。而《8051 Microcontroller and Embedded Systems, The》这个书名，给我的感觉是，它不仅仅是陈列8051的各种技术规格，而是试图揭示它背后更深层次的“系统”逻辑。我一直对8051那种麻雀虽小五脏俱全的设计哲学感到着迷，它的精简和高效，在某些场景下甚至是无与伦比的。我非常希望这本书能从“系统”的角度，去阐释8051是如何被集成到各种复杂的应用中的。比如，它会如何解释8051在构建一个智能家居控制中心时，如何与各种传感器（温度、湿度、光照）、执行器（继电器、电机）、以及通信模块（Wi-Fi、蓝牙）进行无缝对接？书中是否会深入探讨，在这些系统中，8051的功耗管理策略是如何制定的？它又是如何处理不同优先级的中断请求，以确保系统的实时响应能力？我特别期待书中能够包含一些前沿性的讨论，例如，如何将8051与其他更强大的处理器（如ARM）进行异构计算，或者如何利用8051进行简单的机器学习推理。这些话题，对于拓宽我的视野，让我看到8051在未来嵌入式系统中的潜在发展方向，至关重要。我相信，一本真正优秀的关于8051和嵌入式系统的书籍，应该能够教会读者“思考”，而不仅仅是“记忆”，它应该能够点燃读者对这个领域的探索热情。

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